DE1257740B

DE1257740B - Verfahren und Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1257740B
Application number: DEN19044A
Authority: DE
Inventors: Johannes Wilhelmus And Scholte
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1959-10-19
Filing date: 1960-10-17
Publication date: 1968-01-04
Also published as: GB954991A; NL112520C; US3121619A; CH425735A; NL244489A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

BOIj
Deutsche Kl.: 12c-2

Nummer: 1257 740

Aktenzeichen: N19044IV c/12 c

Anmeldetag: 17. Oktober 1960

Auslegetag: 4. Januar 1968

Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines stabförmigen Körpers durch tiegelloses Zonenschmelzen unter Anwendung eines von einer Spule erzeugten magnetischen Hochfrequenzfeldes, das in der Axialrichtung des Stabes verläuft, wobei innerhalb der Spule eine geschmolzene Zone gebildet wird, sind bekannt (siehe z. B. Review of Scientific Instruments, 25 (1954), 4, S. 331 bis 334).

Bei den bekannten Verfahren tritt der Nachteil auf, insbesondere wenn die herzustellenden Körper einen größeren Durchmesser, z.B. einen Durchmesser von mehr als 2 cm, haben, daß starke Krümmungen in den Begrenzungsflächen der geschmolzenen Zone und der festen Stabteile auftreten. Diese können unter anderem zu Unregelmäßigkeiten in der Kristallstruktur Anlaß geben, sind aber auch insoweit nachteilig, daß sie das Entstehen einer geschmolzenen Zone über den ganzen Querschnitt der Stäbe, insbesondere dicker Stäbe, erschweren.

Es wurden deshalb bereits beiderseits einer die Schmelzzone erzeugenden Spule aus einer Windung bestehende Kurzschlußspulen angebracht (USA.-Patentschrift 2 905 798). Diese von der die Schmelzzone erzeugenden Spule erregten Kurzschlußspulen oder Kurzschlußringe, schwächen das Feld der erregenden Spule ab und führen zwar zu einer schmaleren, aber über den Querschnitt des stabförmigen Körpers außerordentlich ungleichmäßigen geschmolzenen Zone.

Bei einem Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers mittels einer Hochfrequenzheizspule, bei dem durch die zusätzliche Wirkung einer anderen Spule, die von einem Strom derselben Frequenz, aber entgegengesetzter Richtung durchflossen wird, in axialer Richtung gesehen, an wenigstens einer Seite der Heizspule das Induktionsfeld dieser Heizzone so beschränkt wird, daß innerhalb der anderen Spule keine geschmolzene Zone entsteht, kann die stark ungleichmäßige Ausbildung der geschmolzenen Zone vermieden werden, wenn erfindungsgemäß die andere Spule getrennt erregt wird, so daß, in der axialen Richtung gesehen, neben dem beschränkten Feld der Heizspule ein gegensinniges Feld aufgebaut wird.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß es auf einfache Weise möglich ist, die Schwierigkeiten, die durch Spannungen im auskristallisierten Material wegen der gekrümmten Form der Begrenzungsflächen auftreten, zu vermeiden. Durch die Anwendung eines gegensinnigen Feldes wird nämlich die Feldstärke an einer Stelle der Oberfläche des Stabes zwischen den Spulen Null Verfahren und Vorrichtung zum tiegellosen
Zonenschmelzen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Johannes Wilhelmus Andreas Schölte,

Nijmegen (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 19. Oktober 1959 (244 489)

sein. Das bedeutet, daß dort keine Erwärmung stattfindet. An dieser Stelle wird also Wärme durch Abstrahlung vom Stab abgeführt. Am Ort der zusätzlichen Spule wird Wärme im Stab erzeugt, so daß die Wärmeströmung von der Schmelzzone her in Richtung der Stabachse gehemmt wird. Die Wärmeströmung wird sich also so einstellen, daß sie an der Stelle der Feldstärke Null, also der nicht erwärmten Oberflächenstelle, eine nach außen gerichtete Komponente hat. Somit hat die von der Erwärmung durch die Hauptspule erzeugte Wärmeströmung, in Richtung von der flüssigen Zone zum Stabende gesehen, zunächst eine in das Stabinnere und dann eine nach außen gerichtete Komponente. An einer Zwischenstelle wird die Wärmeströmung die Richtung der Stabachse haben, und an dieser Stelle gibt es eine mindestens nahezu ebene, isotherme Fläche. Die Existenz einer derartigen ebenen, isothermen Fläche ermöglicht die Bildung einer mindestens nahezu ebenen Grenzfläche zwischen dem festen und dem geschmolzenen Material auch bei dicken Stäben.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist die Intensität des gegensinnigen Feldes kleiner als die Intensität des Feldes der Heizspule. Vorzugsweise beträgt die Intensität des gegensinnigen Feldes höchstens zwei Drittel der Intensität des Feldes der Heizspule. Unter der Intensität eines zu einer Spule gehö-

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renden Feldes ist dabei die Stärke des von dem Hochfrequenzstrom in dieser Spule erzeugten Feldes innerhalb der Spule zu verstehen.

Eine besonders geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei einen solchen Körper koaxial umfassende, nebeneinanderliegende Spulen enthält, die derart geschaltet sind, daß sie gegensinnig von Hochfrequenzströmen verschiedener Intensität durchflossen werden, wobei die Spulen an denselben Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind.

Vorzugsweise besteht dabei jede Spule nur aus einer Windung. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung werden drei Spulen verwendet, die derart leitend miteinander verbunden sind, daß die mittlere Spule mit den beiden äußeren Spulen in Reihe geschaltet ist und diese äußeren Spulen zueinander parallel geschaltet sind.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 stellt einen Teil einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, in der in einem stabförmigen Körper nur eine geschmolzene Zone gebildet ist, teilweise in senkrechtem Schnitt und teilweise in Ansicht schematisch dar;

Fig. 2 zeigt einen solchen stabförmigen Körper mit einer anders gebildeten geschmolzenen Zone, und

Fig. 3 zeigt vergleichshalber eine solche geschmolzene Zone, wie sie bei bereits bekannten Verfahren entsteht.

In diesen Figuren sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In F i g. 1 bezeichnet 1 einen stabförmigen Körper, der z. B. aus Silicium oder Germanium besteht. Dieser Stab ist an seinen nicht dargestellten Enden durch nicht dargestellte Halter an der Vorrichtung befestigt. Durch das Feld einer den Stab umgebenden Hochfrequenzspule 2, die aus einer einzigen Windung besteht und von einem nicht dargestellten Hochfrequenzstromgenerator gespeist wird, wird im Stab 1 eine geschmolzene Zone 3 gebildet. Die Vorrichtung besitzt weiterhin zwei beiderseits und koaxial mit der Spule 2 angeordnete Hochfrequenzspulen 4 und 5, die je aus einer einzigen Windung bestehen und von demselben Hochfrequenzstromgenerator gespeist werden können. Der Strom durch die Spulen 4 und 5 fließt in entgegengesetzter Richtung zum Strom durch die Spule 2, was in der Figur durch horizontale Pfeile dargestellt ist. Die Stromstärke in der Spule 4 und in der Spule 5 ist dabei kleiner als die Stromstärke in der Spule 2. Jede Spule kann z. B. die Hälfte dieses Stromes fuhren, was in einfacher Weise dadurch verwirklicht werden kann, daß die mittlere Spule mit den beiden äußeren Spulen in Reihe geschaltet und die beiden zuletzt genannten Spulen zueinander parallel geschaltet werden.

Die Begrenzungen 6 und 7 der geschmolzenen Zone und der beiden festen Stabteile 8 bzw. 9 sind verhältnismäßig flach.

Bei zweckmäßiger Bemessung der Spulen und Einstellung des Stromes ist es durch dieses Verfahren sogar möglich, im Stab 1 etwas konkave Begrenzungsflächen 6 und 7 der Stabteile 8 und 9 und der geschmolzenen Zone 3 zu erzielen, wie in F i g. 2 dargestellt ist.

F i g. 3 zeigt vergleichsweise die Gestalt der konvexen Begrenzungsflächen, wie sie gewöhnlich bei bekannten Verfahren entstehen. Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, daß beim bekannten Verfahren, beim Bilden einer verhältnismäßig langen geschmolzenen Zone, der Abstand zwischen den ungeschmolzenen Stabteilen klein ist, so daß insbesondere bei dicken Stäben die Gefahr besteht, daß bei der höchst zulässigen Länge der Zone, welche von der Oberflächenspannung begrenzt wird, die Zone nicht bis zum Kern des Stabes eindringt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers mittels einer Hochfrequenzheizspule, bei dem durch die zusätzliche Wirkung einer anderen Spule, die von einem Strom derselben Frequenz, aber entgegengesetzter Richtung durchflossen wird, in axialer Richtung gesehen, an wenigstens einer Seite der Heizspule das Induktionsfeld dieser Heizzone so beschränkt wird, daß innerhalb der anderen Spule keine geschmolzene Zone entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Spule getrennt erregt wird, so daß, in der axialen Richtung gesehen, neben dem beschränkten Feld der Heizspule ein gegensinniges Feld aufgebaut wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des gegensinnigen Feldes höchstens zwei Drittel der Intensität des Feldes der Hochfrequenzheizspule gewählt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei einen solchen Körper koaxial umfassende, nebeneinanderliegende Spulen enthält, die derart geschaltet sind, daß sie gegensinnig von Hochfrequenzströmen verschiedener Intensität durchflossen werden, wobei die Spulen an denselben Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule aus nur einer Windung besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spulen verwendet werden, die derart leitend miteinander verbunden sind, daß die mittlere Spule mit den beiden äußeren Spulen in Reihe geschaltet ist und diese äußeren Spulen zueinander parallel geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 194 444; USA.-Patentschrift Nr. 2 905 798.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen