JP3857098B2 - Arc current controller for arc furnace - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単結晶材料を製造するために使用されるアーク炉のアーク電流制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば磁性材料を製造するため、多結晶の材料から単結晶の材料を成長させる一つの方法としてチョコラルスキー法が使用されている。
【0003】
この方法は、例えば図1に示すように、水冷される中空導体よりなる台板5の上に多結晶材料9を載せ、これら全体を竪形の円筒状のチャンバ3内に収める。
【0004】
そして、チャンバ3内を不活性ガスで充填し、チャンバの上方から斜め下方に向けて挿入された複数の電極8、8の先端を多結晶材料の上面に近接させ、電極と多結晶材料との間にアークを発生させる。
【0005】
上記のようにチャンバ3内に複数の電極8、8を設ける理由は、アークを複数にして発熱量を大きくし、単位時間あたりの単結晶材料の収量を多くするためである。
【0006】
このアーク放電により高熱が発生するから、多結晶材料9の上面はアーク熱により融解し、局部的に融液が形成される。
【0007】
一方、チャンバ上面の中心には昇降可能な引上げシャフト12が配設されており、この引上げシャフト12の先端に種結晶15を取付け、これを融液に接触させる。
【0008】
その後、引上げシャフト12を回転させながらゆっくり上昇させていくと、種結晶15から単結晶材料16が成長して引上げられていく。
【0009】
単結晶材料の直径および融液の状態を監視しながら引き上げシャフトの引上げ速度を変えて直径が常に一定になるように制御し、このようにして多結晶材料から単結晶材料を製造する。
【0010】
上記したアーク熱による多結晶材料の融解過程において、各電極と材料間に発生するアークを安定させることは、形成された単結晶材料の品質を安定させる上においてもっとも重要な課題の一つである。
【0011】
そこで、各電極8を保持しているホルダー7は常時冷却水により冷却され、また、ホルダー7は上下動可能になっていて、アーク電流が一定になるように、電極の先端と多結晶材料の表面間の距離を制御する。
【0012】
従来から使用されているこの種のアーク炉は、一台の炉用直流電源により複数の電極に並列に電力を供給する構造となっており、各電極毎のアーク電流の制御は専ら当該電極の先端と材料間の距離の制御によってのみ行う構成である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した構造のアーク炉は、各電極8のチャンバ3内における配置の違いから生じる電気抵抗の相違、不活性ガスによる冷却効果の相違、或いは各ホルダー7毎の冷却効果の相違等によって各電極毎のアーク電流が微妙に変化する。
【0014】
そのため、一台の炉用直流電源により複数の電極に並列に電力を供給する従来のアーク炉では、各電極に対して、より品質の高い単結晶を形成させるのに必要な安定したアークを発生させることが困難である。
【0015】
それは、アーク電流を調節するために各電極と多結晶材料との間の距離を、電極毎に、かつ機械的に調整しなければならないからである。
【0016】
そこで、この発明は、複数の電極を使用するアーク炉において、各電極におけるアーク電流を簡単に最適な値に調節できるアーク電流制御装置を提供し、以て上記した不都合を解消することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明は、複数の電極を使用し、各電極に夫々独立した炉用直流電源を接続して電力を供給するアーク炉であって、各炉用直流電源に割り当てられた個別の加算回路に並列に接続された共通の可変抵抗器によって、各炉用直流電源のアーク電流を同時かつ共通に調節すると共に、各加算回路に接続された個別の可変抵抗器によって、各炉用直流電源のアーク電流を個別に調節できるようにもしたことを特徴とする。
【0018】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて、この発明について説明する。
図1において符号1はアーク炉の全体を示し、このアーク炉1のベースフレーム2の上面には中空円筒状のチャンバ3が気密に設置されている。
【0019】
このチャンバ3のほぼ中心には、上端に台板5を装着した主軸4が配設され、この主軸4は及びこれと一体の台板5は、ベースフレーム2内に設けられた昇降・回動機構6によって、上下動および垂直軸の回りに回動可能となっている。
【0020】
また、チャンバ3の上壁の外周部には4本のホルダー7が斜め下方に向けて配設され、各ホルダー7の先端には夫々、タングステン等の耐熱導体から成る電極8がホルダーと同芯に装着されている。
【0021】
一方、台板5の上面中央には多結晶材料9が載置され、4本の電極の先端は多結晶材料9に近接している。
【0022】
そして、後述する炉用直流電源22(図2参照)のプラスの端子はブラシ10を介して軸4に接続され、更に台板5を介して多結晶材料9に接続されている。
【0023】
また、炉用直流電源22のマイナスの端子はホルダー7を介して電極8に接続されている。
【0024】
そのため、炉用直流電源22により電力が供給されると、電極8と多結晶材料9との間にはアーク11が発生して高温となり、多結晶材料9の上面を局部的に融解させ融液を生成する。
【0025】
一方、ベースフレーム2の上面には引上げ装置13が設置されており、引上げシャフト12を昇降・回動させる構造になっていて、引上げシャフト12の下端にはチャック14により種結晶15が掴持されている。
【0026】
引上げシャフト12を下降させて種結晶15を融液に接触させてから、シャフト12を回動させながら徐々に引上げていくと、種結晶から単結晶材料16が成長して引上げられていき、単結晶材料のインゴットが形成される。
【0027】
なお、図示されていないが、チャンバ3を構成する各部材、軸4、台板5及びホルダー7等はすべて二重壁からなるジャケット構造になっていて、水等の冷却材により冷却されるが、この構造は一般のアーク炉と同様の構造であるから、更に詳細な説明は省略する。
【0028】
また、チャンバ3の内部はアルゴン等の不活性ガスで充填されて不活性零囲気になっており、この点も一般の単結晶製造装置と同様であるから、更に詳細な説明は省略する。
【0029】
次に、この発明の要旨であるアーク電流制御装置、すなわち、電極8に電力を供給するシステムについて説明する。
【0030】
図2において、一次側電源20から供給された電力は、遮断器21を経て、4本の各電極8a、8b、8c、8dに対応する炉用直流電源(以下、直流電源という)22a、22b、22c、22dのマイナス端子に接続されている。
【0031】
各直流電源のプラス端子は、ブラシ10を介して軸4に接続される。
また、炉用各直流電源の制御端子には、共通の可変抵抗器24、及び夫々独立した可変抵抗器25a、25b、25c、25dが加算回路23a、23b、23c、23dを介して接続されている。
【0032】
そのため、各直流電源22a、22b、22c、22dの制御端子には共通の可変抵抗器24の抵抗値と各可変抵抗器25a、25b、25c、25dの夫々の抵抗値とが加算された状態で接続されている。
【0033】
一方、前述したように、各直流電源のマイナス端子は各電極に夫々接続され、プラスの端子は多結晶材料9に接続されており、電極と多結晶材料との間にはアークが発生して多結晶材料はアーク熱により融解されることは前記した通りである。
【0034】
また、電極8と多結晶材料9との間に電圧を印加してアークを発生させ融液を生成する場合、安定した良好な状態で融液を生成するにはアーク電流を安定した状態で維持させることは重要な課題の一つである。
【0035】
上記アーク電流は電極8と多結晶材料9の表面との間の距離によっても変化するが、特にこれら両者間に印加されるアーク電圧によって著しく変化するので、アーク炉においてはアーク電圧を一定値に維持することが重要である。
【0036】
他方、各電極に印加されるアーク電圧は、各電極の配置上の違いによる各配線の電気抵抗値の相違、不活性ガスによる冷却効果の相違、或いは各ホルダー毎の冷却効果の相違等によっても異なる。
【0037】
そこで、この発明では、上記した各電極毎の電気抵抗の相違を個別の可変抵抗器25a、25b、25c、25dを操作することにより調整し、一方、アーク電流を一斉に増減させるために共通の可変抵抗器24を操作することにより調整して、これらの抵抗値を加算回路23a、23b、23c、23dにより夫々加算してアーク電圧を調整する方式を採っている。
【0038】
従来のこの種のアーク炉においては、一台の炉用直流電源に4本の電極を接続していたので、各電極毎のアーク電流の調整が困難であったが、この発明の方法によれば、各電極毎に調整が容易であり、一旦調整すれば、後は例えば電極が4本一様に消耗した場合等、共通の可変抵抗器24を調整することにより、アーク電流の増減が可能となる。
【0039】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、各電極に夫々炉用直流電源を接続し、一つの共通の可変抵抗器と個別の可変抵抗器とにより、加算回路を介して各電極のアーク電流を制御するようにしたので、各電極毎のアークを最良の安定した状態に維持できると共に、操作が簡単になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のアーク炉の縦断面図。
【図2】この発明のアーク電流制御装置のブロック回路図。
【符号の説明】
1 アーク炉
2 ベースフレーム
3 チャンバ
4 軸
5 台板
7 ホルダー
8 電極
8a 電極
8b 電極
8c 電極
8d 電極
9 多結晶材料
10 ブラシ
11 アーク
12 引上げシャフト
15 種結晶
16 単結晶材料
22 炉用直流電源
22a 炉用直流電源
22b 炉用直流電源
22c 炉用直流電源
22d 炉用直流電源
23a 加算回路
23b 加算回路
23c 加算回路
23d 加算回路
24 共通の可変抵抗器
25a 個別の可変抵抗器
25b 個別の可変抵抗器
25c 個別の可変抵抗器
25d 個別の可変抵抗器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an arc current control device for an arc furnace used for producing a single crystal material.
[0002]
[Prior art]
For example, in order to manufacture a magnetic material, the chocolate ski method is used as one method for growing a single crystal material from a polycrystalline material.
[0003]
In this method, for example, as shown in FIG. 1, a
[0004]
Then, the inside of the
[0005]
The reason why the plurality of
[0006]
Since high heat is generated by this arc discharge, the upper surface of the
[0007]
On the other hand, a
[0008]
Thereafter, when the
[0009]
While monitoring the diameter of the single crystal material and the state of the melt, the pulling speed of the pulling shaft is changed to control the diameter so that it is always constant, and thus the single crystal material is manufactured from the polycrystalline material.
[0010]
Stabilization of the arc generated between each electrode and the material in the melting process of the polycrystalline material by the arc heat described above is one of the most important issues in stabilizing the quality of the formed single crystal material. .
[0011]
Therefore, the holder 7 holding each
[0012]
This type of arc furnace that has been used in the past has a structure in which power is supplied in parallel to a plurality of electrodes by a single DC power supply for a furnace, and the control of the arc current for each electrode is exclusively for that electrode. This configuration is performed only by controlling the distance between the tip and the material.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the arc furnace having the above-described structure has different electric resistances caused by different arrangements of the
[0014]
Therefore, in a conventional arc furnace that supplies power to multiple electrodes in parallel by a single DC power supply for a furnace, a stable arc necessary to form a higher quality single crystal is generated for each electrode. It is difficult to do.
[0015]
This is because the distance between each electrode and the polycrystalline material must be adjusted from electrode to electrode and mechanically to adjust the arc current.
[0016]
Accordingly, the present invention provides an arc current control device that can easily adjust the arc current at each electrode to an optimum value in an arc furnace that uses a plurality of electrodes, and aims to eliminate the above-described disadvantages. Yes.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is an arc furnace that uses a plurality of electrodes and connects each electrode to an independent DC power source for furnaces to supply power, and is assigned to each DC power source for each furnace. A common variable resistor connected in parallel to each individual adder circuit adjusts the arc current of each DC power supply for each furnace simultaneously and in common, and by an individual variable resistor connected to each adder circuit, The arc current of each DC power supply for each furnace can be adjusted individually.
[0018]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes the entire arc furnace, and a hollow
[0019]
A
[0020]
Further, four holders 7 are disposed on the outer peripheral portion of the upper wall of the
[0021]
On the other hand, the
[0022]
A positive terminal of a furnace DC power source 22 (see FIG. 2) to be described later is connected to the
[0023]
Further, the negative terminal of the furnace DC power supply 22 is connected to the
[0024]
Therefore, when electric power is supplied from the DC power supply 22 for the furnace, an
[0025]
On the other hand, a pulling
[0026]
When the pulling
[0027]
Although not shown, each member constituting the
[0028]
Further, the inside of the
[0029]
Next, an arc current control device that is the gist of the present invention, that is, a system for supplying electric power to the
[0030]
In FIG. 2, the electric power supplied from the
[0031]
The positive terminal of each DC power supply is connected to the
In addition, a common
[0032]
Therefore, the resistance value of the common
[0033]
On the other hand, as described above, the negative terminal of each DC power source is connected to each electrode, and the positive terminal is connected to the
[0034]
When a voltage is applied between the
[0035]
The arc current also changes depending on the distance between the
[0036]
On the other hand, the arc voltage applied to each electrode is also caused by a difference in electrical resistance value of each wiring due to a difference in arrangement of each electrode, a difference in cooling effect by an inert gas, or a difference in cooling effect for each holder. Different.
[0037]
Therefore, in the present invention, the above-described difference in electric resistance for each electrode is adjusted by operating the individual
[0038]
In this type of conventional arc furnace, since four electrodes are connected to one DC power supply for a furnace, it is difficult to adjust the arc current for each electrode. For example, the adjustment is easy for each electrode. Once adjusted, the arc current can be increased or decreased by adjusting the common
[0039]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, each electrode is connected to a DC power supply for a furnace, and each electrode is connected via an adder circuit by one common variable resistor and individual variable resistors. Since the arc current of each electrode is controlled, the arc for each electrode can be maintained in the best stable state and the operation can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an arc furnace according to the present invention.
FIG. 2 is a block circuit diagram of an arc current control device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (1)
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