JP4276627B2 - 単結晶育成用圧力容器およびその製造方法 - Google Patents
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Description
筒状の圧力容器本体30内には、種結晶10と原料11、対流制御盤9及び溶媒が収容されている。圧力容器本体30は、一端が開口しており、該開口の周縁に配置したリング状の自緊式ガスケット32を介してカバー33が袋ナットまたはクランプ34によって固定されて上記開口が封止されている。カバー33の内面にはライニングカバー35が設けられている。圧力容器本体30の周囲にはヒータ4が設置されて、圧力容器本体30が加熱可能とされている。
製造された単結晶の用途は、各種の光学、電子素子等であり、単結晶の品質を左右する主要因として、結晶成長時の異物の混入がある。アルカリ水溶液等の溶媒は腐食性を有するために、圧力容器本体30およびカバー33が腐食されて、鉄やニッケル等のイオンが溶出する。これらの金属イオンは酸化物や窒化物等の化合物となり、結晶中に異物として混入するため、高純度の単結晶を製造することは困難であった。
これら以外の方法としては、図10に示すように、耐食合金で製造された内筒容器37を圧力容器本体30内に収容する方法が提案されている(例えば、特許文献5、6、7)。
内筒容器37は、圧力容器本体30とは離隔されており、内筒容器37の少なくとも内面には耐食性に優れたPt等の貴金属等が使用されることにより、単結晶への異物の混入を防止する。
この内筒容器37を用いた方法は、内筒容器37の内外の圧力差により内筒容器37が破壊しやすいことから、内筒容器37内外の圧力差を均等化する技術が必要であり、圧力調整装置38を取り付ける方法が提案されている。また、特許文献8では、内筒容器37を塑性変形しやすい材料で作製して、冷間溶接で封止する内筒容器を提案している。
しかしながら、圧力容器内を耐食材料で被覆する方法では、圧力容器本体およびカバーの気密シール部の被覆方法に問題がある。単結晶を工業生産規模で製造する圧力容器は、気密シール部を繰り返し開閉して使用できるものでなければならない。従来の技術では、気密シール部を被覆したとしても、被覆の変形やはく離、あるいは被覆同士が圧着する等の問題により、繰り返し開閉を可能とする気密シール部の被覆は困難である。そのために、気密シール部からの異物の混入は避けられない。
請求項20記載の単結晶育成用圧力容器の製造方法の発明は、請求項19記載の発明において、前記耐食性ライニングは、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングと前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングとを接合して構成することを特徴とする。
請求項21記載の単結晶育成用圧力容器の製造方法の発明は、請求項19または20に記載の発明において、前記高延性材が、Pt、あるいはAu、Ag、Cu、Taからなることを特徴とする。
請求項22記載の単結晶育成用圧力容器の製造方法の発明は、請求項19〜21のいずれかに記載の発明において、前記圧力容器本体内に前記耐食性ライニングを組み込む際に、前記ガス抜き小孔が設けられた前記圧力容器本体底部と前記耐食性ライニングとの間に、突き抜け防止部材を配置しておくことを特徴とする。
上記により圧力容器は、強腐食性のアンモニア等の溶媒と接触することがない。そのため、単結晶の高純度化や超臨界流体と接する圧力容器内壁および気密シール部の腐食、窒化および水素侵入を効果的に防止することができる。
上記中間被覆層には、耐食性、耐窒化性に優れた材料を用いる。例えば、Fe含有合金、Ni含有合金、Cr含有合金、Mo含有合金、Co含有合金が用いられる。
延伸性を高めると、圧力容器本体との線膨張係数の違いによるメカニカルライニングの破断を防止できる。また、面圧強度を高めて、塑性変形し難い材料で構成することにより、シート面の変形が防止され、気密シール部を繰り返し使用できる。
両者の接合に際しては、溶接継ぎ手部の強度を確保するために、溶接接合形状および溶接位置を考慮するのが望ましい。これにより、応力集中を防止し、腐食や疲労による溶接継手部の破断を防止できる。
上記自緊ガスケットの材料は、Pt、Ir、或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO2を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Ir、Au、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金であって、かつ気密合わせ面を構成する材料とは異なる材質を採用することができる。これにより高温高圧供用中に気密合わせ面とガスケットが圧着するのを防止することができる。
小孔を設けた圧力容器本体とメカニカルライニングの間に駒状などの突き抜け防止部材を挿入することにより、メカニカルライニングが小孔を突き抜けて、貫通破壊することを防止できる。
該内容器は、Pt、Ir、或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO2を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Au、Ir、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金の組み合わせにより構成することができる。
内筒容器内には、強腐食性の鉱化剤を添加したアルカリ水溶液あるいはアンモニア流体等の溶媒を所定の体積率で充填し、さらにライニングを施した圧力容器本体と内容器との間の空隙に、鉱化剤を含まない水、アルカリ水溶液あるいは純アンモニア等の溶媒を所定の体積率で充填し、圧力容器外部に設置したヒータなどにより加熱し、内容器内外の圧力バランスを維持した状態で、内容器内を超臨界状態に維持することができる。
図1において、有底筒状の圧力容器本体1とカバ−2とが、袋ナットまたはクランプ3によって固定されており、これら部材は、低合金鋼やNi−Cr合金等の耐熱合金によって構成されている。上記圧力容器本体1は、その外周部に配置したヒータ4によって加熱される。
圧力容器本体1の内部は、円筒状の鍔付きメカニカルライニング5で被覆されている。鍔付きメカニカルライニング5は、気密合わせ面が加工された鍔部5aを有しており、該鍔部5aは、圧力容器本体1の開口部の外周縁を覆っている。また、カバー2の内面には、ライニングカバー6が形成されている。上記メカニカルライニング5およびライニングカバー6は、前述した耐食性材料によって構成されている。上記メカニカルライニング5とライニングカバー6の間には、前述した好適な材料からなるリング状の自緊ガスケット7が介設されており、該自緊ガスケット7は、内周側ほど肉厚が厚く、外周に向かうにしたがって肉厚が小さくなるテーパ形状を有している。上記メカニカルライニング5およびライニングカバー6は、好適には、ガスケット7よりも硬度の高い材料が選定される。
上記鍔部5a、ガスケット7およびライニングカバー6は、繰り返し開閉可能な気密シール部を形成している。
鍔付きメカニカルライニング5、ガスケット7およびライニングカバー6はPt等の耐食性に優れた合金製である。したがって、気密シール部を含む全ての接液部が、耐食性に優れた合金で構成されるために、圧力容器が、強腐食性のアルカリ水溶液、酸性水溶液あるいは液化アンモニア等の溶媒と接触することがない。そのため、圧力容器が、腐食等により侵食を受けることはなく、単結晶の品質を劣化させる異物も生じない。
図3においては、鍔付きメカニカルライニング5は、メカニカルライニング本体50と気密シール構造を有する鍔部51とが接合部52で接合された構成からなる。鍔部51は、供用中におけるシート面の変形を防止し、繰り返し使用することを可能とするために、Ir等の面圧強度が高く、塑性変形し難い材料で構成される。一方、メカニカルライニング本体50には、圧力容器本体1との線膨張係数の違いによる破断を防止するために、Pt等の伸延性に優れた材料を使用する。鍔部51とメカニカルライニング本体50は溶接等により接合される。接合方法は主に溶接が望ましいが、完全な金属接合が得られるならば、接合方法は問わない。
図4には鍔部とメカニカルライニング本体の接合位置の例を示す。
図4(a)のように、鍔部51aは、メカニカルライニング本体50aの円筒形を一部含む形状のL字型断面の一体成型品とし、円筒形状部同士を接合部52aで突き合わせて接合するのが適当である。図4(b)および(c)に示すように、鍔部51b、51cのリング状部材と、メカニカルライニング本体50b、50cを直接接合する方法は、接合部52b、52cが応力集中を招き易い角部に位置するために、望ましくない。さらに、溶接後の後熱処理の際、接合部52b、52cがリング状部材に近いと、リング状部材が熱影響により変形してしまう恐れがある。したがって、接合部の挿入位置は角部よりやや離れた位置が望ましく、さらにリング状部材に後熱処理の影響が及ばない位置が望ましい。
メカニカルライニング本体は、圧力容器本体と比べて線膨張係数が小さいために、接合部に繰返し応力が生じて破断する恐れがある。そこで、図5(d)および図5(e)のように、鍔部51d、51eの胴部肉厚をメカニカルライニング本体50d、50eよりも厚くし、テーパ形状の段差を設ける。接合部52d、52eの位置は、図5(d)のようにテーパ部53dあるいは図5(e)のようにテーパ部53e上の肉厚側とすることで、接合部の強度を確保する。さらに圧力容器本体1にも、同様の形状のテーパ部を加工する。供用時の伸縮は、主にメカニカルライニング本体で生じる。テーパー部を設けることにより、伸縮はテーパー部よりも下部側のメカニカルライニング本体側にのみ生じるために、接合部を配した鍔部側の伸縮は抑制することができる。
使用するガスケット7には、高温高圧供用中にシート面と熱圧着することを防止するため、シート面と異なる合金を使用する。さらに、単結晶の育成は100MPa以上の超高圧条件であるため、シール部は自緊式ガスケット構造が適当である。また、シート面およびガスケット7の表面に、耐食性に優れ塑性変形し難い材料をコーティングすることにより、シート面とガスケット7の熱圧着を防止し、繰り返して使用することが可能となる。コーティング方法は、蒸着等によるが、その方法は問わない。
図6に圧力容器本体1と鍔付きメカニカルライニング5の密着方法を示す。鍔付きメカニカルライニング5の鍔部5aと圧力容器本体1の接触部にはOリング19が設置され、さらに圧力容器本体1底部には、小孔17が形成されている。小孔17には継手配管18が取り付けられており、図示しない真空排気装置に接続されている。密着の手順ははじめに、真空排気装置により、圧力容器本体1と鍔付きメカニカルライニング5の空隙に存在する気体を除去する。つぎにカバー2を閉じ、圧力容器本体1内を気密状態に保った後に、外部に配置した増圧器等により、圧力容器本体1内を加圧して、鍔付きメカニカルライニング5を塑性変形させながら、圧力容器本体1に密着させる。密着した後は、小孔17に取り付けた継手配管18を取り外して、封止プラグ等を取り付ける。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明したが、本発明は、上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で変更可能である。
2 カバー
3 袋ナットまたはクランプ
4 ヒータ
5 鍔付きメカニカルライニング
5a 鍔部
50 メカニカルライニング本体
51 鍔部
52 接合部
6 ライニングカバー
7 ガスケット
8 内筒容器
9 対流制御板
10 種結晶
11 原料
12a 中間被覆層
12b 中間被覆層
17 小孔
18 継手配管
19 Oリング
20 突き抜け防止部品
21 コーティング
22 開閉バルブ
23 ガス検知器
Claims (22)
- 単結晶をソルボサーマル法により育成する圧力容器において、
超臨界状態を内部に維持する圧力容器本体が耐熱合金により構成され、該容器本体の一部が開口されて該圧力容器本体の内面と前記開口の外周縁全周とに亘って耐食性メカニカルライニングが設けられ、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングを気密合わせ面として前記開口がカバーで封止されており、前記耐食性メカニカルライニングは、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングと前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングとが接合されて構成されているとともに、これら耐食性メカニカルライニングが接合された接合部が、角部から離れて位置していることを特徴とする単結晶育成用圧力容器。 - 前記接合部は、前記耐食性メカニカルライニング同士を溶接したものであり、該接合部に対する溶接後の後熱処理に際し、前記容器本体の外周縁に前記後熱処理の影響が及ばない位置にあることを特徴とする請求項1記載の単結晶育成用圧力容器。
- 単結晶をソルボサーマル法により育成する圧力容器において、
超臨界状態を内部に維持する圧力容器本体が耐熱合金により構成され、該容器本体の一部が開口されて該圧力容器本体の内面と前記開口の外周縁全周とに亘って耐食性メカニカルライニングが設けられ、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングを気密合わせ面として前記開口がカバーで封止されており、前記耐食性メカニカルライニングは、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングと前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングとが接合されて構成されており、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングは、前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングよりも肉厚に形成されており、両者の接合部または接合部の底側近傍に肉厚が変化するテーパ部を有することを特徴とする単結晶育成用圧力容器。 - 前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングは、前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングよりも肉厚に形成されており、両者の接合部または接合部の底側近傍に肉厚が変化するテーパ部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングが、Pt、Ir或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO2を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Au、Ir、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金からなり、前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングが、Pt、Ir或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO2を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Au、Ir、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 単結晶をソルボサーマル法により育成する圧力容器において、
超臨界状態を内部に維持する圧力容器本体が耐熱合金により構成され、該容器本体の一部が開口されて該圧力容器本体の内面と前記開口の外周縁全周とに亘って耐食性メカニカルライニングが設けられ、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングを気密合わせ面として前記開口がカバーで封止されており、前記耐食性メカニカルライニングが、Pt、Ir或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO 2 を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Au、Ir、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金の単独または組み合わせにより構成されており、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングからなる気密合わせ面と、前記カバーとの間に自緊ガスケットが介設されており、該自緊ガスケットは、Pt、Ir或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO2を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Ir、Au、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金からなり、かつ前記気密合わせ面を構成する材料と異なる材料からなることを特徴とする単結晶育成用圧力容器。 - 前記耐食性メカニカルライニングが、Pt、Ir或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO 2 を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Au、Ir、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金の単独または組み合わせにより構成されており、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングからなる気密合わせ面と、カバーとの間に自緊ガスケットが介設されており、該自緊ガスケットは、Pt、Ir或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO 2 を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Ir、Au、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金からなり、かつ前記気密合わせ面を構成する材料と異なる材料からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記圧力容器本体が、Fe含有合金、Ni含有合金、Cr含有合金、Mo含有合金、Co含有合金のいずれかの耐熱合金からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記耐熱合金および前記耐食性メカニカルライニングは、室温から550℃までの温度域の線膨張係数が5×10−6から11×10−6の範囲にあり、かつ前記温度域で略同じ線膨張係数を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記圧力容器本体の内面に、前記耐食性メカニカルライニングの内層として、耐食性および耐窒化性に優れた中間被覆層が1〜30mmの範囲の肉厚で形成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記中間被覆層は、Fe含有合金、Ni含有合金、Cr含有合金、Mo含有合金、Co含有合金のいずれかの耐食合金からなることを特徴とする請求項10記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングからなる気密合わせ面と、前記カバーとの間にガスケットが介設されており、前記気密合わせ面を構成する耐食性メカニカルライニングは、前記ガスケットよりも硬い材料からなることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記気密シート面とガスケットの一方または両方の表面に、耐食性に優れ、かつ550℃の温度下において0.2%耐力が150MPa以上である材料によって0.01〜100μmの厚さでコーティングが形成されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記コーティングの材料は、Pt基合金、Ir、Ir基合金、Rh、Rh基合金、Au基合金、Ru、Ru基合金、Re、Ta、Ta基合金、Zr、Zr基合金のいずれかであることを特徴とする請求項13記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記圧力容器本体に、該圧力容器本体と耐食性メカニカルライニングとの間のガスを抜くためのガス抜き小孔が設けられ、前記圧力容器本体と耐食性ライニングとの間に、突き抜け防止部材が配置されていることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記圧力容器本体内に内容器が配置され、該内容器は内部に強腐食性の鉱化剤を添加したアルカリ水溶液あるいはアンモニア流体の溶媒が充填され、内容器外部と前記耐食性メカニカルライニングとの間の空隙に鉱化剤を含まない水、アルカリ水溶液あるいは純アンモニアの溶媒が充填され、加熱によって、内容器内外の圧力バランスを維持した状態で内容器内部に超臨界状態が維持されるものであることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記内容器は、Pt、Ir、或いは、PtにIr、Rh、Au、Ru、Re、ZrO2を少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、IrにPt、Rh、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金、或いは、RhにPt、Au、Ir、Ru、Reを少なくとも1種類以上添加した合金の単独または組み合わせにより構成されていることを特徴とする請求項16記載の単結晶育成用圧力容器。
- 前記圧力容器本体に、開閉可能な小孔が設けられ、該小孔に該圧力容器本体と耐食性ライニングとの間の空隙内ガス組成を検知するセンサが設けられていることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器。
- 超臨界状態を内部に維持する圧力容器本体が耐熱合金により構成され、該容器本体の一部が開口されて該圧力容器の内面と前記開口の外周縁全周とに亘って耐食性メカニカルライニングが設けられ、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングを気密合わせ面として前記開口がカバーで封止され、単結晶をソルボサーマル法により育成する圧力容器の製造方法において、
前記圧力容器本体の内壁及び耐食性メカニカルライニングの外壁の一方または両方に高延性材からなるコーティングを施すとともに、前記圧力容器本体に該圧力容器本体と耐食性ライニングとの間のガスを抜くためのガス抜き小孔を設けておき、該圧力容器本体内に前記耐食性ライニングを組み込み、前記ガス抜き小孔を通して前記圧力容器本体と前記耐食性メカニカルライニングとの空隙に存在する気体を除去し、前記圧力容器本体内を加圧して前記耐食性メカニカルライニングを塑性変形させながら該耐食性メカニカルライニングと前記圧力容器本体とを密着させてクラッディングさせることを特徴とする単結晶育成用圧力容器の製造方法。 - 前記耐食性ライニングは、前記開口の外周縁に形成された耐食性メカニカルライニングと前記圧力容器本体内面に形成された耐食性メカニカルライニングとを接合して構成することを特徴とする請求項19記載の単結晶育成用圧力容器の製造方法。
- 前記高延性材が、Pt、あるいはAu、Ag、Cu、Taからなることを特徴とする請求項19または20に記載の単結晶育成用圧力容器の製造方法。
- 前記圧力容器本体内に前記耐食性ライニングを組み込む際に、前記ガス抜き小孔が設けられた前記圧力容器本体底部と前記耐食性ライニングとの間に、突き抜け防止部材を配置しておくことを特徴とする請求項19〜21のいずれかに記載の単結晶育成用圧力容器の製造方法。
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