JP3366382B2 - Control method of thermal energy conduction - Google Patents
Control method of thermal energy conductionInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、融液の固化速度や蒸発
速度等のコントロールに使用できる熱エネルギー伝導の
制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】工業的に広く用いられる液相からの単結
晶育成法においては、例えば温度勾配のある電気炉で融
体を収納したるつぼを移動したり降下したりして結晶を
育成する温度勾配法(ブリッジマン法)、または融体表
面から結晶を引上げる引上げ法(チョクラルスキー法)
などにおいて、いずれも融体の冷却速度のコントロール
が重要である。
【0003】一般に融液の固化速度や蒸発速度をコント
ロールする晶出装置や結晶育成装置における融液の冷却
は放熱したい部分を空冷したり、液体で冷却するかある
いは液体アルカリで冷却する方法が採られている。
【0004】冷却される対象により、通常250℃以下
の冷却方法については、水やシリコーンオイル等を用
い、それ以上ではアルカリ金属や空気等で冷却される場
合が多い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記冷
却方法のうち、空気冷却は冷却速度が遅く、放熱したい
部分の放熱量を大きく取れないため、放熱量を増すため
には他の方法に比較して大きなスペースを必要とする。
【0006】一方、液体冷却による方法では、放熱した
い部分からの放熱量を大きくできるものの、放熱エネル
ギーのコントロール範囲が狭く、したがって冷却温度幅
に制限があった。
【0007】また、液体アルカリ冷却でも冷却温度域が
100〜700℃と狭い上、一般に設備費がかさむとい
う様にそれぞれ課題があった。
【0008】したがって本発明の目的は、融体から放散
される熱エネルギーをコントロールして融体中に所望の
温度勾配を設定するための、幅広い温度域において採用
可能な熱エネルギー伝導の制御方法を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく研究の結果、高低2種の熱良導体のうち前者
の第1の熱良導体から後者の第2の熱良導体に熱エネル
ギーが移動放散される際、第1および第2の熱良導体の
途中に、熱的に両者を接続する空間部(真空または気
相)と液体金属、例えば融点が29.8℃の高純度液体
ガリウムとからなる接続部を設け、この接続部を回転す
ることにより該液体金属の有効熱伝導面積を変化させる
ようにすれば、第1の熱良導体から放散する熱エネルギ
ーを制御でき、従来技術の問題点を解決する有効な手段
となることを見いだし本発明に到達した。
【0010】 すなわち、本発明は、第1の熱良導体か
ら第2の熱良導体に熱エネルギーを伝導することによっ
て第1の熱良導体中の温度勾配を設定する熱エネルギー
伝導の制御方法において、上記第1の熱良導体と第2の
熱良導体との間に真空または気相からなる空間部と液体
金属とからなる接続部を設け、両熱良導体間を熱的に接
続する液体金属の高速回転による液面上昇力の調節によ
り該液体金属の有効熱伝導面積を変えることにより、第
1の熱良導体中の温度勾配を第1の熱良導体からの放熱
量の調節によって制御することを特徴とする熱エネルギ
ー伝導の制御方法を提供するものである。
【0011】
【作用】本発明の方法では、両熱良導体の間に設けられ
た接続部中の液体金属によって有効熱伝導面積を変化さ
せることにより熱エネルギーの伝導を制御する。
【0012】上記有効熱伝導面積を制御する方法とし
て、図2(a)の模式断面図に示すように、断熱材3で
囲まれた第1の熱良導体1と第2の熱良導体2との間
に、静止時、図示のような空間部4と液体金属5とから
なる接続部を設け、図2(b)の模式断面図のように該
接続部を回転させると、回転速度に応じて、側壁に沿っ
てせり上がった液体金属5と接する第1の熱良導体との
面積すなわち有効熱伝導面積が変化するようになる。
【0013】また、図3の模式断面図に示すように、同
じく断熱材3で囲まれた両熱良導体1および2との間に
図示のような接続部(空間部4および液体金属5からな
る)を設け、両熱良導体のいずれかを上下に移動して両
者の間隔を変えることにより、第1の熱良導体と接する
液体金属の有効熱伝導面積を変化させることもできる。
以上の様にして上記有効熱伝導面積を変えることによ
り、第1の熱良導体中に押入された第1温度センサー6
と第2温度センサー7との温度差が所望の値になるよう
に放散熱エネルギーをコントロールすることができる。
【0014】なお、接続部中の液体金属を回転させるに
は、例えばリング状の軟鉄板の内側に希土類磁石を取り
つけた回転磁石を接続部の周りを回転させ、その回転速
度に比例して流れる誘導電流によって回転する液体金属
の挙動をコントロールする。
【0015】また、液体金属としては、融点が29.8
℃の高純度ガリウムあるいはその化合物が化学的安定性
およびコントロール域の広さから考えて望ましい。
【0016】
【実施例1】図1は本実施例で用いられた垂直ブリッジ
マン炉を利用した装置の模式断面図であって、この図を
参照して以下説明する。
【0017】断熱材3で囲まれ、カーボンヒーター9に
よって昇温される500℃以上の融点をもつ融体11が
装入されている石英製縦型ボート8の底部に液体ガリウ
ム15を収納した特殊カーボン材からなる容器14を図
のように取りつけ、該ボート8の軸心に設けた石英管1
0中の第1温度センサー6と第2温度センサー7との温
度差が一定になるように、リング状の軟鉄16に取りつ
けられた希土類磁石からなる回転磁石を、フランジ13
の周囲に設けられた水冷ジャケット12に沿って回転さ
せた。
【0018】回転磁石を回転させると回転速度に比例し
て誘導電流が流れるので液体金属を回転させることがで
き、図では液体ガリウムが容器の側面にせり上がった回
転時の状態を示している。
【0019】まず、上記の装置で3段重ねの各カーボン
容器に250gずつ容器の体積の90%に相当する高純
度ガリウムを入れ、アルゴン雰囲気で昇温したところ、
第1温度センサーが1000℃、第2温度センサーが9
50℃で単位面積当りの放出エネルギーは4.2 W/cm
2 であった。
【0020】次に、両センサーの温度差を100℃にセ
ットして該磁石を回転させたところ、第1センサー、第
2センサーが約950℃および約850℃となり、放出
エネルギーは8.5 W/cm2 となった。
【0021】次に、両センサーの温度差を200℃にセ
ットして該磁石を回転させたところ、同様に約800℃
および約600℃となり放出エネルギーは17 W/cm2
であり、以上の様に放出エネルギーをコントロールする
ことができた。
【0022】
【実施例2】実施例1では融体11中の第1温度センサ
ーで1000℃以下の場合について述べたが、本実施例
では1000℃より高温の場合について試験した。
【0023】図1の装置を用いて第1温度センサーが1
400℃、第2温度センサーが1330℃になるように
して試験を行ったが、実施例1と同様に支障なく熱放出
エネルギーをコントロールすることができた。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、熱良導体、例えば融体の固化速度をコントロール
するために、2つの熱良導体の途中を液体金属でつな
ぎ、液体金属の有効熱伝導面積をコントロールするの
で、熱エネルギー伝導、すなわち熱放出エネルギーを幅
広い温度域において制御することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling thermal energy conduction which can be used for controlling a solidification rate and an evaporation rate of a melt. In a single crystal growing method from a liquid phase, which is widely used in industry, for example, a crucible containing a melt is moved or lowered in an electric furnace having a temperature gradient to form crystals. Temperature gradient method for growing (Bridgeman method) or pulling method for pulling crystals from the melt surface (Czochralski method)
In each case, it is important to control the cooling rate of the melt. [0003] Generally, the cooling of the melt in a crystallization apparatus or crystal growing apparatus for controlling the solidification rate or evaporation rate of the melt is performed by air cooling, cooling with a liquid, or cooling with a liquid alkali the part to be radiated. Have been. Depending on the object to be cooled, water or silicone oil is usually used for cooling at a temperature of 250 ° C. or lower, and cooling at a temperature higher than 250 ° C. is often performed with an alkali metal or air. [0005] However, of the above cooling methods, air cooling has a low cooling rate and a large amount of heat can not be obtained in a portion where heat is to be radiated. Requires a lot of space. On the other hand, in the method using liquid cooling, although the amount of heat radiation from a portion to be radiated can be increased, the control range of heat radiation energy is narrow, and the cooling temperature range is limited. [0007] In addition, even with liquid alkali cooling, the cooling temperature range is as narrow as 100 to 700 ° C, and in addition, there is a problem that the equipment cost is generally increased. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of controlling thermal energy conduction that can be employed in a wide temperature range for controlling thermal energy dissipated from a melt and setting a desired temperature gradient in the melt. To provide. The present inventor has conducted research to achieve the above object. As a result, the present inventors have conducted research on two types of high and low thermal conductors, from the first thermal conductor to the second thermal conductor. When the thermal energy is transferred and dissipated, a space (vacuum or gas phase) for thermally connecting the two and a liquid metal, for example, having a melting point of 29.8 ° C. By providing a connecting portion made of pure liquid gallium and rotating the connecting portion to change the effective heat conduction area of the liquid metal, the heat energy dissipated from the first thermal conductor can be controlled, The present invention has been found to be an effective means for solving the technical problems, and has reached the present invention. That is, the present invention relates to a method for controlling thermal energy conduction in which a thermal gradient is set in a first thermal good conductor by conducting thermal energy from a first thermal good conductor to a second thermal good conductor. A space formed of a vacuum or a gas phase and a connecting portion made of liquid metal are provided between the first and second good conductors, and the liquid metal is thermally connected between the two good conductors by high-speed rotation of the liquid metal. Changing the effective heat conduction area of the liquid metal by adjusting the surface rising force, thereby controlling the temperature gradient in the first heat conductor by adjusting the amount of heat radiation from the first heat conductor. A method for controlling conduction is provided. According to the method of the present invention, the transfer of heat energy is controlled by changing the effective heat transfer area by the liquid metal in the connection provided between the two good heat conductors. As a method for controlling the effective heat conduction area, as shown in the schematic sectional view of FIG. 2A, the first heat conductor 1 and the second heat conductor 2 surrounded by a heat insulating material 3 are connected. In the stationary state, a connecting portion composed of the space portion 4 and the liquid metal 5 as shown is provided, and when the connecting portion is rotated as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. Therefore, the area of the liquid metal 5 rising along the side wall and the first heat good conductor in contact with the liquid metal 5, that is, the effective heat conduction area changes. As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 3, a connecting portion (a space 4 and a liquid metal 5) is formed between the two good thermal conductors 1 and 2 also surrounded by a heat insulating material 3. ), And by moving either of the two heat conductors up and down to change the distance between them, the effective heat conduction area of the liquid metal in contact with the first heat conductor can also be changed.
By changing the effective heat conduction area as described above, the first temperature sensor 6 pushed into the first heat conductor can be used.
The radiated heat energy can be controlled so that the temperature difference between the first and second temperature sensors 7 becomes a desired value. In order to rotate the liquid metal in the connecting portion, for example, a rotating magnet having a rare earth magnet mounted inside a ring-shaped soft iron plate is rotated around the connecting portion and flows in proportion to the rotation speed. The behavior of the rotating liquid metal is controlled by the induced current. The liquid metal has a melting point of 29.8.
High-purity gallium or a compound thereof at ℃ is desirable in view of chemical stability and a wide control range. Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus using a vertical Bridgman furnace used in this embodiment, which will be described below with reference to this figure. A liquid gallium 15 is stored at the bottom of a vertical quartz boat 8 in which a melt 11 having a melting point of 500 ° C. or more, which is heated by a carbon heater 9 and is surrounded by a heat insulator 3, is loaded. A vessel 14 made of carbon material is attached as shown in the figure, and the quartz tube 1
In order to maintain a constant temperature difference between the first temperature sensor 6 and the second temperature sensor 7 during the rotation, a rotating magnet made of a rare-earth magnet attached to a ring-shaped soft iron 16 is mounted on the flange 13.
Was rotated along a water-cooled jacket 12 provided around the periphery. When the rotating magnet is rotated, the induced current flows in proportion to the rotation speed, so that the liquid metal can be rotated. In the figure, the state in which the liquid gallium rises to the side of the container is shown. First, 250 g of high-purity gallium equivalent to 90% of the volume of the container was placed in each of the three-stage carbon containers in the above-described apparatus, and the temperature was raised in an argon atmosphere.
The first temperature sensor is 1000 ° C and the second temperature sensor is 9
Emission energy per unit area at 50 ° C is 4.2 W / cm
Was 2 . Next, when the temperature difference between the two sensors was set to 100 ° C. and the magnet was rotated, the first sensor and the second sensor reached about 950 ° C. and about 850 ° C., and the emission energy was 8.5 W / Cm 2 . Next, the temperature difference between the two sensors was set at 200 ° C. and the magnet was rotated.
And about 600 ° C. and the released energy is 17 W / cm 2
Thus, the released energy could be controlled as described above. Embodiment 2 Although the case where the temperature of the first temperature sensor in the melt 11 is 1000 ° C. or less has been described in the embodiment 1, in the present embodiment, the case where the temperature is higher than 1000 ° C. was tested. Using the apparatus shown in FIG.
The test was performed at 400 ° C. and the temperature of the second temperature sensor was set at 1330 ° C. As in Example 1, the heat release energy could be controlled without any trouble. As described above, according to the method of the present invention, in order to control the solidification rate of a good heat conductor, for example, a melt, two heat good conductors are connected by a liquid metal, and Since the effective heat conduction area of the metal is controlled, thermal energy conduction, that is, heat release energy can be controlled in a wide temperature range.
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例において用いられた垂直ブリ
ッジマン炉を利用する装置の模式断面図である。
【図2】本発明において、液体金属を回転させるタイプ
の場合、その作用を説明する模式図であって、同図
(a)は液体金属が静止時の状態を、同図(b)は液体
金属が回転して有効熱伝導面積が変化する様子を示す図
である。
【図3】 熱良導体のいずれかが上下に移動すると、両
者間に介在する液体金属の有効熱伝導面積が変化する様
子を示す模式図である。
【符号の説明】
1 第1の熱良導体
2 第2の熱良導体
3 断熱材
4 空間部
5 液体金属
6 第1温度センサー
7 第2温度センサー
8 石英製縦型ボート
9 カーボンヒーター
10 石英管
11 融体
12 水冷ジャケット
13 フランジ
14 カーボン容器
15 ガリウム
16 軟鉄
17 希土類磁石BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic sectional view of an apparatus utilizing a vertical Bridgman furnace used in one embodiment of the present invention. FIGS. 2A and 2B are schematic views illustrating the operation of a liquid metal rotating type according to the present invention, wherein FIG. 2A shows a state in which the liquid metal is stationary, and FIG. It is a figure showing signs that an effective heat conduction area changes when metal rotates. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which when one of the thermal conductors moves up and down, the effective thermal conduction area of the liquid metal interposed between them changes. [Description of Signs] 1 First thermal conductor 2 Second thermal conductor 3 Insulation material 4 Space portion 5 Liquid metal 6 First temperature sensor 7 Second temperature sensor 8 Quartz vertical boat 9 Carbon heater 10 Quartz tube 11 Melting Body 12 Water cooling jacket 13 Flange 14 Carbon container 15 Gallium 16 Soft iron 17 Rare earth magnet
Claims (1)
エネルギーを伝導することによって第1の熱良導体中の
温度勾配を設定する熱エネルギー伝導の制御方法におい
て、上記第1の熱良導体と第2の熱良導体との間に真空
または気相による空間部と液体金属とからなる接続部を
設け、両熱良導体間を熱的に接続する液体金属の高速回
転による液面上昇力の調節により該液体金属の有効熱伝
導面積を変えることにより、第1の熱良導体中の温度勾
配を第1の熱良導体からの放熱量の調節によって制御す
ることを特徴とする熱エネルギー伝導の制御方法。(57) [Claim 1] Control of thermal energy conduction for setting a temperature gradient in the first thermal conductor by conducting thermal energy from the first thermal conductor to the second thermal conductor. In the method, a connection portion made of a vacuum or a gas phase space and a liquid metal is provided between the first heat good conductor and the second heat good conductor, and the liquid metal is thermally connected between the two heat good conductors. High-speed times
The temperature gradient in the first thermal conductor is controlled by adjusting the amount of heat released from the first thermal conductor by changing the effective heat conduction area of the liquid metal by adjusting the liquid level rising force by rolling. Control method of thermal energy conduction.
Priority Applications (1)
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JP17604693A JP3366382B2 (en) | 1993-06-23 | 1993-06-23 | Control method of thermal energy conduction |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH078793A JPH078793A (en) | 1995-01-13 |
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ID=16006778
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JP17604693A Expired - Fee Related JP3366382B2 (en) | 1993-06-23 | 1993-06-23 | Control method of thermal energy conduction |
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---|---|---|---|---|
CN110501086B (en) * | 2019-08-01 | 2020-09-25 | 电子科技大学 | Flexible temperature sensor and preparation method thereof |
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1993
- 1993-06-23 JP JP17604693A patent/JP3366382B2/en not_active Expired - Fee Related
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JPH078793A (en) | 1995-01-13 |
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