JPH0413088A

JPH0413088A - リング電極型静電浮遊炉

Info

Publication number: JPH0413088A
Application number: JP2113175A
Authority: JP
Inventors: Toshio Abe; 俊雄阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1992-01-17
Also published as: FR2661486B1; DE4114039C2; US5247144A; FR2661486A1; DE4114039A1

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］この発明は１例えば半導体材料や合金材料などの製造を
宇宙環境を利用して行う微小重量材料製造実験に使用さ
れる静電浮遊炉の改良に関するものである。

し従来の技術］第６図は例えば米国特許公報に示された４５２１８５４
［ＪＵＮ、　　４．１９８５１　　ＣＬＯＳＥＤ　ＬＯ
ＯＰ　ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣＬＥＶＩＴＡＴＩＯ
Ｎ　ＳＹＳＴＥＭに示された従来のリング電極型静電浮
遊炉を示す構成ブロック図である。図において、（１）
は下にへこんだ皿状の電極で同じ物が対向して置かれる
。（２）は電極（１）の中間位置に置かれた供試体、（
３）はこの供試体（２）の重心位置を計測するためのＣ
ＣＤカメラ、（４）はこのＣＣＤカメラに接続された制
御回路、（５）はこの制御回路と電極（１１に接続され
た高圧電源である。なお、公開された文献の中にはリン
グ電極型静電浮遊炉の構成や加熱手段を明らかにしたも
のは見あたらない。

［発明が解決しようとする課題］従来のリング電極型静電浮遊炉は以上のように構成され
供試体を静電力で浮遊している。

供試体の加熱は微小重力における無対流や均−拡散等の
効果を最大限に発揮するため加熱手段に非常に大きな誓
約がある。例えば電子ビームや誘導加熱は静電界との干
渉があり、誘電加熱は導電性材料の加熱が出来ない、レ
ーザは装置が大型になりかつ供試体の表面を部分的にし
か加熱できない。ハロゲンランプやキセノンランプも供
試体の均一な加熱が出来ないし寿命が約１００時間程度
と非常に短い１等問題があり従来の加熱手段は何れも静
電浮遊炉に適さず、供試体の表面の温度分布を均一にし
て、マランゴニ対流を抑え、均一な拡散を促す適当な加
熱手段が無いという問題があった。

この発明は上記の課題を解決する事を目的とする。

また、この発明の別の実施例は上記目的に加え光源を２
個用いて高温で双回転楕円鏡イメージ加熱を行うことを
目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係わるリング電極型静電浮遊炉は回転楕円鏡
の内側で第１焦点側につくられた空洞共振器の中にプラ
ズマランプを置き電波を注入してこれを発光させ、第２
焦点側の球形の焦点像の中に試料管に収納された供試体
を入れ、これを試料管の外側に設置された２対のリング
電極の間で浮遊させ、加熱しながら供試体を浮遊し位置
制御を行うものである。

［作用］この発明においては９回転楕円鏡の第１焦点に置かれた
プラズマランプが球形に発光し、第２焦点に置かれた供
試体に球形に集光して加熱する。

［実施例］以下、この発明の一実施例によるリング電極型静電浮遊
炉を図について説明する。第１図はこの発明の一実施例
を示す構成ブロック図であり。

（２）と（５）は上記従来の装置とまったく同じである
。

図において（６）は回転楕円体の反射面を内側に有する
回転楕円鏡、（７）はこの回転楕円鏡（６）の第１焦点
に置かれたプラズマランプでガラスのような透明材料で
中空球を形成しその中に各種の元素を封入したものであ
る。（８）はこのプラズマランプ（７）を支持する支持
具、（９）は回転楕円鏡（６）の第】焦点側端部におい
て、その内面に円周状の縁が接するように取り付けられ
た円盤状の電波遮蔽板、　　（１０１はこの電波遮蔽板
（９）と回転楕円鏡（６）とで形成された空洞共振器、
　（１１１はプラズマランプを収納する空洞共振器（１
０）に高周波電流を注入する高周波発信器、　（１２１
は同心円状の２個のリング型の導電性金網または、透明
金属で形成されたリング電極を２対対向して並べて試料
管（Ｉ６）に取付けたリング電極、　　（１，３１は供
試体。

（２）に対向して回転楕円鏡（６）に設けられた観測窓
（１４）を通して供試体（２）の位置を計測する位置検
出器で例えばＣＣＤカメラやシリコン板を用いた位置検
出器、　　ｆＰｓＤ）等が用いられる。　（１５）はこ
の位置検出器　（１３）と高圧電源（５）に接続される
制御回路である。

第２図はリング電極（１２）と供試体（２）の関係を示
す図で、　（１２ａ）から＋１２ｄ）は試料管（１６）
の中央部分に供試体　（２）を挟むように対向して取り
付けられた２対のリング電極で試料管（Ｉ６）の内部に
埋設される。これらの間に供試体　（２）が浮遊される
。（１６）は透明な中空円筒の試料管で石英やサファイ
ア等で形成される。

第３図は位置検出器（１３）と制御回路（Ｉ５）の構成
を示すブロック図で、たとえばＰＳＤ　（Ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用す
る場合について説明すると、シリコン半導体でｐｎ接合
を形成した５ｅｒｎ角ぐらいの板状の位置器（１３）の
２辺からＸとＹ方向の位置信号が位置検出回路は５ａ）
に接続される。この位置信号を入出力インターフェース
（１５ｂ）経由計算機（１，５ｃ）に送り込む。

上記のように構成されたリング電極型静電浮遊炉におい
て、供試体（２）をリング電極（１２）に高圧電源（５
）から電圧を与え静電界で浮遊させる。この原理は第４
図に置いて透明リング電極（１２）が谷型の電界を作り
その谷間に供試体　（２）をクーロン力で浮遊させ、電
界の強さを調節して位置を安定に制御する。この様にし
て浮遊すると位置を位置器　（１３）が検出しアナログ
信号で制御回路（１５）に送信する。ここで制御演算を
行い制御量を高圧電源（５）へ送出する。この様にして
高速な位置制御を行う。

次に第５図において、プラズマランプ（７）へ結合窓（
１８）から高周波が注入されると空洞共振器（１０）内
部で共振し電磁エネルギーがプラズマランプ（７）内部
のガスに作用してプラズマランプを生成する。この光が
球形に発光して回転楕円鏡（６）で集光されて第２焦点
側にほぼ球形に集光する。

この状況は第６図に示されている。第６図は集光の模様
をコンピュータでシミュレーションしたものであるが第
２焦点側に球形に近い形で集光してい（様子がわかる。

このような中に供試体（２）を置いて加熱する。この時
供試体（２）表面に均一に光が照射されるから１表面の
温度を均一に出来る。また、供試体（２）の光学特性に
合わせた波長の光で加熱できる。例えば、従来赤外線で
は不可能であったファイバーケーブル用ガラスの溶融を
紫外線を用いて可能とする。このことは、無容器で純粋
なガラスを得る事が出来、超低損失ファイバの製造に道
を拓くものである。

第７図は均一な加熱の状況を実験によって確認したデー
タである。従来のハロゲンランプに比較して第２焦点に
於ける光の分布が広範囲であり温度勾配が小さい事がわ
かる。

また第８図は直径５ｍｍのアルミ球の供試体を加熱溶融
したときの様子を示す実験データで、このときプラズマ
ランプには約３００ｗの高周波電力が注入されている。

光りの波長はｏ、７６ミクロンの近赤外を用いている。

この実験から従来のランプと同様の加熱効率で供試体の
加熱溶融が可能な事が確認された。

さて、この発明は以上説明した通り、一つの回転楕円鏡
（６）を用いているが、第７図の別の発明のように第２
の回転楕円鏡（１７）をその長軸方向に第２焦点を共有
して取り付け、第２の回転楕円鏡（１７）の端部にプラ
ズマランプ（７）と支持具（８）、及び電波遮蔽板　（
９）をとりつける、双方のプラズマランプ（７）の発し
た光が供試体（２）の全表面に均等にかつ強力に照射さ
れるので、されに高温で均一な加熱の効果を得ることが
出来る。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば供試体の加熱を浮遊し
た状態で均一に行えるから微小重力中の外乱を最小に出
来、有効な材料処理が行える。この事は微小重力実験を
行う上ではきわめて重要である。

また、紫外線のように任意の波長の光で材料を加熱処理
できるから従来不可能であった材料の無容器処理を可能
とする。

例えば、ファイバ用ガラスの製造、超伝導材の融液から
の製造２発泡合金の製造、複合合金の製造等に用いる事
が出来る。

なお１以上の効果は実験や解析で確認済のものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるリング電極型静電浮
遊炉の構成図、第２図はリング電極と供試体の関係を示
す図、第３図は位置検出器と制御回路と高圧電源の構成
ブロック図、第４図は供試体の浮遊原理を説明する図、
第５図はプラズマランプ周辺の構成図、第６図は回転楕
円鏡筒による集光特性のシミュレーション図、第７図は
第２焦点付近の温度分布の測定データを示す図、第８図
は加熱溶解の実験データを示す図、第９図はこの発明の
実施例によるリング電極型静電浮遊炉の構成図、第１Ｏ
図は従来のリング電極型静電浮遊炉の構成ブロック図で
ある。図において、（１）は電極、（２）は供試体、（
３）はＣＣＤカメラ、（４）は制御回路、（５）は高圧
電源、（６）は回転楕円鏡。（７）はプラズマランプ、（８）は支持具、（９）は電
波遮薇板、　　（１０）は空洞共振器、　（１１１は高
周波発信器、　＋１２）は透明リング電極、　（１２ａ
ｌ　と（１２ｃｌは外側の透明リング電極、　　（１２
ｂｌ　と（１２ｄ）は内側の透明リング電極、　　（１
３）は位置検出器、　　（１４１は観測窓、　　（１５
１は制御回路、　（１５ａ）は位置検出回路、　（１５
ｂｌは入出力インタフェース、　（１５ｃ）は計算機、
　　＋１６）は試料管、　　（１７）は第２の回転楕円
鏡、　（１８１は結合窓、　　（１９）はワイヤである
。なお１図中同一行号は同一または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）回転楕円体の反射面を内側に有する回転楕円鏡と
、この回転楕円鏡の第１焦点に置かれたプラズマレンプ
と、回転楕円鏡の第１焦点側端部において、電波遮蔽板
と、回転楕円鏡とで形成されプラズマランプを収納した
空洞共振器と、この空洞共振器に高周波電流を注入する
高周波発信器と、上記回転楕円鏡の第２焦点に置かれた
試料管と、この試料管の中心付近に対向して置かれた２
対のリング電極と、これらリング電極に接続された高圧
電源と、試料管の中央部に対向して置かれた位置検出器
と、これら高圧電源と位置検出器に接続される制御回路
とを備えた事を特徴とするリング電極型静電浮遊炉。
（２）回転楕円体の反射面を内側に有する第１の回転楕
円鏡と、この第１の回転楕円鏡と第２焦点を共有する第
２の回転楕円鏡と、双方の第１焦点に置かれたプラズマ
ランプと、双方の回転楕円鏡の第１焦点側端部において
、電波遮蔽板と回転楕円鏡とで形成された空洞共振器に
プラズマランプを収納し、これら双方の空洞共振器に高
周波電流を注入する高周波発信器と、上記２個の回転楕
円鏡の第２焦点に置かれた試料管と、この試料管の中心
付近に対向して置かれた２対のリング電極と、これらリ
ング電極に接続される高圧電源と、試料管の中央部に対
向して置かれた位置検出器と、これら高圧電源と位置検
出器に接続される制御回路とを備えた事を特徴とするリ
ング電極型静電浮遊炉。