JP3628355B2

JP3628355B2 - 高周波誘導加熱コイル装置

Info

Publication number: JP3628355B2
Application number: JP20231294A
Authority: JP
Inventors: 潤一西澤; 裕澤藤
Original assignee: Tohoku Steel Co Ltd
Current assignee: Tohoku Steel Co Ltd
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JPH0864354A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、高周波誘導加熱コイルに関するものである。さらに詳しくは、この発明は、ゾーンメルト法や、フローティングゾーン法を含む高周波誘導加熱浮遊帯域法並びに高周波誘導加熱浮揚融解法において有用な高周波誘導加熱コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶成長技術や結晶精製技術の発展には顕著なものがあり、単結晶、多結晶の各種の組成からなる高純度品の製造、精製が可能となってきている。
たとえば、フローティングゾーン法をはじめとする高周波誘導加熱浮遊帯域法等による単結晶成長、ゾーンメルト法による精製などについての工夫も精力的に進められてきている。
【０００３】
これら従来の方法においては、誘導加熱が重要な手段の一つとされている。しかしながら、従来の方法においては、この誘導加熱については、実質的な作用効果の改善についてはあまり検討されてきていないのが実情である。
すなわち、従来の高周波誘導加熱浮遊帯域法においては、単一周波数による誘導加熱が実施されているが、複数の異なる周波数により誘導加熱することはほとんど試みられていなかった。
【０００４】
この点は大変な重要なことである。それと言うのも、大口径の結晶を融解する場合、結晶表面および結晶内部ともに融解して融帯を形成することが、小口径の結晶を融解する場合に比して困難になってくる。シリコンの浮遊帯域溶融法では、誘導加熱コイルの内径を結晶径よりも小さくして溶融帯の径をしぼることによって、表面から中心部まで融解することを実現している。しかし、誘導加熱コイルが結晶が収容されている容器外に配置されているような外熱式浮遊帯域溶融法では、結晶径が太くなるにつれて単一周波数で融解することが困難になってくる。このような場合、単一周波数による融解に替えて、複数の異なる周波数によって誘導加熱することが有効であって、高周波側の周波数で結晶表面をきれいに溶かし、低周波側の周波数で結晶内部まで溶かすことで、大口径結晶の浮遊帯域溶融が容易になると考えられる。しかし実際にはこのことは試みられてはいない。
【０００５】
また、高周波誘導加熱浮揚融解法の場合には、スリットを有したコンセントレータとその外周部に配した一次コイルからなる誘導加熱コイル（一般に「コールドクルーシブル」と呼ばれている）を用いて金属を浮揚した状態で融解することが行われている。あるいは金属を浮揚させずにコンセントレータと溶融金属の間にスカルを形成させ、コンセントレータと溶融金属を直接接触させないで融解するスカル溶解も行われている。しかしながら、従来のこれらの高周波誘導加熱浮揚融解法においても、単一の一次コイルを用いて、単一の加熱周波数のみを用いて実施されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高周波誘導加熱浮遊帯域法において大口径の結晶を融解する場合、上記の従来の技術で述べたように、単一周波数による加熱では困難で、多周波による加熱が有効である。しかしながら、一方で、それぞれの周波数に対し個別の加熱コイルを設置した場合、溶融部を狭い領域に限定することは困難になって融帯は溶け落ち易くなる。外熱式浮遊帯域溶融法では、加熱コイルと結晶の間隔が大きいため、この問題は特に顕著である。また、個々のコイル間の相互誘導による干渉も起こる可能性がある。これは誘導加熱コイルが近接して設置された場合、各コイルが誘導結合する問題である。
【０００７】
そこで、この発明は、以上の通りの課題を解決するためになされたものであって、多周波加熱を容易に実現することを可能にする誘導加熱コイルを提供すること、すなわち、加熱深度を複数同時に選択し、かつ、溶融部分を狭小部に制限しコイル相互間の干渉も防止することが可能となる誘導加熱コイルを提供することを目的としている。
【０００８】
さらにまた、この発明は、多周波加熱を可能とし、加熱深度を複数同時に選択することをも可能とする誘導加熱コイルを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の技術的課題を解決するものとして、高導電率材料よりなり、外周部から内周部にわたって形成されたスリットを有し、結晶の加熱域周囲に配置されるコンセントレータと、コンセントレータの上方及び下方にそれぞれ近接して設けられ、かつ結晶の加熱域周囲に配置され、それぞれ異なる周波数の高周波電流を流すための第１及び第２の誘導加熱コイルとを備え、コンセントレータには第１及び第２の誘導加熱コイルによりそれぞれ誘起された誘導電流が合成して流れるように構成されていることを特徴とする高周波誘導加熱コイル装置を提供する。
【００１０】
【作用】
この発明においては、結晶の加熱域周囲に配置された複数の一次コイルである誘導加熱コイルに異なる周波数の高周波電流を通電することにより、加熱域周囲に配置されたコンセントレータには異なる周波数の誘導電流が流れ、結晶が誘導加熱されることになる。
【００１１】
このコンセントレータによって、それぞれの周波数に応じて個別の誘導加熱コイルを設置する場合に比べ、より集中して効率的に、大径の材料であっても融解、成長させることができ、しかも著しく融帯長さを狭小化することができる。
この発明の実施例を以下具体的に説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではない。
【００１２】
【実施例】
図１は高周波誘導加熱浮遊帯域法に適用された例を示したものである。
まず、図１（ａ）（ｂ）において、ｉ₁，ｉ₂は同心円状に平面的に巻いたそれぞれ独立した一次コイルとしての誘導コイル、ｃはコンセントレータである。コンセントレータｃは高導電率の薄い材料、たとえば銅薄板で一つのスリットｓを有し、一次コイルｉ₁、一次コイルｉ₂の中間に配置される。さらに、コンセントレータｃは、水冷可能とし、一次コイルｉ₁とコンセントレータｃ、一次コイルｉ₂とコンセントレータｃは十分近接させる。一次コイルｉ₁、一次コイルｉ₂には異なる周波数の高周波電流が通電される。図の矢印に示すように、処理される原料多結晶１は上から下方に移動され、薄い融帯２が得られ、下方には成長した単結晶３が得られる。
【００１３】
この図１のコンセントレータｃの誘導電流の流れを説明するために、図２の誘導加熱コイルにおける有限要素法による計算結果について述べる。図２のｉは一次コイルとしての誘導コイル、ｃはコンセントレータである。図３（ａ）は図２の高周波誘導加熱コイルのコンセントレータｃに流れる誘導電流の実数部のベクトル図の平面図で、図３（ｂ）は図２の高周波誘導加熱コイルのコンセントレータに流れる誘導電流の虚数部の過電流密度ベクトル図の平面図であり、両図ともスリットｓの中心を通る線で２分割した１／２モデルの平面図である。誘導電流はスリット部４の部分で内側に入り込み、高電流密度となり内周部を逆方向に流れ、再びスリットの部分で外周部に戻る流れとなる。コンセントレータｃの中心部に位置する結晶はおもにこの内周部に集中して流れる電流により誘導加熱される。
【００１４】
そこで図１のように一次コイルの誘導コイルがコンセントレータの上下にある場合、コンセントレータに流れる誘導電流は次のようになる。すなわち、コンセントレータ上部に設置された一次コイルｉ_１には周波数ｆ_１の高周波電流、下部に設置された一次コイルｉ_２には周波数ｆ_２の高周波電流が同時に流れるとする。コンセントレータ上面部のほぼ表皮厚さ程度の領域に周波数ｆ_１の誘導電流が流れる。電流の経路は図３（ａ）、図３（ｂ）と同様に、スリットの部分で内側に入り込み、高電流密度となり内周部を逆方向に流れ、再びスリットの部分で外周部に戻る。さらにコンセントレータ下面部のほぼ表皮厚さ程度の領域には周波数ｆ_２の高周波電流が流れ、経路はやはりスリットの部分で内側に入り込み、高電流密度となり内周部を逆方向に流れ、再びスリットの部分で外周部に戻る。
【００１５】
結局、コンセントレータ内周部の上面部、下面部にそれぞれ周波数ｆ_１、ｆ_２の高電流密度の高周波電流により結晶が誘導加熱されることとなる。したがって、それぞれの周波数に応じて個別の誘導加熱コイルを設置する場合に比べ、著しく融帯長さを狭小化できる。この場合コンセントレータ内周部の厚さは可能な限り薄くすることが望ましい。
【００１６】
被加熱物に働く電磁力および加熱温度を、図２のコイル装置について測定した結果を示したものが図４および図５である。被加熱物として円盤状の黒鉛を用い、上部から絶縁性の糸で吊るしている。温度は黒鉛中心部に埋め込んだ熱電対により測定し、電磁力は電子天秤から糸を吊るすことにより垂直方向成分を測定した。周波数は２５７ｋＨｚである。図４、図５においてｚはコンセントレータｃの中心からの高さ偏位を示す。すなわち、ｚ＝０はコンセントレータｃの中心の高さである。カーボンに働く電磁力Ｆ_ｚはｚ＞０で上向き、ｚ＜０で下向きとなる。これはコンセントレータ内周部に流れる電流と黒鉛に流れる逆向きの誘導電流との反発力によるものである。加熱温度が最大となるｚの位置はＦ_ｚ＝０となるｚの位置と一致している。
【００１７】
そこで、図１に示した誘導加熱コイルにより被加熱物に働く電磁力および被加熱物の温度分布を測定した結果を示したものが図６および図７である。測定方法は図４、図５の場合と同様である。図６および図７においてｚはコンセントレータｃからの高さの偏位を示し、ｚ＝０はやはりコンセントレータｃの中心の高さである。図６において実線□は一次コイルｉ_１のみに４８６ｋＨｚを通電した場合、破線△は一次コイルｉ_２のみに７７ｋＨｚを通電した場合、点線○は一次コイルｉ_１に４８６ｋＨｚ、一次コイルｉ_２に７７ｋＨｚで同時に通電した場合の電磁力である。
【００１８】
実線□は先ほど述べた図５と同様の形である。破線△は一次コイルｉ_２とコンセントレータｃの間隔が一次コイルｉ_１とコンセントレータｃに比べ大きいために一次コイルｉ_２自身からの寄与がｚ＝−１０ｍｍ付近に現れている。ｚ＝５ｍｍ付近のピークはコンセントレータｃに誘導された誘導電流による寄与である。点線○は一次コイルｉ_１と一次コイルｉ_２の分の和となっている。一次コイルｉ_２とコンセントレータｃの間隔がさらに小さくなればｚ＝−３０ｍｍ付近に瘤はなくなる。この点線○の状態ではコンセントレータｃの内周部において４８６ｋＨｚの電流と７７ｋＨｚの電流が合成されている。図７において実線□は一次コイルｉ_１のみに４８６ｋＨｚを通電した場合、破線△は一次コイルｉ_２のみに７７ｋＨｚを通電した場合、点線○は一次コイルｉ_１に４８６ｋＨｚ、一次コイルｉ_２に７７ｋＨｚで同時に通電した場合の温度分布である。やはり点線○は一次コイルｉ_１と一次コイルｉ_２の分の和となっている。この図６および図７の測定結果からわかるようにコンセントレータｃで４８６ｋＨｚ、７７ｋＨｚの高周波電流が合成され、２周波加熱が実現されている。
【００１９】
図１の高周波誘導加熱コイルにおいては、コンセントレータｃが電磁遮蔽の働きをしているため、一次コイルｉ_１、一次コイルｉ_２に接続されているそれぞれの高周波誘導加熱発振機には干渉はまったく起きない。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この発明によれば、コンセントレータを利用して多周波加熱が容易に実現が可能となる。高周波浮遊帯域溶融法においては、多周波加熱においても融帯長さを広げることなく、また異なる周波数間の干渉も防止することができる。これらの効果により、特に外熱式浮遊帯域法において大口径結晶の成長が可能となる。さらに高周波誘導加熱浮揚融解法においても多周波加熱を実現することで大容量、高抵抗難溶解の材料についても実施可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の高周波誘導加熱コイルの実施例を示す図で、（ａ）は断面図で、（ｂ）はコンセントレータの平面図である。
【図２】図１の加熱コイルの効果を説明するために参照した高周波誘導加熱コイルの図で、（ａ）は断面図で、（ｂ）はコンセントレータの平面図である。
【図３】（ａ）は、図２の高周波誘導加熱コイルのコンセントレータに流れる誘導電流の実数部の誘導電流密度ベクトルを示した平面図である。（ｂ）は、図２の高周波誘導加熱コイルのコンセントレータに流れる誘導電流の虚数部の誘導電流密度ベクトルを示した平面図である。
【図４】図２の高周波誘導加熱コイルにおいて、被加熱物に働く電磁力、加熱温度の測定結果を示した図である。
【図５】図２の高周波誘導加熱コイルにおいて、被加熱物に働く電磁力、加熱温度の測定結果を示した図である。
【図６】図１の高周波誘導加熱コイルにおいて、被加熱物に働く電磁力、加熱温度の測定結果を示した図である。一次コイルｉ_１、ｉ_２、コンセントレータはそれぞれの位置を示す。
【図７】図１の高周波誘導加熱コイルにおいて、被加熱物に働く電磁力、加熱温度の測定結果を示した図である。一次コイルｉ_１、ｉ_２、コンセントレータはそれぞれの位置を示す。
【符号の説明】
ｉ_１一次コイル
ｉ_２一次コイル
ｉ一次コイル
ｃコンセントレータ
ｓスリット
１原料多結晶
２融帯
３成長単結晶
４スリット部

Claims

高導電率材料よりなり、外周部から内周部にわたって形成されたスリットを有し、結晶の加熱域周囲に配置されるコンセントレータと、
コンセントレータの上方及び下方にそれぞれ近接して設けられ、かつ結晶の加熱域周囲に配置され、それぞれ異なる周波数の高周波電流を流すための第１及び第２の誘導加熱コイルとを備え、
コンセントレータには第１及び第２の誘導加熱コイルによりそれぞれ誘起された誘導電流が合成して流れるように構成されていることを特徴とする高周波誘導加熱コイル装置。