JP6431267B2 - 湯漏れ検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、湯漏れ検出装置にかかり、特に、溶解炉における金属の湯漏れを検出する湯漏れ検出装置に関する。また、流体の漏れ検出装置に関する。

坩堝内に収容された金属を溶解する溶解炉として、誘導加熱を利用したものがある。このような溶解炉では、坩堝の周りに加熱コイルが装備されているが、かかる加熱コイルは、通電時の発熱により軟化或いは溶融する恐れがあるため、金属パイプを用いて製作するなどして中空部を設け、該中空部に水を流して冷却しながら通電するのが通常である。そのため、坩堝の割れにより金属の湯漏れが発生した場合、加熱コイルを冷却する水による水蒸気爆発や水素爆発といった問題が生じうる。

上述した問題を解決するために、溶解炉の湯漏れを検出することが必要となる。例えば、特許文献１に開示されている湯漏れ検出方法では、坩堝の底部に第１の電極を埋設し、坩堝の底部に先端が溶湯に接する第２の電極を設置して、溶解炉を構成している。そして、各電極間の電流を検出することで、湯漏れを検出している。

特開平７−１４６０７８号公報

しかしながら、上述した湯漏れ検出方法を利用した構成では、坩堝に電極を埋設したり、坩堝内で電極が溶湯に接するよう設置する必要があり、坩堝自体に加工が必要となる。すると、坩堝の加工に手間がかかりコストが高くなるという問題や、加工による坩堝の強度が低下するという問題も生じる。

このため、本発明の目的は、簡易な構成にて、湯漏れを検出することができる湯漏れ検出装置、を提供することにある。

本発明の一形態である湯漏れ検出装置は、
坩堝の周囲に設けられた加熱コイルによって当該坩堝内の金属を誘導加熱して溶解するよう構成された溶解炉に装備される湯漏れ検出装置であって、
異なる材料の２本の金属線が一端で接続されると共に当該２本の金属線が近接して配置されることで所定の長さに形成された熱電対が、前記坩堝と前記加熱コイルの間であって、前記坩堝の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう張り巡らされて配置されており、
前記熱電対の一端に位置する測温点が、前記坩堝の周囲から離れて配置されており、
前記熱電対の他端に位置する検出部にて検出された前記２本の金属線間の電位差に基づく値である検出値に応じて湯漏れを検出する湯漏れ検出部を備えた、
という構成をとる。

また、上記湯漏れ検出装置では、
前記湯漏れ検出部は、前記検出部による検出値が予め設定された基準により異常状態とされる値である場合に、湯漏れを検出する、
という構成をとる。

また、上記湯漏れ検出装置では、
前記湯漏れ検出部は、前記検出部にて検出する検出値である温度が所定値以上である場合に、湯漏れを検出する、
という構成をとる。

また、上記湯漏れ検出装置では、
前記湯漏れ検出部は、前記検出部にて検出する検出値が検出不能である場合に、湯漏れを検出する、
という構成をとる。

また、上記湯漏れ検出装置では、
所定の長さに形成された前記熱電対が、曲折されて前記坩堝の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう配置されている、
という構成をとる。

また、上記湯漏れ検出装置では、
前記坩堝と前記加熱コイルの間に耐火部材を備え、
前記熱電対は、前記耐火部材の周囲に配置されている、
という構成をとる。

上記構成の湯漏れ検出装置によると、坩堝あるいは耐火部材の外側まで金属が漏れる湯漏れが生じると、坩堝あるいは耐火部材の周囲に張り巡らせた熱電対に溶解した金属が触れる。このとき、２本の金属線が近接して配置されている熱電対の金属が触れた箇所が、当該熱電対の接点となり、新たな測温点となる。すると、熱電対の新たな測温点の温度が高温となり、かかる高温が検出されることにより、湯漏れを検出することができる。あるいは、熱電対が金属に触れることにより、熱電対の金属が触れた箇所が断線することもある。また、漏れた金属によって坩堝や耐火部材が破壊されて、その周囲の熱電対も破壊されて断線することもある。かかる場合には、熱電対の断線によって、検出値が検出不能となり、これにより湯漏れを検出することができる。

以上のように、本発明の湯漏れ検出装置によると、坩堝や耐火部材の周囲に熱電対を配置すると言った簡易な構成で、坩堝や耐火部材を加工する必要がなく、コストを低減して、湯漏れを検出することができる。

また、本発明の他の形態である湯漏れ検出方法は、
坩堝の周囲に設けられた加熱コイルによって当該坩堝内の金属を誘導加熱して溶解するよう構成された溶解炉における湯漏れを検出する湯漏れ検出方法であって、
異なる材料の２本の金属線が一端で接続されると共に当該２本の金属線が近接して配置されることで所定の長さに形成された熱電対が、前記坩堝と前記加熱コイルの間であって、前記坩堝の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう張り巡らされて配置されており、
前記熱電対の一端に位置する測温点が、前記坩堝の周囲から離れて配置されており、
前記熱電対の他端に位置する検出部にて前記２本の金属線間の電位差に基づく値である検出値を検出し、当該検出値に応じて湯漏れを検出する、
という構成をとる。

また、上記湯漏れ検出方法では、
検出した前記検出値である温度が所定値以上、あるいは、検出不能である場合に、湯漏れを検出する、
という構成をとる。

また、本発明の他の形態である漏れ検出装置は、
容器内の流体の漏れを検出する漏れ検出装置であって、
異なる材料の２本の金属線が一端で接続されると共に当該２本の金属線が近接して配置されることで所定の長さに形成された熱電対が、前記容器と前記加熱コイルの間であって、前記容器の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう張り巡らされて配置されており、
前記熱電対の一端に位置する測温点が、前記容器内の流体との温度差が所定値以上である場所に配置されており、
前記熱電対の他端に位置する検出部にて検出された前記２本の金属線間の電位差に基づく値である検出値に応じて流体の漏れを検出する漏れ検出部を備えた、
という構成をとる。

上記構成の漏れ検出装置によると、容器の外側まで流体が漏れると、容器の周囲に張り巡らせた熱電対に流体が触れる。このとき、２本の金属線が近接して配置されている熱電対の流体が触れた箇所が、当該熱電対の接点となり、新たな測温点となる。すると、熱電対の新たな測温点の温度に変化が生じ、かかる変化を検出することにより流体の漏れを検出することができる。あるいは、熱電対に流体が触れた箇所が腐食などにより断線することもあり、かかる場合には、熱電対の断線によって、検出値が検出不能となり、これにより湯漏れを検出することができる。その結果、容器の周囲に熱電対を配置すると言った簡易な構成で、容器を加工する必要がなく、コストを低減して、流体の漏れを検出することができる。

本発明は、以上のように構成されることにより、坩堝の周囲に熱電対を配置すると言った簡易な構成で、坩堝を加工する必要がなく、コストを低減して、湯漏れを検出することができる。

実施形態１における湯漏れ検出装置の構成を示す図である。 湯漏れ検出装置の詳細な構成を示す図である。 湯漏れ検出装置の湯漏れ検出時の様子を示す図である。 湯漏れ検出装置を構成する熱電対の構成、及び、湯漏れ検出時の様子を示す図である。 湯漏れ検出装置の動作を示すフローチャートである。 湯漏れ検出装置の他の構成例を示す図である。 湯漏れ検出装置の他の構成例を示す図である。 実施形態２における漏れ検出装置の構成を示す図である。

＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図７を参照して説明する。図１乃至図２は、湯漏れ検出装置の構成を示す図である。図３乃至図４は、漏れ検出時の様子を示す図であり、図５は、その動作を示すフローチャートである。図６乃至図７は、湯漏れ検出装置の他の構成例を示す図である。

本発明である湯漏れ検出装置は、溶解炉に装備されている。例えば、溶解炉は、図１に示すように、溶解材となる金属１が収容される坩堝２と、坩堝２の周囲を取り囲んで配置された耐火部材であるスタンプ材３と、当該スタンプ材３の周囲つまり坩堝２の周囲に設けられた加熱コイル５と、を備えて構成されており、断熱材７上に配置されている。そして、上記加熱コイル５は、コイルセメント６内に埋設されており、かかる加熱コイル５に高周波電流を流すことによって、坩堝２内の金属１を誘導加熱して溶解している。なお、金属１は、加熱コイル５による誘導加熱によって溶解するものであれば、いかなる金属であってもよい。

そして、本発明では、上記スタンプ材３とコイルセメント６（加熱コイル５）との間、つまり、スタンプ材３の周囲に、湯漏れ検出装置を構成する熱電対１０が張り巡らされた断熱シート４を備えている。具体的に、断熱シート４には、図２に示すように、所定の長さを有する１本の熱電対１０が、蛇行して配置され、当該断熱シート４上の所定範囲を覆うよう張り巡らされている。そして、断熱シート４は、熱電対１０側を坩堝２側に向けて、スタンプ材３に当接して設けられている。このように、熱電対１０はスタンプ材３の周囲に配置されているため、坩堝２の周囲にも配置されていると言え、坩堝２と加熱コイル５との間に配置されていると言える。なお、熱電対１０は、図７に示す断熱シート４のように、スタンプ材３を介することなく、坩堝２の周囲に配置されてもよい。また、熱電対１０は、断熱シート４上に配置されていなくてもよく、スタンプ材３や坩堝２の周囲に、直接配置されてもよい。

ここで、本実施形態では、熱電対１０が、スタンプ材３つまり坩堝２の周囲の全体を覆うよう配置されるが、スタンプ材３つまり坩堝２の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう配置されていればよい。また、熱電対１０は、図２に示すように、蛇行することによって張り巡らされていることに限定されない。例えば、熱電対１０は、図６に示すように、円弧状に曲折されていてもよく、他の形状を描くよう曲折されて所定範囲を覆うよう張り巡らされていてもよい。さらには、熱電対１０は必ずしも曲折させて用いることに限定されず、複数本を用いて坩堝２の周囲の所定範囲を覆うよう張り巡らされていてもよい。

熱電対１０の構成について、図４（Ａ）を参照して詳述する。熱電対１０は、異なる材料の２本の金属線２１，２２が一端（図の左側の端部）で接続されて構成されている。そして、本実施形態における熱電対１０は、２本の金属線２１，２２が相互に接触せず所定の距離を空けて近接して配置されることで、所定の長さに形成されている。なお、２本の金属線２１，２２は、例えば、絶縁体２０で被覆されている。

そして、熱電対１０の一端は、温度を計測する対象箇所に配置される測温部１１として機能する。また、熱電対１０の他端には、２本の金属線２１，２２間の他端における電位差を検出することで、かかる電位差に基づく値である検出値、つまり、測温部１１の温度、を検出する温度検出部１２（検出部、湯漏れ検出部）を備えている。なお、熱電対１０を構成する２本の金属線２１，２２としては、例えば、ＪＩＳ規格の種類Ｋであるクロメルとアルメルとからなる材料のものを使用する。但し、熱電対１０として使用する材料は、上述したものに限定されない。また、金属線２１，２２は、太すぎると誘導加熱されてしまい、細すぎると微弱な振動による断線の可能性もあるため、当該金属線２１，２２の径は、例えば、０．５〜１．６ｍｍの範囲であると好ましい。

そして、本実施形態では、上述した熱電対１０の測温部１１を、坩堝２つまりスタンプ材３の周囲から離して配置する。例えば、坩堝２やスタンプ材３から湯漏れが生じたとしても、漏れた金属１が触れない位置に測温部１１を配置しておく。このときさらに、測温部１１が配置された箇所の温度が、溶解された金属１の温度とは大きな差（所定値以上の差）が有る温度、つまり、金属１が溶解しない程度の低温となる位置に、測温部１１を配置しておく。これにより、温度検出部１２では、湯漏れが生じない限りは低温を検出することとなる。例えば、測温部１１を常温の箇所に配置することで、溶解された金属１との温度差は数百度以上となるが、かかる温度差は１００℃以上あると好ましい。また、温度検出部１２も、坩堝２つまりスタンプ材３の周囲から離して配置する。

上述したように坩堝２つまりスタンプ材３の周囲に熱電対１０を張り巡らせた構成において、坩堝２から金属１の湯漏れが生じると、以下のようにして、温度検出部１２による検出値に応じて、湯漏れを検出する。

まず、坩堝２から溶解された金属１が漏れ、スタンプ材３の外側まで達すると、周囲に張り巡らせた熱電対１０に金属１が触れることとなる。すると、２本の金属線が近接して配置されている熱電対１０の金属１が触れた箇所が、当該熱電対１０の接点となり、新たな測温点となる。例えば、図３の符号３０に示すように、熱電対１０の両端の間に位置する箇所に金属１が触れると、かかる金属１によって２本の金属線２１，２２が連通して接触し、図４（Ｂ）に示すように、符号３０に示す箇所が新たな測温点となる。すると、熱電対１０の新たな測温点（符号３０の箇所）の温度が高温となる。

温度検出部１２は、常に測温点の温度を検出しており（図５のステップＳ１）、上述したように、予め設定された閾値以上の温度となる高温を検出すると（図５のステップＳ２：Ｙｅｓ）、湯漏れが生じたことを検出する（図５のステップＳ３）。

また、坩堝２から金属１が漏れると、かかる金属１によってスタンプ材３が破壊されることがある。そして、スタンプ材３の破壊によって、その周囲に張り巡らされた熱電対１０が断線することがある。また、上述したように漏れた金属１が熱電対１０に触れることによって金属線２１，２２が断線することもある。例えば、図３の符号３０に示すように、熱電対１０の両端の間に位置する箇所でスタンプ材３の破壊や金属１が触れると、かかる破壊や金属１によって２本の金属線２１，２２のうち一方又は両方が、図４（Ｂ）の符号３０に示すように断線する。

このとき、温度検出部１２は、常に測温点の温度を検出しているが（図５のステップＳ１）、上述したように熱電対１０に断線が生じると、検出値を検出不能となる。温度検出部１２は、検出値を「検出不能」であることを検出することができ、検出不能となると（図５のステップＳ２：Ｙｅｓ）、湯漏れが生じたことを検出する（図５のステップＳ３）。

以上のように、本発明の湯漏れ検出装置によると、坩堝２やスタンプ材３の周囲に熱電対１０を配置すると言った簡易な構成で湯漏れる検出することができる。このため、坩堝２やスタンプ材３を加工する必要がなく、コストを低減して実現することができる。また、熱電対１０が高温となった場合のみならず、湯漏れによってスタンプ材３が破壊されたり熱電対１０に金属１が触れることによる断線も検出できるため、湯漏れの検出精度の向上を図ることができる。

ここで、上記では、温度検出部１２によって所定値以上の温度である高温状態を検出した場合や、検出値が検出不能な場合を、異常状態として検出し、かかる異常状態を検出した場合に湯漏れを検出している。但し、本発明では、高温状態や検出不能である状態の他にも、温度検出部１２による他の状態を検出して、湯漏れを検出してもよい。なお、温度検出部１２は、必ずしも測温点の温度を検出することに限定されず、熱電対１０の原理によって検出される電位差に基づく値を検出値として検出し、かかる検出値に応じて湯漏れを検出するよう構成されていてもよい。

＜実施形態２＞
次に、本発明の第２の実施形態を、図８を参照して説明する。図８は、漏れ検出装置が装備される構成を示す図である。

本発明である漏れ検出装置は、図８に示すように、流体１０１が収容された容器１０２の周囲にシート１０４を備えている。なお、流体１０１は、導電性流体や水、薬品など、いかなる液体であってもよく、半固形状態のものなど、流動性があるものも含む。

上記シート１０４には、実施形態１と同様の熱電対１０が、容器１０２の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう張り巡らさせて配置されている。なお、熱電対１０は、容器１０２との間に他の部材を介して配置されていてもよい。

そして、上述した熱電対１０の測温部１１は、容器１０２の周囲から離れて配置される。例えば、容器１０２から流体１０１の漏れが生じたとしても、漏れた流体１０１が触れない位置に測温部１１を配置しておく。このときさらに、測温部１１が配置された箇所の温度が、流体１０１の温度とは大きな差（所定値以上の差）がある温度となる位置に、測温部１１を配置しておく。例えば、流体１０１の温度が常温（例えば、２０℃前後）である場合には、測温部１１の温度が１００℃といった高温となる位置に配置しておく。これにより、温度検出部（検出部、漏れ検出部）１２では、流体１０１の漏れが生じない限りは、高温を検出することとなる。なお、温度検出部１２も、容器１０２の周囲から離して配置する。

上述したように容器１０２の周囲に熱電対１０を張り巡らせた構成において、容器１０２から流体１０１の漏れが生じると、以下のようにして、温度検出部１２による検出値に応じて、流体１０１の漏れを検出する。

まず、容器１０２から流体１０１が漏れて熱電対１０に触れると、流体１０１の性質によって２本の金属線２１，２２が通電する場合がある。例えば、流体１０１が導電性流体である場合には、２本の金属線２１，２２が通電する。すると、流体１０１が触れた熱電対１０の通電箇所が新たな測温点となる。温度検出部１２は、流体１０１が触れた箇所が新たな測温点の温度を検出すると、これまで検出してきた温度よりも流体１０１の温度に近い温度である低温を検出することとなる。この場合に、温度検出部１２は、流体１０１の漏れを検出する。

また、容器１０２から流体１０１が漏れて熱電対１０に触れると、流体１０１が薬品などの場合には、当該流体１０１によって２本の金属線２１，２２が腐食して断線する場合がある。すると、温度検出部１２は、検出値を検出不能となり、これにより流体１０１の漏れを検出することもできる。

以上のように、本発明の漏れ検出装置によると、容器の周囲に熱電対を配置すると言った簡易な構成で、容器を加工する必要がなく、コストを低減して、流体の漏れを検出することができる。

なお、上記では、測温部１１を高温となる位置に配置する場合を例示したが、低温となる位置、例えば、氷水中、液体窒素中などに配置しても構わない。このとき、測温部１１を設置する場所は、流体１０１の温度と温度検出部１２の温度差は、２０℃以上あると好ましく、１００℃だとより好ましく、２００℃以上であると特に好ましい。

以上、上記実施形態等を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１ 金属
２ 坩堝
３ スタンプ材
４ 断熱シート
５ 加熱コイル
６ コイルセメント
７ 断熱材
１０ 熱電対
１１ 測温部
１２ 温度検出部
２１，２２ 金属線
１０１ 流体
１０２ 容器
１０４ シート

Claims (8)

1. 坩堝の周囲に設けられた加熱コイルによって当該坩堝内の金属を誘導加熱して溶解するよう構成された溶解炉に装備される湯漏れ検出装置であって、
   異なる材料の２本の金属線が一端で接続されると共に当該２本の金属線が近接して配置されることで所定の長さに形成された熱電対が、前記坩堝と前記加熱コイルの間であって、前記坩堝の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう張り巡らされて配置されており、
   前記熱電対の一端に位置する測温点が、前記坩堝の周囲から離れて常温の箇所に配置されており、
   前記熱電対の他端に位置する検出部にて検出された前記２本の金属線間の電位差に基づく値である検出値に応じて湯漏れを検出する湯漏れ検出部を備えた、
   湯漏れ検出装置。
2. 請求項１に記載の湯漏れ検出装置であって、
   前記湯漏れ検出部は、前記検出部による検出値が予め設定された基準により異常状態とされる値である場合に、湯漏れを検出する、
   湯漏れ検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の湯漏れ検出装置であって、
   前記湯漏れ検出部は、前記検出部にて検出する検出値である温度が所定値以上である場合に、湯漏れを検出する、
   湯漏れ検出装置。
4. 請求項１に記載の湯漏れ検出装置であって、
   前記湯漏れ検出部は、前記検出部にて検出する検出値が検出不能である場合に、湯漏れを検出する、
   湯漏れ検出装置。
   
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の湯漏れ検出装置であって、
   所定の長さに形成された前記熱電対が、曲折されて前記坩堝の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう配置されている、
   湯漏れ検出装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の湯漏れ検出装置であって、
   前記坩堝と前記加熱コイルの間に耐火部材を備え、
   前記熱電対は、前記耐火部材の周囲に配置されている、
   湯漏れ検出装置。
7. 坩堝の周囲に設けられた加熱コイルによって当該坩堝内の金属を誘導加熱して溶解するよう構成された溶解炉における湯漏れを検出する湯漏れ検出方法であって、
   異なる材料の２本の金属線が一端で接続されると共に当該２本の金属線が近接して配置されることで所定の長さに形成された熱電対が、前記坩堝と前記加熱コイルの間であって、前記坩堝の周囲の少なくとも一部の範囲を覆うよう張り巡らされて配置されており、
   前記熱電対の一端に位置する測温点が、前記坩堝の周囲から離れて常温の箇所に配置されており、
   前記熱電対の他端に位置する検出部にて前記２本の金属線間の電位差に基づく値である検出値を検出し、当該検出値に応じて湯漏れを検出する、
   湯漏れ検出方法。
8. 請求項７に記載の湯漏れ検出方法であって、
   検出した前記検出値である温度が所定値以上、あるいは、検出不能である場合に、湯漏れを検出する、
   湯漏れ検出方法。
   

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