JP5604769B2

JP5604769B2 - 真空溶解装置

Info

Publication number: JP5604769B2
Application number: JP2006344740A
Authority: JP
Inventors: 正徳津田; 昌宏田所; 泰弘中井
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2008157501A

Description

本発明は、真空タンク内で処理対象物を溶解する真空溶解装置に関するものである。

真空溶解装置は、気密状態に外部から隔離された処理室を形成する真空タンクと、真空タンク内に設けられ、処理対象物を収容するカーボン製のルツボと、ルツボ内の処理対象物を加熱して溶解させる加熱装置とを備えており、通常、ルツボが満杯の状態となるように処理対象物を投入し、処理対象物を充分に加熱溶融した後、例えば結晶成長等の各種の処理を行うようになっている。

ところで、実際に処理を開始すると、開始直後に機械が故障する等の不具合により装置を緊急に停止させることが必要になる場合がある。このような場合に、処理対象物がＳｉのように大きな膨張係数を有していると、溶融温度の体積と冷却温度の体積とに大きな差が生じるため、冷却時や加熱時に満杯状態で収容された処理対象物がルツボを大幅に変形させて破損させる場合がある。従って、従来、緊急停止した場合には、処理対象物を収容した状態でルツボを処理室から取り出し、新たなルツボを処理室に設置することによって、破損した状態で処理を再開することによる処理室全体の破損や汚染を防止する対策が採られている。

しかしながら、上記従来のように、ルツボを交換する対策では、処理室から取り出したルツボおよび処理対象物が無駄になると共に、交換作業を行うオペレータに大きな負担がかかり、さらに、交換作業に要する時間により生産性が低下するという問題がある。

従って、本発明は、処理の開始直後に緊急停止した場合でも、ルツボを交換することなく処理を再開することができる真空溶解装置を提供するものである。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、外部環境とは異なる処理環境に設定される真空タンクと、前記真空タンク内に設けられ、処理対象物を収容するカーボン製のルツボと、前記ルツボの周囲に配置され、該ルツボに収容された処理対象物を誘導加熱して溶解する誘導加熱コイルと、緊急停止時に、前記ルツボに収容された処理対象物の収容量を検出し、検出された前記収容量が所定値以上である場合に、前記ルツボに収容された処理対象物を排出させて回収する回収機構とを有し、前記回収機構は、前記ルツボを傾斜させるルツボ回動機構と、傾斜されたルツボから排出される処理対象物を受け止める回収容器とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、真空溶解装置が緊急停止すると、回収機構がルツボから処理対象物を排出させて回収するため、ルツボ内には僅かな残存量の処理対象物が収容された状態になる。従って、カーボン製のルツボが変形に対して脆いという性質を有し、さらに処理対象物が冷えることにより凝固して体積を大幅に減少させても、処理対象物の体積減少で引き起こされるルツボの変形が僅かなものになるため、ルツボが破損することはない。この結果、ルツボを再使用することができるため、真空溶解装置が復旧すれば、ルツボを交換する必要がないため、直ちに運転を再開して生産性を高めることができる。また、ルツボおよび回収した処理対象物を再使用することができるため、生産コストを低減することもできる。

また、上記の構成によれば、ルツボを傾斜させるという簡単な構成でルツボから処理対象物を回収することができる。

請求項２の発明は、外部環境とは異なる処理環境に設定される真空タンクと、前記真空タンク内に設けられ、処理対象物を収容するカーボン製のルツボと、前記ルツボの周囲に配置され、該ルツボに収容された処理対象物を誘導加熱して溶解する誘導加熱コイルと、緊急停止時に、前記ルツボに収容された処理対象物の収容量を検出し、検出された前記収容量が所定値以上である場合に、前記ルツボに収容された処理対象物を排出させて回収する回収機構とを有し、前記回収機構は、前記ルツボの底面壁に形成された出湯口と、前記出湯口に設けられたロート状の出湯部材と、前記出湯部材の周囲に設けられ、出湯口付近および出湯部材内に存在する処理対象物を誘導加熱して溶解可能な出湯コイルと、前記出湯部材の下方に設けられ、ルツボから排出される処理対象物を受け止める回収容器とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、ルツボの姿勢を変化させなくても、出湯口から処理対象物を排出させて回収することができるため、多量の処理対象物を収容可能な大重量のルツボに対しても容易に適用することができる。

本発明の実施の形態を図１ないし図３に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る真空溶解装置は、図１に示すように、単結晶や所定成分からなる結晶を溶融状態の処理対象物２０から成長させる結晶成長装置等に適用される。即ち、真空溶解装置１は、処理対象物２０を溶解しながら所定の液面高さで処理する溶解装置本体２と、溶解装置本体２の動作を監視および制御する制御装置３とを有している。

上記の溶解装置本体２は、処理室４を形成する真空タンク５と、処理室４に設けられ、処理対象物２０を収容しながら加熱溶融する溶解機構６と、処理対象物２０を結晶成長させながら引き上げる引上げ装置７と、溶解機構６で溶解された処理対象物の液面高さを検出する液面高さ検出装置８と、溶解機構６で溶解された処理対象物２０の液面を任意の高さ位置に位置決め可能な昇降機構１５とを備えている。

上記の真空タンク５には、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを供給可能な図２の不活性ガス供給装置１０が接続されており、不活性ガスが処理室４に任意の濃度となるように供給可能にされている。また、真空タンク５には、図２の真空ポンプ１１も接続されており、処理室４の空気が任意の圧力（真空度）となるように外部に排気可能にされている。これにより、真空タンク５内の処理室４は、外部環境とは異なる所望の真空度や不活性ガス濃度の処理環境を出現可能にされている。また、真空タンク５には、処理室４の温度を検出する温度センサ６１や処理室４の圧力を検出する圧力センサ６２等の各種のセンサが設けられている。

上記の真空タンク５内に設けられた溶解機構６は、処理対象物２０を収容するルツボ１２と、ルツボ１２の周囲に配置され、処理対象物２０を誘導加熱する誘導加熱コイル１３と、誘導加熱コイル１３に交流電力を供給する電源装置１４と、誘導加熱コイル１３およびルツボ１２を底面から側面にかけて収容して保護する保護部材３１と、ルツボ１２の上端部から外周方向に突設され、処理対象物２０の排出路を形成する排出路部材３２とを有している。

溶解機構６の下方には、ルツボ１２を昇降させる昇降機構１５と、ルツボ１２を傾斜させるように回動させるルツボ回動機構２１とが設けられている。昇降機構１５は、昇降シリンダ１７を有している。昇降シリンダ１７は、シリンダロッド１７ａの軸心が鉛直方向となるように立設されており、シリンダロッド１７ａは、真空タンク５の底面壁を気密状態および移動自在に貫設されている。そして、昇降機構１５は、制御装置３からの昇降指令に基づいてシリンダロッド１７ａを進退移動させることによって、ルツボ１２を任意の高さ位置に位置決め可能に昇降させるようになっている。

一方、ルツボ回動機構２１は、シリンダロッド１７ａの先端面に中心部が接合された支持板２２と、排出路部材３２の配設側における支持板２２および保護部材３１間に連結された回動部材２３と、支持板２２の中心部を挟んで他方側の上面外周部に設けられ、回動部材２３とでルツボ１２を水平方向に支持する支持部材２４とを有している。また、支持板２２の中心部と支持部材２４との間には、挿通穴２２ａが形成されている。挿通穴２２ａには、棒状の押し上げ部材２５が挿通可能にされている。押し上げ部材２５は、下端部が真空タンク５の底面壁に設けられ、軸心が鉛直方向となるように立設されている。

そして、このように構成されたルツボ回動機構２１は、ルツボ１２が図示二点鎖線の処理高さ位置に上昇されているときに、溶融状態の処理対象物２０をルツボ１２に収容させるように、ルツボ１２を回動部材２３と支持部材２４とで水平方向に支持する一方、ルツボ１２が処理高さ位置から下降されたときに、支持板２２の挿通穴２２ａを挿通した押し上げ部材２５でルツボ１２の一方端を押し上げながらルツボ１２を回動および傾斜させることによって、ルツボ１２内の処理対象物２０を排出するようになっている。

また、真空タンク５の底面壁には、回収容器２６が設けられている。回収容器２６は、昇降機構１５の側方に設けられており、図示実線にのようにルツボ１２が傾斜されて処理対象物２０が排出されたときに、この処理対象物２０を受け止めるように配置されている。

一方、真空タンク５の上面壁には、引上げ装置７が溶解機構６の上方に位置するように設けられている。引上げ装置７は、軸心が鉛直方向となるように立設され、真空タンク５の上面壁を気密状態および移動自在に貫設された引上げ棒１８と、真空タンク５の上面壁に設けられ、引上げ棒１８を所定の回転速度で回転させながら所定の上昇速度で引き上げる引上げ棒駆動装置１９とを備えている。そして、引上げ装置７は、引上げ棒１８の下端面に種結晶を取り付け、この種結晶を溶融状態の処理対象物２０に接触させた後、所定の回転速度で引上げ棒１８を回転させながら上昇させることによって、処理対象物２０の結晶を種結晶に析出させながら上方向に成長させるようになっている。

さらに、真空タンク５の上面壁には、液面高さ検出装置８を構成する発光器８ａと受光器８ｂとが上記の引上げ装置７を中心として左右対称に配置されている。発光器８ａは、グリーンレーザ光８ｃを出射可能にされており、このレーザ光８ｃをルツボ１２に収容された処理対象物２０方向に出射するように設定されている。一方、受光器８ｂは、処理対象物２０の液面で反射したグリーンレーザ光８ｃを受光可能にされており、グリーンレーザ光８ｃの受光位置に応じた検出信号を制御装置３に出力する。

上記のように構成された溶解装置本体２は、図２に示すように、制御装置３により動作が制御されるようになっている。制御装置３は、各種のプログラムを実行する演算部５２と、処理内容等の管理を行う情報処理装置６０に対してデータ通信可能に接続された通信部５３と、引上げルーチン等の各種のプログラムやデータを格納するメモリ５４と、溶解装置本体２の各駆動機器やセンサに接続された入力出部５５と、温度センサ６１や圧力センサ６２等に接続されたＡＤコンバータ５６と、これら各部５２〜５６を双方向にデータ通信可能に接続した信号バス５７とを備えている。

上記の構成において、真空溶解装置１の動作を説明する。

先ず、図１に示すように、真空タンク５の図示しない開閉扉が開放状態にされ、例えばＳｉ等の塊からなる処理対象物２０がルツボ１２に投入されると共に、引上げ棒１８の下端面に種結晶が取り付けられる。所定量の投入が完了すると、真空タンク５の開閉扉が閉めらることによって、気密状態の処理室４に処理対象物２０が放置された状態にされる。この後、図２の真空ポンプ１１が作動され、処理室４の空気が排気される。そして、処理室４が所定の真空度に到達したときに、図２の不活性ガス供給装置１０からアルゴンガス等の不活性ガスが処理室４に供給される。そして、処理室４が所望の圧力や不活性ガス濃度の処理環境に設定される。

次に、電源装置１４が駆動され、電源装置１４から誘導加熱コイル１３に対して交流電力が供給される。誘導加熱コイル１３に交流電力が供給されると、誘導加熱コイル１３が交番磁場を生成して処理対象物２０に印加する。この結果、処理対象物２０に誘導電流が発生し、この誘導電流で処理対象物２０が誘導加熱されることにより溶解を開始する。

この後、誘導加熱により処理対象物２０の全量が溶解したと判断される所定時間が経過すると、液面高さ検出装置８が作動される。これにより、液面高さ検出装置８の発光器８ａからスリット状のグリーンレーザ光８ｃが処理対象物２０の液面に向けて出射され、液面で反射したグリーンレーザ光８ｃが受光器８ｂで受光される。そして、受光器８ｂは、グリーンレーザ光８ｃの受光位置が基準位置に対して外れた距離に比例した大きさの検出信号を制御装置３に出力する。尚、グリーンレーザ光８ｃは、視認性の良好な可視光線であるため、処理対象物２０の液面で大部分が反射して受光器８ｂで受光される。この結果、受光器８ｂでの受光量が少なくなることによって、検出信号が不正確になるという事態を確実に回避することができる。

制御装置３が液面高さ検出装置８から検出信号を受け取ると、制御装置３は、検出信号が設定値となるように、昇降指令を昇降機構１５に出力する。これにより、昇降機構１５が昇降指令に基づいてシリンダロッド１７ａを進退移動させてルツボ１２を昇降させることによって、処理対象物２０の液面が所定の高さ位置に位置決めされる。

この後、引上げ装置７が作動され、引上げ棒１８が下降される。そして、引上げ棒１８の下端面に設けられた種結晶が溶融状態の処理対象物２０に浸漬された後、回転されながら引き上げられる。これにより、処理対象物２０の結晶が種結晶を中心として析出し、引上げ棒１８の引き上げ動作が継続されることにより上方向に成長することになる。

処理対象物２０の結晶が成長すると、溶融状態の処理対象物２０が減少するため、ルツボ１２内における処理対象物２０の液面高さが低下する。この際、処理対象物２０の液面高さは、上述の液面高さ検出装置８により監視されており、制御装置３は、液面高さの低下に対応した昇降指令を昇降機構１５に出力することによって、ルツボ１２を上昇させ、ルツボ１２内の処理対象物２０の液面を所定の高さ位置に維持する。これにより、処理対象物２０の液面に対して引上げ棒１８の引き上げ速度が常に一定の速度に維持されるため、この引上げ棒１８で形成される処理対象物２０の結晶を安定して成長させることができる。

また、処理対象物２０の結晶を成長させている途中で故障等が発生した場合には、昇降機構１５におけるシリンダロッド１７ａの進出量によりルツボ１２の昇降位置が求められ、この昇降位置に基づいて処理対象物２０の収容量が求められる。収容量が所定値未満である場合には、処理対象物２０の凝固や再溶融時の体積変化によってはルツボ１２が破損しない程度の残存量であると判断される。これにより、ルツボ１２が現在の高さ位置、即ち、図示二点鎖線の溶融高さ位置に維持され、処理対象物２０を収容した状態で放置される。

一方、処理対象物２０の収容量が所定値以上である場合には、処理対象物２０の冷却および再溶融による熱膨張でルツボ１２が破損し易い程度の残存量であると判断される。従って、この場合には、ルツボ１２からの処理対象物２０の排出動作が実行される。

即ち、昇降機構１５において、昇降シリンダ１７内にシリンダロッド１７ａが引き込まれることによって、ルツボ１２の下降が開始される。ルツボ１２が下降されると、真空タンク５の底面壁から立設された押し上げ部材２５が支持板２２の挿通穴２２ａに進入し、押し上げ部材２５の先端部がルツボ１２の底面に当接する。そして、さらにルツボ１２の下降が継続されると、押し上げ部材２５がルツボ１２の一方側を所定の高さ位置で支持した状態となる。一方、ルツボ１２の他方側においては、回動部材２３を介して支持板２２および昇降シリンダ１７に連結されているため、下降が継続される。この結果、ルツボ１２の一方側が押し上げ部材２５で押し上げられた状態になり、ルツボ１２が回動部材２３を回動中心として傾斜することによって、ルツボ１２内の処理対象物２０が回収容器２６に投入および回収される。

尚、ルツボ１２が傾斜されたときにルツボ１２の最下端に位置する部分には、排出路部材３２が設けられており、この排出路部材３２が処理対象物２０の流路として機能する。従って、回収容器２６への回収時に高温の処理対象物２０が誘導加熱コイル１３上を流動することになっても、誘導加熱コイル１３が破損することはない。

この後、ルツボ１２内の処理対象物２０が誘導加熱の停止により冷却し、体積を減少させることになるが、上述のように大部分の処理対象物２０がルツボ１２から排除されているため、ルツボ１２が処理対象物２０の冷却時に破損することはない。また、回収容器２６に回収された処理対象物２０は、真空タンク５から取り出され、以後の処理時に再利用される。そして、真空溶解装置１の緊急停止が解除されると、ルツボ１２に新たな処理対象物２０を投入し、溶解を再開する。尚、この溶解の再開時においても、凝固した未回収の処理対象物２０がルツボ１２を変形させるように作用することになるが、残存量が少ないため、ルツボ１２を破損させることはない。

以上のように、本実施形態の真空溶解装置１は、外部環境とは異なる処理環境に設定される真空タンク５と、真空タンク５内に設けられ、処理対象物２０を収容するカーボン製のルツボ１２と、ルツボ１２の周囲に配置され、ルツボ１２に収容された処理対象物２０を誘導加熱して溶解する誘導加熱コイル１３と、緊急停止時にルツボ１２に収容された処理対象物２０を排出させて回収するルツボ回動機構２１等の回収機構とを有した構成にされている。

上記の構成によれば、真空溶解装置が緊急停止すると、回収機構がルツボ１２から処理対象物２０を排出させて回収するため、ルツボ１２内には僅かな残存量の処理対象物２０が収容された状態になる。従って、カーボン製のルツボ１２が変形に対して脆いという性質を有し、さらに処理対象物２０が冷えることにより凝固して体積を大幅に減少させても、処理対象物２０の体積減少で引き起こされるルツボ１２の変形が僅かなものになるため、ルツボ１２が破損することはない。この結果、ルツボ１２を再使用することができるため、真空溶解装置が復旧すれば、ルツボ１２を交換する必要がないため、直ちに運転を再開して生産性を高めることができる。また、ルツボ１２および回収した処理対象物２０を再使用することができるため、生産コストを低減することもできる。

また、本実施形態における回収機構は、ルツボ１２を傾斜させるルツボ回動機構２１と、傾斜されたルツボ１２から排出される処理対象物２０を受け止める回収容器２６とを有した構成にされることによって、簡単な構成で処理対象物２０をルツボ１２から排出させて回収ことが可能になっている。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。例えば本実施形態におけるルツボ回動機構２１は、押し上げ部材２５でルツボ１２の一方側を押し上げながら他方側の回動部材２３でルツボ１２を回動させることによって、ルツボ１２を傾斜させているが、これに限定されるものではなく、回動部材２３に駆動機構を備えさせることによって、回動部材２３のみでルツボ１２を回動させるようになっていても良い。この場合には、回動部材２３の回動開始タイミングを調整することによって、ルツボ１２を任意の高さ位置で回動させることができる。

また、本実施形態における回収機構は、ルツボ１２を傾斜させることによって、処理対象物２０をルツボ１２から回収容器２６に回収するようになっているが、これに限定されるものでもない。即ち、回収機構は、図３に示すように、ルツボ１２の底面壁に出湯口１２ａを形成し、この出湯口１２ａに冷却水路を備えたロート状の出湯部材３５を設け、さらに出湯部材３５の周囲に誘導加熱用の出湯コイル３６を設けると共に、この出湯コイル３６に高周波電力を任意のタイミングで供給可能な出湯用電源装置３７を設けた構成であっても良い。

この場合には、出湯コイル３６に高周波電力を供給しなければ、水冷された出湯部材３５で出湯口１２ａ付近や出湯部材３５内に存在する処理対象物２０を凝固させることにより出湯口１２ａを閉栓状態にすることができる。一方、出湯コイル３６に高周波電力を供給すれば、出湯部材３５内および出湯口１２ａ付近の処理対象物２０を誘導加熱して溶解させることにより出湯口１２ａを開栓状態にすることができる。これにより、出湯口１２ａの下方にガイド部材３８を必要に応じて設け、このガイド部材３８を介して間接的または直接的に回収容器２６に処理対象物２０を流動可能にしておけば、真空溶解装置１の緊急停止時に出湯口１２ａを即座に開栓状態にしてルツボ１２内の処理対象物２０を回収容器２６に回収することができる。また、ルツボ１２の姿勢を変化させなくても、出湯口１２ａから処理対象物２０を排出させて回収することができるため、多量の処理対象物２０を収容可能な大重量のルツボ１２に対しても容易に適用することができる。

真空溶解装置の概略構成図である。真空溶解装置のブロック図である。真空溶解装置の概略構成図である。

符号の説明

１真空溶解装置
２溶解装置本体
３制御装置
４処理室
５真空タンク
６溶解機構
７引上げ装置
８液面高さ検出装置
１１真空ポンプ
１２ルツボ
１２ａ出湯口
１３誘導加熱コイル
１４電源装置
１５昇降機構
１７昇降シリンダ
１８引上げ棒
１９引上げ棒駆動装置
２０処理対象物
２１ルツボ回動機構
２２支持板
２３回動部材
２４支持部材
２５押し上げ部材
２６回収容器
３１保護部材
３２排出路部材
３５出湯部材
３６出湯コイル
３７出湯用電源装置
３８ガイド部材

Claims

外部環境とは異なる処理環境に設定される真空タンクと、
前記真空タンク内に設けられ、処理対象物を収容するカーボン製のルツボと、
前記ルツボの周囲に配置され、該ルツボに収容された処理対象物を誘導加熱して溶解する誘導加熱コイルと、
緊急停止時に、前記ルツボに収容された処理対象物の収容量を検出し、検出された前記収容量が所定値以上である場合に、前記ルツボに収容された処理対象物を排出させて回収する回収機構とを有し、
前記回収機構は、
前記ルツボを傾斜させるルツボ回動機構と、
傾斜されたルツボから排出される処理対象物を受け止める回収容器とを有することを特徴とする真空溶解装置。
外部環境とは異なる処理環境に設定される真空タンクと、
前記真空タンク内に設けられ、処理対象物を収容するカーボン製のルツボと、
前記ルツボの周囲に配置され、該ルツボに収容された処理対象物を誘導加熱して溶解する誘導加熱コイルと、
緊急停止時に、前記ルツボに収容された処理対象物の収容量を検出し、検出された前記収容量が所定値以上である場合に、前記ルツボに収容された処理対象物を排出させて回収する回収機構とを有し、
前記回収機構は、
前記ルツボの底面壁に形成された出湯口と、
前記出湯口に設けられたロート状の出湯部材と、
前記出湯部材の周囲に設けられ、出湯口付近および出湯部材内に存在する処理対象物を誘導加熱して溶解可能な出湯コイルと、
前記出湯部材の下方に設けられ、ルツボから排出される処理対象物を受け止める回収容器とを有することを特徴とする真空溶解装置。