JPH0146794B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は試料を音波で浮遊させて加熱、溶融、
凝固を行い得るようにした音波浮遊装置付ミラー
炉に関する。

宇宙材料実験のごとく、無重力場での高純度材
料の無容器加熱、溶解、凝固プロセスにおいて
は、試料を浮遊させる必要があるが、このための
装置としては、電磁浮遊装置、音波浮遊装置、静
電浮遊装置が原理的に可能とされている。

しかし、電磁浮遊装置は、対象が金属、半導体
等導電性の物質に限られること、音波浮遊装置は
誘電体等にも適用できるが、雰囲気ガスが必要な
こと、静電浮遊装置は試料への荷電方法、制御方
法が複雑なこと、等夫々一長一短がある。

一方、上述の音波浮遊装置は、雰囲気ガスとし
て不活性ガス（He、Ar等）が許されれば、金属
以外にガラス等の誘電体にも適用可能であるか
ら、その実用化が望まれている。ところが、実用
化への問題点は加熱炉と組合せたときのポジシヨ
ニング力の安定化制御であり、円管内炉空間に、
浮遊に適した音圧分布を形成させ、それを加熱、
冷却プロセスでの温度条件の変化に応じて一定に
維持することが必要である。

上述のポジシヨニング力の安定化制御のための
手段としては、立方体空間（六面体）の三軸方向
にボイスコイル型スピーカを取付け、比較的低周
波（１〜2KHz）の音を放射し、中心部だけに音
圧分布の歪を生じさせるような音圧モードを形成
させるアイデアがあり、一部予備実験が進められ
ているが、斯かる手段には次のような問題があ
る。

(i) １〜2KHzの大音響出力を放射するので、実
験者の聴力保護対策が必要である。

(ii) 宇宙材料実験装置用として使用するために
は、マグネツト部の軽量化が必要である。

(iii) 加熱炉との組み合せが難しい。

(iv) ３個の音源間の振幅位相等差を微妙にコント
ロールする必要がある。

本発明は、内面に鏡面を形成した楕円状のミラ
ー炉本体内に、中空状の炉心管を挿通、固定せし
めると共に炉心管内を炉心管の外から加熱するた
めの加熱ヒータを取付け、前記炉心管の一端に軸
線方向へ移動自在に振動体ホルダーを嵌合せし
め、該振動体ホルダー内に、振動面がミラー炉本
体内に面し試料を浮遊させる定在波を発する振動
体を収納せしめ、前記炉心管の他端内部に、炉心
管軸線方向へ摺動自在に反射体を嵌合せしめ、該
反射体に、ミラー炉中心側に面し前記振動体より
発せられた定在波を反射する反射面を形成すると
共にミラー炉本体内の音圧を検出する音圧検出セ
ンサーを取付け、且つ該反射体の中心部に炉心管
軸線方向へ移動自在なロツドを配設して該ロツド
のミラー炉中心側突出部に試料ホルダーを取付
け、前記反射体側に、試料を前記試料ホルダーに
供給し得るようにしたサンプル管を接続し、前記
振動体側に前記炉心管内にガスを供給するガス供
給装置を設けたことを特徴とするものである。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明
する。

断面が楕円形状をし且つ凹面内部に金鍍金を施
して鏡面を形成したミラー炉本体１の長軸方向両
側に、軸線が長軸側頂点を通り且つ長軸と平行に
延びるハロゲンランプ等の加熱ヒータ２を取付け
ると共に軸線が短軸と合致した中空状の石英製炉
心管３をミラー炉本体１に挿通・固定せしめる。
炉心管３は内径40mmφ程度、長さ160〜200mm程度
である。

炉心管３の一端を、ミラー炉本体１内よりある
程度外方へ突出せしめ、炉心管３の突出内部に中
空状の筒体４を摺動可能に嵌合せしめ、該筒体４
のミラー炉本体１側端部に、反射体５及び該反射
体５の反射面６から先端がミラー炉本体１内に突
出した音圧検出センサー７を取付け、筒体４の後
端外周にボールねじ８を介してプーリー９を取付
け、該プーリー９と駆動モータ１０の出力軸に取
付けたプーリー１１との間に無端状のベルト１２
を掛け渡す。

前記筒体４中空部にロツド１３を挿通せしめて
該ロツド１３のミラー炉本体１側先端に朝顔状の
試料ホルダー１４を取付け、ミラー炉本体１を取
付けた枠体１５のブラケツト１６に駆動モータ１
７により駆動されるローラ１８とフリーローラ１
９とを枢着し、該ローラ１８とフリーローラ１９
間に前記ロツド１３を挾み、摩擦力によりロツド
１３を軸線方向に進退動させ得るようになつてい
る。

ミラー炉本体１の試料ホルダー１４を設けた側
に、試料を投入するサンプル管２０を取付け、該
サンプル管２０を炉心管３の孔２１に連通せしめ
る。

炉心管３がミラー炉本体１側方へ突出してない
側に、中空状の枠体２２を取付け、該枠体２２内
に、先端が炉心管３内を摺動し得るようにした段
付円筒状の振動体ホルダー２３を嵌合せしめ、該
振動体ホルダー２３中空部に振動体２４を取付
け、該振動体２４を発振器２５に接続する。

振動体ホルダー２３の後端にねじ軸２６を取付
け、該ねじ軸２６に雌ねじを有するプーリー２７
を螺着せしめ、該プーリー２７と駆動モータ２８
出力軸に固着したプーリー２９との間に無端状の
ベルト３０を掛け渡す。

前記振動体２４としては、電歪型、磁歪型、動
電型のいずれも使用可能であるが、前記炉心管３
内で試料をポジシヨニングするためには、15〜
20KHzの超音波が適当であり、トランスジユーサ
用の圧電素子としてはPZT（ジルコン酸チタン酸
鉛）を用いたボルト締めランジユバン型変換素子
を用い、ミラー炉本体１内に面した振動面３１の
直径を炉心管３内径の0.59〜0.61倍にする。

枠体２２の外部に、ガス成分コントロール装置
３２と接続されたガス供給ノズル３３を接続し、
該ガス供給ノズル３３を、枠体２２と振動体ホル
ダー２３間の中空部、振動体ホルダー２３に穿設
した小孔３４、振動体ホルダー２３中空部と振動
体２４との間の間隙を介して炉心管３内に連通せ
しめる。

なお図中３５はミラー炉本体１外周部に螺旋状
に取付けられた冷却水管、３６は筒体４の冷却水
管、３７はサンプル管２０から孔２１を経て炉心
管３内に連通したガスノズル、３８は試料、４１
は振動体２４の冷却水管である。

次に本発明の作動について説明する。

上記音波浮遊装置付ミラー炉は、通常は宇宙空
間で使用され、この場合にはどの方向に向けても
使用可能であるが、地上で使用する場合には振動
体２４を上にし、試料ホルダー１４を下にして作
業する必要があるが、以下地下での作業について
説明する。

ミラー炉本体１内での試料の浮遊安定領域は、
一般に炉心管３内に複数個所に存在するのであら
かじめ加熱条件の分つている領域に閉じ込めてお
くことが必要である。このため、運転時には駆動
モータ１０によりプーリー１１，９を回転させて
筒体４を下降させると共に駆動モータ１７により
ローラ１８を回転させて試料ホルダー１４を下降
させ、試料ホルダー１４をサンプル管２０より下
の位置で停止せしめ、サンプル管２０より試料３
８を試料ホルダー１４に入れ、駆動モータ１７に
より試料ホルダー１４をミラー炉本体１内中央部
所要位置に移動させ、試料ホルダー１４により試
料３８を保持して安定領域にプレポジシヨニング
する。

又、駆動モータ１０により筒体４をミラー炉本
体１側に移動させて反射面６を所要位置に位置さ
せ、駆動モータ２８により振動体ホルダー２３を
移動させて振動体２４の振動面３１を所要位置に
位置させ、振動面３１と反射面６を所要の間隔に
保持する。

次に発振器２５を作動させて機械的に振動を振
動体２４に与える。機械的振動はボルト締めラン
ジユバン変換素子で超音波に変換され、チタン合
金（Ti6Al4V）製のトランスミツタで増幅され、
振動面３１から炉心管３内に超音波が放射され
る。

振動面３１の直径は炉心管３内径の略0.6倍で
あり且つ振動面３１と反射面６の距離が適当な寸
法に調整されているため、炉心管３内に軸線方
向、径方向共にポジシヨニング力の働く音圧分布
すなわちベツセルの〔0.1〕モードが形成され、
試料３８は試料ホルダー１４から浮遊してポジシ
ヨニングされる。又、ポジシヨニングが終了した
ら、加熱ヒータ２により試料３８は溶融される。

上記音圧分布は超音波の周波数、ガス中の音
速、炉心管３の内径、長さに依存することは理論
的にもある程度推定されるが、実機の場合には、
ガス中の音速はガスの温度ガス成分によつて変る
ので、一定の音圧分布を形成させておくことは困
難である。従つて、浮遊安定領域が移動しても試
料３８の加熱条件が変化しないように、加熱ヒー
タ２のミラー炉の焦点を線状にし、ポジシヨニン
グ力を安定させてやる。

常温の試料３８を加熱、溶融、冷却、凝固させ
る全プロセスにおいて浮遊させ、ポジシヨニング
することが理想であるが、その間の温度変化は
1000℃以上になり、ガス中の音速の変化も２倍以
上に変化し、音圧分布は大幅に変化するので、そ
の間に反射面６の位置とガス成分、ガス温度、反
射面上音圧、反射面位置、振動周波数をデータと
して実時間で取込み、これらを図示してない演算
装置で処理して上記の因子の最適値を出力し、安
定浮遊加熱を行う。

本発明の音波浮遊装置付ミラー炉は前述のごと
き構成であるから、下記のごとき種々の優れた効
果を奏し得る。

() 円筒状音場の軸線上に加熱ゾーンを設けて
おり、定在波が軸対称であることから、加熱時
のポジシヨニング力の安定性が優れている。

() 円筒状の炉心管を使用することにより線状
焦点ヒータとの整合性が良い。

() ガスコントロール系の供給ガス流が反射体
と振動体トランスミツタ周辺を流れることによ
り、音場を乱すことがない。

() 試料投入口を反射体側に設け、ガス供給口
側と同じ側にすることにより、試料のプレポジ
シヨニングをガス流により行うことができるの
で試料ホルダーを反射体側にだけ設ければ良
い。

() ガス成分比と反射体の炉心管軸線方向位置
を同時に制御することにより、加熱温度条件に
よる炉心管内音波の波長の変化への追従性を満
足し、しかも反射体の調整ストロークを短かく
でき、全体的にコンパクトになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の説明図である。 図中１はミラー炉本体、２は加熱ヒータ、３は
炉心管、４は筒体、５は反射体、６は反射面、１
４は試料ホルダー、２０はサンプル管、２３は振
動体ホルダー、２４は振動体、２５は発振器、２
６はねじ軸、３１は振動面、３２はガス成分コン
トロール装置を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内面に鏡面を形成した楕円状のミラー炉本体
   内に、中空状の炉心管を挿通、固定せしめると共
   に炉心管内を炉心管の外から加熱するための加熱
   ヒータを取付け、前記炉心管の一端に軸線方向へ
   移動自在に振動体ホルダーを嵌合せしめ、該振動
   体ホルダー内に、振動面がミラー炉本体内に面し
   試料を浮遊させる定在波を発する振動体を収納せ
   しめ、前記炉心管の他端内部に、炉心管軸線方向
   へ摺動自在に反射体を嵌合せしめ、該反射体に、
   ミラー炉中心側に面し前記振動体より発せられた
   定在波を反射する反射面を形成すると共にミラー
   炉本体内の音圧を検出する音圧検出センサーを取
   付け、且つ該反射体の中心部に炉心管軸線方向へ
   移動自在なロツドを配設して該ロツドのミラー炉
   中心側突出部に試料ホルダーを取付け、前記反射
   体側に、試料を前記試料ホルダーに供給し得るよ
   うにしたサンプル管を接続し、前記振動体側に前
   記炉心管内にガスを供給するガス供給装置を設け
   たことを特徴とする音波浮遊装置付ミラー炉。