JP3302710B2 - 低電圧アーク放電と可変磁界を用いる基体の加熱方法 - Google Patents
低電圧アーク放電と可変磁界を用いる基体の加熱方法Info
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Description
被加熱材を加熱するための方法に関するものである。こ
のような方法は、排気、はんだ付け、焼結、硬化の目的
で、および被覆法またはイオン処理法と組み合わせて用
いられる。その際、被加熱材はできるだけ一様に加熱さ
れなければならない。
は、たとえば加熱面に囲まれ、加熱面の熱が放射または
熱伝導により被加熱材に伝達される。導電性の被加熱材
は誘導電流によって加熱することもできる。さらに、熱
源にグロー放電を使用することが公知である。この熱源
はいわゆる異常放電の場合に全陰極面が均等に覆われる
ため、陰極に接続された被加熱材を一様に加熱すること
ができる。さらに、被加熱材、たとえば溶融されるべき
金属を真空中で電子照射によって加熱することが公知で
ある。この場合、電子源を特別の幾何学的関係に配置す
ることによって、被加熱材において所望の温度分布が生
じるようにしなければならない。従来、均等な加熱を達
成するには相当高いコストが必要であった。しかし、通
常電子照射はまさに反対の方針で、つまり周囲との温度
差が大きい、局部的に狭く限定された高温部を得るため
に用いられる。電子照射は焦点調節が容易なため、特に
この目的に適している。
圧アーク放電を用いる加熱法である。本説明における低
電圧アーク放電とは、熱放射によって電子を放出する高
温の陰極と、他方の陽極との間で燃焼する気体放電を意
味する(これに関連して陰極が基体放電のみによって放
射温度に加熱されるか、または付加的に加熱されるかは
重要ではない)。たいていは陰極の近傍に、たとえば中
空陰極の空洞部や、開口部を介して真空室と連通してい
る特別の熱陰極室に貴ガスが送入される。中空陰極また
は熱陰極室から開口部を通って加熱室に進入するプラズ
マを磁界を用いて収束させることが慣用である。その
際、電子は中心線が磁界の磁力線にほぼ等しい狭い螺旋
経路を移動する。この種類の配置構成は、たとえば米国
特許No.3210 454および米国特許No.4 19
7 175により公知である。いずれの公報も、陽極に
接続された溶融材を、磁気によって収束された低電圧ア
ークを用いて加熱する方法について述べている。この場
合、低電圧アーク放電は溶融材に向けられている。これ
は、磁力線、したがって螺旋状の電子経路が、上記の開
口部および溶融材を通って進行することによって達成さ
れる。したがってこの場合、低電圧アークは周囲との温
度差が大きい、局部的に限定された高温部を生むために
用いる。表面を一様に加熱しなければならない被加熱材
の熱処理に電子放射炉またはアーク炉を用いることは、
上述のように難しいと思われた。それというのも、被加
熱材の上に十分均等な電流密度分布はほとんど達成でき
なかったからである。
No.658 545では、真空室において磁気的に収束
された低電圧アーク放電を維持することによって被加熱
材を一様に加熱する方法が提案されている。この場合、
磁力線が被加熱材の表面とほぼ平行に進行するように、
磁界が維持される。しかし、この方法は、特に縦に長い
被加熱材または基体の場合は、不適切であることが判明
した。なぜならば、基体は磁界のいわゆる中心部で磁界
の周縁部より強く加熱される結果、母材の硬度損失を来
すからである。最後に西独公開公報No.38 29 2
60には、加熱段階に陰極と被覆されるべき対象との間
に遮蔽体を配置することが提案されている。この遮蔽体
はプロセス温度に達すると、取り除かれる。しかし、こ
の方法によっては一様な加熱の問題は解決されない。
熱材または基体を一様に加熱する方法を提案することで
ある。それによって、たとえば縦に長い基体、または複
数の基体を取り付けた縦に長い基体保持具も一様に加熱
されなければならない。
題は、請求項1に記載された方法によって解決される。
本発明による方法において、被加熱材または被覆される
べき基体は加熱室内で気体放電または低電圧アーク放電
によって加熱される。その際、気体放電または低電圧ア
ーク放電は磁気によって収束され、少なくとも加熱中は
少なくとも1つの局部的に可変な、および/または移動
可能な磁界によって維持される。この場合、磁界を固定
的に保持し、磁気コイル内の電流の強さを変化させる
か、磁気コイルを局部的に移動させることが可能であ
る。その際、真空室内における電流密度の分布に影響を
与えて、気体放電において電子を真空室の種々の領域に
移動させ、それによって基体表面または被加熱材表面の
一様な加熱を実現することが重要である。電流密度が大
きいと、対応する基体領域が局部的に強く加熱されるこ
とになる。磁界の変化によって電子を随所に移動させる
ことにより、基体の一様な加熱が実現される。
くとも2つの磁界が維持され、これらの磁界は交互によ
り強く、またはより弱く操作される。この方法により、
基体表面に沿ってより強い、またはより弱い加熱が交互
に実現される。この場合、電子は磁界がより弱い領域に
押しやられる。これに応じて基体は、より弱い磁界が維
持される領域でより強く加熱される。少なくとも1つ
の、または上記の2つの磁界が被加熱材または基体の表
面と平行に局部的に可変に、および/または移動可能に
維持されることが有利である。もちろん、被加熱材また
は被覆されるべき基体を磁界において同時に局部的に動
かすことも可能である。
項5〜8に記載されている。さらに、この方法を実施す
るために、被加熱材または被覆されるべき基体を均等に
加熱するための装置が提案される。この装置は被加熱材
または基体を収容するための真空室、ならびに高温陰極
と真空室の領域に配置された少なくとも1つの磁気コイ
ルとを有する、前記の真空室と連通した陰極室を包含し
ている。この磁気コイルは、真空室において少なくとも
加熱中は局部的に可変な、および/または移動可能な磁
界が維持され得るように操作することができる。真空室
内で被加熱材または基体とほぼ共軸な2つの磁界が発生
するように、互いに離れて配置された少なくとも2つの
磁気コイルが真空室に設けられているのが有利である。
細に説明する。図1において1は鐘形の真空室(ベルジ
ャー)を表す。真空室内では被加熱材3が容器2によっ
て支持されている。保持具2は電気的絶縁体4を介して
真空室の床板5に固定されており、気密な電流貫通部6
を介して電源装置7の陽極と接続されている。真空室の
上部にはグロー陰極室8が取り付けられており、開口部
9を介して真空室1の内部と連通している。このグロー
陰極室には、絶縁板11に支持されたグロー陰極12が
収容されている。グロー陰極は、図示するように、通電
によって加熱された導線であることができる。グロー陰
極を、加熱された、または自己発熱する中空陰極として
形成することもできる。気体をグロー陰極室に送入する
ために、制御弁13が設けられている。
真空室1と共軸な磁界16を発生する。開口部9から始
まって、中央の磁力線をたどると、磁界16は最初は強
く、磁気コイル14aの中心面で最大強度に達する。開
口部9からさらに離れると、磁界16は磁気コイル14
bの中心面において第2の最大強度に達する。この場
合、磁界16の強さは、2つの磁気コイル14aまたは
14bがどの強さの電流で操作されるかに依存してい
る。図1に示す装置において、2つの磁気コイル14a
および14bは種々の電流強度で操作できるようになっ
ている。
ンプを用いてポンプスリーブ15で真空室およびこれと
連通しているグロー陰極室の空気を抜き、気圧を約0.
01P以下に下げる。次に、ポンプを稼働させながら、
制御弁13を介して気体、たとえばアルゴンを送入し
て、真空室内の圧力を0.1〜1Pに調節する。次にグ
ロー陰極12を加熱し、電源装置7のスイッチを入れ
る。この電源装置は、たとえば100Vの電圧を生み出
す。開口部9を通して真空室1に進入する電子は、磁界
強度が十分な場合(たとえば0.01T)、磁界の磁力
線をたどる。磁界の作用によって、軸に対して垂直の方
向よりも、電子は軸と平行な方向に容易に動くことがで
きる。それによって電子流は、陽極に接続された容器2
の全体に分布する。
−PS658 545による対応する装置とは反対に、
磁気コイルを2つ設けるだけで、被加熱材に沿った一様
な加熱という点で著しい改善が得られる。しかし、2つ
の磁気コイル14aおよび14bの磁界強度が等しい場
合、磁気コイル14aまたは14bの中心面において被
加熱材に最大温度が成立する。それゆえ、異なる磁界が
発生するように、2つの磁気コイル14aおよび14b
を異なるコイル電流で操作することが有利である。磁界
を変化させることによって、図1を基準とした垂直方向
における電流密度の分布に影響を与えることができる。
上部のコイルにおける磁界がより強いと、気体放電にお
いて電子は下方の基体領域に押しやられ、そこがより強
く加熱される。下方の磁界を拡大すると、上方の基体領
域がより強く加熱される。
4bの操作例をグラフの形で示す。図2の上のグラフは
上部磁気コイルにおける電流強度を基準としており、下
のグラフは下部磁気コイル14bにおける電流強度に関
する。図2によれば、加熱段階の開始時は、最初に上部
磁気コイルにおいて、下部磁気コイルより強い電流Iが
貫流する。それに続く2分間では電流の強さは逆にな
る。つまり、下方磁界が上方磁界より強くなる。上述の
ように、異なる磁界により、気体放電において電子は随
所に移動するため、この方法で基体または被加熱材3は
全表面にわたって一様に加熱される。
合の影響をグラフの形で示す。その際、図4による等し
い磁界の場合、被覆設備または加熱室の下方領域と上方
領域は、中央領域より弱く加熱される。図3による種々
の磁界においては、加熱は一様に行われ、磁界を変化さ
せずに操作する場合の加熱のほぼ平均値に相当する。図
4のグラフによって明らかなように、2つの磁界が存在
するだけでなく、図3に示すように、これらの磁界を種
々に操作することによって被加熱材が一様に加熱される
のである。これは図2に関して説明したとおりである。
仕様を例示したものにすぎず、任意の方法で修正または
変形することができる。たとえば、局部的に移動可能な
1つの磁気コイルを配置することも可能である。また、
複数の磁気コイルを配置することも可能である。その
際、たとえば付加的に1つの磁気コイルをグロー陰極室
8の領域に配置することができる。1つの磁気コイルを
グロー陰極室8に配置する場合、真空室1に沿ってただ
1つの磁気コイル14を配置することも可能である。ま
た、このように配置された磁気コイルの電流強度Iを変
えることによって、真空室内に種々の磁界を生み出すこ
とも可能である。もちろん、グロー陰極室に代えて、西
独公開公報No.38 29 260に記載されているよ
うなアークシュートを用いることも可能である。
は加熱室または真空室において少なくとも1つの可変な
磁界を発生させ、加熱工程中に室内の電流密度を局部的
に変化させることである。
または被覆室である。
ける温度分布のグラフである。
ける温度分布のグラフである。
Claims (13)
- 【請求項1】 真空室において、基体と接していない電
子発生用陰極と、被加熱材または被覆されるべき基体の
保持具における陽極との間で、被加熱材または被覆され
るべき基体に気体放電または低電圧アーク放電を用いて
照射することにより被加熱材または基体を一様に加熱す
る方法であって、 気体放電または低電圧アーク放電が真空室内で磁気的に
収束状態に維持されるものにおいて、 電流密度または電子密度の分布に影響を与えるために、
少なくとも加熱中は少なくとも1つの局部的に可変な、
および/または移動可能な磁界が維持されることを特徴
とする方法。 - 【請求項2】 被加熱材または基体に沿って局部的に変
更に強く、または弱く加熱をひきおこすために、交互に
より強く、またはより弱く駆動される、一部重なった少
なくとも2つの磁界が維持されることを特徴とする請求
項1に記載の方法。 - 【請求項3】 少なくとも1つの磁界が被加熱材または
基体の表面に沿って平行に局部的に可変に、および/ま
たは移動可能に維持されることを特徴とする請求項1ま
たは請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 同時に被加熱材または被覆されるべき基
体が動かされることを特徴とする請求項1から請求項3
までのいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項5】 気体放電または低電圧アーク放電が、陰
極室内にある高温陰極と陽極との間で行われることを特
徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1つに記
載の方法。 - 【請求項6】 加熱中に陰極室と被加熱材または基体の
容器との間の開口部を通過する磁力線が被加熱材または
基体を貫流しないように磁界が維持されることを特徴と
する請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の
方法。 - 【請求項7】 被加熱材または基体自身が低電圧アーク
放電の陽極として接続されることを特徴とする請求項1
から請求項6までのいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項8】 被加熱材または基体の加熱されるべき表
面領域において、これらとほぼ平行な磁界が維持される
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか
1つに記載の方法。 - 【請求項9】 被加熱材または基体がプラズマ束の回り
に配置されることを特徴とする請求項1から請求項8ま
でのいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項10】 被加熱材または被覆されるべき基体を
一様に加熱するための被覆室または加熱室と、基体また
は被加熱材と接していない、電子を発生させる陰極と、
気体放電または低電圧アーク放電を発生させるための、
被加熱材または基体の容器を備えた陽極とを有する装置
において、磁界を発生させるための少なくとも1つの装
置(14a,14b)が加熱室の外側に配置されてお
り、該装置が局部的に可変な磁界を発生可能であるよう
に駆動できることを特徴とする請求項1から請求項9ま
でのいずれか1つに記載の方法を実施するための装置。 - 【請求項11】 排気可能な真空室(1)と、該真空室
内にある、被加熱材または基体(3)用の容器(2)
と、高温陰極(12)を具備し、低電圧アーク放電によ
って発生させられるプラズマの通過するための開口部
(9)を介して加熱室と連通している陰極室(8)とを
有する装置において、磁界を発生させるための少なくと
も1つの装置(14a,14b)が加熱室の外側に配置
されており、該装置が局部的に可変な磁界を発生可能で
あるように駆動できることを特徴とする請求項1から請
求項9までのいずれか1つに記載の方法を実施するため
の装置。 - 【請求項12】 磁界を発生させる装置が、被加熱材ま
たは被覆されるべき基体の容器とほぼ平行に移動可能に
配置されていることを特徴とする請求項10または請求
項11に記載の装置。 - 【請求項13】 磁界を発生させる装置が、プラズマを
収束させる磁界を発生させるための、互いに離れた少な
くとも2つの磁気コイル(14a,14b)を具備し、
その際、該磁気コイルによって発生される磁力線が、被
加熱材または被覆されるべき基体の容器とほぼ平行に進
むように、前記磁気コイルが配置されていることを特徴
とする請求項10から請求項12までのいずれか1つに
記載の装置。
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