PL218082B1 - Urządzenie do topienia strefowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do topienia strefowego wykorzystywane do wytwarzania materiałów o najwyższym stopniu czystości oraz do monokrystalizacji szeregu pierwiastków i związków chemicznych - głównie na potrzeby elektroniki.

Proces uzyskiwania najczystszych materiałów jest najczęściej realizowany poprzez wielokrotne, powolne przemieszczanie jednego lub kilku grzejników wytwarzających na długim wlewku zestalonego materiału lokalną strefę stopionego materiału. Przeważnie stosuje się szybkości kilku centymetrów na godzinę. Oddziaływanie wzajemne strefy stopionej przemieszczającej się wraz z grzejnikiem i zestalonego materiału powoduje wędrówkę niemal wszystkich zanieczyszczeń w zależności od ich rodzaju albo w kierunku zgodnym z ruchem strefy stopionej albo w kierunku przeciwnym. W wyniku przesuwania się strefy stopionej, domieszki podnoszące temperaturę krzepnięcia wzbogacają materiał krzepnący, a domieszki obniżające temperaturę krzepnięcia wzbogacają ciekły stop. Wielokrotne przechodzenie strefy stopionej powoduje sukcesywne przemieszczanie domieszek obniżających temperaturę topnienia w kierunku zgodnym z ruchem strefy stopionej, a podnoszących temperaturę topnienia w kierunku przeciwnym do ruchu strefy stopionej. Z reguły do procesu topienia strefowego używa się materiału wstępnie oczyszczonego innymi metodami przynajmniej do stopnia zawartości głównego składnika 99,9%, a topienie strefowe podnosi ten stopień do wartości 99,9999% lub wyższej. Proces czyszczenia strefowego jest skuteczny, gdy wykonanych zostaje przynajmniej kilkanaście przejść strefy stopionej przez blok oczyszczanego materiału. Wymaga to automatycznego napędzania grzejników, które po zakończeniu pojedynczej operacji powolnego przemieszczania są szybko cofane do pozycji startowej, skąd rozpoczynany jest automatycznie ponowny ruch powolny. Stosowane są różne konfiguracje oczyszczanego bloku: pozioma, pionowa, rzadko ukośna oraz rozmaite systemy grzania: przeważnie radiacyjne, lecz nierzadko też indukcyjne. Grzanie radiacyjne jest najczęściej realizowane przy użyciu grzejników oporowych z elementem grzejnym o temperaturze do około 1300°C, natomiast topienie strefowe materiałów wysokotopliwych realizowane jest przy użyciu grzania indukcyjnego lub radiacyjnego z użyciem żarówek wysokiej mocy i eliptycznych zwierciadeł ustawionych tak, by włókno grzejne żarówki znajdowało się w jednym ognisku elipsy, a topiony obszar materiału poddanego obróbce w drugim. Dla podniesienia wydajności procesu stosowane są niekiedy bloki grzejników ustawionych szeregowo tak, by strefa stopiona wytworzona przez pierwszy grzejnik była przechwytywana po szybkim cofnięciu przez drugi grzejnik, a strefa pozostająca poprzednio w zasięgu drugiego grzejnika przez grzejnik trzeci i tak dalej do ostatniego grzejnika wychodzącego poza koniec oczyszczanego bloku. Takie przeciąganie kilku stref stopionych kilkakrotnie skraca czas realizacji zadanej liczby przejść strefy stopionej.

W przypadku prostych grzejników stosuje się najczęściej nieruchome zamocowanie długiego tygla lub łódki z materiałem poddanym obróbce, a napędzany jest wózek z jednym lub kilkoma grzejnikami. W przypadku grzania indukcyjnego lub radiacyjnego z użyciem zwierciadeł dogodniejsze jest przemieszczanie materiału przez strefę działania grzejnika. Dotyczy to zarówno konfiguracji poziomej, jak i pionowej i w każdym przypadku poddany obróbce materiał i grzejnik wykonują względem siebie ruch posuwisto-zwrotny o różniących się szybkościach ruchu postępowego i ruchu cofania.

W znanych urządzeniach do topienia strefowego ruch posuwisto-zwrotny o różniących się szybkościach ruchu postępowania i cofania realizowany jest przez jeden silnik z elektromagnetyczną skrzynią biegów umożliwiającą automatyczne powtarzanie powolnego ruchu postępowego oraz szybkiego wstecznego lub też przez dwa silniki zamocowane do korpusu urządzenia, z których jeden silnik realizuje powolny ruch postępowy, a drugi ruch szybki cofania, przy czym element ruchomy urządzenia jest napędzany naprzemian przez oba silniki za pośrednictwem sprzęgieł elektromagnetycznych.

Wadą znanych sposobów jest konieczność stosowania skrzyń biegów lub sprzęgieł elektromagnetycznych, które podnoszą koszty wykonania i ze względu na złożoność stanowią najbardziej podatne na zużycie i awarie elementy urządzenia.

Urządzenie według wynalazku posiada korpus, w którym za pomocą dwóch silników przemieszczany jest element ruchomy z zamocowaną ampułą lub grzejnikiem. W urządzeniu tym, silnik realizujący jeden kierunek ruchu umieszczony jest na elemencie napędzanym, natomiast silnik realizujący ruch w przeciwnym kierunku umieszczony jest na korpusie urządzenia.

Zaletą urządzenia według wynalazku jest wysoka jego niezawodność, gdyż nie zawiera elementów podatnych na częste awarie czy zużycie jak to ma miejsce w przypadku sprzęgieł elektromagnetycznych czy skrzyni biegów. Urządzenie jest na tyle wszechstronne, że może być stosowane

PL 218 082 B1 wszędzie tam, gdzie wymagany jest powtarzany ruch posuwisto-zwrotny o różniących się szybkościach postępowej i wstecznej. Szczególnie jest to istotne w procesach wygrzewania strefowego bez stapiania, a także w syntezach związków półprzewodnikowych charakteryzujących się znacznym efektem cieplnym, gdzie wymagana jest ograniczona strefa reakcji.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia schemat urządzenie do topienia strefowego pierwiastkowego telluru w celu podniesienia stopnia jego czystości z poziomu 99,99% do 99,9999%.

Przykładowe urządzenie posiada korpus, w którym sztywnie zamocowana jest ampuła technologiczna z przygotowanym materiałem oraz ruchomy wózek W, na którym umieszczony jest grzejnik G. Ruch wózka realizowany jest za pomocą dwóch silników: kilkunastowatowego silnika synchronicznego z przekładnią wewnętrzną zapewniającą 20 obrotów wału wyjściowego na minutę Sr oraz dwustuwatowego silnika komutatorowego o ok. 100 obrotach na sekundę Sc.

W urządzeniu tym obroty silnika Sr zamocowanego na elemencie napędzanym - wózku W, dzięki przekładni ślimakowej Ps o przełożeniu 60-ciokrotnym i sztywnym wysięgnikom Lw i Pw wózka W przekształcane są na ruch postępowy wózka W oraz grzejnika G umieszczonego również na tym wózku. Oznaczony strzałką suw roboczy w prawo realizowany jest poprzez zamocowany do wału silnika Sr ślimak stanowiący wraz ze ślimacznicą przekładnię ślimakową Ps. Otwór ślimacznicy jest nagwintowany tak, że stanowi on nakrętkę dopasowaną do długiej śruby S o skoku 1 mm. Obrót ślimacznicy wywołany przez obrót ślimaka powoduje jej przemieszczanie się na śrubie w kierunku suwu roboczego, który to ruch wskutek popychania przez ślimacznicę prawego wysięgnika Pw jest przenoszony na wózek W przemieszczający się w prawo z szybkością 2 cm/godz. wraz zamocowanym na nim silnikiem suwu roboczego Sr oraz grzejnikiem pierścieniowym G. Grzejnik G otacza napełnioną wodorem ampułę technologiczną w postaci rury R ze szkła kwarcowego, w której to rurze umieszczona jest grafitowa łódka zawierająca poddawany obróbce tellur. Wskutek działania grzejnika G tellur zawarty w łódce ulega lokalnemu stopieniu i tym samym powstaje w nim strefa stopiona przemieszczająca się w prawo wraz z grzejnikiem G do chwili wywarcia nacisku na mikrowłącznik cofania Mc. Mikrowłącznik Mc włącza zasilanie nie umieszczonego na rysunku stycznika pracującego w układzie samopodtrzymującym, poprzez który to stycznik zasilany jest szybkoobrotowy silnik cofania Sc. Mikrowłącznik Mc podaje tez impuls do nie umieszczonego na rysunku licznika przejść strefy stopionej. Silnik cofania Sc powoduje obrót śruby S, która przemieszcza w lewo ślimacznicę przekładni ślimakowej Ps, przy czym sprzężenie ślimacznicy ze ślimakiem zapobiega jej niepożądanemu obrotowi wraz ze śrubą. Wskutek popychania lewego wysięgnika Lw przez ślimacznicę następuje ruch wózka z zamocowanym na nim grzejnikiem G w lewo. Działanie silnika cofania Sc i wynikający z niego kilkusekundowy ruch w lewo trwa do chwili wywarcia nacisku na mikrowyłącznik inicjujący suw roboczy Mr, który przerywa zasilanie stycznika powodując wyłączenie silnika cofania Sc i wznowiony zostaje suw roboczy wywołany przez wyłączne działanie silnika suwu roboczego Sr. Tak, jak w przypadku poprzedniego suwu roboczego, ruch ten trwa aż do wywarcia przez wózek W nacisku na mikrowłącznik cofania Mc, który zamykając obwód sterowania stycznika włączy ponownie silnik cofania Sc i poda kolejny impuls do licznika cykli.

Dla podniesienia stopnia czystości telluru z poziomu 99,99% do 99,9999% na liczniku zadana została liczba 30 przejść strefy stopionej. Po zakończeniu tej serii cykli zasilanie obu silników i grzejnika jest automatycznie wyłączane.

Claims (1)

1. Urządzenie do topienia strefowego posiadające korpus, w którym za pomocą dwóch silników przemieszczany jest element ruchomy z zamocowaną ampułą lub grzejnikiem, znamienne tym, że silnik (Sr) realizujący jeden kierunek ruchu umieszczony jest na elemencie napędzanym, natomiast silnik (Sc) realizujący ruch w przeciwnym kierunku umieszczony jest na korpusie urządzenia.