DE1231212B

DE1231212B - Vorrichtung zur Behandlung langgestreckter Chargen eines Stoffes durch Zonenerwaermen

Info

Publication number: DE1231212B
Application number: DEN20540A
Authority: DE
Inventors: Martinus Jacobus Gera Adrianus
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1960-09-15
Filing date: 1961-09-12
Publication date: 1966-12-29
Also published as: DK103581C; US3124633A; GB973754A; ES270466A1; CH411800A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 c - 2

Nummer: 1231212

Aktenzeichen: N 20540IV c/12 c

Anmeldetag: 12. September 1961

Auslegetag: 29. Dezember 1966

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung langgestreckter Chargen eines Stoffes durch Zonenerwärmen mittels eines einen Teil der Charge umgebenden, elektrisch leitenden Heizringes, der in Längsrichtung der Charge verschiebbar und durch das hochfrequente elektromagnetische Feld mittels einer oder mehrerer in derselben Richtung verschiebbaren Spule bzw. Spulen induktiv erwärmbar ist.

Unter Zonenerwärmung wird hierbei ein Verfahren verstanden, bei dem eine langgestreckte Charge eines zu behandelnden Materials, z. B. ein Stab oder eine über die Länge eines langgestreckten Tiegels verteilte Pulvermenge, auf einem Teil der Länge dieser Charge erwärmt wird, wobei die erwärmte Zone in der Charge in deren, Längsrichtung verschoben wird.

Eine bekannte Art der Zonenerwärmung ist z. B. das Zonenschmelzverfahren, das unter anderem von W. G. Pfann in seinem Buch »Zone melting«, New York, Wiley and Sons, 1958, beschrieben worden ist und das bei der Behandlung schmelzbarer Materialien, insbesondere halbleitender Materialien, Anwendung findet, z. B. um diese Materialien zu reinigen, zu dotieren und/oder in einkristalline Form zu bringen.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Zonenschmelzverfahrens bekanntgeworden, bei der der Heizring mittels einer an ihm befestigten Steuerstange mechanisch verschoben wird. Die Verwendung einer derartigen Stange hat jedoch Nachteile. Die Stange leitet Wärme von dem erhitzten Ring ab und kann, zumindest über einen Teil ihrer Länge, so erhitzt werden, daß für das zu behandelnde Material unerwünschte Verunreinigungen aus ihr verdampfen und die das Material umgebende Atmosphäre vergiften.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß das zu behandelnde Material und der Heizring häufig in einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Raum angeordnet sind. In diesem Falle muß, um den Heizring verschieben zu können, die Steuerstange gasdicht und verschiebbar durch die Wand dieses Raumes hindurchgeführt werden. Dadurch wird die Vorrichtung kompliziert und die Gefahr einer Leckbildung und damit der Verunreinigung des zu behandelnden Materials erhöht.

Diese Nachteile werden beseitigt, wenn erfindungsgemäß der Heizring ohne mechanischen Antrieb frei in einer Führung verschiebbar angeordnet und nur durch die vom Feld der Spule bzw. Spulen erzeugten Kräfte bewegbar ist.

Die Erfindung macht dabei von der Tatsache Ge-

Vorrichtung zur Behandlung langgestreckter
Chargen eines Stoffes durch Zonenerwärmen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Walther, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Adrianus Martinus Jacobus Gerardus van Run,

Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 15. September 1960 (255 941)

brauch, daß ein elektromagnetisches Feld auf einen Ringleiter durch die in diesem Ringleiter vom Feld erzeugten Induktionsströme Kräfte ausübt, die bestrebt sind, den Ring in eine Richtung zu bewegen, in der die Feldstärke abnimmt.

Vorzugsweise ist das elektromagnetische Feld so aufgebaut, daß die Beträge der. elektromagnetischen Feldstärke, über die Spulenachse gemessen, zwischen zwei höheren Werten einen niedrigeren Wert aufweisen. Das Feld wird dabei allmählich derart geändert, beispielsweise als Ganzes verschoben, daß der niedrigere Wert in der Längsrichtung der Charge verschoben wird. Ein derartiges Feld übt auf den Ring Kräfte aus, die diesen in die Ebene des niedrigeren Wertes verschieben, in der sich diese Kräfte ausgleichen. Folglich wird der Ring mit der Verschiebung des niedrigeren Wertes mit verschoben.

Ein Feld der genannten Art wird vorzugsweise durch mindestens zwei Spulen erzeugt, die in der Verschiebungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind und zwischen denen der Heizring durch die vom elektromagnetischen Feld der Spulen erzeugten Kräfte gehalten ist. Bei gemeinsamer Ver-

Schiebung der beiden Spulen in Längsrichtung der Charge wird der Ring zwischen diesen Spulen mit verschoben.

609 749/278

Die bei Verwendung der Vorrichtung beim tiegelfreien Zonenschmelzen auf den Ring einwirkende Schwerkraft bildet kein Hindernis für diese Verschiebung, weil bei der normalerweise für die Erhitzung des Ringes erforderlichen Erregung von zwei Spulen von diesen Kräfte auf den Ring ausgeübt werden^ die im allgemeinen viel größer als die auf den Ring einwirkende Schwerkraft sind.

Vorzugsweise haben die von beiden Spulen erzeugten elektromagnetischen Teilfelder dieselbe Richtung.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung mit senkrecht angeordneter Charge ist vorzugsweise so aufgebaut, daß das elektromagnetische Feld nur ein Maximum aufweist.

Zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes ist in diesem Falle gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nur eine vertikal verschiebbare Spule in der Vorrichtung angeordnet.

Vorzugsweise ist dabei oberhalb der Spule ein derart schwerer Heizring angeordnet, daß die nach oben wirkenden Kräfte des elektromagnetischen Feldes durch die auf den Heizring wirkende Schwerkraft ausgeglichen werden.

Als Führungsglied für den Heizring dient vorzugsweise ein zylindrisches Rohr, in das der Heizring mit geringem Spiel hineinpaßt und um das die Spule angeordnet ist bzw. die Spulen angeordnet sind.

Die Vorrichtung kann auch bei der Herstellung gesinterter Stäbe, beispielsweise aus keramischem Material, und bei der Rekristallisierung von Stäben oder Drähten eines Materials, z. B. Metalls, mit deformierter Kristallstruktur verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zum Zonenerwärmen gemäß der Erfindung und

F i g. 2 den Verlauf der Feldstärke des von den beiden Spulen in der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugten elektromagnetischen Feldes.

In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Quarzglasrohr, das am nicht dargestellten Ende mit gasdichten Abschluß'-gliedern versehen ist, in denen gegebenenfalls Öffnungen zum Einleiten und Abführen von Gasen angebracht sein können. Im Rohr befindet sich ein langgestreckter Tiegel 2 aus Quarz oder einem anderen feuerfesten, vorzugsweise elektrisch schlecht leitenden Material, in dem eine Charge 3 des zu behandelnden Materials, z. B. eines halbleitenden Materials, wie Germanium, Silicium oder einer Verbindung vom Typ A^mB^v oder A^I][B^YI, in langgestreckter Form angebracht ist. Der Tiegel 2 stützt sich mit Füßen 4 auf der Innenseite des Rohrs 1 ab. Der Tiegel 2 wird im Rohr 1 von einem Graphitring 5 frei umgeben, der an der Außenseite mit langgestreckten Ansätzen 6 versehen ist. Mit diesen Ansätzen ruht der Ring an der Unterseite auf der Innenwand des Rohrs 2, während auf seiner Oberseite ein geringer Spielraum zwischen der Rohrwand und den Ansätzen besteht.

Auf dem Rohr sind zwei Hochfrequenzspulen 7 und 8 mit je einer einzigen Windung vorgesehen, die an einen nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator angeschlossen werden können. Sie sind mechanisch miteinander verbunden (dies ist nicht dargestellt), und ihr Abstand voneinander ist etwas größer als die in der Achsenrichtung gemessene Länge des Graphitringes 5. Die beiden Spulen sind vorzugsweise in Reihe oder parallel geschaltet, und zwar derart, daß sie im gleichen Sinne vom Hochfrequenzstrom durchflossen werden.

Um im Material 3 eine geschmolzene Zone zu erzielen, werden die Spulen 7 und 8 durch einen vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzstrom von 1 MHz erregt, wodurch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird, dessen FeIdstärke an der Stelle des Ringes 5 einen Mindestwert aufweist. Die beiden Spulen werden jetzt so verschoben, daß der Ring durch die vom Feld ausgeübten Kräfte zur Stelle geführt wird, an der die erhitzte Zone im zu behandelnden Material gebildet werden soll. Dann wird die Stromstärke in den Spulen gesteigert, wobei der Graphitring stärker erhitzt wird und sich im zu behandelnden Material eine geschmolzene Zone 9 ergibt. Die geschmolzene Zone läßt sich dann durch Verschiebung der Spulen allmählich verschieben, wobei der Graphitring mit dem Mindestwert des von den beiden Spulen erzeugten Feldes mit verschoben wird. Die Ansätze 6 besorgen eine gute Führung des Ringes im Rohr 1. Für eine- regelmäßige Verschiebung entgegen der Wirkung der Rel·- bungskräfte zwischen den Ansätzen 6 und der Innenwand des Rohrs kann der untere Teil dieser Wand mit einer dünnen Graphitschicht überzogen sein. Die statische Reibung kann auch dadurch beseitigt werden, daß das Rohr 1 mechanisch in Schwingung versetzt wird, z. B. mittels einer nicht dargestellten Schwingvorrichtung.

Die Länge des Ringes bestimmt die Länge der geschmolzenen Zone 9. Um eine Zone geringer Länge zu erhalten, muß ein kurzer Heizring Verwendung finden. Um in diesem Falle eine gute Führung des Ringes im Rohr zu gewährleisten, können die Ansätze 6 eine größere Länge aufweisen als der Ring selber, so daß sie an einer oder beiden Seiten des Ringes vorstehen.

Fig.2 zeigt schematisch eine graphische Darstellung, in der in senkrechter Richtung der Wert y der auf die Längsrichtung der Charge projezierten Komponenten der in der Achse der Spulen 7 und 8 der F i g. 1 gemessenen Feldstärke des von diesen beiden Spulen erzeugten elektromagnetischen Feldes und waagerecht die Abstände χ längs dieser Achse schematisch aufgetragen sind. Die Linie 10 zeigt den Verlauf dieses Wertes, wenn die Spulen 7 und 8 im gleichen Sinne von einem gleich starken Hochfrequenzstrom des Generators durchflossen werden. Die Punktell und 12 geben den Wert der Feldstärkekomponenten in der Spule 7 bzw. 8 an, wo diese Feldstärken Höchstwerte haben. Der Punkt 13 gibt den Mindestwert der Feldstärkekomponente in einem Punkt in der Mitte zwischen den Spulen an. Der zwischen den Spulen angeordnete Heizring ist infolge der auf ihn ausgeübten Kräfte bestrebt, diesen Mindestwert aufzusuchen, so daß er bei Verschiebung der erregten Spulen mit diesem Mindestwert verschoben wird. An der Stelle dieses Mindestwertes hat die Feldstärke jedoch noch einen verhältnismäßig hohen Wert, wodurch der Ring dennoch eine erhebliche Menge der Energie des Feldes aufnehmen kann.

Die gestrichelte Linie 14 zeigt den Verlauf des Wertes der Feldstärkekomponenten, wenn die beiden Spulen vom gleichen Hochfrequenzstrom in entgegengesetztem Sinne durchflossen werden. Dabei hat

die Feldstärke an einer Stelle IS in der Mitte zwischen den Spulen einen Wert O. Zwar ist in diesem Falle das von den beiden Spulen erzeugte Feld gleichfalls bestrebt, den Ring an einer Stelle mitten zwischen den Spulen zu halten, aber durch die geringe Feldstärke an der Stelle des Ringes ist die Energieabsorption im Ring aus dem Feld nur gering, so daß auf diese Weise die Erhitzung des Ringes nicht sehr wirkungsvoll ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Behandlung langgestreckter Chargen eines Stoffes durch Zonenerwärmen mittels eines einen Teil der Charge umgebenden, elektrisch leitenden Heizringes der in Längsrichtung der Charge verschiebbar und durch das hochfrequente elektromagnetische Feld mittels einer oder mehrerer in derselben Richtung verschiebbaren Spule bzw. Spulen induktiv erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizring (5) ohne mechanischen Antrieb frei in einer Führung (1) verschiebbar angeordnet und nur durch die vom Feld der Spule bzw. Spulen (7, 8) erzeugten Kräfte bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der elektromagnetischen Feldstärke, über die Spulenachse gemessen, zwischen zwei höheren Werten (H, 12) einen niedrigeren Wert (13, 15) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes mindestens zwei Spulen (7,

8) in Verschiebungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind, zwischen denen der Heizring (5) durch die vom elektromagnetischen Feld der Spulen (7, 8) erzeugten Kräfte gehalten ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Spulen (7, 8) größer als die in der Verschiebungsrichtung gemessene Länge des Heizringes (5) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von beiden Spulen (7, 8) erzeugten elektromagnetischen Teilfelder dieselbe Richtung haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei senkrecht angeordneter Charge, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld nur ein Maximum aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes nur eine vertikal verschiebbare Spule angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Spule ein derart schwerer Heizring angeordnet ist, daß die nach oben wirkenden Kräfte des elektromagnetischen Feldes der Spule durch die auf den Heizring wirkende Schwerkraft ausgeglichen werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsglied für den Heizring (5) ein zylindrisches Rohr (1) dient, in das der Heizring (5) mit geringem Spiel hineinpaßt und um das die Spule(n) (7, 8) angeordnet ist (sind).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 837 690.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 749/278 12.66 © Bundesdruckerei Berlin