高周波誘導炉および固体溶融方法
【課題】熱効率の高い高周波誘導炉および固体溶融方法を提供する。
【解決手段】高周波誘導炉１０は、絶縁性材料または誘電性材料からなり、被溶融固体を収容する溶融容器１１と、溶融容器１１の周囲を囲むように配置された高周波コイル１２と、導電性材料からなり、溶融容器１１の中心に配置され、高周波コイル１２に所定周波数の電流を流した際の電磁誘導により発熱する筒状の加熱体１３とを具備する。加熱体１３の外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされている。被溶融固体５０は、溶融容器１１の内周壁面と加熱体１３の外周壁面との間の空間および加熱体１３の内側の空間に投入され、溶融される。
【解決手段】高周波誘導炉１０は、絶縁性材料または誘電性材料からなり、被溶融固体を収容する溶融容器１１と、溶融容器１１の周囲を囲むように配置された高周波コイル１２と、導電性材料からなり、溶融容器１１の中心に配置され、高周波コイル１２に所定周波数の電流を流した際の電磁誘導により発熱する筒状の加熱体１３とを具備する。加熱体１３の外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされている。被溶融固体５０は、溶融容器１１の内周壁面と加熱体１３の外周壁面との間の空間および加熱体１３の内側の空間に投入され、溶融される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波誘導炉および固体溶融方法に関し、特に、アスベスト含有廃棄物等を溶融してガラス化させるために用いられる高周波誘導炉および固体溶融方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アスベスト(石綿）は天然に産出する鉱物であり、安価で、耐熱性，耐摩耗性，耐薬品性等に優れており、セメントや樹脂等への配合も容易であることから、従来、建材用途を中心に広く用いられてきた。
【０００３】
しかし、アスベストの微細な針状繊維（結晶）は、呼吸を通じて人間の肺に取り込まれると、数十年の時間を経て、肺ガンや中皮腫等の病気を引き起こすことが明らかとなった。
【０００４】
そのため、近時、既存の建築物から吹き付け塗装されたアスベストやアスベスト含有スレート材等を撤去する工事が随所で行われていることが周知の通りである。また、今後、アスベスト建材を用いた建築物が構造寿命を迎えるために、大量のアスベスト含有廃棄物が発生することは明らかであり、このようなアスベスト含有廃棄物を無害で有用な材料として再生する必要がある。
【０００５】
その１つの方法として、アスベスト含有廃棄物をガラス化する方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。これはアスベストの主成分が珪酸ガラスの主成分でもある二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であることに着目したものであり、アスベストの繊維形状は溶融によって不定形化される。また、ガラスは組成の調整範囲が広く、所望の特性を有するガラスへの成分調整も容易であるという特徴がある。
【０００６】
アスベスト含有廃棄物を溶融してガラス化させるための溶融装置として、省エネルギーで高温への加熱が容易な高周波誘導炉を用いることが提案されている。
【０００７】
しかしながら、一般的な高周波誘導炉は、アスベスト含有廃棄物を投入する容器自体を誘導加熱するか、または容器の内部に容器の内周にそって金属製の筒体を配置する外熱式であり、熱効率が高くない。
【０００８】
これに対して、アスベスト含有廃棄物を投入する容器の中央部に、円柱状の導電性材料からなる加熱体を配置した内熱式のものが提案されているが、このような加熱体は、主にその表面近傍でしか発熱しないために、熱効率は高いとは言い難い（例えば、特許文献２，３参照）。
【特許文献１】特開２００５−２７９５８９号公報(段落［００１４］，［００１５等］
【特許文献２】特開平７−２０２８８号公報（段落［０００７］、第１図等）
【特許文献３】特許第３６０２０３９号公報（段落［００２４］、第１図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、熱効率の高い高周波誘導炉および固体溶融方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、第１発明として、絶縁性材料または誘電性材料からなり、被溶融固体を収容する溶融容器と、前記溶融容器の周囲を囲むように配置された高周波コイルと、導電性材料からなり、前記溶融容器の中心に配置され、前記高周波コイルに所定周波数の電流を流した際の電磁誘導により発熱する筒状の加熱体を具備する高周波誘導炉であって、前記加熱体の外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされていることを特徴とする高周波誘導炉が提供される。
【００１１】
この高周波誘導炉は、加熱体を回転させる回転機構をさらに具備する構成とすることが好ましい。
【００１２】
本発明は第２発明として、絶縁性材料または誘電性材料からなる溶融容器の内部に導電性材料からなる筒状の加熱体を収容し、前記溶融容器の周囲を囲むように高周波コイルを配置し、前記溶融容器の内周壁面と前記加熱体の外周壁面との間の空間および前記加熱体の内側の空間に被溶融固体を投入し、前記高周波コイルに所定周波数の電流を流すことによって前記加熱体を高周波誘導加熱し、前記被溶融固体を溶融することを特徴とする固体溶融方法が提供される。
【００１３】
この固体溶融方法においては、加熱体として上記第１発明に用いられる加熱体が好適に用いられ、加熱体を回転させながら前記被溶融固体を溶融することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱効率の高い高周波誘導炉が実現され、省エネルギーでの固体溶融を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１に高周波誘導炉１０の概略構造を表した断面図を示す。この高周波誘導炉１０は、ガラス原料たる被溶融固体５０を収容する溶融容器１１と、溶融容器１１の周囲を囲むように配置された高周波コイル１２と、溶融容器の中心に配置された筒状の加熱体１３と、加熱体１３を昇降，回転させる昇降回転機構１４と、溶融容器１１と高周波コイル１２を保持するステージ１５とを備えている。
【００１６】
被溶融固体５０としては、アスベスト等の固体廃材とそのガラス化のための添加物が挙げられる。添加物は、固体廃材のガラス化を低温化させたり、所望の機能が得られるように組成を調整したりするためのものであり、具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属，ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），シリコン（Ｓｉ），リン（Ｐ）等の化合物や酸化物，水酸化物，炭酸塩等が用いられる。
【００１７】
被溶融固体５０は、溶融容器１１の内周壁面と加熱体１３の外周壁面との間の空間および加熱体１３の内側の空間に投入され、これらの空間において溶融されることとなる。高周波誘導炉１０は、所謂、バッチ式加熱炉であって、被溶融固体５０は図示しないホッパー等によって溶融容器１１に投入される。
【００１８】
溶融容器１１は、製造されるガラスに対する耐食性に優れた絶縁性材料または誘電性材料で構成され、より好ましくは被溶融固体のガラス化による温度変化に対する耐熱衝撃性に優れる材料で構成される。溶融容器１１としては、例えば、アルミナ坩堝等を用いることができる。
【００１９】
溶融容器１１はステージ１５に固定されている。加熱体１３を溶融容器１１の上空に待避させた状態において溶融容器１１を傾けることによって、その内部に生成させた溶融ガラスを流し出すことができるように、ステージ１５は回動機能を備えている。
【００２０】
高周波コイル１２の構造は特に限定されないが、例えば、銅製のチューブを所定巻き数で螺旋状に捲回した構造とすることができる。高周波コイル１２には図示しない高周波電源に接続されている。
【００２１】
加熱体１３は、金属またはカーボン等の導電性材料であって、生成するガラスに対する耐食性に優れる（つまり、ガラスの成分として溶け出さない）材料で構成される。金属を用いる場合、例えば、ステンレス等を用いることができる。高周波コイル１２に所定周波数の電流を流した際の電磁誘導（高周波誘導）により発熱し、この熱を利用して、被溶融固体５０を溶融し、ガラス化させる。
【００２２】
昇降回転機構１４は、加熱体１３に連結される枢軸１７と、枢軸１７を回転させるモータ１６と、モータ１６を昇降させる昇降機構１８とを備えており、モータ１６の昇降にしたがって加熱体１３も昇降する。加熱体１３と枢軸１７とは、複数本の連結棒１９により連結されている。
【００２３】
高周波誘導炉１０によるガラス作製は、概略、以下の工程で行われる。最初に、一定量の被溶融固体５０を溶融容器１１の内周壁面と加熱体１３の外周壁面との間の空間および加熱体１３の内側の空間に投入する。高周波誘導炉１０は、内熱式でありながら、外熱式と同等に溶融容器１１の容積を無駄なく使用することができる。続いて、高周波コイル１２に所定周波数の電流を流すことによって加熱体１３を高周波誘導加熱する。これにより加熱体１３と接触している被溶融固体５０から溶融が始まる。
【００２４】
加熱体１３の回転は、加熱体１３近傍の被溶融固体５０が溶解して、その回転を容易に行うことができる状態になったときから始めることができる。加熱体１３の回転により、被溶融固体５０の溶融により生成した溶融ガラスを撹拌し、溶融を促進するとともに、生成するガラスの組成を均一にすることができる。加熱体１３の回転数は、溶融ガラスに気泡が取り込まれない回転数に抑えることが好ましい。
【００２５】
被溶融固体５０の溶融の進行とともに、適宜、被溶融固体５０を追加して溶融させることも好ましい。一定時間の溶融処理の後に、加熱体１３を溶融容器１１から引き上げて、ステージ１５を回動させて溶融容器１１を傾け、生成した溶融ガラスを離型性のよい鋳型等に流し出す。この鋳型等を所定温度に保持して焼き鈍し（アニール）を行い、その後、室温へ冷却することで、一定形状のガラスを得ることができる。得られたガラスには、用途により、さらに所定の加工が施される。
【００２６】
次に、高周波誘導炉１０の構成部材である加熱体１３についてより詳細に説明する。加熱体１３の外半径をｒ（ｍ）、肉厚をｔ（ｍ）とし、表皮厚さをδ（ｍ）としたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされている。
【００２７】
なお、表皮厚さδは、周知の通り、渦電流密度が加熱体表面の１／ｅ、すなわち、約３７％に減少する厚さであり、高周波誘導加熱のために高周波コイル１２に流す電流の周波数をｆ（Ｈｚ），加熱体１３の透磁率をμ０（Ｎ／Ａ２），加熱体１３の導電率をσ（Ｓ／ｍ（＝Ａ２／ｍ２・Ｎ））とすると（１）式の通りに表される。
【数１】
【００２８】
このような加熱体１３の形状を特定するために、最初に、高周波誘導炉１０を模したジュール熱測定装置を用いて加熱体１３の形状と発生するジュール熱との関係を調べた結果について、以下に説明する。
【００２９】
図２にそのジュール熱測定装置３０の概略構造を表した断面図を示す。このジュール熱測定装置３０は、上面に細く絞られた開口部を備え、底面は開口しており、内部の熱が外部に拡散しないように中空構造を有し、その中空部が真空状態に保持されているガラス管３１と、ガラス管３１の底面を液密に塞ぎ、ガラス管３１の内部に水を導入するための給水管３３が中央部に配設された底板３２と、ガラス管３１内に収容されるように底板３２に立設され、多数箇所に穴部３４ａが形成された円筒状の架台３４と、架台３４に支持された円筒状の加熱体３５と、ガラス管３１の開口部に取り付けられた排水管３６と、加熱体３５の外延位置においてガラス管３１の周囲を囲むように配置された高周波コイル３７を備えている。
【００３０】
また、ガラス管３１の内部に供給する水の温度を測定するための熱電対３８ａが給水管３３の下流位置に、ガラス管３１から排出される水の温度を測定するための熱電対３８ｂが排水管３６の上流位置にそれぞれ配置されている。
【００３１】
このジュール熱測定装置３０では、給水管３３を通してガラス管３１の内部に水を一定流速（流量）で供給しながら、高周波コイル３７に一定周波数の電流を流して加熱体３５を高周波誘導加熱する。ガラス管３１内に供給された水は、加熱体３５の内側を上昇しながら、また、架台３４に設けられた穴部３４ａを通してガラス管３１の内周壁面と架台３４および加熱体３５の外周壁面との間の空間に流出してその空間を上昇しながら、加熱体３５により加熱されて最終的に排水管３６から排出される。
【００３２】
ＴＩＮ（Ｋ）：ガラス管３１に供給される水の温度、ＴＯＵＴ（Ｋ）：ガラス管３１から排出される水の温度、ρ（ｇ／ｃｍ３）：水の密度、ｃｐ（Ｊ／ｇ・Ｋ）、水の比熱、Ｖ（ｃｍ３／ｓ）：水の流速とすると、ジュール熱ＷＣは（２）式で示される。
【数２】
【００３３】
ガラス管３１として、耐熱衝撃性ホウケイ酸塩ガラスからなり、内径φ８５ｍｍ・外形φ９０ｍｍ×高さ４００ｍｍの形状を有するものを用い、加熱体３５として、外径φ５０ｍｍ×高さ８０ｍｍ×厚さｔｍｍの円筒形ステンレスを用い、高周波コイル３７として、直径φ１０ｍｍの銅製チューブを１２回巻いて内径φ１１０ｍｍ×高さ１２０ｍｍとしたものを用い、印加電流の周波数を３０ｋＨｚとし、加熱体３５の厚さｔを種々に変えて、加熱体３５に発生するジュール熱ＷＣを測定した。また、比較のために、円筒状の加熱体３５と同じ外形を有する円柱状の加熱体を用いた場合のジュール熱ＷＣを測定した。
【００３４】
加熱体３５の厚さｔおよび上記（１）式から求めた表皮厚さδとの比ｔ／δと測定されたジュール熱ＷＣとの関係を求めた。また、Fujihisa，Taniguchiにより作成されたMIND−B3のElimination methodプログラムを用いた理論計算により、ジュール熱を計算した。これらの結果を図３に示す。
【００３５】
図３に示されるように、加熱体３５に発生するジュール熱ＷＣは、ｔ／δ＝０．１近傍で最大値をとるという結果が得られ、この最大値は、円柱状の加熱体を用いた場合の約３．６倍であった。また、ジュール熱ＷＣの測定結果は、計算値とよい一致を示した。
【００３６】
図４に総誘導電流および平均電流密度とｔ／δとの関係を示す。加熱体３５の厚さｔの減少に伴って、総誘導電流は小さくなっているが、平均電流密度は大きくなっている。これは誘導電流が加熱体３５の小さな断面に集中することが原因であり、それぞれについて勾配が変化している点（ｔ／δ）Ｃは、図３に示した最大ジュール熱ＷＣを示すｔ／δ値と一致する。
【００３７】
このことは、誘導抵抗という概念により、以下の通りに説明される。すなわち、加熱体３５を小さなコイルの集合体と仮定して、そのうちの１つのコイルに注目する。そのコイルに電流が流れると磁場が発生し、その磁場を打ち消そうと別のコイルに逆向きの磁場を誘起する渦電流が流れる。このような仮想小コイルどうしの相互作用により、加熱体３５に流れる渦電流は全体的少なくなる。これが誘導抵抗であり、誘導抵抗ＸＬは（３）式で示される。ここで、Ｌはインダクタンスである。
【数３】
【００３８】
この（３）式から誘導抵抗の作用は、周波数が大きいほど、すなわち（１）式からｔ／δが大きいほど強くなることがわかる。平均電流密度はｔ／δの減少に伴って増加しているが、点（ｔ／δ）Ｃ付近から収束している。この地点からは仮想小コイルの数自体が少なくなるために、相互作用が小さくなり、加熱体３５を流れる誘導電流の総量も低下する。これらの兼ね合いよって、ｔ／δ＝０．１近傍でジュール熱が最大値を取ったことが推測される。
【００３９】
このように加熱体３５で発生するジュール熱は、被加熱固体５０に依存するものではなく、高周波コイル３７と加熱体３５の構造に由来するものである。したがって、図３に示す結果は、円筒状の加熱体を用い、この加熱体の内側と外側とで被溶融固体を加熱する高周波誘導炉では、従来の円柱状の加熱体を用いた高周波誘導炉よりも、高い熱効率で被溶融固体を溶融させることができることを示しており、直接的に、高周波誘導炉１０の構成に適用することができる。
【００４０】
高周波誘導炉１０は、このような優れた熱効率により、従来と同じ大きさであれば処理能力が向上し、従来の処理量でよければ装置全体をコンパクトに構成することができるという利点がある。この効果は、溶融容器１１の容積を無駄なく使用して被溶融固体５０を溶融することができることによって、さらに顕著なものとなる。
【００４１】
なお、加熱体３５に発生するジュール熱ＷＣがｔ／δ＝０．１近傍で最大値をとるという結果は、後に説明するように、あくまで加熱体３５がステンレスである場合の結果であり、加熱体に別の材料を用いた場合にｔ／δが０．１近傍で最大値を取るとは限らない。
【００４２】
上記結果は、加熱体３５の直径を変化させた場合にも、ｔ／δの好適な値は不変であるか否かが、高周波誘導炉１０のスケールアップやスケールダウンに際して、極めて重要な問題となる。
【００４３】
これについて、（ｉ）加熱体の厚さｔ（ｍ）はその外半径ｒ（ｍ）に比べて薄く、ここでは、ｒ／ｔ＞４．５の条件が成り立っている、（ii）加熱体の電流密度は加熱体の断面全体で均一である、（iii）ｒ／δ＞２．２５またはｆＣ（Ｈｚ）以上の高周波数で成立している、（iv）加熱体の内側の磁界は高周波コイルに発生した磁界と誘導電流によって発生した磁界との差によって求められると仮定する。ここでｆＣ（Ｈｚ）は、加熱体の透磁率をμ０（Ｎ／Ａ２）として、（４式）で与えられる。
【数４】
【００４４】
その上で、ｈ：加熱体の高さ（ｍ）、Ａ：加熱体の断面積（ｍ２）、Ｈ：コイルが発生した磁界のｒ．ｍ．ｓ．値（Ａ／ｍ）、Ｈｉ：加熱体の内側の磁界のｒ．ｍ．ｓ．値（Ａ／ｍ）、Φ：磁束（Ｗｂ）、ω（＝２πｆ；ｒａｄ／ｓ）、ｊ（＝−１１／２）とすると、
加熱体周囲の起電力ｅは（５）式で、加熱体の抵抗Ωは、比抵抗をρ（Ωｍ）として（６）式で、誘導電流Ｉは（７）式でそれぞれ表される。
【数５】
【数６】
【数７】
【００４５】
Ｈｉは上記仮定（iv）によると（８）式で表される。
【数８】
【００４６】
ここで、γ，Ｔ，Ｒをそれぞれ（９）式の通りに定義し、ｔとｒをＴとＲで無次元化すると（１０）式の通りに表すことができる。
【数９】
【数１０】
【００４７】
上記（８）式は、このγを用いて表すと（１１）式となる。
【数１１】
【００４８】
したがって、ジュール熱Ｐ（Ｗ）は（１２）式で表される。
【数１２】
【００４９】
この（１２）式においてｔと関係がある部分は（１３）式の部分である。
【数１３】
【００５０】
外径φ５０ｍｍのステンレス製加熱体について、Ｒ＝８．３３３としてこの（１３）式をグラフ化したものを図５に示す。ジュール熱Ｐが最大となるときのＴの値（以下「臨界厚さＴＣ」という）は、ｄＰ／ｄＴ＝０，Ｔのときであるから、（１３）式から（１４）式が導かれ、さらに（１５）式の解が得られる。
【数１４】
【数１５】
【００５１】
臨界厚さＴＣは負の値を取ることはないので、最終的に、臨界厚さＴＣは（１６）式で示されることがわかり、先に（９）式の定義により、（１７）式が導かれる。
【数１６】
【数１７】
【００５２】
なお、先の仮定（ｉ）は（５）式に、仮定（ii）は（７）式にそれぞれ用いられており、仮定（iii）は数値解析の結果、明らかとなったものである。
【００５３】
例えば、前記Elimination methodプログラムによる数値解析では、加熱体がステンレスの場合には、ＴＣ＝ｔ／δ＝δ／ｒ＝０．１２≒０．１１〜０．１３との結果が得られており、これらはジュール熱測定装置３０を用いた上記試験結果とよい一致を示している。また、カーボン（黒鉛）の場合には、ＴＣ＝ｔ／δ＝δ／ｒ＝０．３６という結果が得られ、加熱体として用いる材料に応じて、適切な形状設定が必要なことがわかる。
【００５４】
次に、高周波誘導炉１０を用いて作製したガラスについて簡単に説明する。Ｘ線蛍光分光法（ＸＲＦ）による組成分析結果が表１で示されるアスベストに、融剤としてホウ酸ナトリウム（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）を、ガラスの網目形成成分として酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を適量添加したものを、１５００℃で１時間溶融した。溶融物を大気中で銅板上に流し出し、電気炉を用いて６５０℃でのアニールを１時間行った後、室温まで冷却することによって、ガラスを得た。
【表１】
【００５５】
作製したガラスは緑色に着色しており、添加物が多くなるとその色が薄くなる傾向を示した。また、作製したガラスの粉末Ｘ線回折チャートには、結晶相を示すピークは現れず、全体が非晶質化されていることが確認された。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による組織観察では、原料のアスベストには繊維状結晶が確認され、明瞭な電子線回折パターンが現れたが、作製したガラスには繊維状の組織を確認することはできず、電子線回折パターンもぼやけたものであったことから、アスベストからガラスへの無害化が達成されたと判断した。
【００５６】
作製したガラスについて、ヴィッカース硬度計を用いて測定したヴィッカース硬度を図７に、破壊靱性を図７にそれぞれ示す。一般的な窓ガラスのヴィッカース硬度は約４１００ＭＰａであり、破壊靱性は約０．７７ＭＰａ・ｍ１／２であるので、このようなガラスよりも高硬度、高靱性のガラスが得られることが確認された。
【００５７】
着色はアスベストに含まれる鉄（Ｆｅ）の影響が大きいと考えられるが、このような着色を積極的に用いる用途として、例えば、ワインのボトル（但し、衛生面での安全確認が必要とされる）や窓ガラス（ガラスを通して先方を確認することを妨げることが必要とされる場所等で用いられるもの），飾り窓，照明器具（例えば、背面に蛍光灯等が配置されるもので、店舗内で用いられるものや、集合施設などの床・歩道に設置されるもの）等が挙げられる。
【００５８】
示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて、Ｎａ２Ｂ４Ｏ７を添加して得られたガラスの熱的特性として、ガラス転移点Ｔｇ、結晶析出温度ＴＸ、最大発熱温度Ｔexo、融点Ｔｍを測定した。その結果を表２に示す。
【表２】
【００５９】
表２に示す結果から、Ｎａ２Ｂ４Ｏ７の添加量を増加させると融点が低下し、ガラス形成能は、１０％添加のときに最大となった。ヴィッカース硬度と破壊靱性も１０％添加の場合に向上していることから、表１に示した組成のアスベストのガラス化においてＮａ２Ｂ４Ｏ７を１０％程度添加することは、ガラスの融点を下げつつ、優れた物理的特性を得るために効果的な手段であることが確認された。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、被溶融固体として固体廃材を取り上げたが、高周波誘導炉は、新規な機能ガラスの開発にも当然に用いることができ、その場合には、被溶融固体として各種試薬が用いられる。
【００６１】
また、高周波誘導炉として、加熱体を昇降自在な構造としたが、加熱体の位置（高さ）を一定として、溶融容器とコイルを昇降させ、かつ、これらを傾斜させる構造としてもよい。さらに、加熱体とコイルを一体的に昇降させ、溶融容器とこれを保持したステージを回転，回動可能な構成としてもよい。
【００６２】
また、高周波誘導炉の構成は、図２に示したジュール熱測定装置と同様に構成してもよい。その場合、溶融容器の下側から被溶融固体を連続的に供給すると、溶融容器の下側では被溶融固体は固体の状態のままであり、加熱体の下端近傍で被溶融固体は溶融してガラス化し、その後、溶融容器上面から外部に排出する構造とすることができる。このような構成であっても、加熱体を枢軸と連結させて加熱体を回転させることにより、溶融ガラスを撹拌して、均一な組成のガラスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】高周波誘導炉の概略構造を示す断面図。
【図２】ジュール熱測定装置の概略構造を示す断面図。
【図３】測定されたジュール熱とｔ／δとの関係を示すグラフ。
【図４】総誘導電流，平均電流密度とｔ／δとの関係を示すグラフ。
【図５】理論計算によるジュール熱とｒ／δとの関係を示すグラフ。
【図６】作製したガラスのヴィッカース硬度と添加物量との関係を示すグラフ。
【図７】作製したガラスの破壊靱性と添加物量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６４】
１０…高周波誘導炉、１１…溶融容器、１２…高周波コイル、１３…加熱体、１４…昇降回転機構、１５…ステージ、１６…モータ、１７…枢軸、１８…昇降機構、１９…連結棒、３０…ジュール熱測定装置、３１…ガラス管、３２…底板、３３…給水管、３４ａ…穴部、３４…架台、３５…加熱体、３６…排水管、３７…高周波コイル、３８ａ・３８ｂ…熱電対、５０…被溶融固体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波誘導炉および固体溶融方法に関し、特に、アスベスト含有廃棄物等を溶融してガラス化させるために用いられる高周波誘導炉および固体溶融方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アスベスト(石綿）は天然に産出する鉱物であり、安価で、耐熱性，耐摩耗性，耐薬品性等に優れており、セメントや樹脂等への配合も容易であることから、従来、建材用途を中心に広く用いられてきた。
【０００３】
しかし、アスベストの微細な針状繊維（結晶）は、呼吸を通じて人間の肺に取り込まれると、数十年の時間を経て、肺ガンや中皮腫等の病気を引き起こすことが明らかとなった。
【０００４】
そのため、近時、既存の建築物から吹き付け塗装されたアスベストやアスベスト含有スレート材等を撤去する工事が随所で行われていることが周知の通りである。また、今後、アスベスト建材を用いた建築物が構造寿命を迎えるために、大量のアスベスト含有廃棄物が発生することは明らかであり、このようなアスベスト含有廃棄物を無害で有用な材料として再生する必要がある。
【０００５】
その１つの方法として、アスベスト含有廃棄物をガラス化する方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。これはアスベストの主成分が珪酸ガラスの主成分でもある二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であることに着目したものであり、アスベストの繊維形状は溶融によって不定形化される。また、ガラスは組成の調整範囲が広く、所望の特性を有するガラスへの成分調整も容易であるという特徴がある。
【０００６】
アスベスト含有廃棄物を溶融してガラス化させるための溶融装置として、省エネルギーで高温への加熱が容易な高周波誘導炉を用いることが提案されている。
【０００７】
しかしながら、一般的な高周波誘導炉は、アスベスト含有廃棄物を投入する容器自体を誘導加熱するか、または容器の内部に容器の内周にそって金属製の筒体を配置する外熱式であり、熱効率が高くない。
【０００８】
これに対して、アスベスト含有廃棄物を投入する容器の中央部に、円柱状の導電性材料からなる加熱体を配置した内熱式のものが提案されているが、このような加熱体は、主にその表面近傍でしか発熱しないために、熱効率は高いとは言い難い（例えば、特許文献２，３参照）。
【特許文献１】特開２００５−２７９５８９号公報(段落［００１４］，［００１５等］
【特許文献２】特開平７−２０２８８号公報（段落［０００７］、第１図等）
【特許文献３】特許第３６０２０３９号公報（段落［００２４］、第１図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、熱効率の高い高周波誘導炉および固体溶融方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、第１発明として、絶縁性材料または誘電性材料からなり、被溶融固体を収容する溶融容器と、前記溶融容器の周囲を囲むように配置された高周波コイルと、導電性材料からなり、前記溶融容器の中心に配置され、前記高周波コイルに所定周波数の電流を流した際の電磁誘導により発熱する筒状の加熱体を具備する高周波誘導炉であって、前記加熱体の外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされていることを特徴とする高周波誘導炉が提供される。
【００１１】
この高周波誘導炉は、加熱体を回転させる回転機構をさらに具備する構成とすることが好ましい。
【００１２】
本発明は第２発明として、絶縁性材料または誘電性材料からなる溶融容器の内部に導電性材料からなる筒状の加熱体を収容し、前記溶融容器の周囲を囲むように高周波コイルを配置し、前記溶融容器の内周壁面と前記加熱体の外周壁面との間の空間および前記加熱体の内側の空間に被溶融固体を投入し、前記高周波コイルに所定周波数の電流を流すことによって前記加熱体を高周波誘導加熱し、前記被溶融固体を溶融することを特徴とする固体溶融方法が提供される。
【００１３】
この固体溶融方法においては、加熱体として上記第１発明に用いられる加熱体が好適に用いられ、加熱体を回転させながら前記被溶融固体を溶融することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱効率の高い高周波誘導炉が実現され、省エネルギーでの固体溶融を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１に高周波誘導炉１０の概略構造を表した断面図を示す。この高周波誘導炉１０は、ガラス原料たる被溶融固体５０を収容する溶融容器１１と、溶融容器１１の周囲を囲むように配置された高周波コイル１２と、溶融容器の中心に配置された筒状の加熱体１３と、加熱体１３を昇降，回転させる昇降回転機構１４と、溶融容器１１と高周波コイル１２を保持するステージ１５とを備えている。
【００１６】
被溶融固体５０としては、アスベスト等の固体廃材とそのガラス化のための添加物が挙げられる。添加物は、固体廃材のガラス化を低温化させたり、所望の機能が得られるように組成を調整したりするためのものであり、具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属，ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ），シリコン（Ｓｉ），リン（Ｐ）等の化合物や酸化物，水酸化物，炭酸塩等が用いられる。
【００１７】
被溶融固体５０は、溶融容器１１の内周壁面と加熱体１３の外周壁面との間の空間および加熱体１３の内側の空間に投入され、これらの空間において溶融されることとなる。高周波誘導炉１０は、所謂、バッチ式加熱炉であって、被溶融固体５０は図示しないホッパー等によって溶融容器１１に投入される。
【００１８】
溶融容器１１は、製造されるガラスに対する耐食性に優れた絶縁性材料または誘電性材料で構成され、より好ましくは被溶融固体のガラス化による温度変化に対する耐熱衝撃性に優れる材料で構成される。溶融容器１１としては、例えば、アルミナ坩堝等を用いることができる。
【００１９】
溶融容器１１はステージ１５に固定されている。加熱体１３を溶融容器１１の上空に待避させた状態において溶融容器１１を傾けることによって、その内部に生成させた溶融ガラスを流し出すことができるように、ステージ１５は回動機能を備えている。
【００２０】
高周波コイル１２の構造は特に限定されないが、例えば、銅製のチューブを所定巻き数で螺旋状に捲回した構造とすることができる。高周波コイル１２には図示しない高周波電源に接続されている。
【００２１】
加熱体１３は、金属またはカーボン等の導電性材料であって、生成するガラスに対する耐食性に優れる（つまり、ガラスの成分として溶け出さない）材料で構成される。金属を用いる場合、例えば、ステンレス等を用いることができる。高周波コイル１２に所定周波数の電流を流した際の電磁誘導（高周波誘導）により発熱し、この熱を利用して、被溶融固体５０を溶融し、ガラス化させる。
【００２２】
昇降回転機構１４は、加熱体１３に連結される枢軸１７と、枢軸１７を回転させるモータ１６と、モータ１６を昇降させる昇降機構１８とを備えており、モータ１６の昇降にしたがって加熱体１３も昇降する。加熱体１３と枢軸１７とは、複数本の連結棒１９により連結されている。
【００２３】
高周波誘導炉１０によるガラス作製は、概略、以下の工程で行われる。最初に、一定量の被溶融固体５０を溶融容器１１の内周壁面と加熱体１３の外周壁面との間の空間および加熱体１３の内側の空間に投入する。高周波誘導炉１０は、内熱式でありながら、外熱式と同等に溶融容器１１の容積を無駄なく使用することができる。続いて、高周波コイル１２に所定周波数の電流を流すことによって加熱体１３を高周波誘導加熱する。これにより加熱体１３と接触している被溶融固体５０から溶融が始まる。
【００２４】
加熱体１３の回転は、加熱体１３近傍の被溶融固体５０が溶解して、その回転を容易に行うことができる状態になったときから始めることができる。加熱体１３の回転により、被溶融固体５０の溶融により生成した溶融ガラスを撹拌し、溶融を促進するとともに、生成するガラスの組成を均一にすることができる。加熱体１３の回転数は、溶融ガラスに気泡が取り込まれない回転数に抑えることが好ましい。
【００２５】
被溶融固体５０の溶融の進行とともに、適宜、被溶融固体５０を追加して溶融させることも好ましい。一定時間の溶融処理の後に、加熱体１３を溶融容器１１から引き上げて、ステージ１５を回動させて溶融容器１１を傾け、生成した溶融ガラスを離型性のよい鋳型等に流し出す。この鋳型等を所定温度に保持して焼き鈍し（アニール）を行い、その後、室温へ冷却することで、一定形状のガラスを得ることができる。得られたガラスには、用途により、さらに所定の加工が施される。
【００２６】
次に、高周波誘導炉１０の構成部材である加熱体１３についてより詳細に説明する。加熱体１３の外半径をｒ（ｍ）、肉厚をｔ（ｍ）とし、表皮厚さをδ（ｍ）としたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされている。
【００２７】
なお、表皮厚さδは、周知の通り、渦電流密度が加熱体表面の１／ｅ、すなわち、約３７％に減少する厚さであり、高周波誘導加熱のために高周波コイル１２に流す電流の周波数をｆ（Ｈｚ），加熱体１３の透磁率をμ０（Ｎ／Ａ２），加熱体１３の導電率をσ（Ｓ／ｍ（＝Ａ２／ｍ２・Ｎ））とすると（１）式の通りに表される。
【数１】
【００２８】
このような加熱体１３の形状を特定するために、最初に、高周波誘導炉１０を模したジュール熱測定装置を用いて加熱体１３の形状と発生するジュール熱との関係を調べた結果について、以下に説明する。
【００２９】
図２にそのジュール熱測定装置３０の概略構造を表した断面図を示す。このジュール熱測定装置３０は、上面に細く絞られた開口部を備え、底面は開口しており、内部の熱が外部に拡散しないように中空構造を有し、その中空部が真空状態に保持されているガラス管３１と、ガラス管３１の底面を液密に塞ぎ、ガラス管３１の内部に水を導入するための給水管３３が中央部に配設された底板３２と、ガラス管３１内に収容されるように底板３２に立設され、多数箇所に穴部３４ａが形成された円筒状の架台３４と、架台３４に支持された円筒状の加熱体３５と、ガラス管３１の開口部に取り付けられた排水管３６と、加熱体３５の外延位置においてガラス管３１の周囲を囲むように配置された高周波コイル３７を備えている。
【００３０】
また、ガラス管３１の内部に供給する水の温度を測定するための熱電対３８ａが給水管３３の下流位置に、ガラス管３１から排出される水の温度を測定するための熱電対３８ｂが排水管３６の上流位置にそれぞれ配置されている。
【００３１】
このジュール熱測定装置３０では、給水管３３を通してガラス管３１の内部に水を一定流速（流量）で供給しながら、高周波コイル３７に一定周波数の電流を流して加熱体３５を高周波誘導加熱する。ガラス管３１内に供給された水は、加熱体３５の内側を上昇しながら、また、架台３４に設けられた穴部３４ａを通してガラス管３１の内周壁面と架台３４および加熱体３５の外周壁面との間の空間に流出してその空間を上昇しながら、加熱体３５により加熱されて最終的に排水管３６から排出される。
【００３２】
ＴＩＮ（Ｋ）：ガラス管３１に供給される水の温度、ＴＯＵＴ（Ｋ）：ガラス管３１から排出される水の温度、ρ（ｇ／ｃｍ３）：水の密度、ｃｐ（Ｊ／ｇ・Ｋ）、水の比熱、Ｖ（ｃｍ３／ｓ）：水の流速とすると、ジュール熱ＷＣは（２）式で示される。
【数２】
【００３３】
ガラス管３１として、耐熱衝撃性ホウケイ酸塩ガラスからなり、内径φ８５ｍｍ・外形φ９０ｍｍ×高さ４００ｍｍの形状を有するものを用い、加熱体３５として、外径φ５０ｍｍ×高さ８０ｍｍ×厚さｔｍｍの円筒形ステンレスを用い、高周波コイル３７として、直径φ１０ｍｍの銅製チューブを１２回巻いて内径φ１１０ｍｍ×高さ１２０ｍｍとしたものを用い、印加電流の周波数を３０ｋＨｚとし、加熱体３５の厚さｔを種々に変えて、加熱体３５に発生するジュール熱ＷＣを測定した。また、比較のために、円筒状の加熱体３５と同じ外形を有する円柱状の加熱体を用いた場合のジュール熱ＷＣを測定した。
【００３４】
加熱体３５の厚さｔおよび上記（１）式から求めた表皮厚さδとの比ｔ／δと測定されたジュール熱ＷＣとの関係を求めた。また、Fujihisa，Taniguchiにより作成されたMIND−B3のElimination methodプログラムを用いた理論計算により、ジュール熱を計算した。これらの結果を図３に示す。
【００３５】
図３に示されるように、加熱体３５に発生するジュール熱ＷＣは、ｔ／δ＝０．１近傍で最大値をとるという結果が得られ、この最大値は、円柱状の加熱体を用いた場合の約３．６倍であった。また、ジュール熱ＷＣの測定結果は、計算値とよい一致を示した。
【００３６】
図４に総誘導電流および平均電流密度とｔ／δとの関係を示す。加熱体３５の厚さｔの減少に伴って、総誘導電流は小さくなっているが、平均電流密度は大きくなっている。これは誘導電流が加熱体３５の小さな断面に集中することが原因であり、それぞれについて勾配が変化している点（ｔ／δ）Ｃは、図３に示した最大ジュール熱ＷＣを示すｔ／δ値と一致する。
【００３７】
このことは、誘導抵抗という概念により、以下の通りに説明される。すなわち、加熱体３５を小さなコイルの集合体と仮定して、そのうちの１つのコイルに注目する。そのコイルに電流が流れると磁場が発生し、その磁場を打ち消そうと別のコイルに逆向きの磁場を誘起する渦電流が流れる。このような仮想小コイルどうしの相互作用により、加熱体３５に流れる渦電流は全体的少なくなる。これが誘導抵抗であり、誘導抵抗ＸＬは（３）式で示される。ここで、Ｌはインダクタンスである。
【数３】
【００３８】
この（３）式から誘導抵抗の作用は、周波数が大きいほど、すなわち（１）式からｔ／δが大きいほど強くなることがわかる。平均電流密度はｔ／δの減少に伴って増加しているが、点（ｔ／δ）Ｃ付近から収束している。この地点からは仮想小コイルの数自体が少なくなるために、相互作用が小さくなり、加熱体３５を流れる誘導電流の総量も低下する。これらの兼ね合いよって、ｔ／δ＝０．１近傍でジュール熱が最大値を取ったことが推測される。
【００３９】
このように加熱体３５で発生するジュール熱は、被加熱固体５０に依存するものではなく、高周波コイル３７と加熱体３５の構造に由来するものである。したがって、図３に示す結果は、円筒状の加熱体を用い、この加熱体の内側と外側とで被溶融固体を加熱する高周波誘導炉では、従来の円柱状の加熱体を用いた高周波誘導炉よりも、高い熱効率で被溶融固体を溶融させることができることを示しており、直接的に、高周波誘導炉１０の構成に適用することができる。
【００４０】
高周波誘導炉１０は、このような優れた熱効率により、従来と同じ大きさであれば処理能力が向上し、従来の処理量でよければ装置全体をコンパクトに構成することができるという利点がある。この効果は、溶融容器１１の容積を無駄なく使用して被溶融固体５０を溶融することができることによって、さらに顕著なものとなる。
【００４１】
なお、加熱体３５に発生するジュール熱ＷＣがｔ／δ＝０．１近傍で最大値をとるという結果は、後に説明するように、あくまで加熱体３５がステンレスである場合の結果であり、加熱体に別の材料を用いた場合にｔ／δが０．１近傍で最大値を取るとは限らない。
【００４２】
上記結果は、加熱体３５の直径を変化させた場合にも、ｔ／δの好適な値は不変であるか否かが、高周波誘導炉１０のスケールアップやスケールダウンに際して、極めて重要な問題となる。
【００４３】
これについて、（ｉ）加熱体の厚さｔ（ｍ）はその外半径ｒ（ｍ）に比べて薄く、ここでは、ｒ／ｔ＞４．５の条件が成り立っている、（ii）加熱体の電流密度は加熱体の断面全体で均一である、（iii）ｒ／δ＞２．２５またはｆＣ（Ｈｚ）以上の高周波数で成立している、（iv）加熱体の内側の磁界は高周波コイルに発生した磁界と誘導電流によって発生した磁界との差によって求められると仮定する。ここでｆＣ（Ｈｚ）は、加熱体の透磁率をμ０（Ｎ／Ａ２）として、（４式）で与えられる。
【数４】
【００４４】
その上で、ｈ：加熱体の高さ（ｍ）、Ａ：加熱体の断面積（ｍ２）、Ｈ：コイルが発生した磁界のｒ．ｍ．ｓ．値（Ａ／ｍ）、Ｈｉ：加熱体の内側の磁界のｒ．ｍ．ｓ．値（Ａ／ｍ）、Φ：磁束（Ｗｂ）、ω（＝２πｆ；ｒａｄ／ｓ）、ｊ（＝−１１／２）とすると、
加熱体周囲の起電力ｅは（５）式で、加熱体の抵抗Ωは、比抵抗をρ（Ωｍ）として（６）式で、誘導電流Ｉは（７）式でそれぞれ表される。
【数５】
【数６】
【数７】
【００４５】
Ｈｉは上記仮定（iv）によると（８）式で表される。
【数８】
【００４６】
ここで、γ，Ｔ，Ｒをそれぞれ（９）式の通りに定義し、ｔとｒをＴとＲで無次元化すると（１０）式の通りに表すことができる。
【数９】
【数１０】
【００４７】
上記（８）式は、このγを用いて表すと（１１）式となる。
【数１１】
【００４８】
したがって、ジュール熱Ｐ（Ｗ）は（１２）式で表される。
【数１２】
【００４９】
この（１２）式においてｔと関係がある部分は（１３）式の部分である。
【数１３】
【００５０】
外径φ５０ｍｍのステンレス製加熱体について、Ｒ＝８．３３３としてこの（１３）式をグラフ化したものを図５に示す。ジュール熱Ｐが最大となるときのＴの値（以下「臨界厚さＴＣ」という）は、ｄＰ／ｄＴ＝０，Ｔのときであるから、（１３）式から（１４）式が導かれ、さらに（１５）式の解が得られる。
【数１４】
【数１５】
【００５１】
臨界厚さＴＣは負の値を取ることはないので、最終的に、臨界厚さＴＣは（１６）式で示されることがわかり、先に（９）式の定義により、（１７）式が導かれる。
【数１６】
【数１７】
【００５２】
なお、先の仮定（ｉ）は（５）式に、仮定（ii）は（７）式にそれぞれ用いられており、仮定（iii）は数値解析の結果、明らかとなったものである。
【００５３】
例えば、前記Elimination methodプログラムによる数値解析では、加熱体がステンレスの場合には、ＴＣ＝ｔ／δ＝δ／ｒ＝０．１２≒０．１１〜０．１３との結果が得られており、これらはジュール熱測定装置３０を用いた上記試験結果とよい一致を示している。また、カーボン（黒鉛）の場合には、ＴＣ＝ｔ／δ＝δ／ｒ＝０．３６という結果が得られ、加熱体として用いる材料に応じて、適切な形状設定が必要なことがわかる。
【００５４】
次に、高周波誘導炉１０を用いて作製したガラスについて簡単に説明する。Ｘ線蛍光分光法（ＸＲＦ）による組成分析結果が表１で示されるアスベストに、融剤としてホウ酸ナトリウム（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）を、ガラスの網目形成成分として酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を適量添加したものを、１５００℃で１時間溶融した。溶融物を大気中で銅板上に流し出し、電気炉を用いて６５０℃でのアニールを１時間行った後、室温まで冷却することによって、ガラスを得た。
【表１】
【００５５】
作製したガラスは緑色に着色しており、添加物が多くなるとその色が薄くなる傾向を示した。また、作製したガラスの粉末Ｘ線回折チャートには、結晶相を示すピークは現れず、全体が非晶質化されていることが確認された。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による組織観察では、原料のアスベストには繊維状結晶が確認され、明瞭な電子線回折パターンが現れたが、作製したガラスには繊維状の組織を確認することはできず、電子線回折パターンもぼやけたものであったことから、アスベストからガラスへの無害化が達成されたと判断した。
【００５６】
作製したガラスについて、ヴィッカース硬度計を用いて測定したヴィッカース硬度を図７に、破壊靱性を図７にそれぞれ示す。一般的な窓ガラスのヴィッカース硬度は約４１００ＭＰａであり、破壊靱性は約０．７７ＭＰａ・ｍ１／２であるので、このようなガラスよりも高硬度、高靱性のガラスが得られることが確認された。
【００５７】
着色はアスベストに含まれる鉄（Ｆｅ）の影響が大きいと考えられるが、このような着色を積極的に用いる用途として、例えば、ワインのボトル（但し、衛生面での安全確認が必要とされる）や窓ガラス（ガラスを通して先方を確認することを妨げることが必要とされる場所等で用いられるもの），飾り窓，照明器具（例えば、背面に蛍光灯等が配置されるもので、店舗内で用いられるものや、集合施設などの床・歩道に設置されるもの）等が挙げられる。
【００５８】
示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて、Ｎａ２Ｂ４Ｏ７を添加して得られたガラスの熱的特性として、ガラス転移点Ｔｇ、結晶析出温度ＴＸ、最大発熱温度Ｔexo、融点Ｔｍを測定した。その結果を表２に示す。
【表２】
【００５９】
表２に示す結果から、Ｎａ２Ｂ４Ｏ７の添加量を増加させると融点が低下し、ガラス形成能は、１０％添加のときに最大となった。ヴィッカース硬度と破壊靱性も１０％添加の場合に向上していることから、表１に示した組成のアスベストのガラス化においてＮａ２Ｂ４Ｏ７を１０％程度添加することは、ガラスの融点を下げつつ、優れた物理的特性を得るために効果的な手段であることが確認された。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、被溶融固体として固体廃材を取り上げたが、高周波誘導炉は、新規な機能ガラスの開発にも当然に用いることができ、その場合には、被溶融固体として各種試薬が用いられる。
【００６１】
また、高周波誘導炉として、加熱体を昇降自在な構造としたが、加熱体の位置（高さ）を一定として、溶融容器とコイルを昇降させ、かつ、これらを傾斜させる構造としてもよい。さらに、加熱体とコイルを一体的に昇降させ、溶融容器とこれを保持したステージを回転，回動可能な構成としてもよい。
【００６２】
また、高周波誘導炉の構成は、図２に示したジュール熱測定装置と同様に構成してもよい。その場合、溶融容器の下側から被溶融固体を連続的に供給すると、溶融容器の下側では被溶融固体は固体の状態のままであり、加熱体の下端近傍で被溶融固体は溶融してガラス化し、その後、溶融容器上面から外部に排出する構造とすることができる。このような構成であっても、加熱体を枢軸と連結させて加熱体を回転させることにより、溶融ガラスを撹拌して、均一な組成のガラスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】高周波誘導炉の概略構造を示す断面図。
【図２】ジュール熱測定装置の概略構造を示す断面図。
【図３】測定されたジュール熱とｔ／δとの関係を示すグラフ。
【図４】総誘導電流，平均電流密度とｔ／δとの関係を示すグラフ。
【図５】理論計算によるジュール熱とｒ／δとの関係を示すグラフ。
【図６】作製したガラスのヴィッカース硬度と添加物量との関係を示すグラフ。
【図７】作製したガラスの破壊靱性と添加物量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６４】
１０…高周波誘導炉、１１…溶融容器、１２…高周波コイル、１３…加熱体、１４…昇降回転機構、１５…ステージ、１６…モータ、１７…枢軸、１８…昇降機構、１９…連結棒、３０…ジュール熱測定装置、３１…ガラス管、３２…底板、３３…給水管、３４ａ…穴部、３４…架台、３５…加熱体、３６…排水管、３７…高周波コイル、３８ａ・３８ｂ…熱電対、５０…被溶融固体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性材料または誘電性材料からなり、被溶融固体を収容する溶融容器と、
前記溶融容器の周囲を囲むように配置された高周波コイルと、
導電性材料からなり、前記溶融容器の中心に配置され、前記高周波コイルに所定周波数の電流を流した際の電磁誘導により発熱する筒状の加熱体と、を具備する高周波誘導炉であって、
前記加熱体の外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされていることを特徴とする高周波誘導炉。
【請求項２】
前記加熱体を回転させる回転機構をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導炉。
【請求項３】
絶縁性材料または誘電性材料からなる溶融容器の内部に導電性材料からなる筒状の加熱体を収容し、
前記溶融容器の周囲を囲むように高周波コイルを配置し、
前記溶融容器の内周壁面と前記加熱体の外周壁面との間の空間および前記加熱体の内側の空間に被溶融固体を投入し、
前記高周波コイルに所定周波数の電流を流すことによって前記加熱体を高周波誘導加熱し、前記被溶融固体を溶融することを特徴とする固体溶融方法。
【請求項４】
前記加熱体として、その外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされているものを用いることを特徴とする請求項３に記載の固体溶融方法。
【請求項５】
前記加熱体を回転させながら前記被溶融固体を溶融することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の固体溶融方法。
【請求項１】
絶縁性材料または誘電性材料からなり、被溶融固体を収容する溶融容器と、
前記溶融容器の周囲を囲むように配置された高周波コイルと、
導電性材料からなり、前記溶融容器の中心に配置され、前記高周波コイルに所定周波数の電流を流した際の電磁誘導により発熱する筒状の加熱体と、を具備する高周波誘導炉であって、
前記加熱体の外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされていることを特徴とする高周波誘導炉。
【請求項２】
前記加熱体を回転させる回転機構をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導炉。
【請求項３】
絶縁性材料または誘電性材料からなる溶融容器の内部に導電性材料からなる筒状の加熱体を収容し、
前記溶融容器の周囲を囲むように高周波コイルを配置し、
前記溶融容器の内周壁面と前記加熱体の外周壁面との間の空間および前記加熱体の内側の空間に被溶融固体を投入し、
前記高周波コイルに所定周波数の電流を流すことによって前記加熱体を高周波誘導加熱し、前記被溶融固体を溶融することを特徴とする固体溶融方法。
【請求項４】
前記加熱体として、その外半径をｒ、肉厚をｔ、表皮厚さをδとしたときに、ｔ＝δ２／ｒの関係が満たされているものを用いることを特徴とする請求項３に記載の固体溶融方法。
【請求項５】
前記加熱体を回転させながら前記被溶融固体を溶融することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の固体溶融方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２６７７３３（Ｐ２００８−２６７７３３Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１３４２７（Ｐ２００７−１１３４２７）
【出願日】平成１９年４月２３日（２００７．４．２３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年１０月２３日 Ｔｈｅ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｊａｐａｎ（社団法人 日本鉄鋼協会）発行の「Ｔｈｅ ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（第５回材料電磁プロセッシング国際シンポジウム（ＥＰＭ２００６））」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年３月１日 社団法人 日本鉄鋼協会発行の「材料とプロセス」に発表
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００２４２６４４）北陸電力株式会社 (112)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２３日（２００７．４．２３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年１０月２３日 Ｔｈｅ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｊａｐａｎ（社団法人 日本鉄鋼協会）発行の「Ｔｈｅ ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（第５回材料電磁プロセッシング国際シンポジウム（ＥＰＭ２００６））」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年３月１日 社団法人 日本鉄鋼協会発行の「材料とプロセス」に発表
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００２４２６４４）北陸電力株式会社 (112)
【Ｆターム（参考）】
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