JPS61201689A

JPS61201689A - 材料処理用温度勾配炉及び温度勾配形成方法

Info

Publication number: JPS61201689A
Application number: JP61024234A
Authority: JP
Inventors: ロバート　ハスレツト; ウイリアム　ハーウエル
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1985-02-26
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1986-09-06
Also published as: US4609035A; EP0196243A2; CA1236294A; EP0196243A3

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】（発明の分野）本発明は高温度、殊に炉の長さに沿って動き金属、半導
体等の方向性凝固を行う鋭い温度勾配を付与することの
できるような材料処理用温度勾配炉及び温度勾配形成方
法に関する。本発明はまた、機械的運動を行う部品の存
在しない可変コンダクタンスヒートパイプ技術を組込ん
だものである。

（発明の背景）金属および半導体の方向性凝固は、材料を溶融するだけ
の高温（典型的なばあいとして１０００〜１５００℃）
を必要とし、続いて平坦な凝固面（前面）に沿って材料
の凝固を行い、所望の結晶成長度を実現することが必要
とされる。

凝固前面はく溶融点より幾分上下する）１００度前後の
鋭い温度勾配によって達成される。温度勾配は、その後
、試料に沿って軸方向に移動し、それを累進的に凝固し
なければならない。勾配は１インチ（２５，４ＩＭＲ）
以下が望ましいが、最大限短い距離にわたって達成され
ることが肝要である。

そのため現在二つの型の炉が使用されている。

一つは温度勾配が炉壁上で達成されて試料が移動すると
いうものである。これは、機械的に複雑で、試料に対し
て開始加速度と停止加速度を付与するため望ましいもの
とはいえない。それ故、今日の望ましい方法は、独立の
プログラム式ヒータを備えたセグメント方式炉を使用す
ることである。

炉は断熱材と外部よりの水により冷却されるジャケット
により被覆される。

運転に当たっては、冷却水が常に流れ、所望の軸方法温
度勾配分布を与えることができるようにヒータが制限さ
れる。電力の観点からすると、この方法は苛酷な方法で
あることは明らかである。

温度勾配を所望の速度で移動させるためには、電力が低
下するときに炉の個々のセグメントを急速に冷却しなけ
ればならないから、厚い断熱材は余り効率的であるとは
いえない。それ故、断熱材を経て冷却液（典型的なばあ
いとしては水）に対して多量のくかつ一定の）熱漏れが
存在するために高電力が必要とされる。今日の炉設計に
よる高い電力消費量は重力が存在しないために材料品質
の改良が達成出来ると考えられている宇宙空間において
、大規模に使用することをできなくしている。かかる大
きな品質の向上は、より同質的な材料を与える凝固界面
において溶解金属内部の対流を起こらなくすることによ
って生まれるものである。

（発明の要約）本発明は、内部に半導体材料や金属を収容する軸方向に
配置された材料容器、即ちアンプルを収納する多数セグ
メント式の炉を使用するものである。隣接して軸方向に
配置された複数のヒートパイプがマイクロプロセッサに
より個々に制御され、アンプルの長さによって予めプロ
グラム化した温度勾配を作り出すことになる。

被処理材料は、長時間均熱処理した各ヒートパイプのコ
ンダクタンスを急速に変化させることにより急速に冷却
され、アンプルの長さに沿って急速に移動する勾配を作
り出す。可変」ンダクタンスヒートパイプ技術を使用す
ると、温度勾配の鋭さを向上させ、無重力での処理の場
合特に重要なヒータ電力の大きな低減を達成することが
できる。

本発明による温度勾配炉は、宇宙利用の場合にすこぶる
重要となる長い寿命を有Ｊるように可動部品を全く備え
ていない。

本文に開示の発明は、冷却が必要な場合に高いコンダク
タンスを示すが、その他の時期には全て非常に低い値に
遮断される可変コンダクタンスヒートパイプによって、
炉が冷却液ループに連結されるため、適当に設計変数を
最適化した後に事実上任意の所望値に電力消費量を減ら
すものである。

本発明のセグメント設計法は、同一のセグメント間に低
コンダクタンスのセラミック断熱材を組込み、軸方法へ
の熱漏れを防止することによって鋭角の温度勾配を達成
することを可能にするちのである。

同一セグメントは、それぞれ、典型的な場合として１／
２ないし３／４インチ（１２，７〜１９゜１姻）である
が、温度センサを備えたアンプルを内蔵する材料を密接
に包囲するヒータを内蔵し、セグメント温度を監視する
。ヒータが材料を加熱した後、各セグメント内の可変コ
ンダクタンスヒー・ドパイブはマイクロプロセッサによ
り制御され、それぞれのセグメントに沿って急速な冷却
を行う。

この炉は、効果的に断熱材によって周囲を被覆される。

ヒータの電力は全て断熱材を通過する熱漏れが僅少とな
るように炉を加熱するために使用される。

ヒータ電力を最少限にすることは、殊に宇宙空間内で処
理が行なわれる場合、何れの高容積材料処理についても
極めて重要なコスト上の考慮事項である。

ヒートパイプは、ヒートパイプによる熱交換と選択的に
干渉するマイクロプロセッサにて制御されるガスタンク
によって制御される。熱交換の制御は、容易かつ正確に
行われ、それは比較的小さなパッケージ内へ製作するこ
とが可能であるが、この点は宇宙利用の分野において非
常に魅力的な点であるといえる。

（実施例）本発明の上記目的並びに利点は、添附図面に添って考察
するとより明確に理解されよう。

図面において、参照番号１０は全体として、半導体材料
および金属を処理するために使用される本発明の温度勾
配炉を示すものである。本構造は、殊に宇宙利用の分野
において適している。円筒形の断熱ブランケット１２が
か１０内の構成品を包囲している。断熱構造は、従来の
設計によるものであって差支えない。

セグメント１４は炉１０の一単位を示し、該単位は炉軸
に沿って配置された材料容器としてのアンプル１６の長
さに沿って繰返し配置されている。

個々のセグメント１４は、低コンダクタンスの断熱材１
５を介在させて隔離し、炉１０に沿って軸方向に熱漏れ
が生じないようにすることにより、炉１０に沿って鋭い
温度勾配が実現されるようにしている。

リング状の断熱材１５の典３＋４的な材料とし−（は、
セラミックがある。

アンプル１６は、従来の設計によるもので、アンプル１
６が内蔵する半導体もしくは金属材料と匹敵し得る材料
により作られるが、炉１０の温度範囲に対抗できるもの
でなければならない。

炉１０の最も左側のセグメント１４について考察すると
、環状支持材１８はその外周に包まれた炉加熱コイル２
０を備えている。加熱コイル２０と該コイルの加熱サイ
クルを制御するマイクロプロセッサ２３との間には配線
２２が接続される。

参照番号２４により全体を示した導電性ヒートバイプル
ーブは加熱コイル２０の外側を包囲している。

殊に、ループ部分は参照番号２６で示したような加熱コ
イル２０の周囲に固定した二つの対称なヒートパイプ２
８，３０から構成されている。

ヒートパイプ２８，３０は互いに横方向に同一平面状に
配列され、連続していてもよいし、その下端部で隔離さ
れていてもよい。それらは、適当な冷媒３４を内蔵する
熱交換器３２に熱的に連結されている。加熱サイクル中
にマイクロプロセッサ２３は加熱コイル２０に給電して
セグメント１４内のアンプル１６を昇温させる。

温度センサ３８は、環状支持材１８に適当に取付けられ
、配線４０を介してマイクロプロセッサ２３に接続され
、熱検知並びに加熱コイルフィードバックループが完了
することになる。タンク４２．４４は、それぞれヒート
パイプ２８．３０と連通している。

加熱コイル２０が給電される時間、ヒータ４６゜４７も
マイクロプロセッサ２３を接続する配線４８．５０によ
って同様に給電されるので、タンク４２．４４内の不活
性ガスがヒートパイプ２８゜３０内へ膨張し、そのため
ヒートパイプ内の流体と熱交換器内の冷媒３４間の炉冷
加熱交換と干渉することになる。従って、この時期には
加熱作用だけが生じることになろう。

炉１０の冷却が影響を受ける場合には、マイクロプロセ
ッサ２３がヒータ４６，４７と共に加熱コイル２０の給
電を停止Ｊる。その結果、不活性ガスが圧縮されてタン
ク４２．４４へ復帰する。

ヒートパイプ２８，３０内のウィック状の液は今度は自
由に冷媒３４と熱交換することになる。その結果、セグ
メント１４の急速な冷却とアンプル１６内に内蔵された
物質が生じる。

高温分野に用いるヒートパイプは、一般的にナトリウム
、リチウム、カリウムの作動液を使用するが、制御のた
めタンク４２．４４内にはヘリウムやアルゴンの如き不
活性ガスが内蔵されている。

異なった温度勾配と凝固前面の速度を確立するために、
個々のセグメント１４上のヒートパイプ２８．３０はプ
ログラム式マイク日ブロセツ１す２３によって正確に制
ｍ＋される。典型的な処理順序は、以下の通りである。

全セグメント１４の炉加熱コイル２０が給電されて、ア
ンプル１６内の材料を溶融点以上の所定均一温度に上昇
させる。

全セグメント１４内のヒータ４６，４７に給電してヒー
トパイプ２８，３０を遮断し、炉１０から冷媒３４へ至
る熱伝導を阻止する。プランケラ、ト１２の形をした効
果的な断熱材で炉１０を包囲することにより全熱漏れを
非常に小さくする。

ヒータの電力は全て炉１０を昇温するために使用する。

昇温時間を選択してワット限界内に留めることができる
。

必要とされる全ワット時は、炉１０と試料質ｍの関数で
ある。炉の質量は最小となるようにする。

各セグメント１４上のタンク４２．４４と炉１０の加熱
コイル２０に至る熱入力を逐次停止することによって所
定の温度勾配と勾配速度を確立する。セグメント１４は
、そのヒートパイプ２８゜３０が冷媒３４に連結された
ときに冷却される。

セグメント１４がその低い所定温度にまで低下したとき
に、炉１０とヒータ４６．４７は再びオンとなる。炉１
０の加熱コイル２０は、今度は（アンプル１６内の材料
の固体部分の）断熱材を通る熱漏れを補償するのに丁度
十分なすこぶる低い入力電力しか必要としない。

上述の順序からマイクロプロセッサ２３用の実際のプロ
グラムは全く単純で簡単であることが明らかである。

上述の説明から、本発明は、どんな高容量材料の処理に
とっても高くつく項目でかつ宇宙空間での処理の場合に
殊に重要となるヒータ電力を最小巾しか必要としないと
いうことが判る。

本発明において浪費されるエネルギーは■断熱材の型と
厚さを適当に選択することによって任意の所定範囲まで
最小化することのできる断熱ブランケット１２を通して
の熱漏れと■加熱ガスタンク４２．４４からの熱漏れに
制限される。

これは、タンク寸法を適当に設計することによって最小
にすることができるが、もし必要ならば可変コンダクタ
ンスヒートパイプ２８．３０を直列に使用することによ
って事実上排除することもできる。

この後者の方法の場合には、補助ヒートパイプか主ヒー
トパイプ２８．３０のタンク温度をバイロフト式制御値
に似せて制御することになろう。

かかる代替的方法によるヒートパイプは、図に示した４
２．４４よりもずっと小さなガスタンクを備えることに
なり、その結果熱漏れはずっと少なくなろう。

本代替的方法によるずっと詳細な説明を今度は図面に即
して述べることにしよう。

−次タンク４２．４４を断熱材４９によって包囲して、
−次タンク４２．４４内の不活性ガスが加熱されて先に
説明したように膨張することになる炉１０の加熱サイク
ル中にヒータ４６．４７にほとんど電力が導入される必
要がないようにする。

しかしながら、冷却サイクル中に断熱材４９がタンク４
２，４４と不活性ガスの冷却を防止するため、補助タン
ク６２．６４を使用して冷却サイクル中に一次タンク４
２．４４から熱を移動６せる。

このことを達成するために、−次タンク４２．４４に対
してヒートパイプ５２．５４を追加的に取付ける。この
ヒートパイプは、先に述べた熱交換器３２に似ているが
タンク４２．４４だけが冷却され、炉１０は冷却されな
いような寸法が相当小さい第２熱交換器５６に物理的に
取付ける。電気ヒータ５８．６０を非断熱補助タンク６
２．６４に配置し、マイクロプロセッサ２３の出力配線
４８．５０に接続することによってこれらのヒータ５８
．６０が一次タンクのヒータ４６．４７と同時にオンオ
フするようにする。本発明のこの代替的態様を加熱サイ
クル中に操作する場合、熱交換器３２．５６内の冷媒に
炉熱が失われないように一次タンク４２．４４および補
助タンク６２．６４からの不活性ガスが遮断する。

急速に冷却することが必要とされる場合には、補助タン
ク６２．６４のヒータ５８．６０をインにし、不活性ガ
スがタンク６２．６４内に圧縮されることによってヒー
トパイプ５２．５４と熱交換器５６の間で熱交換を行い
冷Ｍｌすることを可能にする。この熱交換の結果、タン
ク４２．４４が冷却されるためのこれらの一次タンク４
２．４４と関連した不活性ガスが圧縮され、その結果ヒ
ートパイプ２８．３０と熱交換器３２間の熱移動が可能
になる。この熱交換による冷却は、その後炉１０を急冷
することを可能にする。

この代替的態様は、直列に追加された補助タンクが図の
タンク６２．６４に接続できるように拡大することがで
きる。そのような直列的な構成は最終的な結果として、
その断熱作用により一次タンク４２．４４を加熱するた
めに供給される電力を減少させることになる。補助タン
ク６２．６４は断熱された一次タンク４２．４４だけを
使用する場合には不可能な急冷効果を達成する上で必要
である。

図面は、８炉のセグメント１４のまわりに隈なく完全に
加熱コイル２０を備えた本発明の一態様を描いたもので
ある。ヒートパイプ系統のもう一つの利点はこのことを
必要としないことである。

ヒートパイプ蒸発器（炉を包囲する長さ）上の任意の点
のヒータは、ヒートパイプが炉１０を恒温化するから受
は容れることのできるものである。

このためヒータの寸法と配置に利用できる選択可能性が
増大し、同時に不均一なヒータの分布による局部的なホ
ットスポットを排除することになる。材料処理炉の重要
な必要条件は円周方向の温度が均一であることである。

炉１０の個々のセグメント１４を共に同軸上に固定する
ために、締付材４２′を各環状支持材１８上のラグ４５
を通して適当に取付ける。このモジュール構造は、望む
だけ多くのセグメント１４を接続でき、異なる用途向け
に可変長の炉１０を構成する。

同様に、地上での作業や宇宙空間での作業向けの炉の径
には何らの制限もない。熱ＩＩＩ（炉）上に冷媒を配置
した図の配列は、ヒートパイプ内の凝縮物が重力によっ
て熱源端へ環流するため、ヒートパイプのウィックと無
関係に地上では作業することになろう。

宇宙空間で使用するためには、良く知られた技術である
適当なウィックがヒートパイプ内に設けられることにな
ろう。

本発明は図面と本文の構造の説明に限定されるものでは
なく、当事者はそれに変更を加えることができることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の炉の斜視図で部分的に分解しＩｃものを
示す。１０・・・温度勾配炉、１２・・・ブランケット、１４
・・・セグメント、１６・・・アンプル、１８・・・環
状支持。材、２０・・・加熱コイル、２３・・・マイクロプロセ
ッサ、２８．３０・・・ヒートパイプ、３２・・・熱交
換器、４２．４４・・・タンク、４６．４７・・・タン
クヒータ。特許出願人　　　ゲラマン　エアロベースコーポレーシ
ョン

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の軸方向に隣接した独立に制御されるセグメ
ントを備えた温度勾配炉において、各セグメントが軸方
向に位置決めされた材料容器と、その周囲に少なくとも
一つのヒートパイプを取付け容器を同軸的に包囲するた
めの環状支持材と、ヒートパイプに熱接続され炉と材料
を冷却するための熱交換手段と、ヒートパイプに接続さ
れ熱交換手段とヒートパイプの間の熱伝導を選択的に遮
断することによつて材料の冷却を防ぐための手段と、容
器を包囲しその内部の材料を選択的に加熱するための加
熱手段と、材料容器に近接して配置され炉内の熱状態を
検知するための熱検知手段と、その入力部で検知手段に
接続され個々の出力端で電熱遮断手段と加熱手段に接続
され、各セグメントの加熱と冷却のサイクルを制御する
ことによって材料の長さに沿って鋭い軸方向温度勾配を
つくりだす予めプログラムした手段とからなる材料処理
用温度勾配炉。
（２）電熱遮断手段が不活性ガスを内蔵するタンク手段
と、タンク手段と関連しガスをヒートパイプ内へ膨張さ
せることによつて熱交換手段内の冷媒とヒートパイプ内
に存在する流体との間の熱交換を遮断する第２の加熱手
段とからなる特許請求の範囲第１項に記載の材料処理用
温度勾配炉。
（３）隣接したセグメント間に軸方向に位置決めされた
断熱手段を備える特許請求の範囲第１項に記載の材料処
理用温度勾配炉。
（４）加熱手段が、支持材のまわりに取付けられた電気
加熱コイルであつて、更にヒートパイプがまた支持材の
まわりに取付けられる特許請求の範囲第１項に記載の材
料処理用温度勾配炉。
（５）タンク手段がそこからの熱損失を減らすため断熱
されており、更に補助ヒートパイプがタンク手段に隣接
して位置決めされる構造において、補助ヒートパイプに
熱接続され炉の冷却サイクル中にタンク手段からの熱を
伝導させるための第２熱交換手段と、断熱されたタンク
手段より小さく不活性ガスを内蔵し補助ヒートパイプに
接続された補助タンク手段と、予めプログラムした手段
を補助タンク手段と関連した第３の加熱手段に接続しそ
の内部のガスを補助ヒートパイプ内に膨張させることに
よつて第２熱交換手段と補助ヒートパイプとの間の冷却
熱交換を選択的に遮断することによつて炉の加熱サイク
ル中に断熱されたタンク手段の冷却を遮断する手段とか
ら成る特許請求の範囲第１項に記載の材料処理用温度勾
配炉。
（６）隣接するセグメント間に軸方向に位置決めされた
断熱手段を備えた特許請求の範囲第２項に記載の材料処
理用温度勾配炉。
（７）加熱手段が、支持材のまわりに取付けられた電気
加熱コイルであって、更にヒートパイプがまた該支持材
のまわりに取付けられている特許請求の範囲第６項に記
載の材料処理用温度勾配炉。
（８）金属もしくは半導体材料の長さに沿って鋭い温度
勾配を作り出すための方法において、複数の隣接した軸
方向熱セグメントを形成し、熱交換手段と熱的に連通す
る少なくとも一つのヒートパイプによつて材料を包囲し
不活性ガスをヒートパイプ内へ選択的に膨張させ、材料
を加熱するときにヒートパイプ内の流体と熱交換器内の
冷媒との間の熱交換を遮断し、材料を所定の期間均熱処
理し、不活性ガスを圧縮してそれをヒートパイプから取
除くことによってセグメントと関連した材料の急冷を可
能にし、各セグメントの冷却サイクルを予めプログラム
して材料の長さ全体に沿つて鋭い温度勾配を作り出すス
テップから成る温度勾配形成方法。
（９）各セグメントにおいて温度を熱的に検知し、各セ
グメントの加熱冷却サイクルを独立に制御して鋭い温度
勾配を作り出す予めプログラムされた制御装置に温度デ
ータを提供するステップを備えた特許請求の範囲第８項
に記載の温度勾配形成方法。
（１０）不活性ガスがタンク手段内に貯えられ、更に該
不活性ガスを膨張する又は圧縮するステップがそれぞれ
その加熱と冷却を必要とする特許請求の範囲第８項に記
載の温度勾配形成方法。
（１１）不活性ガスがタンク手段内に貯えられ、更に不
活性ガスを膨張する又は圧縮するステップがそれぞれそ
の加熱と冷却を必要とする特許請求の範囲第９項に記載
の温度勾配形成方法。