DE4022561C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kalt-Schmelz- Tiegel zum Schmelzen kleiner Metallmengen in der Schwebe, der in seinem oberen Teil die Tiegelmulde enthält und mit dem Basisteil an eine Unterdrucklei­ tung oder eine entsprechende Apparatur anflanschbar ist, wobei die Tiegelmulde aus entsprechend geform­ ten und durch Schlitze voneinander getrennten, in Einzelanfertigung hergestellten und zusammengefüg­ ten, das Zentrum der Mulde einschließenden Wandseg­ menten gebildet ist, in denen Kühlkanäle verlaufen, in die vom Basisteil ausgehend Zuführungsleitungen für das Kühlmittel eingebracht sind und wobei das Basiselement die Zu- und Ableitungen für das Kühl­ system enthält und aus dem Basisteil herausragen­ de Ableitungsrohre für das Kühlmittel, die jeweils mit einem Einzelwandsegment herauslösbar dicht ver­ bunden, insbesondere weichgelötet sind, als Verbin­ dungsteil zwischen dem oberen Teil und dem Basis­ teil dienen, aus dem die Zuführungsleitungen durch die Ableitungsrohre nach oben in die Wandsegmente ragen.

Kalt-Schmelz-Tiegel werden zur Herstellung sehr reiner Metallproben eingesetzt und insbesondere als Schmelz­ öfen zur Züchtung von Einkristallen verwendet. Die geringe Verunreinigung von in Kalt-Schmelz-Tiegeln erschmolzenen Metallen beruht darauf, daß infolge starker Kühlung der Tiegelwandung und durch Erzeugen eines Magnetfeldes mittels Hochfrequenz-Induktions­ spulen der zunächst fest und dann geschmolzene Metall­ körper in einer stabilen Lage frei schwebend im Schmelzraum gehalten wird (vgl. DE-PS 5 18 499; Labo­ ratory Methods, Vol. LXVII Nr. 404 Juni 1963, S. 301 ff., Hight Temperature Melting without Contami­ nation in Cold Crucibles). Um die transformatorische Wirkung der Hochfrequenzspule optimal auszunutzen, wird eine Aufteilung der Tiegelwandung in möglichst viele Segmente angestrebt.

Ein Kalt-Schmelz-Tiegel dieser Art ist aus der DE-OS 38 19 153 bekannt. Die als spitz zulaufende Dreieckssegmente ausgebildeten Einzelwandsegmente werden durch schnelle und einfache Arbeitsverfahren, wie beispielsweise Fräsen, aus einem Vollmaterial hergestellt. Zur Berücksichtigung des Metallverlustes durch den Trennvorgang (relativ breite Schlitze durch die Bearbeitung) wird von einem größeren Ausgangswerk­ stück, beispielsweise einem zylindrischen Vollmaterial mit größerem Durchmesser ausgegangen. Andere Her­ stellungsverfahren, wie beispielsweise Gießverfahren, sind ebenfalls einsetzbar.

Die Einzelwandsegmente werden durch Löten mit den aus dem Basisteil herausragenden Ableitungsrohren für das Kühlmittel verbunden. Eine evtl. notwendige Justage ist leicht durch Biegen der Kühlleitungen möglich.

Die Verbindung zwischen Einzelwandsegment und der Kühlleitung wird zweckmäßigerweise durch Weichlöten hergestellt. Das hat zur Folge, daß ein einzelnes Wandsegment zur Reparatur des Tiegels leicht heraus­ gelöst werden kann. Der Tiegel ist somit leicht und kostengünstig zu reparieren, da Einzelwandsegmente leicht herausgelöst und ggf. durch neue ersetzt wer­ den können.

Die kompakte Bauart des oberen, die Tiegelmulde um­ schließenden Teils ermöglicht eine effektive Ankopp­ lung an das HF-Magnetfeld. Dabei verbessert sich die HF-Leistungsankopplung auf das Schmelzgut mit zunehmender Zahl der Einzelsegmente. Nachteilig ist dabei jedoch, daß sich mit der zunehmenden Zahl der Einzelsegmente das sich im zentralen Tiegelinnenbe­ reich befindliche Loch vergrößert.

In dieses Loch im zentralen Tiegelbereich dringt bei Betrieb des Tiegels des öfteren mehr oder weniger Schmelzgut ein und verursacht einen Kurzschluß zwi­ schen den Segmenten. Dies hat zur Folge, daß sich die HF-Ankopplung verschlechtert, wodurch sich nach­ teilig die Temperatur der Schmelze verringert.

Die im Tiegelzentrum spitz auslaufenden Segmente sind durch die dort konzentrierte Dichte der Ring­ ströme und durch die Schmelze außerdem besonders hohem Verschleiß und Belastungen ausgesetzt.

Bei der Entnahme oder beim Wenden einer fertigen Probe (besonders häufig bei größeren Tiegeln) erge­ ben sich Schwierigkeiten, wenn sich im Zentralloch ein Pfropfen aus Schmelzgut gebildet hat, der sich in den vertikalen Schlitzen regelrecht verankert.

Um eine gute Probe zu erzielen, wird überwiegend dreimal aufgeschmolzen und die Probe jeweils umge­ dreht. Damit soll eine gleichmäßige homogene Vertei­ lung der Einzelelemente erreicht werden. Hat sich jedoch ein Pfropfen gebildet, so bricht dieser beim Umdrehen ab und muß teilweise aufwendig entfernt werden.

Durch diese Prozedur wird der Reinheitsgrad und die stöchiometrische Genauigkeit der Proben verschlech­ tert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ausgehend von dem bekannten Kalt-Schmelz-Tiegel diesen so zu ver­ bessern, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein als Flachsegment ausgebildetes Wandsegment, das sich, das Zentrum der Tiegelmulde einschließend, über den ganzen Tiegeldurchmesser erstreckt und parallele Wände aufweist in der Drauf­ sicht sowie als Segmente ausgebildete Wandsegmente, die sich zum Zentrum verjüngen, vorgesehen sind. Das als Flachsegment ausgebildete Wandsegment er­ laubt es, Kühlkanäle bis in das besonders wärmebe­ lastete Zentrum der Tiegelmulde zu führen. Allein hierdurch entfallen ein Teil der Probleme, die sich aus der nicht hinreichenden Kühlung dieser Tiegel­ zone ergeben.

Das Flachsegment kann leicht ausgewechselt werden. Denn sollte ein solches Flachsegment während des Betriebs beschädigt werden, wird hierfür ganz ein­ fach von einem entsprechenden Profilstück die erfor­ derliche Anzahl von Flachsegmenten scheibenweise abgeschnitten.

Eine Weiterausgestaltung des das Zentrum einschließen­ den Flachsegmentes besteht darin, daß dieses aus wenigstens zwei Teilstücken besteht, die im bzw. am Zentrum der Tiegelmulde aneinander anliegen.

Diese einander anliegenden Teilsegmente können aus­ einandergeschoben werden, so daß für den Fall, daß die Schmelze auslaufen soll, im Zentrum der Tiegel­ mulde eine Öffnung entsteht.

Bei einer alternativen erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe, ist bei dem Kalt-Schmelz- Tiegel das das Zentrum der Tiegelmulde einschließende Wandsegment so geformt, daß es eine von den übrigen Wandsegmenten ausgespar­ te, kreisrunde, zentrale Öffnung am Boden der Tiegel­ mulde passend ausfällt. Sind die übrigen Wandsegmente gleich, zum Zentrum hin sich verjüngend ausgestaltet und dementsprechend symmetrisch zueinander angeord­ net, so ist bei dieser Ausführungsform die Tiegel­ mulde insgesamt aus symmetrisch zueinander angeord­ neten Wandsegmenten aufgebaut, was sich beim Betrieb des Tiegels als vorteilhaft erweist.

Selbstverständlich ist auch bei dieser Ausführungs­ form des Tiegels das das Zentrum einschließende Wand­ segment separat austauschbar.

Besonders geeignet für einen solchen Austausch ist dabei eine Ausführungsform des Kalt-Schmelz-Tiegels, bei der ein Zwischenteil zwischen dem oberen Teil und dem Basisteil vorgesehen ist, das aus aus dem Basisteil herausragenden Ableitungsrohren für das Kühlmittel besteht, die jeweils mit einem Einzel­ wandsegment verbunden sind und daß die Anschlüsse für das Kühlmittelsystem seitlich am Basisteil ober­ halb des Flansches münden, wobei Zu- und Ableitun­ gen im Basisteil als Ringleitungen ausgebildet sind und im Basisteil eine zentrale Öffnung freilassen und wobei die Zu- und Ableitungsrohre von den Ring­ leitungen ausgehend in ringförmiger Anordnung aus dem Basisteil herausragen, so daß das die zentrale Öffnung am Boden der Tiegelmulde ausfüllende Wand­ segment von unten in den Tiegel einfügbar ist.

Ausführungsbeispiele des Kalt-Schmelz-Tiegels gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dar­ gestellt und werden im folgenden näher erläutert: Es zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Tiegel mit als Flachsegment ausgebildetem Wand­ segment längs der in Fig. 2a angegebe­ nen Linie A-B;

Fig. 2a, b, c Draufsichten auf unterschiedliche Ausführungsformen des oberen Teils des Tiegels von Fig. 1 (ohne HF-Wicklung, jedoch mit zusätzlich angedeuteten Kühlleitungsrohren bzw. -kanälen);

Fig. 2a eine Ausführungsform mit einem Flachsegment;

Fig. 2b eine Ausführungsform mit einem aus zwei Teilen bestehenden Flachsegment gemäß Fig. 2a und kreuzweise dazu angeordne­ ten weiteren Flachsegmenten;

Fig. 2c eine Ausführungsform mit vier gleichen, kreuzweise angeordneten Flachsegmenten;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch den Tiegel mit zentralem Wandsegment längs der in Fig. 4 angegebenen Linie A-B;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den oberen Teil des Tiegels von Fig. 3 (ohne HF-Wicklung; jedoch mit zusätzlich angedeuteten Kühlleitungsrohren bzw. -kanälen).

Der Kalt-Schmelz-Tiegel weist - wie aus Fig. 1 her­ vorgeht - ein oberes Teil, das aus Wandsegmenten 1 und 1′ besteht, sowie ein Basisteil 2 auf, das nach unten mit einem Flansch 3 abschließt und an die Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel angeschlossen ist. Das Basisteil weist ferner einen weiteren Flansch 4 zur Aufnahme des Druckbehälters - der in der Zeichnung nicht dargestellt ist - auf.

Die Wandsegmente 1 und 1′ umschließen die Tiegel­ mulde. Sie sind im Außenraum von einer Hochfrequenz­ spule 5 umgeben.

Die Wandsegmente 1 und 1′, die durch einen Spalt von maximal 0,5 mm voneinander getrennt sind, sind so geformt, daß der Schmelzraum den Schmelzbedingun­ gen optimal angepaßt ist. In den Segmenten laufen Kühlkanäle 6, die entlang der inneren Oberfläche des Schmelzraumes so geführt sind, daß eine ausrei­ chende Kühlung der am Boden kalottenförmigen Tiegel­ wandung erreicht wird. Die Zuleitungsrohre 7, die vom Basisteil 2 ausgehen und mit der Zuleitung 7′ für das Kühlmittel in Verbindung stehen, dienen der Zuführung des Kühlmittels.

Die mechanische Verbindung zwischen dem oberen, aus den Wandsegmenten 1 und 1′ bestehenden Teil und dem Basisteil 2 bilden die Ableitungsrohre 8 bzw. 8a. Diese sind mit dem Basisteil hartverlötet, mit dem jeweiligen Wandsegment dagegen weichverlötet, so daß im Reparaturfall die Verbindung leicht gelöst werden kann.

Die Ableitungsrohre 8 sind mit der Ableitung 8′ im Basisteil 2 oberhalb des Flansches 3 verbunden. Sie sind im Basisteil ebenso wie die Kühlmittelzuleitung als Ringleitung ausgebildet und umschließen eine zentrale Öffnung 9.

Bei der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsform ist ein einziges Flachsegment 1′ vorgesehen. Die übri­ gen Segmente sind als sich zum Zentrum des Tiegels hin verjüngende Teilstücke 1 ausgebildet.

Bei der in Fig. 2b dargestellten Ausführungsform ist ein aus zwei gleichen Teilstücken 1′ bestehen­ des Flachsegment dargestellt mit zusätzlich kreuz­ weise dazu angeordneten, weiteren Flachsegmenten 1′.

Fig. 2c zeigt eine Ausführungsform mit gleichen, kreuzweise angeordneten Flachsegmenten 1′.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Kalt-Schmelz-Tiegel, der in seinem Aufbau grundsätzlich dem in Fig. 1 dargestellten Tiegel entspricht, weist das obere Teil des Tiegels ein zentrales Wandsegment 1′′ auf. Diese Ausführungsform weist zudem auch die Merkmale des Anspruchs 4 auf, so daß das Wandsegment 1′′ von unten einführbar ist. Auch in diesem Wandsegment 1′′ sind, wie aus der Zeichnung allerdings nicht hervorgeht, Kühlkanäle und Kühlleitungen vorgesehen.

Fig. 4 zeigt das zentrale Wandelement 1′′ im Zentrum der Tiegelmulde.

Claims (4)

1. Kalt-Schmelz-Tiegel zum Schmelzen kleiner Metall­ mengen in der Schwebe, der in seinem oberen Teil die Tiegelmulde enthält und mit dem Basisteil an eine Unterdruckleitung oder eine entsprechende Ap­ paratur anflanschbar ist, wobei die Tiegelmulde aus entsprechend geformten und durch Schlitze voneinan­ der getrennten, in Einzelanfertigung hergestellten und zusammengefügten, das Zentrum der Mulde ein­ schließenden Wandsegmenten gebildet ist, in denen Kühlkanäle verlaufen, in die vom Basisteil ausge­ hend Zuführungsleitungen für das Kühlmittel einge­ bracht sind und wobei das Basiselement die Zu- und Ableitungen für das Kühlsystem enthält und aus dem Basisteil herausragende Ableitungsrohre für das Kühlmittel, die jeweils mit einem Einzelwandsegment herauslösbar dicht verbunden, insbesondere weich­ gelötet sind, als Verbindungsteil zwischen dem obe­ ren Teil und dem Basisteil dienen, aus dem die Zu­ führungsleitungen durch die Ableitungsrohre nach oben in die Wandsegmente ragen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein als Flachsegment ausgebildetes Wandsegment (1′), das sich, das Zentrum der Tiegel­ mulde einschließend, über den ganzen Tiegeldurch­ messer erstreckt und parallele Wände aufweist in der Draufsicht sowie als Segmente ausgebildete Wandseg­ mente (1), die sich zum Zentrum verjüngen, vorge­ sehen sind.

2. Kalt-Schmelz-Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachsegment (1′) aus wenigstens zwei Teil­ stücken besteht, die im bzw. am Zentrum der Tiegel­ mulde aneinander anliegen.

3. Kalt-Schmelz-Tiegel zum Schmelzen kleiner Metallmen­ gen in der Schwebe, der in seinem oberen Teil die Tiegelmulde enthält und mit dem Basisteil an eine Unterdruckleitung oder eine entsprechende Apparatur anflanschbar ist, wobei die Tiegelmulde aus entspre­ chend geformten und durch Schlitze voneinander ge­ trennten, in Einzelanfertigung hergestellten und zusammengefügten, das Zentrum der Mulde einschließen­ den Wandsegmenten gebildet ist, in denen Kühlkanäle verlaufen, in die vom Basisteil ausgehend Zuführungs­ leitungen für das Kühlmittel eingebracht sind und wobei das Basiselement die Zu- und Ableitungen für das Kühlsystem enthält und aus dem Basisteil heraus­ ragende Ableitungsrohre für das Kühlmittel, die je­ weils mit einem Einzelwandsegment herauslösbar dicht verbunden, insbesondere weichgelötet sind, als Ver­ bindungsteil zwischen dem oberen Teil und dem Basis­ teil dienen, aus dem die Zuführungsleitungen durch die Ableitungsrohre nach oben in die Wandsegmente ragen, dadurch gekennzeichnet, daß das das Zentrum der Tiegelmulde einschließende Wandsegment (1′′) so geformt ist, daß es eine von den übrigen Wandsegmenten ausgesparte, kreisrunde, zen­ trale Öffnung am Boden der Tiegelmulde passend aus­ füllt.

4. Kalt-Schmelz-Tiegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenteil zwischen dem oberen Teil und dem Basisteil (2) vorgesehen ist, das aus aus dem Basisteil herausragenden Ableitungsrohren (8) für das Kühlmittel besteht, die jeweils mit einem Ein­ zelwandsegment (1) verbunden sind und daß die An­ schlüsse (7′ und 8′) für das Kühlmittelsystem seit­ lich am Basisteil oberhalb des Flansches (3) münden, wobei Zu- und Ableitungen im Basisteil als Ringlei­ tungen ausgebildet sind und im Basisteil eine zen­ trale Öffnung (9) freilassen und wobei die Zu- und Ableitungsrohre (7, 8) von den Ringleitungen ausge­ hend in ringförmiger Anordnung aus dem Basisteil herausragen, so daß das die zentrale Öffnung am Bo­ den der Tiegelmulde ausfüllende Wandsegment (1′′) von unten in den Tiegel einfügbar ist.