JPH0914863A - 高周波溶解装置 - Google Patents
高周波溶解装置Info
- Publication number
- JPH0914863A JPH0914863A JP18860395A JP18860395A JPH0914863A JP H0914863 A JPH0914863 A JP H0914863A JP 18860395 A JP18860395 A JP 18860395A JP 18860395 A JP18860395 A JP 18860395A JP H0914863 A JPH0914863 A JP H0914863A
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- JP
- Japan
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- melting
- ferromagnetic material
- frequency coil
- silicon
- magnetic
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 金属材料を高周波誘導加熱により溶解する場
合に、溶解効率を高め、消費電力を節減する。 【構成】 高周波コイル２を、その内面を除いて高透磁
率・高融点・高抵抗の強磁性体３により包囲する。強磁
性体３に磁路が形成され、高周波コイル２の内側におけ
る磁束数および磁束密度が増大する。
合に、溶解効率を高め、消費電力を節減する。 【構成】 高周波コイル２を、その内面を除いて高透磁
率・高融点・高抵抗の強磁性体３により包囲する。強磁
性体３に磁路が形成され、高周波コイル２の内側におけ
る磁束数および磁束密度が増大する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はシリコン、チタンを始め
とする各種金属を高周波誘導加熱により溶解する高周波
溶解装置に関する。
とする各種金属を高周波誘導加熱により溶解する高周波
溶解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、太陽電池の素材として用いられる
シリコンの方向性凝固ロッドを得るために、高周波誘導
加熱溶解によるシリコンの連続鋳造法が開発され、その
実用化に向けての研究が続けられている。
シリコンの方向性凝固ロッドを得るために、高周波誘導
加熱溶解によるシリコンの連続鋳造法が開発され、その
実用化に向けての研究が続けられている。
【０００３】高周波誘導加熱溶解によるシリコンの連続
鋳造法は、図６に示すように、周方向に分割された無底
るつぼ１と、その外側に配置された高周波コイル２とを
用いて、無底るつぼ１内に投入される粒塊状の原料シリ
コンを高周波誘導加熱溶解し、その溶解シリコン４を無
底るつぼ１から下方へ徐々に引き抜いて凝固させること
により、シリコンロッド５を連続的に製造する。この方
法は高能率であることに加え、溶解シリコン４が無底る
つぼ１に対して非接触の状態で保持されるために、無底
るつぼ１からの不純物汚染が少ないという際立った特徴
を有する。
鋳造法は、図６に示すように、周方向に分割された無底
るつぼ１と、その外側に配置された高周波コイル２とを
用いて、無底るつぼ１内に投入される粒塊状の原料シリ
コンを高周波誘導加熱溶解し、その溶解シリコン４を無
底るつぼ１から下方へ徐々に引き抜いて凝固させること
により、シリコンロッド５を連続的に製造する。この方
法は高能率であることに加え、溶解シリコン４が無底る
つぼ１に対して非接触の状態で保持されるために、無底
るつぼ１からの不純物汚染が少ないという際立った特徴
を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高周波
誘導加熱溶解は単なる誘導加熱の場合と異なり、大量の
電力を消費する。高周波誘導加熱溶解によるシリコンの
連続鋳造法もその例外ではなく、高周波コイル２に大電
流を供給する必要があるため電力費が嵩み、これによる
鋳造コストの上昇が、その鋳造法を実用化する上での大
きな障害の一つになっている。
誘導加熱溶解は単なる誘導加熱の場合と異なり、大量の
電力を消費する。高周波誘導加熱溶解によるシリコンの
連続鋳造法もその例外ではなく、高周波コイル２に大電
流を供給する必要があるため電力費が嵩み、これによる
鋳造コストの上昇が、その鋳造法を実用化する上での大
きな障害の一つになっている。
【０００５】高周波誘導加熱溶解によるシリコンの連続
鋳造法では、溶解金属の形成量が変わらない限り最小限
必要なエネルギーは基本的に一定であり、結局は投入電
力をシリコンの溶解にいかに有効に利用するかというこ
とがポイントになる。チタン粉末を製造する方法の一つ
であるガスアトマイズ法やシリコン単結晶を製造する方
法の一つであるＦＺ法でも、この高周波誘導加熱溶解は
用いられているが、投入電力の有効利用はやはり重要な
課題の一つになっている。
鋳造法では、溶解金属の形成量が変わらない限り最小限
必要なエネルギーは基本的に一定であり、結局は投入電
力をシリコンの溶解にいかに有効に利用するかというこ
とがポイントになる。チタン粉末を製造する方法の一つ
であるガスアトマイズ法やシリコン単結晶を製造する方
法の一つであるＦＺ法でも、この高周波誘導加熱溶解は
用いられているが、投入電力の有効利用はやはり重要な
課題の一つになっている。
【０００６】本発明の目的は、投入電力の利用効率を高
めて電力消費量の節減を図る高周波溶解装置を提供する
ことにある。
めて電力消費量の節減を図る高周波溶解装置を提供する
ことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の高周波溶解装置
は、高周波コイルの内側に供給される金属材料を高周波
コイルにより誘導加熱して溶解する高周波誘導加熱溶解
装置において、高周波コイルを高透磁率・高融点・高抵
抗の強磁性体によりコイル内面を残して包囲し、且つ強
磁性体を強制冷却するものである。
は、高周波コイルの内側に供給される金属材料を高周波
コイルにより誘導加熱して溶解する高周波誘導加熱溶解
装置において、高周波コイルを高透磁率・高融点・高抵
抗の強磁性体によりコイル内面を残して包囲し、且つ強
磁性体を強制冷却するものである。
【０００８】
【作用】高周波コイルを高透磁率・高融点・高抵抗の強
磁性体によりコイル内面を残して包囲すると、強磁性体
に磁路が形成され、開放されたコイル内側において磁束
量および磁束密度が増大する。その結果、コイル内側の
金属材料に強い磁力線が作用し、金属材料の溶解効率が
上がる。また、磁束の漏洩も防止される。
磁性体によりコイル内面を残して包囲すると、強磁性体
に磁路が形成され、開放されたコイル内側において磁束
量および磁束密度が増大する。その結果、コイル内側の
金属材料に強い磁力線が作用し、金属材料の溶解効率が
上がる。また、磁束の漏洩も防止される。
【０００９】また、強磁性体と言えどもこれを高周波誘
導加熱溶解にそのまま適用することはできない。なぜな
ら、溶解効率を高めるためには高い透磁率が要求される
が、透磁率の高いものほどネール温度が低くなる傾向に
あるので、高温により透磁率が低下し磁気特性が得られ
ないという問題が生じる。しかるに、本発明ではその強
磁性体を水，油等の冷媒を用いて、強制的に冷却するの
で、この問題も生じない。
導加熱溶解にそのまま適用することはできない。なぜな
ら、溶解効率を高めるためには高い透磁率が要求される
が、透磁率の高いものほどネール温度が低くなる傾向に
あるので、高温により透磁率が低下し磁気特性が得られ
ないという問題が生じる。しかるに、本発明ではその強
磁性体を水，油等の冷媒を用いて、強制的に冷却するの
で、この問題も生じない。
【００１０】漏洩磁束をなくす磁気シールド自体は周知
であるが、一般の磁気シールドはアルミニウム板、銅板
といった非磁性体であり、高周波誘導加熱溶解に用いて
も磁路を形成しないので、かえって溶解効率を低下させ
る。また自己の渦電流による発熱のために高温となって
実際に使用することも困難である。
であるが、一般の磁気シールドはアルミニウム板、銅板
といった非磁性体であり、高周波誘導加熱溶解に用いて
も磁路を形成しないので、かえって溶解効率を低下させ
る。また自己の渦電流による発熱のために高温となって
実際に使用することも困難である。
【００１１】強磁性体としては、高透磁率・高融点・高
抵抗を兼ね備え、これらのレベルが特に高い複合フェラ
イトが望ましい。代表的な複合フェライトの磁気特性を
表１に示す。
抵抗を兼ね備え、これらのレベルが特に高い複合フェラ
イトが望ましい。代表的な複合フェライトの磁気特性を
表１に示す。
【００１２】複合フェライトの透磁率は溶解効率を高め
るために高い方が望ましく、具体的には初比透磁率で１
×１０2 以上が望ましい。抵抗率については自己の渦電
流損を抑えるために高い方が望ましく、具体的には１×
１０5 Ω・ｃｍ以上が望ましい。これらを満足する複合
フェライトとしてはＭｇＺｎ，ＣｕＺｎなどがある。
るために高い方が望ましく、具体的には初比透磁率で１
×１０2 以上が望ましい。抵抗率については自己の渦電
流損を抑えるために高い方が望ましく、具体的には１×
１０5 Ω・ｃｍ以上が望ましい。これらを満足する複合
フェライトとしてはＭｇＺｎ，ＣｕＺｎなどがある。
【００１３】強磁性体の冷却構造としては、強磁性体に
冷媒の流路を形成するのが代表的であるが、これに限る
ものではない。
冷媒の流路を形成するのが代表的であるが、これに限る
ものではない。
【００１４】強磁性体の形状としては、高周波コイルの
内面を残してそのコイルを出来るだけ広く包囲するもの
が望ましく、具体的には高周波コイルの外側に位置する
筒部と、筒部の両端部から内側へ延出した第１延出部
と、第１延出部の各先端から対向側へ延出した第２延出
部とからなるものが望ましい。
内面を残してそのコイルを出来るだけ広く包囲するもの
が望ましく、具体的には高周波コイルの外側に位置する
筒部と、筒部の両端部から内側へ延出した第１延出部
と、第１延出部の各先端から対向側へ延出した第２延出
部とからなるものが望ましい。
【００１５】
【表１】 μi 初比透磁率、 Ｉs 飽和磁化、 Ｈc 保持力 δ 磁壁の幅、 Ｔc ネール温度、ρ 抵抗率
【００１６】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
する。
【００１７】図１は本発明の１実施例を示すシリコン連
続鋳造装置の側面図である。この鋳造装置は無底るつぼ
１と、その外側に配置された高周波コイル２と、高周波
コイル２を包囲する強磁性体３とを具備する。無底るつ
ぼ１は水冷銅からなり、軸方向の一部を残して周方向に
複数分割されている。高周波コイル２は数ターンの水冷
銅コイルである。
続鋳造装置の側面図である。この鋳造装置は無底るつぼ
１と、その外側に配置された高周波コイル２と、高周波
コイル２を包囲する強磁性体３とを具備する。無底るつ
ぼ１は水冷銅からなり、軸方向の一部を残して周方向に
複数分割されている。高周波コイル２は数ターンの水冷
銅コイルである。
【００１８】本発明で重要な強磁性体３は、高周波コイ
ル２の外側に位置する筒部３ａと、その両端部から高周
波コイル２の両端面に沿って内側へ延出した第１延出部
３ｂ，３ｂと、第１延出部３ｂ，３ｂの各先端から対向
側へ延出した第２延出部３ｃ，３ｃとからなる。第２延
出部３ｃ，３ｃは高周波コイル２の内面を覆わないよう
に、その間隔が高周波コイル２の高さと同じに設定され
ている。
ル２の外側に位置する筒部３ａと、その両端部から高周
波コイル２の両端面に沿って内側へ延出した第１延出部
３ｂ，３ｂと、第１延出部３ｂ，３ｂの各先端から対向
側へ延出した第２延出部３ｃ，３ｃとからなる。第２延
出部３ｃ，３ｃは高周波コイル２の内面を覆わないよう
に、その間隔が高周波コイル２の高さと同じに設定され
ている。
【００１９】図２は本発明の他の実施例を示すシリコン
連続鋳造装置の側面図である。図１の鋳造装置とは強磁
性体３が第２延出部３ｃ，３ｃを持たない点で相違して
いる。すなわち、図２の鋳造装置では強磁性体３が高周
波コイル２の外面および両端面のみを覆い、コイル内側
を全面的に開放するのに対し、図１の鋳造装置では第１
延出部３ｂ，３ｂの各先端部が対向側へ延出して第２延
出部３ｃ，３ｃを形成し、図２の場合より更に広く高周
波コイルを包囲する。
連続鋳造装置の側面図である。図１の鋳造装置とは強磁
性体３が第２延出部３ｃ，３ｃを持たない点で相違して
いる。すなわち、図２の鋳造装置では強磁性体３が高周
波コイル２の外面および両端面のみを覆い、コイル内側
を全面的に開放するのに対し、図１の鋳造装置では第１
延出部３ｂ，３ｂの各先端部が対向側へ延出して第２延
出部３ｃ，３ｃを形成し、図２の場合より更に広く高周
波コイルを包囲する。
【００２０】強磁性体３の材質はいずれの鋳造装置にお
いても複合フェライトが用いられている。また、強磁性
体３のいずれの部分も冷媒の流路を有し、該流路を通る
水，油等の冷媒により強制的に冷却される。
いても複合フェライトが用いられている。また、強磁性
体３のいずれの部分も冷媒の流路を有し、該流路を通る
水，油等の冷媒により強制的に冷却される。
【００２１】いずれの鋳造装置においても、無底るつぼ
１内に原料シリコンを投入し、高周波コイル２に高周波
電流を供給することにより、無底るつぼ１を介してるつ
ぼ内の原料シリコンに渦電流が生じ、そのシリコンが溶
解する。溶解シリコン４は、無底るつぼ１からその下方
に徐々に引き抜かれて凝固し、シリコンロッド５とな
る。このときの磁気ポテンシャル分布例を、強磁性体が
ない従来装置の場合と比較して図３に示す。
１内に原料シリコンを投入し、高周波コイル２に高周波
電流を供給することにより、無底るつぼ１を介してるつ
ぼ内の原料シリコンに渦電流が生じ、そのシリコンが溶
解する。溶解シリコン４は、無底るつぼ１からその下方
に徐々に引き抜かれて凝固し、シリコンロッド５とな
る。このときの磁気ポテンシャル分布例を、強磁性体が
ない従来装置の場合と比較して図３に示す。
【００２２】強磁性体３がない従来の鋳造装置の場合、
高周波コイル２の外側に磁力線が広がるので、高周波コ
イル２の内側における磁束密度は小さい。強磁性体３で
高周波コイル２を包囲した図１の装置および図２の装置
では、強磁性体３に磁路が形成され、磁束がしぼられる
こと及び磁束の形成が促進されることにより、高周波コ
イル２の内側においては磁束量および磁束密度がともに
増大する。その結果、無底るつぼ１およびその内側のシ
リコンに強い磁力線が作用し、シリコン溶解効率が向上
する。
高周波コイル２の外側に磁力線が広がるので、高周波コ
イル２の内側における磁束密度は小さい。強磁性体３で
高周波コイル２を包囲した図１の装置および図２の装置
では、強磁性体３に磁路が形成され、磁束がしぼられる
こと及び磁束の形成が促進されることにより、高周波コ
イル２の内側においては磁束量および磁束密度がともに
増大する。その結果、無底るつぼ１およびその内側のシ
リコンに強い磁力線が作用し、シリコン溶解効率が向上
する。
【００２３】この効果は、高周波コイル２を強磁性体３
でより広く包囲する図１の装置の方が大きい。
でより広く包囲する図１の装置の方が大きい。
【００２４】図１および図２の各装置おいて、強磁性体
３としてＭｎＺｎ（μi ＝３×１０3 ）、ＭｇＭｎ、Ｎ
ｉＺｎを用い、誘導周波数２０ｋＨｚ、コイル電流密度
5.０×１０6 ＡＴ／ｍ2 の誘導加熱溶解条件でシリコン
の連続鋳造を行う場合に、無底るつぼ及びるつぼ内のシ
リコンに生じる渦電流損を表２に示す。また、比較のた
めに強磁性体を用いない場合についてもその渦電流損を
示す。更に表３には、それぞれについて同量の溶解シリ
コンを形成するのに必要なコイルの消費電力を示す。
３としてＭｎＺｎ（μi ＝３×１０3 ）、ＭｇＭｎ、Ｎ
ｉＺｎを用い、誘導周波数２０ｋＨｚ、コイル電流密度
5.０×１０6 ＡＴ／ｍ2 の誘導加熱溶解条件でシリコン
の連続鋳造を行う場合に、無底るつぼ及びるつぼ内のシ
リコンに生じる渦電流損を表２に示す。また、比較のた
めに強磁性体を用いない場合についてもその渦電流損を
示す。更に表３には、それぞれについて同量の溶解シリ
コンを形成するのに必要なコイルの消費電力を示す。
【００２５】表２および表３からわかるように、強磁性
体で高周波コイルを包囲することにより、投入電力が同
一の場合は無底るつぼ内のシリコンに生じる渦電流力が
増大し、その結果、溶解量が同一の場合は消費電力が少
なくなる。この効果は透磁率の大きさに主に対応するこ
とから、強磁性体の材質がＮｉＺｎよりＭｇＭｎの場合
の方が、またＭｇＭｎよりＭｎＺｎの場合の方が大き
く、また強磁性体の形状については、図２の場合より図
１の場合の方が大きい。
体で高周波コイルを包囲することにより、投入電力が同
一の場合は無底るつぼ内のシリコンに生じる渦電流力が
増大し、その結果、溶解量が同一の場合は消費電力が少
なくなる。この効果は透磁率の大きさに主に対応するこ
とから、強磁性体の材質がＮｉＺｎよりＭｇＭｎの場合
の方が、またＭｇＭｎよりＭｎＺｎの場合の方が大き
く、また強磁性体の形状については、図２の場合より図
１の場合の方が大きい。
【００２６】強磁性体の形状が図１の場合および図２の
場合について、強磁性体の比透磁率を変更したときの渦
電流損の変化を図４に示す。比透磁率が増大するにつれ
て渦電流損が大きくなり、１×１０2 以上で特に大きい
渦電流損が得られる。また全体に図１の磁性体形状の方
が、図２の磁性体形状より大きい渦電流損が得られる。
場合について、強磁性体の比透磁率を変更したときの渦
電流損の変化を図４に示す。比透磁率が増大するにつれ
て渦電流損が大きくなり、１×１０2 以上で特に大きい
渦電流損が得られる。また全体に図１の磁性体形状の方
が、図２の磁性体形状より大きい渦電流損が得られる。
【００２７】
【表２】 （単位ｋＷ）
【００２８】
【表３】 （単位ｋＷ）
【００２９】図５（ａ）（ｂ）は本発明の更に別の実施
例を示す装置構成図である。図５（ａ）の例は、チタン
粉末を製造するガスアトマイズに本発明を適用したもの
である。高周波コイル２によりチタン棒６を誘導加熱溶
解し、その溶解チタンをガス流で細かい液滴とする際
に、高周波コイル２をその内面側を残して強磁性体３に
より包囲することにより、チタン溶解効率を高め、消費
電力を節減することができる。
例を示す装置構成図である。図５（ａ）の例は、チタン
粉末を製造するガスアトマイズに本発明を適用したもの
である。高周波コイル２によりチタン棒６を誘導加熱溶
解し、その溶解チタンをガス流で細かい液滴とする際
に、高周波コイル２をその内面側を残して強磁性体３に
より包囲することにより、チタン溶解効率を高め、消費
電力を節減することができる。
【００３０】図５（ｂ）の例は、シリコン単結晶を製造
するＦＺ法に本発明を適用したものである。多結晶のシ
リコンロッド５を高周波コイル２により誘導加熱溶解し
て単結晶化する際に、高周波コイル２をその内面側を残
して強磁性体３により包囲することにより、シリコン溶
解効率を高め、消費電力を節減することができる。
するＦＺ法に本発明を適用したものである。多結晶のシ
リコンロッド５を高周波コイル２により誘導加熱溶解し
て単結晶化する際に、高周波コイル２をその内面側を残
して強磁性体３により包囲することにより、シリコン溶
解効率を高め、消費電力を節減することができる。
【００３１】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の高周波溶
解装置は、高周波コイルのコイル内面を除いてそのコイ
ルを強磁性体にて包囲し、且つその強磁性体を冷却して
高い透磁率の強磁性体の使用を可能としたことにより、
投入電力の有効利用を図り、消費電力の節約に大きな効
果を発揮する。
解装置は、高周波コイルのコイル内面を除いてそのコイ
ルを強磁性体にて包囲し、且つその強磁性体を冷却して
高い透磁率の強磁性体の使用を可能としたことにより、
投入電力の有効利用を図り、消費電力の節約に大きな効
果を発揮する。
【図１】本発明の溶解装置をシリコンの連続鋳造に適用
した場合の装置構成例を示す模式図である。
した場合の装置構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の溶解装置をシリコンの連続鋳造に適用
した場合の他の装置構成を示す模式図である。
した場合の他の装置構成を示す模式図である。
【図３】本発明の溶解装置における磁気ポテンシャルの
分布例を従来装置の場合と比較して示す模式図である。
分布例を従来装置の場合と比較して示す模式図である。
【図４】強磁性体の形状および透磁率が溶解効率に及ぼ
す影響を示すグラフである。
す影響を示すグラフである。
【図５】本発明の溶解装置をガスアトマイズ法およびＦ
Ｚ法に適用した場合の装置構成例を示す模式図である。
Ｚ法に適用した場合の装置構成例を示す模式図である。
【図６】従来の溶解装置を用いたシリコン鋳造装置の装
置構成図である。
置構成図である。
１ 無底るつぼ ２ 高周波コイル ３ 強磁性体 ４ 溶解シリコン ５ シリコンロッド ６ チタン棒
Claims (2)
- 【請求項１】 高周波コイルの内側に供給される金属材
料を高周波コイルにより誘導加熱して溶解する高周波誘
導加熱溶解装置において、 高周波コイルを高透磁率・高融点・高抵抗の強磁性体に
よりコイル内面を残して包囲し、且つ強磁性体を強制的
に冷却することを特徴とする高周波溶解装置。 - 【請求項２】 強磁性体が、高周波コイルの外側に位置
する筒部と、筒部の両端部から内側へ延出した第１延出
部と、第１延出部の各先端から対向側へ延出した第２延
出部とからなることを特徴とする請求項１に記載の高周
波溶解装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18860395A JPH0914863A (ja) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | 高周波溶解装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18860395A JPH0914863A (ja) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | 高周波溶解装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0914863A true JPH0914863A (ja) | 1997-01-17 |
Family
ID=16226564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18860395A Pending JPH0914863A (ja) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | 高周波溶解装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0914863A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10766777B2 (en) | 2009-11-20 | 2020-09-08 | Consarc Corporation | Method for electromagnetic casting of silicon in a conductive crucible using a highest- and lowest-disposed induction coil |
-
1995
- 1995-06-30 JP JP18860395A patent/JPH0914863A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10766777B2 (en) | 2009-11-20 | 2020-09-08 | Consarc Corporation | Method for electromagnetic casting of silicon in a conductive crucible using a highest- and lowest-disposed induction coil |
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