DE1916317C3 - Stromzuführung für eine Induktionsspule beim tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

der Zeichnung näher erläutert:

40 F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Stromdurchführung in einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen gemäß der Erfindung;

Aus der deutschen Auslegeschrift 1076 623 ist F i g. 2 zeigt das Ersatzschaltbild der Stromdurch-

•ine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen führung nach Fig. 1;

von stabförmigem Halbleitermaterial bekannt. Diese 45 F i g. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Einrichtung weist ein Hochvakuumgefäß auf, in dem Stromdurchführung für eine erfindungsgemäße Eineine mit Hilfe einer Induktionsheizspule erzeugte richtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen;
Schmelzzone durch das stabförmige Halbleitermate- F i g. 4 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungs-

rial bewegt wird. Die Induktionsheizspule ist mit form einer Stromdurchführung,
•iner Stromzuführung für hochfrequenten Wechsel- 50 In Fig. 1 ist schematisch eine Stromzuführung Λ «rom verbunden, welche in einer gasdichten Durch- dargestellt, welche aus fünf ineinandergeschachtelt führung in der Gefäßwand verschiebbar angeordnet und koaxial mit radialem Abstand voneinander anist· geordneten Leiterrohren besteht. Die Stromzufüh-Die Stromzuführung besteht aus drei ineinanderge- rung A ist in axialer Richtung verschiebbar in einei schachtelt und koaxial angeordneten Lei'errohren. 55 Durchführung der Wand B des Gefäßes angeordnet, Die beiden äußeren Leiterrohre sind an den beiden innerhalb dessen sich eine nicht dargestellte Induk-Enden der Stromzuführung elektrisch leitend mitein- tionsheizspule befindet und in dem der Zoneninder verbunden, während sich im Zwischenraum schmelzvorgang abläuft. Die Durchführung ist durcr zwischen dein inneren Leiierrohr geringster Rohr- eine Simmerringdichtung C abgedichtet,
weite und dem mittleren Leiterrohr nächst größerer 60 In F i g. 1 gibt die Folge arabischer Zahlen 1 bis £ Rohrweite eine Zwischenlage aus mit Paraffin ver- die Numerierung der Leiterrohre nach zunehmengossenem bandförmigem Polytetrafluoräthylen befin- der Rohrweite, die Folge römischer Zahlen I bis \ det. Das innere Leiterrohr mit der kleinsten Rohr- die Numerierung nach abnehmender Rohrweite an.
weite sowie das mittlere Leiterrohr mit der nächst An beiden Enden der Stromzuführung A sind die größeren Rohrweite bestehen aus elektrisch gut leiten- 65 Leiterrohre mit ungerader Nummer, also die Leiterdem Kupfer, während das äußere Leiterrohr mit der rohre 1, 3 und 5 bzw. I, III und V durch elektrische größten Rohrweite aus elektrisch weniger gut leiten- Leiter D, E und F, G sowie die Rohre gerader Numdem Stahl besteht. Dieses Stahlrohr umschließt einen mer 2 und 4 bzw. II und IV durch die elektrischer

Leiter H und K elektrisch leitend miteinander ver- Stromflusses auf die Leiterronre. Parallel zu den bunden. Schellen 35 und 36 und damit parallel zu dein

In Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild der Stromzufüh- Leiterrohr 2 und den Leiterrohren 1 sowie 3 sind rung Λ nach Fig. 1 dargestellt Der ohmsche Wider- drei Kondensatoren 38 geschaltet, die als Schwingstand K₂₃ (arabische Zählung) bedeutet den ohm- 5 kondensatoren im die Induktionsheizspule 13 enthalschen Widerstand und die Induktivität L_M die Induk- tenden Heizkreis dienen und deren Anschlüsse mit tivität der aus den Leiterrohren 2 und 3 (arabische den Schellen 35 und 36 beispielsweise verschraubt Numerierung) gebildeten Koaxialleitung, fcntspre- sind. Es können auch vier oder mehr Schienen 37 chendes gilt für die ohmschen Widerstände A₁₂, A₃₄, und Kondensatoren 38 vorgesehen sein, deren An-A₄₅ und die Induktivitäten L₁₂, L₃₄ und L₄₅. Im io schlußstellen an den Schellen 34 und 36 bzw. 35 und Ersatzschaltbild nach Fig.2 sind die Kapazitäten 36 jeweils gleichen Winkelabstand haben. An die der Stromdurchführung A nach Fig. 1 nicht berück- Schellen 35 und 36 ist ferner ein nicht dargestellter sichtigt, da diese bei Einrichtungen zum tiegelfreien Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Zonenschmelzen klein gegenüber der Kapazität des Die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 1,

Kondensators im Heizkreis ist, welcher die Induk- 15 2 und 3 können ein Gas erhalten oder evakuiert sein, tionsheizspule zum Beheizen der Schmelzzone ent- Vorteilhaft ist es jedoch, wenn sie mit einem Isolierhält. stoff ausgefüllt sind. Insbesondere wenn das Gefäß

Wie das Ersatzschaltbild nach Fig.2 zeigt, sind der Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, in die aus jeweils zwei benachbarten Leiterrohren gebil- dem sich das obere Ende der Stromzuführung mit deten Koaxialleitungen parallel zueinander geschal- _ao der Induktionsheizspule 13 befindet, evakuiert oder tet. Daher ist auch der Spannungsabfall an der mit Schutzgas gefüllt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Stromzuführung A mit mehreren ineinandergeschach- Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 1 bis 3 telt angeordneten Leiterrohren, welche entsprechend mit einem Isolierstoff ausgefüllt sind, welcher eine Fig. 1 geschaltet sind, kleiner als an einer Stromzu- Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine führung mit nur zwei ineinandergeschachtelt an- _as Dehnbarkeit von mindestens 20% hat und wenn geordneten Leiterrohren. Deshalb ist auch die Ver- zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der lustleistung bei der Stromdurchführung A mit mehre- Leiterrohre eine gasdichte Haftverbindung besteht, ren ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren Dadurch wird gewährleistet, daß keine Risse an den geringer als die einer Stromzuführung mit nur jwei in- Verbindungsstellen des Isolierstoffes mit den Waneinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren. Mit ₃₀ düngen der Leiterrohre 1 bis 3 infolge von Temperader Stromzuführung/! nach Fig. 1 gelingt es somit, turwechseln auftreten, durch die das Vakuum in dem auch einer einwindigen Induktionsheizspule genü- Gefäß der Einrichtung zum tiegelfrcien Zonengend Energie zum Beheizen der Schmelzzone in schmelzen verringert wird. Ein geeigneter Isolierstoff einem kristallinen Stab zuzuführen. Die Stromzu- ist kaltvulkanisierender Silikonkautschuk, z. B. SiIiführung A kann sogar eine beträchtliche Länge, z. B. ₃₅ konkautschuk der Firma Wacker mit der Handelsbe-1600 mm, haben, ohne daß ihre Verlustleistung ins zeichnung »Sil-Gel« und »Vergußmasse K«. Die Gewicht fällt. Wandungen der Leiterrohre 1 bis 3 weisen vorteilhaft

Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform einer einen Silikonharzüberzug auf, z. B. aus Silikonharz Stromzuführung zu einer Einrichtung zum tiegelfreien der Firma Wacker mit der Handelsbezeichnung »G Zonenschmelzen gemäß der Erfindung besteht aus ₄₀ 718«. Der Silikonkautschuk geht mit dem Silikondrei koaxial ineinandergeschachtelt angeordneten harzübtrzug eine gasdichte und dauerhafte Haftver-Kupferrohren 1, 2 und 3. Diese Stromzuführung ist bindung ein. Silikonkautschuk hat ferner den Vorteil, in einer nicht dargestellten Durchführung in der daß sein dielektrischer Verlustfaktor kleiner als 10"² Wand des Gefäßes der Einrichtung . um tiegelfreien ist und daß seine Durchschlagsfestigkeit zwischen 30 Zonenschmelzen angeordnet. Die Leiterrohre sind *s und 40kV/mm liegt. Dadurch wird es ermöglicht, mit zunehmender Rohrweite numeriert. Am oberen die Induktionsheizspule 13 bei relativ hohen Span-Ende der Stromzuführung sind an den Leiterrohren 1 nungen zu betreiben, so daß eine relativ hohe Lcibis 3 elektrisch leitende Metallzungen 9 bis 11, bei- stung auf die Schmelzzone im kristallinen Stab überspielsweise aus Kupfer, angebracht, während am un- tragen wird.

teren Ende, welches sich außerhalb des Gefäßes der 5» F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform der Stromzu-Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen befin- führung für eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonendet, an den einzelnen Leiterrohren 1 bis 3 Schellen schmelzen gemäß der Erfindung, welche drei ko-34 bis 36 aus elektrisch leitendem Metall (z. B. SiI- axial ineinandergeschachtelt angeordnete Leiterrohre ber) befestigt sind. Eine beispielsweise einwindige In- 401 bis 403 aus Kupfer aufweist, deren Wandungen duktionsheizspule 13 ist an der Zunge 10 und an der 55 j_{e m}it einem Kanal für ein Kühlmittel versehen sind. Zunge 11 elektrisch leitend befestigt. Die Leiterrohre Die Stromzuführung weist einen Stahlmantel 404 auf. 1 und 3 und die Zungen 9 und 11 sind zur Kleinhai- Die Leiierrohre 402 und 403 haben jeweils eine

tung der Streuinduktivität randlich durch eine Silber- doppelte Wandung, zwischen den beiden Windungsbrücke 12 miteinander verbunden. teilen strömt ein durch den Stutzen 405 zufließendes

Am unteren Ende der Stromzuführung, welches an ^6o und durch den Stutzen 406 abfließendes Kühlmittel, einen nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator an- beispielsweise Wasser. Im Leiterrohr 401, welches geschlossen ist, sind die Schellen 34 und 36 und da- von den drei Leiterrohren 401 bis 403 die kleinste mit die Leiterrohre 1 und 3 durch drei Schienen 37, Rohrweite hat, befindet sich ein weiteres Rohr die voneinander jeweils 120° Winkelabstand, bezo- ₆. mit noch kleinerer Rohrweite, dessen im Rohr gen auf die Rohrachse, haben, isoliert von der befindliches Ende offen ist und das am anderen Ende Schelle 35 am Leiterrohr 2 elektrisch leitend mitein- einen weiteren Stutzen 410 zut Zuführung eines ander verbunden. Durch die Anordnung der Schie- Kühlmittels, beispielsweise Wasser, aufweist. Das nen 37 ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des durch den Stutzen 410 zugeführte Kühlmittel fließt

im Zwischenraum zwischen dem Leiterrohr 401 und dem Rohr 409 zurück zu einem Auslaßstutzen 408, durch den es die Stromzuführung verläßt.

Die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 401, 402 und 403 sowie der Zwischenraum zwischen dem Leiterrohr 403 und dem Stahlmantel 404 sind mit kaltvulkanisierendem Silikonkautschuk 411 ausgefüllt. Die Außenfläche des Leiterrohres 401, die Außen- und die Innenflächen der Leiterrohre 402 und 403 sowie die Innenfläche des Stahlmantels 404 weisen einen nicht dargestellten Überzug aus Silikonharz auf.

Am oberen Ende der Stromzuführung befinden sich metallene Anschlußteile 412 und 413, die mit einer nicht dargestellten Induktionsheizspule elektrisch leitend verbunden sind. Das Anschlußteil 412 ist mit dem Leitenohr 401 an der Stelle 416 verlötet und mit dem Leiterrohr 403 durch eine Lötstelle 422 und eine metallene Ringscheibe 417 elektrisch leitend verbunden, welche mit dem Leiterrohr 403 und dem Anschlußteil 412 verlötet ist. Das Anschlußteil 412 weist Kanäle 415 auf, in welchen der durch die doppelte Wandung des Leiterrohres 403 gebildete Kühlmittelkanal mündet. Das Anschlußteil 413 weist ebenfalls einen Kühlmittelkanal 414 auf, in welchen der durch die doppelte Wandung des Leiterrohres 402 gebildete Kühlmittelkanal mündet. Mit den An-.'■ schlußteilen 412 und 413 ist eine nicht dargestellte Induktionsheizspule derart elektrisch leitend verbunden, daß die Kühlmittelkanäle 414 und 416 in den Kühlmittelkanal der Induktionsheizspule münden. Dadurch wird erreicht, daß das Kühlmittel, das

ίο durch einen der Stutzen 405 in die Stromdurchführung einfließt, den Kühlmittelkanal der Induktionsheizspule durchfließt und schließlich durch den anderen Stutzen 406 die Stromdurchführung wieder verläßt.

Am unteren Ende der Leiterrohre 401 bis 403 sind metal? ene Anschlußringe 419 bis 421 für nicht dargestellte elektrische Leiter vorgesehen, die diese Anschlußringe und damit die Leiterrohre mit den Klemmen nicht dargestellter Heizkreiskondensatoren und

so eines nicht dargestellten Hochfrequenzgenerators elektrisch leitend verbinden. Die Anschlußringe 419 und 421 sind durch einen elektrischen Leiter 423 miteinander verbunden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Kanal für ein Kühlmittel, welches das mittlere, aus Patentansprüche: Kupfer bestehende Leiterrohr kühlt. Außerdem stellt seine äußere Mantelfläche eine äußerst glatte Gleit-

1. Stromzuführung, bestehend aus mehreren Hache dar, die kaum anfällig gegen Beschädigungen ineinandergeschachteUen, mit radialem Abstand 5 ist, so daß die Dichtung in der Durchführung emvoneinandlr angeordneten Leiterrohren zur wandfrei arbeitet und kein Gas aus der Außenatmo-Energieversorgung einer in einem Gefäß an- sphäre in das evakuierte Gefäß gelangen kann
geordneten Induktionsheizspule in einer Einrich- Durch die Erfindung wird die bekannte Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kri- tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallistaUinen Stabes, dadurch gekennzeich- *° nen Stabes weiter verbessert, indem die Verlustleinet, daß numeriert nach zunehmender oder stung in der Stromzuführung fur die Induktionsheizabnehmendre Rohrweite alle Leiterrobre ungera- spule verringert wird. Dadurch wird erreicht, daß der Nummer (1, 3, 5 bzw. I, ΙΠ, V) und alle auch eine einwindige Induktionsheizspuleι mit genn-Leiterrohre gerader Nummer (2, 4 bzw. Π, IV) gern ohmschen und induktiven Widerstand eine hohe an beiden Enden der Stromzuführung elektrisch is Heizleistung auf die Schmelzzone im kristallinen leitend verbunden sind (Fig. 1). Stab überträgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Die Erfindung betrifft demgemäß eine Stromzukennzeichnet, daß die Leiterrohre (401, 402, führung, bestehend aus mehreren inemanderge-403) mit einem Kanal für ein Kühlmittel verse- schachtelt, mit radialem Abstand voneinander anhen sind (F i g. 4). »o geordneten Leiterrohren zur Energieversorgung einer

3. Einrichtung nach Anspracht oder2, da- in einem Gefäß angeordneten Induktionsheizspule in durch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen zwischen den Leiterrohren (401, 402, 403) mit eines kristallinen Stabes. Diese Stromzuführung ist Isolierstoff (411) ausgefüllt ist, welcher eine erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß, nu-Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine »5 meriert nach zunehmender oder abnehmender Rohr-Dehnbarkeit von mindestens 20% hat, und daß weite, alle Leiterrohre ungerader Nummer einerseits zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der und alle Leiterrohre gerader Nummer andererseits an Leiterrohre eine gasdichte Haftverbindung be- beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend steht (Fig. 4). verbunden sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 3<> Es ist vorteilhaft, wenn die Leiterrohre mit einem kennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Kanal für ein Kühlmittel versehen sind. Ferner ist es den Leiterrohren (401, 402 und 403) mit Silikon- günstig, wenn der Zwischenraum zwischen den kautschuk (411) ausgefüllt ist und daß die Ober- Leiterrohren mit Isolierstoff ausgefüllt ist, welcher fläche der Leiterrohre in diesem Zwischenraum eine Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine einen Überzug aus Silikonharz aufweist. 35 Dehnbarkeit von mindestens 20 °/o hat, und wenn

zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der Teilleiter eine gasdichte Haftverbindung besteht.
Die Erfindung und ihre Vorteile seien an Hand