JPH02203193A - ミラー炉型音波浮遊炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、試料を音波で浮遊させて加熱、溶融、凝固を
行い得る様にしたミラー炉型音波浮遊炉に関するもので
ある。

［従来の技術］ ミラー炉型音波浮遊炉は、実用的には宇宙の微小重力環
境で用いられ、試料溶融にるつぼを必要としないため、
るつぼからの汚染がなく、純粋な試料の加熱、溶融、凝
固が可能であり、且つミラー炉を用いるため短時間に小
電力で８００℃程度に加熱が可能である。又、浮遊力は
非常に小さくたかだか２０ａ＋ｇｆ’程度であるが、宇
宙空間の様な無重力状態では１０−３〜１０４ｇ程度の
加速度しかないので、実用的には支障がない。

音波浮遊炉は、原理的には、閉じられた空間内に音波の
定在波が生じているとき、その中の物体が軽い粉体の様
なものであれば、それらが定在波（音圧）の節の部分に
集まるという現象に基づき、微小重力の空間でその現象
をある程度比重の大きいガラス材料に適用し加熱装置を
組み合わせたものであり、従って浮遊している物体を微
小重力などで移動させずに加熱、溶融処理し得る様に、
試料（物体）を一定の空間（例えば円筒空間）内に３次
元的に保持するために、軸方向と径方向に試料を保持で
きる音波の定在波を形成させることが必要である。

ミラー炉型音波浮遊炉の従来例として特開昭り８−５５
ｆ３７Ｂ号公報に示すものは、゛ミラー炉本体に中空状
の炉心管を取り付け、該炉心管の中空部一端に試料を浮
遊させる定在波を発する振動体を軸線方向へ移動可能に
配設し、炉心管の中空部他端に、試料ホルダと前記振動
体より発せられた定在波を反射する反射体とを軸線方向
に移動可能に配設し、ガス成分コントロール装置で成分
を制御されたガスを振動体側から炉心管内に供給するガ
ス供給装置を設けているが、この場合、炉内の加熱によ
りガスの温度、ガス成分が変化するとガス中の音速も変
化することにより一定の音圧（定在波）分布を形成させ
ておくことが困難となる。従って、この様な加熱による
ガス音速の変化の補償手段として、ガス成分コントロー
ル装置でガス成分を制御し、且つ浮遊安定領域が移動し
ても加熱部分が外れないようにミラー炉の焦点を線状に
し、反射面位置、ガス成分、ガス温度、反射面上音圧、
音波周波数をデータとして実時間で取り込み、繰り返し
試行錯誤的に実験を行って安定浮遊条件を見出し、演算
装置で実験条件を再現させることにより安定浮遊を実現
している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述の従来例では下記の様な問題がある
。

Ｉ）温度変化による音速変化を補償するためにガス成分
を変化させる必要があり、装置が複雑となり、又、ガス
成分の制御手段として流量制御を用いるが精密な制御が
困難である。

■）音波浮遊炉では、安定浮遊条件を維持するためにガ
ス流速を大きくすることが出来ないので、ガス成分の制
御を行っても徐々にしか変化せず温度変化に追従しにく
い。

■）振動体としてランジュバン振動子を使用するので周
波数はほぼ一定である。温度変化の補償は、ガス成分制
御の限界からガス成分の他、反射面位置、ガス温度、反
射面上音圧、音波周波数などのパラメータを変化させ、
実験的データを取り込むので非常に複雑な制御となる。

■〉ガス温度は、ガスを流していて炉心管の中心部のみ
集中的に加熱されているので正しい測定が困難で、温度
補償には荷動でない。

本発明は、上記問題を解消し、加熱によるガス温度の変
化及びそれに伴うガス中の音速変化を補償することによ
り浮遊モードを維持する様にしたミラー炉型音波浮遊炉
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］ 本発明は、加熱装置を備えたミラー炉本体に、ガスを導
入し試料を浮遊させる中空状の炉心管を取り付け、該炉
心管の中空部一端に、マイクロホンを内蔵した音響反射
体、及び、試料格納ケージを保持するケージホルダを軸
線方向へ移動可能に配設し、炉心管の他端に、音響エネ
ルギーを炉心管内に放射し得る音響カプラー付音響発生
器を着脱自在に装着し、前記マイクロホン、音響発生器
、加熱装置のそれぞれに電気的に接続し前記試料の浮遊
及び加熱を制御する制御装置を設けたことを特徴とする
ものである。

［作　　　用］ 炉心管内の試料を浮遊させながら加熱中に、ガス温度の
変化及びそれに伴うガス中の音速の変化があると、制御
装置により、一定の周期で音響発生器の発振周波数を変
化させ共振周波数の変化を補償することにより、最適な
加熱浮遊モードを維持する制御を行う。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、連続的に対
向した２つの球状凹面に金めつきを施して鏡面を形成し
たミラー炉本体１の前記対向凹面の両側に、軸線が前記
２つの球状面の各中心を通り対向方向に延びるハロゲン
ランプ等の加熱装置２を取り付けると共に、軸線が加熱
装置２の前記軸線を通り直交する石英ガラス製円筒状炉
心管３をミラー炉本体ｌに挿通、固定させる。

炉心管３の一端内部に、マイクロホン４を内蔵した音響
反射体５を摺動可能に嵌合させ、ミラー炉本体１の外部
に設けた枠体６に、駆動モータ７により前記反射体５を
炉心管３軸線方向に移動させ得る様にした反射体移動機
構８を取り付け、該移動機構８に、反射体５の位置を検
出可能に反射体位置センサ９を係合させる。

前記反射体５内を挿通しミラー炉本体ｌ内先端に試料ｌ
Ｏを格納し得る試料格納ケージｉｔを取り付けたケージ
ホルダ１２を設け、前記枠体６に、駆動モータ１３によ
り前記ケージホルダ１２を炉心管３軸線方向に移動させ
得る様にしたホルダ移動機構１４を取り付け、該移動機
構１４に、ケージホルダ１２の位置を検出可能にホルダ
位置センサ１５を係合させる。

前記枠体６内に、外部から炉心管３内にガスを供給し得
る管内ガスポート１６を設ける。

炉心管３の他端側に、磁石１７、ボイスコイル１８、円
弧状振動板１９、及び該振動板１９と炉心管３との間に
位置した音響カプラー２０から成る周波数可変の音響発
生器２１を設け、前記音響カプラー２０によりカプラー
アダプタ２２を介して前記音響発生器２１を炉心管３他
端に取り付ける。炉心管３内に音圧強度を十分にとり且
つベッセルの［Ｑ、ｌ］モードを形成させるため、前記
カプラーアダプタ２２は、炉心管一端に浮遊モードによ
り決定される径を有する剛な円板状振動板ををり付け、
た通常の場合と等価的な音響エネルギーを前記音響発生
器２１から炉心管３内に放射し得る様に設計されている
。

枠体２３に、前記音響発生器２１を炉心管３に対して看
脱し、又、固定し得る様にした着脱機構２４及び固定ハ
ンドル２５を設ける。

ミラー炉本体ｌの外部に設けた試料１０の浮遊及び加熱
制御を行うための制御装［２１３を、前記マイクロホン
４、音響発生器２１．加熱装置２にそれぞれアンプ２７
．２８．２９を通じて電気的に接続させる。

なお、図中３０はミラー炉本体ｌの炉壁冷却管、３１は
反射体５の冷却管、３２は音響発生器２１の冷却管であ
る。

次に本発明の作動について説明する。

着脱機構２４により音響発生器２１を炉心管３から外し
、ホルダ移動機構１４により、ケージホルダ１２及び試
料格納ケージ１１を炉心管３内で音響発生器２１側へ移
動させ、ケージｌｌ内に試料ＩＯを格納した後に、再び
試料１０がミラー炉本体１の焦点に位置する様に炉心管
３中夫にケージ１１を移動させ、音響発生器２１を炉心
管３に装着し、固定ハンドル２５により固定する。

炉心管３内に管内ガスポート１Ｂからガスを導入し、ケ
ージホルダ１２内部を吸気して試料１０をケージ１１に
吸着させ加熱しない状態で熱電対等でガス温度を測定し
、初期浮遊の周波数を既存の較生データから求め、この
共振周波数で音響発生器２１を発振させ、反射体移動機
構８により反射体５を移動させなから音圧が最大となる
位置を決定し、炉心管３内で浮遊音響モードを発生させ
ることにより試料１０を炉心管３中央で浮遊させる。こ
れにより、機械的寸法の変化あるいは試料１０形状等に
よる安定浮遊条件の変化を補償し、安定浮遊条件を維持
させることが出来る。

加熱装置２からの加熱により炉心管３内のガス温度が上
昇し音速が変化すると、制御装置２６により、一定の短
い周期で音響発生器２１の発振周波数をわずかに変化さ
せたときの音圧変化を測定し、このｎ１定値に基づいて
得られた炉心管３内の周波数対音圧曲線により、ベッセ
ルの［０、！］の浮遊音響モードを維持するための最大
音圧を生じる周波数を決定し、この周波数の正弦波の音
圧を、音響カプラー２０を通じ音響発生器２１から炉心
管３内に放射する様に制御する。

これにより、ガス温度の変化及びそれに伴うガス中の音
速変化を補償し、炉心管３の軸線方向、径方向のいずれ
にもポジショニング力の働く音圧モードであるベッセル
の［０，１１モードを形成し、加熱時に安定した浮遊を
実現させながら、加熱装置２により試料ｌＯのみの集中
加熱、溶融を行うことが出来る。

なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではな（
、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得
ることは勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、下記の様な種々の優れた効果を奏し得
る。

■　音響カプラー付音響発生器の採用により、周波数の
広範囲にわたりベッセルの［０，１］モードの安定浮遊
モードを生じる剛な円板状振動板と等価な安定浮遊モー
ドを発生させることが出来る。

（ＩＤ　　試験音響を発射し、音響周波数対音圧特性の
測定を行い、ガス温度に適合する最適な音響周波数を維
持することにより、装置の固有の特性に左右されずに安
定浮遊モードを実現出来、浮遊の条件を実験により詳細
に探索する必要が無く再現性に優れている。

■　ガス成分の制御が不要であり、単一成分ガスで十分
であるので、システム構成が簡単になる。

■　第４図の周波数対ガス温度特性に示す様に、単一の
音響発生器の周波数を制御することにより、広範囲のガ
ス温度変化を補償し、安定浮遊が出来る。

ω　制御方式が簡単であり、実験データを多量に記憶す
る必要もないので、制御用コンピュータも小形で十分で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体システムブロック図、
第２図は本発明の一実施例のミラー炉型音波浮遊炉本体
断面図、第３図は本発明の一実施例の音響カプラー付音
響発生器の断面斜視図、第４図は周波数対ガス温度特性
を示す線図である。 図中１はミラー炉本体、２は加熱装置、３は炉心管、４
はマイクロホン、５は音響反射体、８は反射体移動機構
、１０は試料、１１は試料格納ケージ、１２はケージホ
ルダ、１４はホルダ移動機構、１６は管内ガスポート、
２０は音響カプラー２１は音響発生器、２４は音響発生
器着脱機構、２Ｂは制御装置を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）加熱装置を備えたミラー炉本体に、ガスを導入し試
   料を浮遊させる中空状の炉心管を取り付け、該炉心管の
   中空部一端に、マイクロホンを内蔵した音響反射体、及
   び、試料格納ケージを保持するケージホルダを軸線方向
   へ移動可能に配設し、炉心管の他端に、音響エネルギー
   を炉心管内に放射し得る音響カプラー付音響発生器を着
   脱自在に装着し、前記マイクロホン、音響発生器、加熱
   装置のそれぞれに電気的に接続し前記試料の浮遊及び加
   熱を制御する制御装置を設けたことを特徴とするミラー
   炉型音波浮遊炉。