JPS5855676A

JPS5855676A - 音波浮遊装置付ミラ−炉

Info

Publication number: JPS5855676A
Application number: JP15331181A
Authority: JP
Inventors: 雄二池上; 藤井　積
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1981-09-28
Filing date: 1981-09-28
Publication date: 1983-04-02
Also published as: JPH0146794B2

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】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罠も適
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ョ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。

上述のボジショニングカ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（１〜２ＫＨ２）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ディデアがあり、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。

１）１〜２ＫＨ２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。

１１）宇宙材料実験装置用として使用するためには、マ
グネット部の軽量化が必要である。

１）１）加熱炉との組み合せが難しい。

１い　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、上述の観点に鑑みなされたもので、楕円状若
しくは線状のミラー炉本体に中空状の炉心管を取付け、
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、試料ホルダーと前記弾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
シ、ガス成分コントロール装置で成分を制るガス供給装
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全鍍金を施して鏡面
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４０
關ダ程度、長さ１６０〜２００關程度である。

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（ＩＩ
の出力軸に取付けたブー＋７−Ｑｌｌとの間に無端状の
ベルトα２を掛は渡す。

前記筒体（４）中空部にロッドａ３を挿通せしめて該ロ
ッド（至）のミラー炉本体（１）側先端に朝顔状の試料
ホルダー０４を取付け、ミラー炉本体（１）を取付けた
枠体α９のブラケットａｅに駆動モータ（ηにより駆動
されるローラαａとフリーローラａ９とを枢着し、該ロ
ーラｉ１８と７リ一ローラα９間に前記ロッドａｊを挾
み、摩擦力によりロッドｏ３を軸線方向に進退動させ得
るようになっている。

ミラー炉本体（１）の試料ホルダー〇蜀を設けた側に、
試料を投入するサンプル管（イ）を取付け、該す／プル
管四を炉心管（３）の孔（２１１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（ハ）を取付け、該枠体Ω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（ハ）を嵌合せしめ、該振動体ホルダ
ー（ハ）中空部に振動体Ｃ４４）を取付け、該振動体（
財）を発振器（イ）に接続する。

振動体ホルダー（ハ）の後端にねじ軸（ホ）を取付け、
該ねじ軸頭に雌ねじを有するプーリー（５）を螺着せし
め、該プーリー（９）と駆動モータ（ハ）出力軸に固着
したプーリー翰との間に無端状のベル）ＣＩを掛は渡す
。

前記振動体ｃ！４）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
料をボジシヨニングするためには、１５〜２０ＫＨｚの
超音波が適当であり、トランスジュ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
ト締めう／シュパン型変換素子を用い、ミラー炉本体（
１）内に面した振動面（３１１の直径を炉心管（３）内
径の０．５９〜０１６１倍にする。

枠体＠の外部に、ガス成分コントロール装置ｒ３３と接
続されたガス供給ノズル（至）を接続し、該ガス供給ノ
ズル（至）を、枠体のと振動体ホルダー（ハ）間の中空
部、振動体ホルダー器に穿設した小孔（ロ）、振動体ホ
ルダー（至）中空部と振動体Ｑ４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（ハ）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、（至）は筒体（４）の冷却水管
、０７）はサンプル管■から孔Ｑυを経て炉心管（３）
内に連通したガスノズル、（至）は試料、＠υは振動体
０４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Ｑ４を上にし、試料
ホルダー０４を下にして作業する必要があるが、以下地
上での作業について説明する。

ミラー炉本体＋１１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
加熱条件の分っている領域に閉じ込めてお（ことが必要
である。このため、運′転時には為動モータ０Ｉにより
プーリーＱｌｌ　（９）を回転させて筒体（４）を下降
させると共に駆動モータαりによりローラ（１８を回転
させて試料ホルダー０４１を下降させ、試料ホルダー〇
をサンプル管（１）より下の位置で停止せしめ、サンプ
ル管（イ）より試料（至）を試料ホルダーａ４に入れ、
駆動モータ（１７１により試料ホルダー■をミラー炉本
体（１）内申央部所要位置に移動させ、試料ホルダー〇
勾により試料（至）を保持して安定領域にプレボジショ
ニングする。

又、駆動モータα〔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（ハ）により枠体（ハ）を移動させて振動
体Ｑ４の振動面ＯＤを所要位置に位置させ、振動面０Ｄ
と反射面（６）を所要の間隔に保持する。

次に発振器（ハ）を作動させて機械的に振動を振動体（
財）に与える。機械的振動はボルト締めランジュバン変
換素子で超音波に変換され、チタン合金（Ｔｉ６Ａｌ！
４Ｖ　　）製のトランスミッタで増幅され、振動面Ｃ３
１）から炉心管（３）内に超音波が放射される。

振動面６υの直径は炉心管（３）内径の略０．６倍であ
り且つ振動面ＯＤど反射面（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
向共にボジショニングカの働（音圧分布子なわちベッセ
ルの（０，１）モードが形成され、試料（至）は試料ホ
ルダーＩから浮遊してボジショニングされる。又、ボジ
ショニングが終了したら、加熱ヒータ（２）により試料
（至）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って変るので、一定の音圧分布を形
成させておくことは困難である。従って加熱ヒータ（２
）のミラー炉の焦点を線状にし、浮遊安定領域が移動し
ても試料（２）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、ポジショニン
グカを安定化させてやる。

常温の試料（至）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、ポジショニングすることが理
想であるが、その間の温度変化は１０００　Ｃ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。

第２図は本発明の他の実施例で線状ミラー炉に音波浮遊
装置を用いたものである。図中３１は音圧針、θ〔は冷
却マニホールドであり、又第２図中第１図に示す符号と
同一の符号のものは同一のものを示す。斯かる構成とし
ても第１図のものと同様な作用効果を奏し得る。

なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく
、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。

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。

Ｉ）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がら、加熱時のボジショニング
カ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
トランスミッタ周辺を流れることにより、音場を乱すこ
とがない。

■）試料投入口を振動体側に設け、ガス供給口側と同じ
側にすることにより、試料のプレボジショニングをガス
流により朽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図は本発明の一実施例の説明図、第２図は本発明の
他の実施例の説明図である。図中（１）はミラーｐ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、Ｏａは試料ホルダー、■はサンプル管、（至）
は振動じ軸、０υは振動面、Ｇ３はガス成分コントロー
ル装置を示す。特許出願人石川島播磨重工業株式会社特許出願人代理人

Claims

【特許請求の範囲】

１）楕円状若しくは線状のミラー炉本体に中空状の炉心
管を取付け、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、試料ホルダーと前記振動体より
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
装置を設けたことを特徴とする音波浮遊装置付ミラー炉
。