JP2003535316A

JP2003535316A - 混在物を検出及び測定するためのシステム

Info

Publication number: JP2003535316A
Application number: JP2001573055A
Authority: JP
Inventors: ルドウイク，レインホルド; アペリアン，デイラン; マカロフ，セルゲイ
Original assignee: ウーセスター・ポリテクニク・インステイテユート
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2003-11-25
Also published as: KR20020095199A; BR0107533A; CA2404560A1; CN1427898A; RU2002128920A; EP1268866A2; AU2001251167A1; NO20024613D0; MXPA02009593A; NO20024613L

Abstract

(57)【要約】本発明は液体金属中の混在物を検出及び測定する方法のシステムに関する。更に特定的には、液体金属溶融物とは異なる伝導度レベルを有する非金属混在物を電磁ローレンツ力を使用して強制的に移動させそして測定表面に集める。混在物及びそれらの濃度は静電気的検出システム又は光学的検出システムを使用して測定表面で検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】これは２０００年３月３１日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ００／０８６６８のＵ
Ｓ．ＮａｔｉｏｎａｌＰｈａｓｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎである２０００年
１１月２１日に出願されたＵ．Ｓ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＮｏ．０９／７０
０，９７５の一部継続出願である。

【０００２】［発明の背景］高品質の金属に対する増加する要求により、溶融した金属の精製はますます重
要になりつつある。結果として、溶融した金属からの混在物の検出、測定、分離
及び除去の方法が望ましい。特に、アルミニウム鋳造工業は、炉の操作者が精密
な金属清浄化操作を行うことを可能とし、かくして仕上げられた生成物における
小さな欠陥を防止する信頼性のある、速いそして経済的な検出システムを必要と
している。

【０００３】典型的なアルミニウム溶融物は、例えば、寸法が５０μｍより小さいか又は５
０μｍに等しい多数の小さな非金属混在物（ｎｏｎ−ｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃ
ｌｕｓｉｏｎｓ）を含有する。これらはより高い融点を有する酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃ ）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）及び炭化物（ＳｉＣ、Ａｌ₄Ｃ₃）の粒子を包含す
る。合金中の混在物はそれから製造された物品の機械的性質を損なうことがあり
、表面仕上げ及び機械加工性にも不利であり、鋳物における内部多孔度（ｉｎｔ
ｅｒｎａｌｐｏｒｏｓｉｔｙ）を増加させそして腐食を増加させる。非金属混
在物は応力上昇剤（ｓｔｒｅｓｓ−ｒａｉｓｅｒｓ）として作用しそして部品の
速すぎる破損を引き起こすことがある。

【０００４】溶融物中に存在する混在物のレベルの評価は、溶融金属加工において測定され
る必要のある重要なパラメータの１つである。現存の検出技術は圧力フィルター
試験、音響的放射検出及び電気抵抗カウルターカウンタ（Ｃｏｕｌｔｅｒｃｏ
ｕｎｔｅｒ）を包含する。最初の２つの方法は、主としてひどく汚染された溶融
物と清浄な溶融物との定性的区別に頼っている。カウルターカウンタ法は小さな
プローブについて１５〜２０μｍより大きい混在物の濃度及び寸法分布の両方を
評価する。しかしながら、この方法は極めて高価でありそして混在物の有効サイ
ズを検出できるにすぎない。

【０００５】［発明の要約］本発明は、溶融金属中の非金属混在物を検出及び測定するシステムに関する。
本発明の溶融金属中の混在物を測定する方法は、例えば、電磁ローレンツ力を使
用して汚染物粒子又は混在物を測定領域又は表面に強制的に移行させ、測定領域
における粒子を検出しそして測定表面における粒度及び濃度を決定する段階を含
む。

【０００６】電磁力機構は液体金属中の汚染物の分離及び除去の目的で研究されそして使用
されてきた。しかしながら、電磁力に頼る清浄化システムはあまり有効ではない
。何故ならば、典型的には清浄化される必要のある大きな液体金属溶融物容積に
おいて非常に低い力密度が発生され、遅い相対的粒子運動を生じるからである。
本発明では、電磁力が液体金属中の非金属混在物を検出及び測定するのに使用さ
れる。検出システムは小さな検査容積を使用し、かくして大きな力密度の発生を
可能とする。本発明は小さな容積を有するチャンネルにおける高い電磁力密度の
基本原理を利用してアルミニウムの如き金属から混在物を分離するのに使用する
ここともできる。

【０００７】特に、好ましい態様は永久磁石及び直流（ＤＣ）電源を利用して電磁力を発生
させる。更に、混在物の検出方法は、多数ピン測定構成により測定領域又は表面
における粒子濃度の静電気的検出を利用する。更に、混在物が溶融物表面を透過
するのを阻止する原因となる表面張力に打ち勝つのに、表面の状態調節（ｃｏｎ
ｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）が必要である。表面を状態調節することにより粒子は表面
を透過して検出される。表面を状態調節して粒子の検出を可能とする方法は機械
的システム又は音響的振動システム又はこれら２つのシステムの組み合わせを含
んでなることができる。機械的システムは、例えば、ローラを使用して溶融物の
表面層を連続的に引き伸ばす（ｓｔｒｅｔｃｈｏｕｔ）ことができる。音響的
振動システムは、溶融物を通して流れるＤＣ電流の上に重ねられた（ｓｕｐｅｒ
ｉｍｐｏｓｅｄ）交流電流（ＡＣ）を使用して、検査容積の幾何学的寸法に依存
して特定の共鳴周波数、例えば１０〜４０Ｈｚで液体溶融物表面を振動させるこ
とを含む。表面振動は粒子の運動を刺激する。別法として、ガス又はガスの混合
物の流れを溶融物の表面上に向けることができる。溶融物の上のキャビテイにお
けるガス圧力は、表面を状態調節するために例えば２〜３気圧の間にあることが
できる。ガス流を使用して酸化を遅延させ及び／又は溶融物表面における表面張
力を減少させることができる。これは溶融物の表面領域への混在物の移動速度を
増加させるのに役立つ。流れの方向及び速度に依存して、溶融物の上のキャビテ
イへの１つ以上のガス入り口及び出口を使用して重要な表面領域（ｓｕｒｆａｃ
ｅｒｅｇｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｅｓｔ）における条件を制御することがで
きる。ヘリウム又はアルゴンの如き不活性ガスを使用することができ、又は塩素
ガスの如き活性な流体を不活性ガスと共に又は不活性ガスの代わりに使用するこ
とができ、これは表面における結合をゆるくして粒子の移動及び検出を更に改良
することもできる。これらのガスは表面領域成分の熱特徴（ｈｅａｔｓｉｇｎ
ａｔｕｒｅ）におけるコントラストを改良することもできる。

【０００８】本発明の他の好ましい態様において、検出システムは電荷結合デバイス（ＣＣ
Ｄ）の如き固体像形成デバイスを特徴とする光学的システムである。ＣＣＤをベ
ースとする検出器システムは表面開口の上に分布した粒子の電子工学的記録を容
易にする。粒子が電磁ローレンツ力を加えることにより測定表面又は自由溶融表
面（ｆｒｅｅｍｅｌｔｓｕｒｆａｃｅ）に集められると、低周波数音響的振
動が開始されて金属溶融物を通る粒子の移動を可能とする。粒子寸法及び分布の
記録はレンズシステムを使用して重要な領域の光学的拡大と共にＣＣＤカメラに
より行われる。ＣＣＤカメラは像取得システム（ｉｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔ
ｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）にカップリングさせることができる、像取得システムは
データ記憶のための電子工学的メモリを有するマイクロコントローラ又はパーソ
ナルコンピュータの如きプロセッサにカップリングさせることができる。このシ
ステムは集められた像データに関する像プロセッシングを行いそして粒度及び分
布を含む定量的値を決定するためにソフトウエアモジュールでプログラミングす
ることができる。このプロセッシングされたデータはシステムの流速及び分離速
度を制御するのに使用することができる。

【０００９】本発明の他の好ましい態様では、５００〜１２００ｎｍの波長の範囲で感受性
の検出器又は検出器システムを使用して混在物を計数する。電磁スベクトルの可
視、近赤外及び赤外領域において検出することにより、表面の下の粒子（ｓｕｂ
ｓｕｒｆａｃｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ）も検出することができる。無定形セレン
の如き商業的に入手可能な検出器を石英窓とともに使用してビデオフレーム速度
で表面及び表面の下の粒子を像化することができる。

【００１０】本発明の更に他の態様はＡＣ電源のみを使用して、溶融物中に電磁力を誘発し
、それにより溶融物の運動及び結果としての測定のための混在物の位置決めを生
じさせる。検出システムは、溶融物から混在物を分離するためのシステムと共に
使用することができ、そして加工操作のリアルタイムフィードバック制御を与え
る。

【００１１】本発明のシステムは、小さな混在物の定量的測定を与えそして粒子の形状を決
定することができる。更に、本発明のシステムは単一粒子と粒子のクラスターと
の間で区別することができ、そしてガスバブルと固体粒子との間で区別すること
ができる。溶融した金属中の混在物の検出及びアルミニウム、鉄含有材料、黄銅
及び銅をベースとする合金の如き溶融した金属からの混在物の分離を包含するが
それに限定はされない本発明のシステムのいくつかの用途がある。更に、本発明
のシステムは半固体加工又はダイカストにおいて利用して偏析したデンドライト
間液体（ｓｅｇｒｅｇａｔｅｄｉｎｔｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｃｌｉｑｕｉｓ
）を均一化しそしてデンドライトネットワーク（ｄｅｎｄｒｉｔｉｃｎｅｔｗ
ｏｒｋｓ）を破壊する。

【００１２】本発明の前記の及び他の目的、特徴及び利点は添付図面に例示された如き本発
明の好ましい態様の下記の更に特定の説明から明らかであり、図面において、同
じ参照数字は異なる図全体にわたって同じ部品を指す。図面は必ずしも案文比例
ではなく、その替わりに本発明の原理を説明することを強調している。

【００１３】［発明の詳しい記述］本発明は、液体金属中の混在物を検出及び測定するシステム及び方法に関する
。更なる態様は液体又は半固体材料の加工を含む。

【００１４】液体金属中の混在物を検出及び測定するシステム及び方法は、汚染物粒子の検
出及び測定表面への移動を強制する電磁力を使用する。本発明は、混在粒子は液
体金属の電気伝導度レベルとは異なる電気伝導度レベルを有し、そしてそのよう
なものとして液体溶融物に比べて非伝導性として取り扱われることに基礎をおい
ている。かくして、電流密度ｊ及び課せられた垂直磁束密度Ｂで溶融物全体にわ
たり直流電流（ＤＣ）が印加されると、溶融物におけるローレンツ力密度ｆ＝ｊ
×Ｂであり、ここで、力密度、電流密度及び磁束密度はベクトル量でありそして
力密度は電流密度と磁束密度のベクトルクロス積（ｖｅｃｔｏｒｃｒｏｓｓ
ｐｒｏｄｕｃｔ）である。ローレンツ力は金属においては誘発されるが非伝導性
混在物においては誘発されない。何故ならば電流はそれらを通って伝搬できない
からである。この電磁力に対する反作用として（ニュートンの第３法則）混在物
は反対方向に同等に強制される（ｆｏｒｃｅｄ）。非伝導性混在物に対する対応
する反力密度ｆ_aはｆ_a＝−ｆであることがアルキメデス電磁力（Ａｒｃｈｉｍｅ
ｄｅｓｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｏｒｃｅ）として知られている。
アルキメデス電磁力は検出目的には十分に適している。何故ならば、検出器は小
さな検出容積を使用し、小さな検出容積は対応する速い粒子運動により極めて大
きい力密度を得ることができるからである。

【００１５】ここで図面を参照すると、図１Ａは本発明に従う混在物を検出及び測定するた
めのシステムを有する液体金属を与える好ましい方法の略図である。この特定の
段階のシーケンスは、非金属混在物を含まない液体金属を与えるシステムにおけ
る本発明のシステムの使用を説明する。金属は反射炉又は電気加熱炉において溶
融される。別法として、金属は誘導溶融することができる。システムは、段階１
１４により混在物を有する液体金属を流し込む容器１１２からなる。液体金属は
、混在粒子の感知及び検出を行った後段階１１６を通して金属から流れ出る。電
極１１８は容器１１２と一体化されていて（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）容器におけ
る電圧降下を与える。電磁力は容器内で誘発され、これは液体金属に対して作用
するが混在粒子に対しては作用しない。電磁力は電源１２０により容器に供給さ
れるパワーを印加することにより発生させることができる。永久磁石システム１
２４と組み合わせたＤＣ電流は必要な電磁力を発生することができる。別法とし
て、電磁力は、やはり電源１２０により供給される高いＡＣ電流を印加すること
により発生させることができ、その自己誘導磁界は永久磁石システム１２４の必
要をなくする。

【００１６】液体金属に比べて非伝導性である混在物は、自由溶融表面である測定領域に向
けて上昇する。溶融物は可視領域においては透明ではないので、酸化物層がその
上に配置されている金属表面を強制的に混在物に突破させるように測定領域は状
態調節される（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）必要がある。粒子を自由溶融表面より
下に保持する表面張力に打ち勝つために、測定領域は段階１２８により機械的に
又は音響的状態調節システム１３２により又は別法としてこれらの２つの組み合
わせにより状態調節されることができる。

【００１７】次いで混在粒子は検出システム１３６により検出される。検出システムは静電
気的測定システム又は像検出システムであることができる。

【００１８】次いで検出システムの結果は記録されそして粒度及び濃度がプロセッサ１４０
において計算される。プロセッシング段階１４０の結果はディスプレー１４４に
おいてディスプレーすることができそして混在物の寸法及び濃度をモニタするの
に使用することができる。粒子分離システム１４８はコンピュータにカップリン
グされて検出された混在物を除去して混在物を含まない液体金属を与える。

【００１９】図１Ｂは分離又は清浄化システムとしての本発明の使用の略図である。混在物
を有する液体金属の容器１５２は分離システム１５４に供給する。分離システム
は液体金属が流れ込むための小さなチャンネル１５６からなる。粒子は、各チャ
ンネルにおいて液体金属に高い電磁力密度を印加することにより各チャンネル１
５６で分離ゾーン１５８において分離される。容器１６０において分離システム
１５４から集められる得られる液体金属は実質的に混在物を含まない。各ゾーン
１５８又はチャンネル１５６は図１Ａに示された如き検出システムを有して各チ
ャンネルをモニタすることができる。

【００２０】図１Ｃは鋳造及び他の用途のための、より大きい混在物の減少した濃度を有す
るか又は混在物を実質的に含まない液体金属を供給する溶融金属処理システム１
６２における本発明の有用性の更なる詳細を略図で示す。特定の段階のシーケン
スは混在物を含まない金属を与えるためのシステムを説明する。段階１６４にお
ける液体金属は段階１６６により脱ガスされて例えばガス状水素を除去する。次
いで液体金属は段階１６８によりろ過システムを通って流れて典型的な溶融金属
処理システムの一部として混在物を除去する。次いで得られる液体金属を段階１
７０により鋳造プロセスにおいて使用する。ある少容積のろ過された液体金属は
段階１７２により本発明に従う検出及び測定システムに供給される。段階１７２
は混在物を感知しそして粒度及び分布を決定する。次いでセンサデータは段階１
７４により溶融した金属のための実際の分布に転換される（ｔｒａｎｓｌａｔｅ
ｄ）。次いで混在物の実際の分布は段階１７６により所望の分布と比較される。
段階１７８において予言された如きモデルにより計算された所望の理想的分布を
メモリにおいて電子工学的に記憶させそして回復させて（ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ）
段階１７６により比較を行う。混在物の実際の分布が所望の分布の許容しうる範
囲にあるならば、補正処置（ｃｏｒｒｅｃｔｉｖｅａｃｔｉｏｎ）は取らない
。しかしながら、混在物の実際の分布が所望の分布の許容しうる範囲内にないな
らば、段階１８０のプロセスモデル及び制御法則により補正処置が開始される。
次いで段階１８２にリストされた制御変数、例えば、ろ過器寿命及び寸法、脱ガ
スユニットの操作及び溶融物のチャージが再計算されそして変化はプロセッシン
グシステムにプログラムされる。制御変数になされた変化の結果として、プロセ
スモデルは段階１８４により更新される（ｕｐｄａｔｅｄ）。

【００２１】図２Ａは、本発明の方法を行うために使用することができる混在物を検出及び
測定するシステムの好ましい態様の略図である。例えば、セラミックから作られ
ている容器２１０は液体溶融物２１２、例えば、液体ガリウムを充填される。液
体溶融物２１２は電界及び磁界の両方にさらされる。

【００２２】得られる電磁ローレンツ力密度は、０．３テスラ〜０．６テスラの範囲を有す
る２つの永久磁石２１４及びＤＣ電源２１６により供給される１００Ａ〜１５０
Ａの範囲を有するＤＣ電流により発生される。他の態様は特定の用途に依存して
５０〜２０００Ａの範囲の電流を使用することができる。商業的なシステムは流
速を改良するために好ましくは２００〜２０００Ａの範囲の電流を有するであろ
う。磁界は２つの電極２２４の間で殆ど均一である。システムは、溶融物が容器
２１０を通って連続的に流れそして混在物が自由溶融表面の領域２２０に集めら
れるように構成されうる。流れ断面積が０．５×１ｃｍであるならば、電流密度
ｊは１２０Ａの全電流に基づいて２．４×１０⁶Ａ／ｍ²である。従ってローレン
ツ力密度は磁束密度が０．３テスラであるならば、７．２×１０⁵Ｎ／ｍ³である
。溶融物の流速は好ましくは５０〜２００ｍｌ／分の範囲内にある。これはアル
ミニウムの如き溶融した金属に作用する重力密度の３０倍より大きい。同時に、
これは溶融したアルミニウム中のスピネル混在物（ρ＝３６００ｋｇ／ｍ³）に
対する重力アルキメデス力（ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓ
ｆｏｔｃｅ）の６０倍より大きい。これらの考察は、金属流の断面積が十分に小
さければ、電磁処理は極めて有効であることを強調する。

【００２３】容器２１０の両側にカップリングされているのは電極２２４である。電極は、
例えば、銅、タングステン、グラファイト、アルミニウム又は他の伝導性材料か
ら作られることができる。電極は磁界と組合わさって電磁ローレンツ力の原因と
なるＤＣ電流を与える。更に、電流は液体金属の存在による電気抵抗に遭遇する
。結果として、電極間で電圧降下が生じ、これは、自由溶融表面と接触している
小さな銅点電極の配置により測定することができる。調節点電極間の電圧降下の
変動はローレンツ力に応答して表面に移動した粒子の検出を可能とする。電極は
操作条件下に安定であるか又は既知の速度で劣化する流動性金属（ｆｌｕｉｄ
ｍｅｔａｌ）中の材料に依存して選ばれる。

【００２４】非伝導性粒子は一定の速度を有する均一な長手方向運動を経、そして同時に与
えられた速度で自由溶融表面又は領域２２０に向けて上昇する横断方向運動を経
る。直径１０μｍの混在物の場合ですら、上昇速度は合理的な時間の期間内に自
由溶融表面の領域に混在物が集まるのを可能とするのに十分である。溶融物は電
磁スベクトルの可視領域において透明であるので、自由溶融表面への混在物の逃
避は決定的な役割を演じる。逃避を阻止する主機構は表面張力である。アルキメ
デス電磁力は、すべての可能な粒度について、表面張力よりはるかに小さい。か
くして、溶融物表面の追加の処理が必要である。

【００２５】表面は、例えば、セラミックローラ２２８の如き回転するシリンダにより溶融
物の表面層を連続的に引き伸ばす（ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｏｕｔ）ことにより
機械的に状態調節される。ローラは検出領域から離れるように表面層を引きずる
。このプロセスは、溶融物表面を、あたかもそれが引き伸ばされて（“ｓｔｒｅ
ｔｃｈｅｄ”）新しい粒子が連続的に現れるかのように見えさせる。溶融物表面
を状態調節するための他の方法は、検査容積の幾何学的寸法に依存して１０〜４
０Ｈｚの範囲で液体溶融物表面を音響的に振動させることである。これは、５０
０〜８００Ｗの範囲のＡＣパワー増幅器サプライ２３２及びＡＣ電流を与えるＡ
Ｃ信号発生器２３４により達成されうる。追加の周期的ローレンツ力成分が横断
方向に現れ、これは表面振動を生じる。このような振動は粒子の逃避を刺激する
。電磁ローレンツ力による液体金属の振動を与える方法は、”Ｒｅｓｏｎａｎｔ
ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｏｆａｌｉｑｕｉｄｍｅｔａｌｃｏｌｕ
ｍｎｄｒｉｖｅｎｂｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＬｏｒｅｎｔｚ
ｆｏｒｃｅｓｏｕｒｃｅｓ”，ｂｙＳｅｒｇｅｒｙＭａｋａｒｏｖ，Ｒ
ｅｉｎｈｏｌｄＬｕｄｗｉｇａｎｄＤｉｒａｎＡｐｅｌｉａｎ，Ｊ．Ａ
ｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ１０５，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ１９９
９に記載されている。これは参照により本明細書に加入される。上記参考文献に
記載の方法は本明細書に記載のシステムとともに使用して自由溶融表面を状態調
節するための音響的に振動を与えることができる。

【００２６】表面を状態調節するための両方法はそれらの利点及び欠点を有する。機械的
な引き伸ばしは、動くセンサ部品、例えばローラを含み、これにたいして音波に
よる振動は光学的像形成の品質を減少させる。２つの方法の組み合わせを使用し
て個々の方法の欠点を相殺することができる。

【００２７】例示的円筒形容積に基づいて、長さ２０ｍｍ及び半径５ｍｍの測定容器に２つ
の電極を通して供給される１５０Ａ（ＤＣ電流）の電流強度は１００ｋＮ／ｍ³
の平均半径方向力密度を生じさせる。これは平均４０ミクロン有効直径を有する
混在物の７５％を表面に押しやるのに十分であり、８８ｍｌ／分の検査速度にな
る。

【００２８】図２Ｂに例示された好ましい態様においては、本発明に従う検出システムはレ
ンズシステム２５２、例えば顕微鏡、ＣＣＤカメラ２５６及びディスプレー２６
０を使用する重要な領域の光学的拡大を含むことができる光学的検出システムで
ある。更に、ＣＣＤカメラはフレームグラバー（ｆｒａｍｅｇｒａｂｂｅｒ）
２６２にカップリングさせることができ、このフレームグラバーはプロセッサ２
６４にカップリングされる。光学的検出法は溶融したアルミニウム中の５〜５０
ミクロンの範囲の平均直径の非伝導性及び低伝導性混在物を予言する。

【００２９】図２Ｃ、２Ｄ及び２Ｅは、図１及び２Ａに記載の容器組立体及び機械的状態調
節に関する更なる詳細を与える。ローラは自由溶融表面を引き伸ばしそしてそう
することにおいて表面に生成する金属酸化物層を崩壊させ（ｄｉｓｒｕｐｔｓ）
、それにより粒子の表面への逃避を可能とし、それが粒子の検出を可能とする。
機械的ローラの作用は、ローラの頂部の溶融物の層を動かし、潜在的に図２Ｄに
示されたバッフル２７０への頂部層中の混在粒子の分離を可能とする。

【００３０】図２Ｆは本発明の検出システムの他の態様を示す。いったん粒子が表面に達す
ると、本発明のこの態様は、純粋な溶融したアルミニウムのベースライン分布と
後で比較されうる作動電圧分布を測定するための自由溶融表面の上に配置された
１０〜１００ピンの範囲の電圧記録ピン２８２を有する静電気的測定装置２８０
を使用する。ピンは自由溶融表面と接触している小さな銅点電極であることがで
きる。プローブ間隔がレーザードリリングを使用して０．３ｍｍのオーダーであ
るならば、近似的な計算は、予想される作動電位分布は４〜５μＶを越え、バッ
クグラウンドノイズより十分上であることを示す。この検出システムは溶融した
アルミニウム中の２０〜１００ミクロンの範囲の平均直径の非伝導性及び低伝導
性混在物を予言する。

【００３１】図３Ａを参照すると、液体金属中の混在物を検出及び測定するためのシステム
の他の好ましい態様は、液体金属３１６を充填された容器３１４中に配置されて
いる３つのカラム又は区域からなる感知要素３１０を含む。カラムはセラミック
又は耐火物材料から作ることができる。５００Ａ〜１０００Ａの範囲の電流を供
給するＡＣ電源３１８は感知要素３１０と一体化されている電極３２０にカップ
リングされている。

【００３２】光学的又は赤外線検出システム３２２は、レンズシステム３２８、ＣＣＤ又は
赤外線カメラ３３０、プロセッサ３３６にカップリングされた像取得システム３
３４及びディスプレー３３８を使用する重要な領域の光学的拡大を含む。１００
０〜２０００の範囲の倍率を有する長い焦点距離の対物レンズ３２８がＣＣＤに
カップリングされる。ＣＣＤをベースとする検出システムは表面開口の上に分布
した粒子の電子工学的記録を容易にする。低周波数音波振動は、前記した如きＡ
Ｃパワー増幅器とともに変調性（ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ）ＡＣ信号発生器を使用
して交番ローレンツ力により開始することができる。１０〜４０Ｈｚの周波数範
囲の低周波数音響的振動は、液体溶融物の表面層（酸化物フイルム＋表面張力）
を破壊して溶融物から混在物の逃避を許容して検出を容易にする。

【００３３】感知要素はカラム間の角度関係により自己清浄化特徴を有する。２〜５°の範
囲の傾斜角３５０は、感知要素３１０が溶融物から取り出されると、液体溶融物
が感知要素３１０から流れ出ることを可能とする。

【００３４】入り口ガス供給３４０は不活性キャリヤガスを与えてガス状不純物を除去して
石英窓３２４のための清浄な界面を維持する。

【００３５】図３Ａに関して検討した態様には永久磁石は必要ではない。図３Ａに示された
感知要素３１０の更なる詳細を与える図３Ｂを参照すると、０．０５テスラ〜０
．１テスラの範囲の十分に強い自己誘導平均磁界が、容器に印加されるときの５
０〜２０００アンペア、好ましくは１０００〜２０００アンペアの６０ＨｚＡＣ
電流により開始される。加えられる全パワーは２〜３ｋＷの範囲にある。自己誘
導磁界は永久磁石システムを有する態様により与えられた磁界より弱いけれども
、より高いＡＣ電流の結果として有意により高い電流密度は強い電磁ローレンツ
力密度の原因となる。電源を変圧器により置き換えることも可能である。更に、
本発明のシステムの他の態様はセラミックと反対にタングステンから作られた取
り外し可能なセンサ又は感知要素を使用することができる。

【００３６】図３Ａ及び３Ｂにより例示された如き態様の利点は、永久磁石の使用をなくす
る自己誘導磁界の発生である。永久磁石は図３Ａ及び図３Ｂに関して説明したシ
ステムでは設ける必要のない外部冷却システムを必要とする。更に、典型的には
ＡＣ電源よりも取り扱うのに高価であり且つ厄介なＤＣ電源は図３Ａ及び図３Ｂ
に関して開示された如きシステムを操作するのに必要ではない。更に、図３Ａ及
び図３Ｂにより例示された態様は外部ポンプを必要としない。その代わりに、こ
の態様は、測定領域を通る連続的溶融物流を保証するために自己ポンピング機構
に頼る。

【００３７】図４はガス流入り口３４０が、３４４でシステム制御装置に接続されうる弁に
より制御される本発明の他の好ましい態様を説明する。ガス流出口３６０は金属
流体が通って流れる室３６４中の金属流体の上のキャビティ３６２に流動的に（
ｆｌｕｉｄｌｙ）カップリングされることもできる。

【００３８】別法として、１つ以上の入り口３７０を石英窓３２４のまわりに配置すること
ができる。石英窓３２４を通して重要な領域３５２を見ることができる。金属流
体はチャンネル４００を通して重力に反対して上向きに強制される。金属流体は
チャンバ３６４及び複数の出口を通して方向づけられることができる。出口３８
０、３９０を通る流れは分離システムの如き更なる処理のために下流に向けるこ
とができる。ガス流システムは、重要な領域３５２における粒子の酸化速度、結
合性、コントラスト及び移動速度の如き表面特性を制御するのに操作される。

【００３９】図５Ａ〜５Ｅは磁界及び力密度特性の例を説明する。例えば、図５Ａに示され
た如き１０００Ａの電流Ｉを有する容器では、１ｃｍ²断面における磁界強度は
図５Ｂに示されておりそして磁界の方位は図５Ｃに示されている。得られるロー
レンツ力密度及び方位は図５Ｄ及び５Ｅに説明される。

【００４０】下記の表は、流体を通して向けられる異なる全電流を有する４つの場合におけ
る流体に作用する力の大きさ対重力の比を示す。これらの特定の例における金属
はアルミニウム及びガリウムである。

【００４１】

【表１】

【００４２】本発明のシステムは溶融した金属中の混在物を検出及び測定するのに使用する
ことができる。本発明の更なる応用は、アルミニウム、鉄含有、黄銅及び銅合金
の如き溶融した金属からの混在物の分離にある。更に、本発明のシステムは、偏
析しデンドライト間液体を均一化するための半固体加工又はダイカスト及びデン
ドライトネットワークを破壊するのに利用することができる。

【００４３】本発明をその好ましい態様に関して特定的に示しそして説明してきたが、形態
及び詳細における種々の変更が特許請求の範囲に記載の如き本発明の精神及び範
囲から逸脱することなくそれらにおいてなされうることは当業者により理解され
るであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明に従う混在物を検出及び測定するためのシステムを利用して液体金属を
与えるためのシステムの略図である。

【図１Ｂ】図１Ａに記載の分離システムとして利用される本発明のシステムの略図である
。

【図１Ｃ】本発明に従う混在物を検出及び測定するためのシステムを有する溶融金属加工
システムの詳細を説明するフローチャートである。

【図２Ａ】本発明に従う溶融金属中の混在物を測定するシステムの態様の略図である。

【図２Ｂ】本発明に従う溶融金属中の混在物を検出及び測定する検出システムの好ましい
態様の略図である。

【図２Ｃ】図２Ａに示された容器装置の頂面図を示す。

【図２Ｄ】図２Ｃの線２Ｄ−２Ｄに沿って取られた容器装置の断面図を示す。

【図２Ｅ】図２Ｃの線２Ｅ−２Ｅに沿って取られた容器組立体の断面図を示す。

【図２Ｆ】本発明のシステムに従う検出システムの他の好ましい態様の略図である。

【図３Ａ】本発明に従うシステムの他の好ましい態様の略図である。

【図３Ｂ】図３Ａに示されたセンサ要素の詳細な略図である。

【図４】本発明の他の好ましい態様の略図である。

【図５Ａ−５Ｅ】本発明に従う磁界及びローレンツ力分布の例を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者マカロフ，セルゲイアメリカ合衆国マサチユセツツ州01602ウーセスター・インステイテユートロード 133 Ｆターム(参考） 2G052 AA11 AC23 AD09 AD49 CA08 GA11 GA21 2G055 AA23 BA20 EA10 FA02 FA06 4K001 AA02 BA22 BA23 GB11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流動性伝導体中の粒子を測定領域に強制的に移動させ、そし
て測定領域において粒子を検出する、段階を含んでなる流体中の混在物を検出及び測定する方法。
【請求項２】粒子を強制的に移動させる段階が電磁ローレンツ力を流体に
加えることを含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】複数の永久磁石及び直流電流（ＤＣ）源を使用して電磁ロー
レンツ力を加える請求項２に記載の方法。
【請求項４】交流電流（ＡＣ）源を使用して電磁ローレンツ力を加える請
求項２に記載の方法。
【請求項５】測定領域を状態調節して測定領域内の粒子を運動させること
を更に含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項６】測定領域の状態調節は領域の表面に機械的力を加えることを
更に含んでなる請求項５に記載の方法。
【請求項７】測定領域の状態調節は領域を振動させることを含んでなる請
求項５に記載の方法。
【請求項８】粒子を検出する段階が静電気的測定を使用する請求項１に記
載の方法。
【請求項９】粒子を検出する段階が粒子を検出する像検出システムを使用
する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】流動性材料を流体の表面の上に流して表面特性を変えるこ
とを更に含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項１１】測定表面を横切ってガスを流すことを更に含んでなる請求
項１０に記載の方法。
【請求項１２】ガスを流す段階がヘリウム、アルゴン及び塩素よりなる群
から選ばれるガスを流すことを更に含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項１３】測定表面の上にガス混合物を流すことを更に含んでなる請
求項１１に記載の方法。
【請求項１４】表面の上にガスを流して測定領域における粒子流速を増加
させることを更に含んでなる請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】５００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長の範囲の光を検出する検
出器を与えることを更に含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項１６】固体赤外線検出器を与えることを更に含んでなる請求項１
５に記載の方法。
【請求項１７】無定形セレン検出器を与えることを更に含んでなる請求項
１に記載の方法。
【請求項１８】表面特性を変える段階が流体表面における酸化速度を変え
、流体表面における表面張力を減少させ、流体中の粒子と流体との接触を増加さ
せ又は重要な領域を通る粒子の流速を増加させることを含んでなることができる
請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】更なる特徴が、流体表面における流体からの粒子の分離を
制御して粒子の酸化速度を減少させることを含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項２０】伝導性流体源、液体中の電流路を与える該液体に対して配置された電極装置、該電極装置に接続された電流源、及び液体中の材料を検出する検出装置、を含んでなる伝導性液体中の混在物を測定する装置。
【請求項２１】電流発生器が直流電流（ＤＣ）源である請求項２０に記載
の装置。
【請求項２２】電流発生器が交流電流（ＡＣ）源である請求項２０に記載
の装置。
【請求項２３】磁界を発生させるための複数の永久磁石を更に含んでなる
請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】検出装置が静電気的装置システムである請求項２０に記載
の装置。
【請求項２５】混在物が該電極間の測定表面を通って流れるにつれて電圧
の変化を検出するための測定表面に接触する複数の電極を更に含んでなる請求項
２０に記載の装置。
【請求項２６】検出装置が光学的検出システムである請求項２０に記載の
装置。
【請求項２７】検出システムが測定表面を拡大するための光学的拡大器及
び固体像形性デバイスを更に含んでなる請求項２０に記載の装置。
【請求項２８】検出システムがディスプレーにカップリングされている請
求項２０に記載の装置。
【請求項２９】像プロセッサ及びシステム制御装置を更に含んでなる請求
項２０に記載の装置。
【請求項３０】液体に力を加えて重力に対抗して液体を運動させる磁界源
を更に含んでなる請求項２０に記載の装置。
【請求項３１】電極装置が複数のグラファイト、タングステン、アルミニ
ウム又は銅電極を含んでなる請求項２０に記載の装置。
【請求項３２】検出装置が赤外線像形成検出器（ｉｎｆｒａｒｅｄｉｍ
ａｇｉｎｇｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含んでなる請求項２０に記載の装置。
【請求項３３】金属液体源入り口及び出口を含む流れ容器を含んでなる請
求項２０に記載の装置。
【請求項３４】ガスが液体の表面領域を横切って流れることができるよう
にハウジングにカップリングされているガス源を更に含んでなる請求項２０に記
載の装置。
【請求項３５】混在物分離器を更に含んでなる請求項２０に記載の装置。
【請求項３６】ガスが不活性ガス又は活性ガスを含んでなる請求項３４に
記載の装置。
【請求項３７】メモリ及び液体中の粒度及び分布を測定する像プロセッサ
を更に含んでなる請求項２０に記載の装置。
【請求項３８】液体の上のチャンバにおけるガス流を制御するガス流制御
装置及び石英窓を含んでなる請求項２０に記載装置。
【請求項３９】混在物を有する液体源、液体中の電流路を与えるように配置された電極システム、該電極に接続された電流源、及び液体中の混在物を感知するための像形成装置、を含んでなる液体中の混在物を測定する方法。
【請求項４０】液体の表面を像形成装置に光学的にカップリングさせる光
学的システム及び検出された像に応答してプロセスパラメータを制御するシステ
ム制御装置を更に含んでなる請求項３９に記載の装置。