DE2100378A1

DE2100378A1 - Tiegel

Info

Publication number: DE2100378A1
Application number: DE19712100378
Authority: DE
Inventors: der Anmelder. P ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-01-09
Filing date: 1971-01-07
Publication date: 1971-07-22
Also published as: GB1269762A; US3702368A; DE2100378B2

Description

Pr. Ing, E. BERKENFEtD · Dipping. H. 8ERKENFELD, Patentanwälte, Κ5ΐ*ι Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 4. JanUar 1971 VA// Name d. Anm. DAVID AINSWORTH HUKIN

Tiegel

Die Erfindung betrifft Tiegel zum Schmelzen von Materialien mittels in den Materialien induzierten Hochfrequenz-Wirbelströmen,

Das Schmelzen von schmelzbaren Materialien in Metalltiegeln mittels in den Materialien induzierten Hochfrequenz-Wirbelströmen ist ein bekanntes Verfahren, das auf den Gebieten der Metallurgie und der Halbleitertechnologie weitgehend Anwendung gefunden hat, Die Wirbelströme werden in üblicher Weise mittels einer den Tiegel umschließenden Primär- oder Arbeitswicklung erzeugt, der Hochfrequenzstrom zugeführt wird. Metalltiegel weisen im allgemeinen eine in Segmente geteilte Wand auf, um ./irbelstromverluste in der Tiegelwand zu verringern. Ein in üblicher i/eise ausgebildeter Tiegel besteht daher im allgejaeinen aus einer sehalenförmigen Anordnung von Rohren mit kreisförmigem Querschnitt, welche genügend nahe beieinander angeordnet sind, damit das geschmolzene Material im Tiegel durch Oberflä* ι chenspannungswirkungen zurückgehalten wird. Die Rohre sind an ihren Enden miteinander verbunden, damit eine Kühlflüssigkeit durch diesealben in Umlauf gesetzt werden kann, Solche Tiegel v/eisen jedoch den Nachteil auf, daß die Verteiler, welche die hnden der Rohre miteinander verbinden, dieselben kurzschließen, v/odureh das elektrische Feld in diesen Bereichen reduziert wird, so daß die Enden des Tiegels beträchtlich kalter sind als der mittlere Bereich, Dies kann die Einstellung gewünschter Tempera turbedingurißen innerhalb des geschmolzenen Materials verhindern, wenn beispielsweise aus dem geschmolzenen Material ein fJinzolkristaLl hergestellt v/erden soll,

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Außerdem ermöglicht der kreisförmige Querschnitt der Flotie nicht eine sehr enge elektrische Kupplung der Arbeitswicklung mit dem Tiegel, sowie des Tiegels ait der Charge, Es sind daher Hochfrequenzgeneratoren von hoher Leistung erforderlich, um die Verluste im Tiegel auszugleichen.

Line Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Ausbildung eines verbesserten Tiegels, bei welchem die "kalten¹¹ Bereiche desselben die Temperaturbedingungen innerhalb der Schmelze nicht beeinflussen und bei welchem eine enge Kupplung mit einer primären Induktionswicklung möglich ist,

Ein in Segmente geteilter Tiegel mit einer hohlen Wand, der am einen Ende offen ist, um zu verarbeitendes Material aufzunehmen, und der am anderen Ende durch eine Basis geschlossen ist, welche nur mit den Wandsegmenten verbunden ist, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine in Segmente geteilte Plattform zwischen dem offenen Ende und der Basis zum Abstützen des I late rials im Abstand von der Basis.

Vorzugsweise bestehen,- die Plattformsegmente aus nach innen gerichteten Teilen der Vfändsegmente des Tiegels,

Um die Kupplung mit einer primären Induktionswicklung zu erbleichtem, liegen die Außenflächen aller Wandsegmente vorzugsweise auf einer einzigen zylindrischen Oberfläche,

Die Basis ist zweckmäßig mit einer Reihe von Öffnungen versehen, von denen jede mit dem hohlen Inneren eines v/andsefoments in Verbindung steht, sowie mit einer zweiten Reihe von iuffnungen, von denen Jede mit dem einen Ende eines hohres verbunden ist, das in jedes hohle Wandsegment eingesetzt ist und .."i?-^;; aem abgekehrten Ende desselben in Verbindung steht. Die Bas Iy Ist mit einer mittleren Gewindebohrung versehen, mittels welcher dieselbe auf eine Muffe aufgeschraubt werden kann, die ? ^:.i; k^:■..-plementäres Außengewinde aufweist. Die Muf fe erstreckt ;: ■ oh vo·· einem Ständer, welcher mit der Unterseite der Da^is zu ,."-u^cn-

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: v/irkt, um einen Kühlwasserbehälter zu bilden.

Uin Tiegel gemäß der Erfindung ist mit einer primären Induktionswicklung versehen, welche mindestens den Teil des Tiegels zwischen dem offenen Ende und der Plattform umschließt.

Die Erfindung sieht daher einen Tiegel vor, der eine Reihe von hohlen Teilen mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit aufweist, welche so geformt sind, daß sie einen Behälter mit einer dicken Wand bilden. Die Außenfläche des Behälters hat mindestens zum Teil die Form eines Zylinders, während die Innenfläche eine solche Form aufweist, daß sie mindestens an einem Ende des Behälters einen Bereich mit verringerter Quer- | schnittsfläche bildet. Die Wand des Behälters ist durch eine Vielzahl von Schlitzen unterbrochen, welche sich parallel zur Achse des Zylinders erstrecken. Die Schlitze erstrecken sich über den ganzen Bereich mit verringerter Querschnittsfläche und über denselben hinaus. Die Anordnung ist ferner derart getroffen, daß Kühlflüssigkeit durch die hohlen Teile in Umlauf gesetzt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Innenfläche eine solche Form auf, daß eine Umhüllung in Gestalt einer Schale mit einem abgeschrägten Inneren gebildet wird, das eine mittlere Öffnung aufweist. Der Tiegel ist für die Verwendung mit einer Hochfrequenz-Heizwicklung bestimmt, welche so angeordnet ist, daß sie sich über die Plattform hinaus erstreckt, die durch den Bereich mit verringerter Querschnittsfläche gebildet wird, welcher den Boden der Schale bildet. Die den Boden der Schale bildenden inneren Fortsätze bilden einen Konzentrator für das Hochfrequenzfeld, was gewährleistet, daß der Boden des Tiegels nicht kühler ist als der Rest des Behälters.

Außerdem wird die Form des Hochfrequenzfeldes derart ausgebildet, daß, sobald das Material geschmolzen ist, dasselbe außer Berührung mit dem Tiegel leicht in Schwebe gehalten wird und daher nicht mit Verunreinigungen in Berührung kommen kann, die

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aus dem den Tiegel bildenden Metall herausgelöst werden. Der Umstand, daß sich die Schlitze über das Ende der Hochfrequenz-Heizwicklung hinaus erstrecken, bedeutet (soweit das Hochfrequenzfeld betroffen ist), daß die die Wand des Tiegels bildenden einzelnen Teile miteinander nicht kurzgeschlossen werden, sondern daß jeder Teil einen getrennten Transformator für die Hochfrequenzströme bildet.

Geeignete Materialien für den Tiegel sind Kupfer von hoher Reinheit oder Silber. Die Oberflächen des Tiegels können mit einem reflektierenden Metall überzogen werden, um Wärmeverluste aus dem Inneren des Tiegels zu verringern.

Kachstehend wird eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt;

Fig. 1 einen Längsschnitt des Tiegels gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Tiegels gemäß Fig. 1.

Gemäß der Zeichnung besteht ein Tiegel, der als sogenannter kalter Tiegel für das Schmelzen von Materialien mittels Hochfrequenz verwendet wird, aus einer Anzahl von Elementen 1 mit trapezförmigem Querschnitt, die durch Zwischenräume 2 getrennt sind, welche durch Einschneiden von radialen Schlitzen in eine kompakte Stange 3 aus Kupfer von hoher Leitfähigkeit mit einem Durchmesser von etwa 56,25 mm gebildet werden. In der Kupferstange 3 ist eine Bohrung 4 mit einem Durchmesser von etwa 31,25 mm ausgebildet, die an einem Ende einen halbkugelförmigen Boden aufweist, was einen Tiegel ergibt, der Wände mit einer Dicke von etwa 12,5 mm, eine zylindrische Außenfläche 5 und eine schalenförmige Innenfläche 6 aufweist. Im anderen Ende der Stange 3 ist eine Gegenbohrung 7 vorgesehen, die einen etwas kleineren Durchmesser als die schalenförmige Bohrung 4 aufweist. Jenseits der Gegenbohrung 7 bildet das kompakte Me-

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tall eine Basis 4a. Wo die Schlitze am Boden der schalenförmigen Bohrung 4 aufeinandertreffen, ist in einem Bereich 9 des Behälters eine Öffnung 8 mit einem Durchmesser von etwa 6,25 mm ausgebildet. Die Größe der Öffnung 8 ist nicht kritisch und wird durch die Breite der Schlitze geregelt. Je enger die Schlitze sind, desto kleiner ist die Öffnung 8. Der Bereich der Seitenwand zwischen den oberen und unteren Bohrungen 4 bzw. 7 wirkt als ein Konzentrator für das Hochfrequenzfeld, was gewährleistet, daß der Boden des Tiegels mindestens so heiß ist wie der größere Teil der Seitenwand. Der Bereich 9 formt ebenfalls das Hochfrequenzfeld, so daß das Material im Tiegel frei schwebt. Jedes der Elemente 1, welche die Wand des Tiegels bil- , den, ist in der Längsrichtung durchbohrt. Jede Bohrung 1a ist* ™ durch eine Öffnung 10 mit einem ersten Verteiler verbunden. In jeder Bohrung 1a ist ein Rohr 11 angeordnet, welches durch eine öffnung 12 mit einem zweiten Verteiler verbunden ist, der in der Stange 3 ausgebildet ist, damit Kühlwasser durch die »•andelemente des Tiegels in Umlauf gesetzt werden kann. Ein Schraubengewinde 13 ermöglicht, daß der Tiegel auf eine Muffe 15 eines Ständers 1? aufgeschraubt werden kann, welcher einen Teil des Kühlsystems bildet. Zu diesem Zweck ist die Muffe mit Bohrungen 18, 19 versehen, welche die Verbindung zwischen einem Wasserbehälter und den Öffnungen 10 des ersten Verteilers herstellen. Der Ständer ist mit Bohrungen 20, 21 versehen, welche die Verbindung zwischen dem Wasserbehälter und den Öffnungen | 12 des zweiten Verteilers herstellen. Der Tiegel wird in Verbindung mit einer Primärwicklung 14 verwendet, welche so angeordnet ist, daß sie sich vom oberen Ende des Tiegels bis zu einer etwas unterhalb des Beginns der Gegenbohrung 7 liegenden ■ Stelle erstreckt. Jedes Segment 1 ist daher im Bereich des Hochfrequenzfeldes von seinen Nachbarn elektrisch isoliert und wirkt unabhängig als ein Transformator. Die Elemente 1 bilden einen schalenförmigen Tiegel, der im wesentlichen auf seiner ganzen Oberfläche (einschließlich des Bodens) mit einer im Inneren befindlichen Charge, sowie mit der Primärwicklung eng gekuppelt ist. Die große Zahl der Elemente 1 (insgesamt sechzehn) und die symmetrische Form des Tiegels ergeben eine sta-

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bile Schmelze, obwohl auf der Hochspannungszuführung zur Primärwicklung eine liiederfrequenzwelle vorhanden sein kann.

Der Umstand, daß der Tiegel durch den Ständer in einer senkrechten Stellung abgestützt wird, bedeutet, daß am offenen Ende des Tiegels in keiner Weise die Anbringung von Hilfseinrichtungen behindert wird, wie zum Beispiel von Strahlungsschildern, von Empfängern für die Vakuumdestillation von Metallen aus dem Tiegel oder einer Einrichtung zur Entnahme von Einzelkristallen aus der im Tiegel enthaltenen Schmelze.

Die Vorzüge der Erfindung werden durch die Tatsache veranschaulicht, daß bei Verwendung des vorstehend beschriebenen Tiegels ein zugeführter Hochfrequenzstrom von etwa 15 kw^r genügt, um eine Charge von 120 g Platin in Luft vollständig zu schmelzen. Eine Charge von 60 g Lanthanum wurde im Vakuum durch Hochfrequenzstrom von 6 kW vollständig geschmolzen.

Patentansprüche

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Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD ■ Di pi.-1 η g. H. B E RK E N F E LD, Patentanwälte, Köln

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 4. JanUar 1970 VA// Named. Anm. DAVID AINSWORTH HUKIN

PATENTANSPRÜCHE

1« Ein in Segmente geteilter Tiegel mit einer hohlen Wand, der an einem Ende offen ist, um zu verarbeitendes Material aufzunehmen, und der am anderen Ende durch eine Basis geschlossen ist, welche nur mit den Wandsegmenten verbunden ist, ge- | kennzeichnet durch eine in Segmente geteilte Plattform (6) zwischen dem offenen Ende (4) und der Basis (4a) zum Abstützen des Materials im Abstand von der Basis.
2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattformsegmente aus nach innen gerichteten Teilen der Wandsegmente (1) des Tiegels bestehen.
3. Tiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen aller Wandsegmente (1) auf einer einzigen zylindrischen Oberfläche (5) liegen, um die Anordnung einer primären Induktionswicklung (14) rund um dieselbe zu erleichtern.
4. Tiegel nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die in radialer Richtung inneren Enden aller Plattformsegmente auf einer koaxialen zylindrischen Oberfläche (8) liegen.
5. Tiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (4a) mit einer Reihe von öffnungen (10) versehen ist, von denen jede mit dem hohlen Inneren eines Wandsegments (1) in Verbindung steht, sowie mit einer zweiten Reihe von öffnungen (12), von denen jede mit dem einen Ende eines Rohres (11) verbunden ist, das in jedes hohle

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Vandsegment (1) eingesetzt ist und mit dem abgekehrten ünde desselben in Ve3°bindung steht.
6. Tiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (4a) mit einer mittleren Gev/indebohrung (13) versehen ist, mittels welcher dieselbe auf eine Iiuffe (15) aufgeschraubt werden kann, die ein komplementären Außengewinde aufweist.
7. Tiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eie I-iuffe (15) von einem Ständer (17) erstreckt, welcher mit der Unterseite der Basis (4a) zusammenwirkt, um einen Kühlvrasserbehälter zu bilden.
8. Tiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Induktionswicklung (14) mindestens den Teil des Tiegels zwischen dem offenen Ende und der Plattform umschließt.

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