JP3113531B2 - 結晶成長セル - Google Patents

結晶成長セル

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JP3113531B2 JP06327400A JP32740094A JP3113531B2 JP 3113531 B2 JP3113531 B2 JP 3113531B2 JP 06327400 A JP06327400 A JP 06327400A JP 32740094 A JP32740094 A JP 32740094A JP 3113531 B2 JP3113531 B2 JP 3113531B2
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重直 圓山
博 西村
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重直 圓山
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/025Removal of heat
    • F25B2321/0251Removal of heat by a gas

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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は結晶成長セルに関し、特
に落下塔や航空機による無重力や微小重力環境下での結
晶成長に好適する急速温度制御が可能な結晶成長セルに
関する。
【0002】
【従来の技術】落下塔や航空機による無重力や微小重力
環境下で用いられる結晶成長セルは、特開平3−976
89号公報に開示されているように、所定温度に制御さ
れた溶液を充填した結晶成長セルに、ペルチエ素子等か
ら構成されるクーラーにより過冷却の状態に保持した種
結晶を挿入し、溶液と接触させて行なわれている。ペル
チェ素子を組み合わせたクーラーは簡易に加熱冷却が可
能であり、しかもコンパクトな結晶成長セルを形成する
には適当であるが、落下塔や航空機のような環境下で
は、得られる無重力や微小重力状態は極く短時間しかな
く、その短時間内に種結晶を接触した溶液による温度上
昇に対抗して、大熱流束で冷却して過冷却の状態に保持
するためには、その定常冷却性能では不十分である。ま
た、大温度差を得て冷却性能を向上するために、ペルチ
ェ素子を多段に積み重ねた多段モジュールが使用される
が、上段のペルチェ素子の発熱を下段のペルチェ素子で
吸収しかつ冷却しなければならず、効率が低下するとと
もに、大熱流束での冷却には適さない。そこで、上述し
たペルチェ素子等のクーラーの冷却性能を補うために、
少なくとも種結晶を装着した試験台を冷媒の噴射等によ
る冷却する対流冷却等の方法が併用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、冷媒の吹き出し機構や制御用バルブなど装置が複雑
かつ大型になるため、落下塔や航空機のように実験スペ
ースが極く限られた実験装置においては実用化が困難で
あるという問題があった。本発明の目的は、上記の問題
点を解決するために、ペルチェ素子と加熱冷却手段を有
するヒートシンク部材により、短時間に大熱流速で種結
晶を加熱冷却でき、しかも可動部分がなく、コンパクト
な加熱冷却機構を具備した結晶成長セルを提供すること
にある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、種結晶が配置
される一方の面とヒートシンク部材が熱的接触配置され
る他方の面とを有するペルチェ素子と、ヒートシンク部
材を放熱または吸熱により定常的に周囲温度と異なる温
度に保持するサーモモジュールと、ペルチェ素子への通
電を極性反転させて電子冷熱を促す電気制御回路とを具
備する温度制御機構を備え、ヒートシンク部材の非定常
熱伝導時に高熱流束を生じさせ、ペルチェ素子の電子冷
熱により種結晶の温度を急速変化させて結晶成長を行な
う結晶成長セルを提供する。ここで、サーモモジュール
はヒートシンク部材を周囲温度から異なる温度とするた
めに別のペルチェ素子で構成することもでき、電気制御
回路にはペルチェ素子の温度を測定する温度センサを一
方の面に配置してもよい。この温度センサの検知信号は
必要に応じて通電状態を可変させる信号とすることがで
きる。また、種結晶を予め定められた温度プロファイル
に制御する信号により通電状態を可変させることができ
る。また、ヒートシンクは台形部材で構成し、種結晶の
あるペルチェ素子側を小面積側、サーモモジュール側を
大面積側にすることが望ましい。さらに、温度制御機構
は装着自在にユニット化し、断熱部材で被覆されている
ことが望ましい。
【0005】
【作用】上記構成によれば、ペルチェ素子が、熱伝導率
と熱拡散率が大きく、しかも熱容量が大きいヒートシン
ク部材に熱的に接続されており、そのヒートシンク部材
はサーモモジュールにより周囲温度より高温または低温
に保持されている。したがって、例えば、種結晶を冷却
する場合、通常状態では低温に保持したヒートシンク部
材に接続したペルチェ素子を加熱モードとすることによ
り、種結晶を装着した試験台の温度を所定温度に維持す
る。そして、急速冷却状態では、ペルチェ素子を冷却モ
ードとすると、ペルチェ素子が試験台から吸収した熱お
よびペルチェ素子自体の発熱は低温に保持されたヒート
シンク部材に急速に伝達拡散して、定常冷却性能の数十
倍の性能で試験台に装着された種結晶の急速冷却が行な
われる。
【0006】通常、実験時間は4〜30秒程度と短時間
なので、ヒートシンク部材中を熱拡散が進行し、サーモ
モジュールが接続された部分でのヒートシンク部材の温
度が上昇する前に、種結晶の冷却が終了する程度の熱容
量を有するヒートシンク部材とすれば、サーモモジュー
ルの冷却性能はヒートシンク部材を定常的に低温に保つ
だけの容量でよい。また、一般に試験台の熱容量は小さ
いので、試験台の側面に温度センサを設け、この温度を
モニターしてペルチェ素子の極性反転を制御することに
より任意の動的温度制御をタイムラグなしに動的に実施
することができる。また、電気制御回路にメモリ回路を
具備することにより予め与えられた信号により通電状態
を可変させて、種結晶を所定の温度プロファイルに制御
できる。
【0007】なお、サーモモジュールを別のペルチェ素
子から構成することにより、液体冷却や噴射冷却のよう
な可動部分や循環機構等を必要とせず、コンパクトな冷
却機構を提供できる。そして、この温度制御機構を断熱
部材で被覆してユニット化することにより、外界と熱的
に遮断でき、温度制御機構の熱損失を低減して熱効率を
向上できるとともに、ヒートシンク部材の結露も防止で
る。またユニットを別の装置に容易に付け替えられ各種
実験を可能にする。以上、種結晶を装着した試験台を急
速冷却する場合における本発明の作用について説明した
が、試験台を急速加熱する場合は、ヒートシンク部材を
高温に保持しかつペルチェ素子の極性を逆転することで
同様に実現できる。
【0008】
【実施例】以下、本発明について、図面を参照して説明
する。本発明の結晶成長セルの一実施例は、図1乃至図
2に示すように、温度制御用サーモユニット2,3と熱
伝導性のよい側壁4,5および観察用窓ガラス6,7,
8によって溶液の容器が構成され、この容器内に充填さ
れた溶液1の温度は溶液温度センサ16により制御され
一定に保たれている。そして、種結晶を装着した試験台
10が容器の内部に挿入され、種結晶が溶液1に接触さ
せられている。そして、試験台10の種結晶装着面と反
対の面にペルチェ素子9の一方の面が熱的に接続され、
ペルチェ素子の他方の面が四角錐台形で構成された銅製
のヒートシンク部材11の小面積側と接続されている。
そして、このヒートシンク部材11の大面積側にはヒー
トシンク部材11を周囲温度より高温または低温に保持
するための、外部への放熱板15を具備する第2のペル
チエ素子からなるサーモモジュール12が接続されてい
る。
【0009】さらに、試験台10、ヒートシンク部材1
1のペルチェ素子9との接合部近傍およびサーモモジュ
ール12との接合部近傍、放熱板15等に、それぞれの
温度を検知する温度センサ13,13・・が取り付けら
れている。そして、温度センサ13,13・・、ペルチ
ェ素子9およびサーモモジュール12に電気的に接続さ
れた電気制御回路(図示せず)が設けられる。また、試
験台10、ペルチェ素子9、サーモモジュール12、ヒ
ートシンク部材11等からなる温度制御機構を、外部雰
囲気から熱的に遮断するプラスチックからなる断熱覆い
14が装着されている。サーモモジュール12は通常の
水冷・空冷の冷却機構でもよいが、コンパクト化と効率
化のために上記のように第2のペルチェ素子を用いるの
が望ましい。また、ヒートシンク部材11は銅の他に使
用環境に応じてアルミニウムまたはダイヤモンド等の熱
伝導率の大きな材料が選択される。
【0010】この実施例の結晶成長セルにおける急速冷
却は、下記のように行なわれる。まず、ペルチェ素子9
は加熱モードで動作して試験台10の温度が溶液1と同
一になるように制御されている。一方、ペルチェ素子9
の他方の面は低温(0〜−10℃)に保たれたヒートシ
ンク部材11と接しており、このヒートシンク部材11
はサーモモジュール12によって前記低温を保持するよ
うに冷却されている。ペルチェ素子9の動作によって発
熱した熱は、ヒートシンク部材11を介してサーモモジ
ュール12に装着された放熱板15から外部に放熱され
る。ここで、ペルチェ素子9、サーモモジュール12お
よびヒートシンク部材11等からなる温度制御機構は断
熱覆い14により外部雰囲気から熱的に遮断されている
ので、比較的小電力でこの状態を維持できる。
【0011】実験開始と同時にペルチェ素子9の極性を
変えることによって、試験台10を急速に冷却し、所定
の温度モードで種結晶周りの溶液1の二重拡散場の観察
を行い結晶成長に必要な物質移動速度を測定し、結晶面
での界面の変化を観察する。このとき、ペルチェ素子9
からの熱は速やかに低温のヒートシンク部材11に拡散
され、ペルチェ素子9の定常冷却性能の数十倍の大熱流
束で冷却可能である。そして試料台10等の温度を温度
センサー13でモニターしながら、ペルチェ素子9の動
作モードを極性反転により制御することで、予め定めら
れた温度プロファイルで急速冷却することも可能であ
る。冷却時間が4〜30秒と短いので、ヒートシンク部
材11が高温になる前に実験を終了できる。
【0012】また、急速加熱の場合は、ヒートシンク部
材11を高温に保持し、かつペルチェ素子9の極性を逆
転することにより実現できる。また、本発明の結晶成長
セルのこの温度制御機構は装着自在にユニット化され、
プラスチック製の断熱覆い14を介して一体化されてい
るので、低温に保持したヒートシンク部材11等の結露
や熱損失を低減でき、可動部分がないので信頼性も高
い。また、取り扱いも容易で別の装置への付け替えもし
易く、各種実験を可能にする。上述の実施例は、ヒート
シンク部材11を銅製の四角錐台形部材で構成したが、
円錐または他の角錐台形部材で構成してもよい。実験に
よれば、ヒートシンク部材11の小面積側と大面積側と
の面積比は、小面積側を1とするとき、大面積側を2〜
9の範囲で選定するのが好ましく、9を越えると装置自
体を大きくするので好ましくない。
【0013】
【発明の効果】本発明によれば、ペルチェ素子が熱伝導
率と熱拡散率が大きく、しかも熱容量が大きいヒートシ
ンク部材に接続され、ヒートシンク部材はサーモモジュ
ールにより高温または低温に保持されているため、定常
冷却性能の数十倍の性能で試験台に装着された種結晶の
急速冷却が可能な、コンパクトな結晶成長セルが実現で
きる。さらに、結晶成長セルだけでなく、従来熱負荷が
高すぎてペルチェ素子のみでの加熱または冷却機構が実
現できなかった急速温度制御が必要な材料製造プロセス
にも応用できる。
【図面の詳細な説明】
【図1】 本発明の一実施例の結晶成長セルの横断面図
【図2】 本発明の一実施例の結晶成長セルの縦断面図
【符号の説明】
1 溶液 9 ペルチェ素子 10 試験台 11 ヒートシンク部材 12 サーモモジュール 13 温度センサ 14 断熱覆い 15 放熱板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 五十棲 毅 (56)参考文献 特開 平4−104998(JP,A) 特開 平3−97689(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 CA(STN) WPI(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】種結晶が配置される一方の面とヒートシン
    ク部材が熱的接触配置される他方の面とを有するペルチ
    ェ素子と、前記ヒートシンク部材を放熱または吸熱によ
    り周囲温度と異なる温度に定常的に保持するサーモモジ
    ュールと、前記ペルチェ素子への通電を極性反転させて
    電子冷熱を促す電気制御回路とを具備する温度制御機構
    を備え、前記ヒートシンク部材の非定常熱伝導時に高熱
    流束を生じさせ、前記ペルチェ素子の電子冷熱により前
    記種結晶の温度を急速変化させて結晶成長を行なう結晶
    成長セル。
  2. 【請求項2】前記サーモモジュールが第2ペルチェ素子
    からなり、前記ヒートシンク部材を定常的に所定温度に
    維持すると共に非定常熱伝導時に大きな熱流束を生じさ
    せ、前記種結晶に短時間に急激な冷却または加熱を生じ
    させることを特徴とする請求項1記載の結晶成長セル。
  3. 【請求項3】前記電気制御回路は、メモリ回路を具備
    し、予め与えられる信号により通電状態を可変させ、前
    記種結晶を所定の温度プロファイルに制御することを特
    徴とする請求項1記載の結晶成長セル。
  4. 【請求項4】前記電気制御回路が前記ペルチェ素子の一
    方の面に温度センサを配置し、このセンサの検知信号に
    応じて通電制御し、前記種結晶に短時間に急激な冷却ま
    たは加熱を生じさせることを特徴とする請求項1記載の
    結晶成長セル。
  5. 【請求項5】前記ヒートシンク部材は台形部材で構成さ
    れ、前記ペルチェ素子側を小面積側、前記サーモモジュ
    ール側を大面積側に配置したことを特徴とする請求項1
    記載の結晶成長セル。
  6. 【請求項6】前記温度制御機構は装着自在のユニット化
    で構成し、断熱部材で被覆されていることを特徴とする
    請求項1記載の結晶成長セル。
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