JP3816970B2 - Electrostatic floating furnace - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、静電浮遊炉に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
宇宙空間や落下塔実験などの無重力環境或いは微小重力環境下において、炉などを用いて材料を溶融した場合、溶融された材料には、対流や沈殿などの現象が生じないため、比重の大きく異なる材料からでも均質な合金や混合物などを作ることができるとか、又は、重力の影響がないため、容易に真球を作ることができるなどの利点がある。
【0003】
しかし、材料を溶融する際に、材料が炉などに接触されていると、炉などの接触部分から不純物が混入して製品の品質を損ねるおそれがあるため、材料を浮遊させることにより、炉とは非接触の状態で材料を溶融させる必要がある。
【0004】
そこで、材料を浮遊状態で溶融させるために静電浮遊炉が開発されている。
【0005】
図3・図4は、従来の静電浮遊炉を示すものである。
【0006】
石英ガラスなどで作った透明な筒状の静電浮遊炉本体1の中心軸2上に、互いに間隔を置き、その球面状部3を対向させて一対の球面状電極4,5を配置すると共に、静電浮遊炉本体1内部の前記中心軸2を中心とする同一の円周6上に、互いに周方向に等しい間隔を置いて、中心軸2と平行な格子状電極7〜10を複数組配置する(図では4組配置され、各格子状電極7〜10は円弧状に形成されている)。
【0007】
そして、前記球面状電極4,5間に直流電源11を接続すると共に、前記格子状電極7〜10間に、中心軸2に関して対象の位置に有る電極(7,9と、8,10)は同一極性となり、隣接する電極(7,8と、8,9と、9,10と、10,7)は逆極性となるように交流電源12を接続する。
【0008】
図中、13は材料、14は静電浮遊炉本体1に取付けられた熱線ランプなどの熱源、15は熱源14から発光された熱線16を反射・集光する反射鏡、17は絶縁材製の材料吸引パイプ、18は材料吸引パイプ17に接続された真空ポンプや真空タンクなどの真空源、19は材料吸引パイプ17の途中に設けられた弁、20,21は電極支持部材である。
【0009】
そして、交流電源12により、対向する電極(7,9と8,10)が同一極性となり、隣接する電極(7,8と、8,9と、9,10と、10,7)が逆極性となるように格子状電極7〜10間に交流の電圧を印加し、且つ、直流電源11により、球面状電極4,5間に同一極性の直流電圧を印加する。
【0010】
この状態で、真空ポンプや真空タンクなどの真空源18を作動して、材料吸引パイプ17の先端に材料13を吸付け、静電浮遊炉本体1の格子状電極7〜10の間(図では格子状電極8,9の間となっている)を通して静電浮遊炉本体1の中心位置まで材料13を運び、途中でコロナ放電を起こすなどして材料13を球面状電極4,5とは逆の極性に帯電させた後、弁19を閉じるなどして吸引を止め、更に、材料吸引パイプ17を真空ポンプの吐出側に接続し弁19を一時的に開けて吹かせるなどして、材料13を材料吸引パイプ17から切り離す。
【0011】
すると、切り離された材料13は、交流電圧を印加されて交互に極性が変化している格子状電極7〜10との間に生じる反発力により、中心軸2へ向って移動される。
【0012】
又、材料13は、材料13とは逆極性の直流電圧を印加された一対の球面状電極4,5との間に生じる反発力により、中心軸2上の任意の位置に停止される。
【0013】
このように、電極4,5及び7〜10の配置を工夫し、それぞれ交流電圧と直流電圧を区別して印加するようにしたことにより、容易且つ安定して材料13の浮遊位置を制御することができるようになる。
【0014】
こうして、材料13の浮遊位置が安定されたら、熱線ランプなどの熱源14を用いて、材料13に熱線16を直接照射させたり反射鏡15で熱線16を反射させるなどして、中心軸2上に停止された材料13を加熱し、溶融させる。
【0015】
材料13が溶融され全体が均質な状態となったら、熱源14からの熱線16の照射を停止して材料13を凝固させることにより、所望の製品を得る。
【0016】
こうして製品が得られたら、静電浮遊炉本体1の格子状電極7〜10間の位置(図では格子状電極8,9間の位置となっている)へ、材料吸引パイプ17を挿入し、真空ポンプや真空タンクなどの真空源18を作動し弁19を開いて、材料吸引パイプ17の先端に製品を吸付け、静電浮遊炉本体1の外へ取出すようにする。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記静電浮遊炉には、以下のような問題があった。
【0018】
即ち、静電浮遊炉本体1の中心に材料13を位置させる際に、材料13を材料吸引パイプ17の先端に吸引して挿入し、吸引を停止し、軽く吹かせるなどして材料吸引パイプ17から切り離させるようにしていたが、このようにすると、材料13を吹き飛ばしてしまうおそれがあり、静電浮遊炉本体1の中心に材料13を位置させるのが困難であった。
【0019】
又、上記以外の材料挿入手段として、材料13をマニピュレータなどでつかんで静電浮遊炉本体1の中心に挿入することが考えられるが、このようにした場合には、マニピュレータを開いて材料13を離した時に、マニピュレータと材料13とが静電反発を起こして、材料13が飛んで行ってしまうことになるので、同様に静電浮遊炉本体1の中心に材料13を位置させるのが困難である。
【0020】
本発明は、上述の実情に鑑み、静電浮遊炉本体の中心に材料を容易に位置させ得るようにした静電浮遊炉を提供することを目的とするものである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電浮遊炉本体の中心軸上に配置された球面状電極に中心軸方向へ延びる貫通孔を形成し、該貫通孔に静電浮遊炉本体外方からマニピュレータを出入自在に挿入し、マニピュレータの先端に、僅かの電流により容易に溶断可能な金属製の細線部材を介して材料を保持させると共に、細線部材に溶断用電源を備えた溶断回路を接続し、更に、マニピュレータに瞬間的に外方へ抜出可能な抜取装置を設けたことを特徴とする静電浮遊炉にかかるものである。
【0022】
【作用】
本発明の作用は以下の通りである。
【0023】
静電浮遊炉本体の中心軸上に配置された球面状電極に中心軸方向へ延びる貫通孔を形成し、該貫通孔に静電浮遊炉本体外方からマニピュレータを出入自在に挿入して、マニピュレータの先端に取付けた、僅かの電流により容易に溶断可能な金属製の細線部材を介して材料を保持させておく。
【0024】
そして、溶断用電源により細線部材に電流を印加して細線部材を焼き切らせ、細線部材から焼き切られたら、抜取装置によりマニピュレータを瞬間的に外方へ抜出させることにより、帯電された材料とマニピュレータが静電反発を起こして、材料が飛んで行ってしまうことが防止される。
【0025】
これにより、材料を正確に静電浮遊炉本体の中心に位置させることができるようになる。
【0026】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
【0027】
図1は、本発明の第一の実施例である。
【0028】
静電浮遊炉自体の基本構造については、図3・図4と同様であるため、必要に応じてこれらの図を参照する。
【0029】
本発明では、例えば、図中、上方の球面状電極5及びその電極支持部材20を中心軸2方向に貫通する貫通孔22を形成し、該貫通孔22にマニピュレータ23を挿入配置する。
【0030】
該マニピュレータ23は、貫通孔22に対して出入自在な絶縁筒から成るマニピュレータ本体24と、マニピュレータ本体24内部を通してその先端を静電浮遊炉本体1の内側へ取り出された、二本一組で熱電対を構成する太線部材25と、太線部材25の先端間に接続・連結された、僅かの電流により容易に溶断可能な金属製の細線部材26とで構成されている。
【0031】
尚、細線部材26は、材料13に形成された貫通孔に通されることにより、材料13を保持するようになっている。又、細線部材26も熱電対の一部とすることができる。
【0032】
熱電対を構成する太線部材25の後端に熱電対計測部27、及び、帯電用電源28を接続して、材料帯電回路29を構成する。
【0033】
そして、材料帯電回路29に対して並列に、溶断用電源30及びスイッチ31からなる溶断回路43を接続する。
【0034】
この際、熱電対計測部27には、溶断用電源30による影響を受けないように、内部に保護回路32を設ける。
【0035】
更に、マニピュレータ23に抜取装置33を取付ける。
【0036】
該抜取装置33は、マニピュレータ本体24の後端外周に取付けたフランジ34と、フランジ34及び球面状電極5の間に圧縮状態で介装されたコイルバネなどの弾性部材35と、フランジ34を係止及び係止解除可能なトリガ装置36とで構成される。
【0037】
該トリガ装置36は、電磁コイル37及び磁気帯鉄芯38などから成る電磁式トリガ39と、トリガ用電源40と、スイッチ41と、コンデンサなどの遅延回路42から成るトリガ回路44とで構成される。
【0038】
尚、スイッチ31と41は連動されるようになっている。
【0039】
次に、作動について説明する。
【0040】
静電浮遊炉によって材料13を加熱溶融して所望の製品を作り、静電浮遊炉本体1から製品を取り出す過程については図3・図4と同様なので説明を省略する。
【0041】
材料13の溶融に先立って静電浮遊炉本体1の中心に材料13を位置させる場合、本発明では、予め細線部材26に材料13を通されたマニピュレータ23を、上方の球面状電極5及びその電極支持部材20に形成された貫通孔22から挿入する。
【0042】
尚、図では、材料13は貫通孔22の口径よりも大きく描かれているが、これは説明上の便宜による。
【0043】
この際、マニピュレータ本体24の後端外周に取付けたフランジ34と球面状電極5との間にコイルバネなどの弾性部材35を圧縮状態で介装させ、トリガ装置36を用いてフランジ34の背面を係止させるようにする。
【0044】
この状態で、材料帯電回路29の帯電用電源28により、太線部材25を介して材料13に電流を印加し、材料13を帯電させる。この際、熱電対計測部27で材料13の電荷を測定することにより、材料13に所望の電荷が与えられるようにする。
【0045】
材料13が帯電されたら、溶断回路43のスイッチ31をONにし、溶断用電源30により細線部材26に電流を流して、細線部材26を加熱し焼き切らせる。
【0046】
細線部材26が焼き切られたら、そのままでは材料13と熱電対を構成する太線部材25とが静電反発を起こして、材料13が飛んで行ってしまうおそれがあるので、スイッチ31と同時にトリガ回路44のスイッチ41がONとなるようにし、遅延回路42で僅かの時間遅れを持って、トリガ用電源40から電磁式トリガ39へ電流を送らせ、電磁コイル37に磁界を生じさせて電磁誘導作用で磁気帯鉄芯38を動かし、フランジ34に対する係止状態を解除させる。
【0047】
すると、コイルバネなどの弾性部材35の作用により、マニピュレータ23が、上方の球面状電極5及びその電極支持部材20の貫通孔22から瞬間的に外方へ飛出され、材料13と熱電対を構成する太線部材25とが静電反発を起こして、材料13が飛んで行くことが防止される。
【0048】
以上により、材料13を確実に静電浮遊炉本体1の中心に位置させることができるようになる。
【0049】
図2は、本発明の第二の実施例である。
【0050】
本実施例では、抜取装置33として、応答性の良いエアシリンダ45を使用した場合を示している。
【0051】
図中、46はエアシリンダ45に作動エアを供給するエア源、47はエアシリンダ45とエア源46との間に設けられた弁である。
【0052】
そして、材料13が帯電された後、溶断回路43のスイッチ31をONにし、溶断用電源30により細線部材26に電流を流して、細線部材26を加熱し焼き切らせると同時に、トリガ回路44のスイッチ41がONなり、遅延回路42により僅かの時間遅れを持って弁47が開かれ、エア源46からの作動エアがエアシリンダ45のロッド側の質へ供給されて、エアシリンダ45が収縮動され、マニピュレータ23が、上方の球面状電極5及びその電極支持部材20の貫通孔22から瞬間的に外方へ飛出されるようにしたものである。
【0053】
このようにしても、材料13と熱電対を構成する太線部材25とが静電反発を起こして、材料13が飛んで行ってしまうことが防止され、材料13を確実に静電浮遊炉本体1の中心に位置させることができるようになる。
【0054】
上記以外は、前記実施例と同様の構成を備えており、同様の作用・効果を得ることができる。
【0055】
尚、本発明は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の静電浮遊炉によれば、静電浮遊炉本体の中心に材料を容易に位置させることができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例の概略側面図である。
【図2】本発明の第二の実施例の概略側面図である。
【図3】従来例の概略側面図である。
【図4】図3の概略平面図である。
【符号の説明】
1 静電浮遊炉本体
2 中心軸
4 球面状電極
13 材料
22 貫通孔
23 マニピュレータ
26 細線部材
30 溶断用電源
33 抜取装置
43 溶断回路[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electrostatic levitation furnace.
[0002]
[Prior art]
When materials are melted using a furnace in a zero-gravity environment or microgravity environment such as in space or in a drop tower experiment, the melted materials do not cause phenomena such as convection or precipitation, so the specific gravity differs greatly. There is an advantage that a homogeneous alloy or a mixture can be made even from the material, or since there is no influence of gravity, a true sphere can be easily made.
[0003]
However, when the material is melted, if the material is in contact with a furnace or the like, impurities may enter from the contact portion of the furnace or the like, which may impair the quality of the product. Needs to melt the material in a non-contact state.
[0004]
Therefore, an electrostatic levitation furnace has been developed to melt the material in a floating state.
[0005]
3 and 4 show a conventional electrostatic levitation furnace.
[0006]
On the
[0007]
A
[0008]
In the figure, 13 is a material, 14 is a heat source such as a heat ray lamp attached to the electrostatic floating furnace
[0009]
Then, by the
[0010]
In this state, the
[0011]
Then, the
[0012]
The
[0013]
As described above, the arrangement of the
[0014]
When the floating position of the
[0015]
When the
[0016]
When the product is thus obtained, the
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the electrostatic levitation furnace has the following problems.
[0018]
That is, when the
[0019]
As another material insertion means, the
[0020]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an electrostatic levitation furnace in which a material can be easily positioned at the center of an electrostatic levitation furnace body.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a through-hole extending in the central axis direction is formed in a spherical electrode arranged on the central axis of the electrostatic floating furnace main body, and a manipulator is inserted into the through-hole from the outside of the electrostatic floating furnace main body. The material is held at the tip of the manipulator via a metal thin wire member that can be easily blown by a small current, and a fusing circuit equipped with a fusing power source is connected to the thin wire member. In particular, the present invention relates to an electrostatic levitation furnace characterized in that an extraction device that can be extracted outward is provided.
[0022]
[Action]
The operation of the present invention is as follows.
[0023]
A through-hole extending in the direction of the central axis is formed in the spherical electrode arranged on the central axis of the electrostatic levitation furnace body, and a manipulator is inserted into the through-hole from the outside of the electrostatic levitation furnace body so as to be freely accessible. The material is held through a metal thin wire member attached to the tip of the metal and easily meltable by a slight current.
[0024]
Then, by applying an electric current to the fine wire member by the power source for fusing, the fine wire member is burned out, and when it is burned out from the fine wire member, the manipulator is instantaneously pulled out by the extraction device, thereby charging the material. This prevents the manipulator from causing electrostatic repulsion and flying the material.
[0025]
As a result, the material can be accurately positioned at the center of the electrostatic levitation furnace body.
[0026]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
[0028]
Since the basic structure of the electrostatic levitation furnace itself is the same as that shown in FIGS. 3 and 4, these drawings are referred to as necessary.
[0029]
In the present invention, for example, in the drawing, a through-
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
A
[0033]
Then, a fusing
[0034]
At this time, the
[0035]
Further, the
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
Next, the operation will be described.
[0040]
The process of producing the desired product by heating and melting the
[0041]
When the
[0042]
In the drawing, the
[0043]
At this time, an
[0044]
In this state, the charging
[0045]
When the
[0046]
If the
[0047]
Then, due to the action of the
[0048]
As described above, the
[0049]
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
[0050]
In the present embodiment, a case where an
[0051]
In the figure, 46 is an air source for supplying working air to the
[0052]
Then, after the
[0053]
Even if it does in this way, it will prevent that
[0054]
Except for the above, the configuration is the same as that of the above-described embodiment, and the same actions and effects can be obtained.
[0055]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the electrostatic levitation furnace of the present invention, an excellent effect that the material can be easily positioned at the center of the electrostatic levitation furnace body can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic side view of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic side view of a conventional example.
4 is a schematic plan view of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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