WO2001016412A1 - Force magnetique produisant un champ micro-gravitationnel factice permettant a une substance de flotter ou d'entrer en fusion - Google Patents

Description

明細書

磁気力による擬似微小重力場を利用した浮遊溶融 技術分野

本発明は、 磁場勾配により発生する磁気力で被溶融物質を浮遊 状態に維持し、 加熱， 溶融， 冷却する方法， 装置及び製造された球 状物質に関する。 背景技術

電子技術， 光技術を始めとする先端技術の進展に伴って、 極めて 高い純度や極めて理想的な形状及び表面をもつ材料が要求されるよ うになつてきた。 一般に材料の溶製段階ではルツボ， 铸型等の容器 が使用されるが、 この方法では容器によつて材料が汚染される虞れ がある。 そこで、 容器による汚染を解消するため、 容器を使用する ことなく溶融 · 溶製する方法が開発されている。

容器を使用することなく物質を合成する高温溶融方法と しては、 静電浮遊， 電磁浮遊， ガス流浮遊， 超音波浮遊等の重力場での浮遊 状態や、 ロケッ ト， 飛行機， 落下塔等、 自由落下による微小重力状 態の溶融炉が利用されている。 微小重力浮遊状態での材料溶製は、 1 992年に音波浮遊炉を用いて宇宙空間で実験され、有用性が認識され ている。 しかし、 経済性が重視される産業に利用可能とするために は、 宇宙空間の代替となる浮遊状態を地上においても利用できる技 術の確立が必要になる。

静電気を利用する方法では、 被処理物質を帯電させ、 電場によって発生 した引力又は斥力で被処理物質を浮遊させる。 この方法で安定な浮遊状態 を得るためには、 電場の安定点を形成し、 その中心に帯電物質を浮遊させ ることが必要になる。 しかし、 安定点をもった電場の発生が困難であるこ と、 更に溶融状態の維持に必要な高温雰囲気では電荷保持に問題があるこ とから、 処理物質の化学組成やサイズに制約が加わる。

電磁誘導を利用する方法では、 変動する磁場によって被処理物質の内部 に反電流を発生させ、 そのときに生じる反発力で被処理物質を浮遊させて いる。 この場合、 被処理物質が導電性であることが必要とされ、 たとえば ガラスのような絶縁体では浮遊力が生じない。

ガス流を用いた方法では、 導電性の有無， 化学組成に拘わらず被処理物 質を浮遊させ、 大きな被処理物質の浮遊もガス流の増大によって可能にな る。 しかし、 ガス流を増大させると加熱溶融が困難になる。 また、 ガスの 流れによつて融液の大きな揺動が避けられず、 球状体や平滑面を得ること ができなくなる。

超音波の音圧を利用する方法では、 導電性如何に拘わらず被処理物質を 浮遊させることが可能である。 しかし、 音場によって生じる浮力は、 電磁 気力やガス流に比較して遥かに小さく、 被処理物質の大きさや重量に制約 が力 Πわる。

また、 電磁誘導や超音波では、 高周期の振動に起因する揺動が融液に生 じ、 融液内部における物質流動が避けられず、 形状に悪影響を及ぼす原因 となる。

しかも、 静電気， 電磁誘導， ガス流， 超音波を利用する何れの方法でも 被処理物質全体に上向きの力を加えて浮遊させているので、 被処理物質を 構成する原子や分子は基本的に 1Gの重力が加わった状態に維持される。そ のため、 加熱時に生じた熱分布によって被処理物質が部分的に膨張収縮す ると、 融液中に対流が生じる。 また、 化学組成に起因した比重差によって 成分の偏りが生じることも避けられない。 更には、 これらの方法によって 揺動の少ない状況が仮に実現された場合でも、 溶融状態にある物質の表面 で重力を受け止めることになるので、 得られる球状物質が変形したドロッ プレツ ト形状になる。 自由落下を利用する方法では、 原子や分子に加わる重力が個々に相殺さ れるため、 極めて小さな重力状態が実現される。 しかも、 材質や大きさの 影響を受けることなく、比重差に起因した対流や偏りも生じない。しかし、 この方法を地上で実施しょうとすると、微小重力状態が維持できる時間は、 自由落下が終了するまでの僅かな時間、 具体的には落下塔では数十秒間， 飛行機の放物線飛行では 20秒間程度， ロケッ トの弾道飛行でも数分間に過 ぎず、 球状物質の溶製に必要な溶融から冷却までの全過程を完了すること は不可能に近い。 この点、 宇宙空間では無限に長い浮遊状態が維持できる 、 桁違いに大きな費用が必要になる。

このように地上において被処理物質を浮遊させて溶融 ·冷却する方法は、 被処理物質の化学組成. 導電性， 重量や保持時間， 微小重力状態等の面で 解決されていない。 そこで、 理想的な形状や表面をもつ物質を製造するた め、 宇宙空間での浮遊溶融の代替技術として、 地上において擬似微小重力 場を長時間発生 ·維持させ、 且つ静的な状況下で被処理物質を溶融固化す る技術が望まれている。

本発明は、 このような要求に応えるべく案出されたものであり、 磁場勾配によって生じる磁気力を利用することにより、 時間的な制 約のない擬似微小重力場において被処理物質を浮遊状態で加熱， 溶 融， 冷却し、 理想的な形状や表面をもつ材料を得ることを目的とす る。 発明の開示

本発明の浮遊溶融方法は、 その目的を達成するため、 勾配のある 強磁場に被溶融物質を配置し、 磁場勾配により発生した磁気力で被 溶融物質を浮遊状態に維持し、 光線又は熱線照射或いは抵抗加熱ヒ 一夕で浮遊状態にある被溶融物質を加熱溶融し、 次いで光線又は熱 線照射又はヒータ加熱を中止し、 溶融した被溶融物質を浮遊状態の ままで冷却することを特徴とする。

この方法で使用する浮遊溶融装置は、 勾配のある強磁場を発生す る磁場発生装置と、 発生した強磁場の安定点に被溶融物質を保持す る手段と、 被溶融物質を光線又は熱線照射で加熱する或いは抵抗加 熱する加熱手段とを備えている。 得られた球状物質は、 溶融状態で 生じる表面張力によつて球状化され、 平滑な表面をもつている。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明で使用する浮遊溶融装置の一例を示す。 発明を実施するための最良の形態

溶融状態にある全ての物質は反磁性又は常磁性の磁気的性質を示し、 均 一磁場中におかれた物質の電磁気的なポテンシャルエネルギーは場所に拘 わらず一定であり力を受けることがない。 これに対し、 勾配のある磁場に 置かれた物質は、 次式で示される磁気力 Fを受ける。 磁気力 Fの方向は、 反磁性の場合には帯磁率が負値であるため磁場方向になり、 常磁性の場合 には帯磁率が正値であるため磁場の反対方向になる。

F= χ / ^ ο -BdB/dz

ただし、 F ：磁気力 （NZkg) ， χ ：帯磁率 （m³Zkg) ,

0 ：真空の透磁率 （4 7Γ x lO— ⁷)

B ：磁場 （T) ， z ：鉛直方向の座標 （m) ,

BdB/dz：磁場勾配 （T² m)

重力場により鉛直下方に加わる重力は 1 kg当り 1Nになるが、 重力 と同じ値の磁気力 F、 すなわち磁場勾配を逆方向に発生させると浮 遊状態が実現される。磁気力 Fは物質を構成する原子や分子それぞれ に作用するため、 原子や分子に働く重力を相殺する大きさの磁気力、 すなわち磁場勾配を発生させるとき極めて微小な重力場に類似した 状態になつて被処理物質が浮遊する。

物質の浮遊に必要な磁気力 Fは当該物質の帯磁率で異なるが、反磁 性物質の二酸化珪素 （Si0₂ , 帯磁率 ： _ 6.19m³ /kg) では— 1988 T²ノ mの磁場勾配 BdBZdzが必要になる。 また、 反磁性物質の酸化ホウ 素 （B₂O₃， 帯磁率： 7.04m³ Zkg) では— 1748T² Zmの磁場勾配 BdB Zdzが必要になる。 何れの場合も、 帯磁率が負値の反磁性物質では、 磁場 勾配中において磁場が減少する方向に磁気力が作用する。

他方、 帯磁率が正値の常磁性物質では、 磁場勾配中において磁場が増加 する方向に磁気力が作用する。 常磁性物質には、 反磁性物質に比較して絶 対値で数十〜数百倍の帯磁率を示すものがある。 たとえば、 酸化鉄 （Fe₂ 0₃) では、 帯磁率が 1259m³_ k_gであり、 磁気浮遊に必要な磁場勾配は 9. 8T²Zmとなる。

強磁性物質は、 正値の大きな帯磁率をもつが、 転移点以上で常磁性に変 わる。 この磁気変態に伴って帯磁率も変化する。 そこで、 強磁性物質の浮 遊溶融に際しては、 磁気変態時の位置ズレを防止するため強磁性物質を予 め昇温して常磁性にしておくことが好ましい。

このように、 正値及び負値の帯磁率をもつ物質が混在する場合を 除き、 物質を構成する元素又は分子の帯磁率が異なる場合にあって も、 通常の重力下における比重差よりも小さくなるため、 浮遊状態 における比重差に起因した物質移動が軽減される。 なお、 本件明細 書では、 原子集団を包含する意味で使用する 「分子」 を使用する。 本発明は、 磁場勾配のある定常磁場下で発生する反磁性の斥力又 は常磁性の引力を磁気力として利用し、 磁場勾配に揺動や振動を生 じさせない加熱方法と組み合わせることにより、 長時間にわたって 安定した浮遊状態が維持でき、 浮遊状態での物質の溶融 · 冷却を可 能にしたものである。 磁場の変動を生じさせない加熱方法としては、 光又は熱線を放射する レーザ， ランプ等の光源を用いた加熱， 通電 時に発生する磁場を相殺する配線構造をもつ電気抵抗ヒータを使用 した抵抗加熱等が採用できる。

光源を用いた加熱では、 レンズ， ミラー， 光ファイバ等の光学部 品によつて光又は熱線を被処理物質に導き昇温させる。 ヒータ加熱 では、 ヒータ近傍に被処理物質を浮遊させ、 放射熱及び伝熱によつ て被処理物質を昇温させる。 このとき、 被処理物質を構成する原子 又は分子に加わる力が磁気力で相殺されるので、 擬似的な微小重力 の浮遊状態が作り出される。 溶融状態にある被処理物質は、 物質自 体の表面張力によつて球状の液滴になると共に、 表面が平滑になる。 この状態で加熱を中止すると、 熱放射により液滴が冷却固化し、 汚 染の少ない平滑面をもつ球状の固化体が得られる。 本発明は、 たとえば設備構成を図 1に示す浮遊溶融装置を用いて実施さ れる。

磁場発生装置 1は、 磁石 2を内蔵した円筒状の周壁を備えている。 加熱 時の放射熱を遮断するため断熱容器 3が円筒状周壁の内側に配置され、 断 熱容器 3の内部にある処理室 4内に試料籠 5が配置され、 試料籠 5に被処 理物質 6が収容されている。 断熱容器 3の開口部には、 加熱光源 7からの 光線又は熱線を反射させ、 被処理物質 6に照射して昇温させる反射鏡又は 集光反射鏡 8が付設されている。

磁石 2としては、 強磁場を発生できる限り水冷磁石， 超伝導磁石， 永久 磁石等が使用される。 水冷磁石で被処理物質 6を浮遊させる場合には多大 な電力を消費するが、 超伝導磁石を使用すると消費電力を大幅に節減でき る。

試料籠 5は、 磁気浮遊状態になるまで被処理物質 6を保持する機能が要 求されるが、 磁気浮遊点の近傍に被処理物質 6を保持でき且つ加熱の妨げ にならないものである限り形状や材質に制約を受けることがない。 被処理 物質 6が曝される雰囲気には、 ガス種に制限を受けることなく、 大気， 不 活性ガス. 反応性ガス等、 各種のガス雰囲気が使用される。 また、 真空雰 囲気に被処理物質 6を保持しても良い。

加熱光源 7には、 光線又は熱線を放出する赤外線レーザ. ランプ等が使 用され、 光線又は熱線で直接又は間接に被処理物質 6が照射される限り設 置個所に制約を受けない。 加熱光源 7に替えて抵抗加熱ヒータを使用する 場合、 エネルギー効率を確保する上から処理室 4内の被処理物質 6に近接 した位置に抵抗加熱ヒータを配置することが好ましい。

反射鏡 8としては、 加熱効率を向上させるために集光機能のある凹面鏡 を使用しても良い。 また、 平面鏡及び集光レンズを組み合わせて同様の機 能をもたせることもできる。

被処理物質 6を磁気浮遊状態に維持するためには、 磁気力に必要な勾配 のある磁場を発生させる。 たとえば、 円筒形の磁場発生装置を使用する場 合、 磁場の発生している円筒中心から軸方向外向きに磁場勾配が大きくな る。 また、 小型の円筒型水冷磁石を大型の円筒型超伝導磁石の中に配置し たハイプリッ ド型磁場発生装置では、 双方の電磁石に供給する電流を調整 することにより小型水冷磁石の中心から軸方向に数センチずれた位置に磁 場勾配が発生する。 そこで、 一例を示すと、 中心での磁場が 21Tとなるよ うに両磁石への投入電力を調整することにより、 中心から 75mm上方の位 置に一1988T²/mの磁場勾配を発生させることができる。 このとき、 浮遊 位置は水平方向， 上下方向共に安定点になる。

磁場勾配と重力が相殺される位置で物質は浮遊するが、 何らかの外力に よつて位置ズレが生じると、 重力が相殺されている条件下では障害物がな い限り物質は一方向に運動し続ける。 他方、 元の位置に戻るような磁気力 が物質に作用する磁場が存在する安定点では、 所定位置に物質が維持され る。 すなわち、 安定点から物質の大きさ程度に離れた位置で磁場が若干高 くなつていると、 元の位置に復帰する力を物質に働かせることができる。 このとき、重力が基本的に打ち消された状態にあるので、作用させる力は、 重力に比較して無視できる程度のごく僅かな力で十分である。

磁場発生装置 1で適当な分布をもつ磁場勾配を発生させると、 処理室 4 の一定位置で被処理物質 6が浮遊状態になり、 被処理物質 6の浮遊状態は 時間に関係なく維持される。 浮遊状態にある被処理物質 6を加熱光源 7か らの光線又は熱線で照射すると、 被処理物質 6は光線又は熱線を吸収して 昇温する。

昇温した被処理物質 6は、 結晶質の場合には融点で、 非晶質の場合には 転移点以上で原子又は分子が流動性を呈する。 流動性が付与された被処理 物質 6は、 表面張力によって平滑面をもつ球状物質になる。 被処理物質 6 の化学組成や処理温度にもよるが、 十分な時間加熱した後で加熱光源 7か らの光線又は熱線照射を中止すると、 被処理物質 6は熱放射によって冷却 固化する。 その後、 磁場発生装置 1が作り出す磁場勾配を取り去ることに より、 磁気浮遊状態がなくなり、 球状物質が得られる。 実施例 1 ：

次の組成をもつ酸化物の塊 lgを被処理物質 6として用意し、 被処理物質 6を試料籠 5に収容し、磁場発生装置 1で一 1990T²/mの磁場勾配を発生 させた。

二酸化珪素 （Si0₂) ： 68.9重量％

酸化ホウ素 （B₂0₃) ： 10.1重量％

酸化ナト リウム （Na₂0) ： 8.8重量％

酸化カリウム （K₂0) ： 8.4重量％

酸化バリウム （BaO) ： 2.8重量％

酸化砒素 （As₂0₃) ： 1.0重量％

被処理物質 6は、 磁場勾配により発生した磁気力で浮遊し、 安定な浮遊 状態が維持された。 この状態で、 加熱光源 7としての出力 40Wの炭酸ガス レーザから出射した光線を集光反射鏡 8で集光し、被処理物質 6を 5分間照 射加熱した。照射開始から 1分経過した時点で被処理物質 6の温度が転移点 565°Cを上回り、 被処理物質 6が液化した。 液化状態を 4分間維持したとこ ろ、 被処理物質 6は、 表面張力によって球状になった。 次いで、 レーザ照 射を中止し、 2分間放冷した後で室温近傍まで冷却した。処理された被処理 物質 6は、 平滑面をもつ球状の透明物質であった。 実施例 2 ：

酸化ホウ素 （B₂0₃) 単体 lgを被処理物質 6として使用し、 実施例 1と 同様に試料籠 5に収容し、磁場発生装置 1で一 1750T²Zmの磁場勾配を発 生させた。 被処理物質 6は、 磁場勾配の磁気力で安定した浮遊状態に維持 された。 そこで、 加熱光源 7としての出力 30Wの炭酸ガスレーザから出射 した光線を集光反射鏡 8で集光し、被処理物質 6を 3分間照射加熱した。照 射開始から 30秒経過した時点で被処理物質 6の温度が転移点 290°Cを上回 り、 被処理物質 6が液化した。 液化状態を 150秒間維持したところ、 被処 理物質 6は、 表面張力によって球状になった。 次いで、 レーザ照射を中止 し、 2分間放冷した後で室温近傍まで冷却した。処理された被処理物質 6は、 平滑面をもつ球状の透明物質であった。 実施例 3 ：

二酸化珪素 （Si0₂, 転移点 1100°C) 単体 lgを被処理物質 6として使用 し、 実施例 2と同様に試料籠 5に収容し、磁場発生装置 1で— 1990T²Zm の磁場勾配を発生させた。 被処理物質 6は、 磁場勾配の磁気力で安定した 浮遊状態に維持された。 そこで、 加熱光源 7としての出力 60Wの炭酸ガス レーザから出射した光線を集光反射鏡 8で集光し、被処理物質 6を 1分間照 射加熱した。照射開始から 5秒経過した時点で被処理物質 6の照射部温度が 1700°Cを上回り、被処理物質 6の表面が液体状態になり、一部が蒸発した。 蒸発した被処理物質 6は、 浮遊状態に維持され、 表面張力により球状化し た。 次いで、 レーザ照射を中止し、 室温近傍まで冷却した。 冷却過程で、 蒸発した被処理物質 6は固化した。 その結果、 直径が 100〜400nmで平滑 面をもつ球状微粒子が得られた。

実施例 1〜3の何れにおいても、 被処理物質 6が浮遊溶融状態に維持さ れる限り、 被処理物質 6の大きさに拘わらず球状で平滑な表面をもつ球状 体が得られた。 産業上の利用可能性

以上に説明したように、 本発明においては、 磁場勾配で生じる磁 気力を利用して物質を磁気浮遊状態に維持し、 浮遊状態の物質を加 熱溶融させて得た融液の表面張力で球状化させている。 この方法に よるとき、 時間に制限なく浮遊状態が維持されるので、物質の加熱 · 溶融 · 冷却の全行程を実施するのに十分な時間が確保される。 処理 された物質は、 重力下に比較して比重差に起因する物質移動が抑制 され、 電磁誘導や超音波による浮遊状態と異なり揺らぎも抑制され ているので、 より理想的な球状で平滑性の高い表面をもつ物質が得 られる。 このようにして得られた物質は、 容器等による汚染がない ことと相俟って、 低損失光学材料， 光学素子を始めとして医療用， 電子材料用等、 低不純物で平滑面が要求される広範な分野で高機能 材料として利用される。

Claims

請求の範圆

勾配のある強磁場に被溶融物質を配置し、磁場勾配により発生 した磁気力で被溶融物質を浮遊状態に維持し、光線又は熱線照射 或いは抵抗加熱ヒータで浮遊状態にある被溶融物質を加熱溶融 し、 次いで光線又は熱線照射又はヒータ加熱を中止し、 溶融した 被溶融物質を浮遊状態のままで冷却することを特徴とする擬似 微小重力場を利用した浮遊溶融方法。

2. 勾配のある強磁場を発生する磁場発生装置と、発生した強磁場 の安定点に被溶融物質を保持する手段と、被溶融物質を光線又は 熱線照射で加熱する手段或いは抵抗加熱する加熱手段とを備え、 被溶融物質が加熱， 溶融， 冷却されるまでの間、 磁場勾配による 磁気力で被溶融物質を擬似微小重力場の浮遊状態に維持するこ とを特徴とする擬似微小重力場を利用した浮遊溶融装置。

3. 請求項 1記載の方法で製造された平滑な表面をもつ球状物質。