КОЛЬЦЕВОЙ ИНДУКТОР Российский патент 2007 года по МПК C21D1/42 H05B6/40 

Изобретение относится к областям цветной металлургии, преимущественно полупроводниковой, занимающейся выращиванием кристаллов, и черной для нагрева деталей под закалку, гибку, сварку и т.д. Изобретение позволяет создавать узкую зону нагрева деталей (объектов) и, тем самым, обеспечивать необходимые технологические условия. В частности, при выращивании кристаллов методом бестигельной зонной плавки (БЗП) с использованием индуктора, имеющего внутренний диаметр больше диаметра кристалла, становится возможным создавать полную зону расплава, соответствующую условиям устойчивости, при диаметре кристалла более 25 мм и, тем самым, создавать условия для многопроходной зонной очистки таких кристаллов.

Для создания узкой зоны нагрева при нагреве детали или создания зоны расплава используется кольцевой индуктор в виде одного витка из медной водоохлаждаемой трубки круглого сечения [1]. Высота зоны нагрева при вертикальном расположении детали (или ширина - при горизонтальном) зависит от высоты (ширины) витка индуктора.

Практически в этом случае минимальная высота (ширина) витка индуктора, соответствующая диаметру трубки, не может быть менее 4 мм, так как при меньших диаметрах трубки реальный расход охлаждающей воды не может обеспечить съем Джоулевых потерь с индуктора, возникающих при прохождении по нему высокочастотного тока (порядка 1 кВт). Индуктор перегревается и выходит из строя. Реально сегодня используется трубка диаметром 4 мм с толщиной стенки 0,5 мм.

Известно устройство, в котором кольцевой индуктор выполнен из профилированной медной трубки овального, грушевидного или каплевидного сечения [2]. В этом случае высота зоны нагрева зависит не только от высоты витка индуктора, но и от плотности высокочастотного тока, проходящего по его поверхности. Чем больше развита поверхность индуктора, тем меньше плотность тока и тем большее пространство занимает поле рассеивания индуктора, которым нагревается объект.

Такое устройство в случае БЗП не обеспечивает достаточно узкой зоны нагрева при диаметре индуктора больше диаметра кристалла и, тем самым, не удается выращивать кристаллы диаметром более 25 мм с полной зоной расплава. В данном случае максимально возможная (критическая) высота зоны расплава, соответствующая условиям устойчивости, определяемая поверхностным натяжением, достигается при диаметре кристалла порядка 25 мм. При дальнейшем увеличении диаметра кристалла высота зоны нагрева увеличивается, зона теряет устойчивость и выливается.

Наиболее близким к заявляемому является кольцевой индуктор ([3], прототип) в виде двух концентричных, внутреннего и наружного, колец, соединенных электрически и механически. Наружное кольцо выполнено из медной электро- и теплопроводящей водоохлаждаемой трубки, имеющей достаточное сечение для пропускания необходимого количества воды (теплообменной среды). Внутреннее кольцо имеет сплошное поперечное сечение по периметру, примыкающее к наружному кольцу и сужающееся к центру. Механическое соединение колец осуществляется пайкой. Внутреннее и наружное кольца электрически соединены параллельно.

Недостатком этого устройства является то, что высокочастотный ток протекает по всей достаточно большой общей поверхности колец, создавая значительно большее рассеяние электромагнитного поля индуктора, чем в случае кольцевого одновиткового индуктора из медной водоохлаждаемой трубки диаметром 4 мм. В результате зона нагрева имеет существенно увеличенные размеры. Например, при БЗП кремния этот недостаток не позволяет обрабатывать слитки диаметром более 25 мм с полной зоной расплава, используя кольцевой индуктор с внутренним диаметром, большим диаметра слитка по вышеописанной причине.

Задача, решаемая изобретением, - расширение технологических возможностей индуктора.

Технический эффект заключается в получении узкой, минимально возможной зоны нагрева путем концентрации электромагнитного поля индуктора, нагревающего объект, за счет максимального сокращения поверхности индуктора, по которой проходит высокочастотный ток.

Эффект достигается за счет того, что кольцевой индуктор включает теплопроводящее наружное кольцо, выполненное из трубки для пропускания теплообменной среды, и внутреннее электро- и теплопроводящее кольцо, имеющее сплошное поперечное сечение и площадь поверхности, соответствующую заданной плотности высокочастотного тока. Наружное кольцо механически соединено с внутренним кольцом через теплопроводящие переходные элементы в форме секторов. Внутреннее кольцо электрически соединено с токоподводящими шинами.

Предлагаемое решение отличается от известного тем, что внутреннее кольцо индуктора имеет площадь поверхности, соответствующую заданной плотности высокочастотного тока, и соединено с наружным кольцом через теплопроводящие переходные элементы в форме секторов. Наружное кольцо может быть выполнено и из электропроводящего материала, и электрически параллельно соединено с внутренним кольцом. В этом случае переходные элементы могут быть также выполнены из электропроводящего материала.

Предлагаемая конструкция индуктора является новой, так как в настоящее время не известны аналогичные устройства, характеризуемые приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого устройства является новая форма выполнения конструктивных элементов и взаимосвязи между ними.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что отличия предлагаемой конструкции обеспечивают высокую концентрацию поля рассеивания индуктора за счет максимального уменьшения поперечного сечения внутреннего кольца и сокращения площади его поверхности, по которой протекает ток, электромагнитным полем которого нагревается объект. Это приводит к достижению указанного технического эффекта - получению узкой, минимально возможной зоны нагрева при необходимой мощности нагрева

Эффект достигается за счет максимального сокращения поверхности индуктора, по которой протекает ток; в отличие от прототипа высокочастотный ток протекает только по поверхности внутреннего кольца, рассчитанной по заданной величине тока. Поверхность внутреннего кольца, по которой протекает высокочастотный ток, может быть сокращена до минимальных размеров в соответствии с интенсивностью отвода тепловых потерь через переходные теплопроводящие сектора. Съем Джоулева тепла с внутреннего кольца осуществляется за счет теплопроводности переходных элементов (секторов), которыми оно соединено с охлаждаемым внешним кольцом индуктора, которое имеет достаточное сечение для обеспечения необходимого расхода теплообменной среды. Этот эффект достигается также в случаях электрического соединения внутреннего кольца с наружным, так как в такой конструкции ток сосредотачивается на внутреннем кольце вследствие эффекта близости, кольцевого эффекта и меньшего электрического сопротивления по сравнению с наружным.

Таким образом указанный технический эффект достигается новой неизвестной из современного уровня техники совокупностью существенных признаков. Неочевидность решения заключается в том, что необходимый и достаточный теплоотвод от внутреннего токонесущего кольца осуществляется не посредством пропускания через него теплообменной среды, а через теплопроводящие переходные элементы, передающие тепло на традиционно охлаждаемое внешнее кольцо - на элемент с более эффективной системой теплоотвода.

Сущность изобретения поясняется приведенным на чертеже схематическим изображением конкретного варианта предлагаемого индуктора. На чертеже:

1 - наружное водоохлаждаемое кольцо,

2 - внутреннее кольцо,

3 - теплопроводящий сектор,

4 - токоподводящие шины,

5 - направление протекания электрического тока,

6 - направление подачи и слива воды.

Предлагаемое устройство состоит из водоохлаждаемого наружного кольца 1, выполненного, например, из меди, механически соединенного с внутренним медным кольцом 2 через теплопроводящие секторы 3, которые также могут быть выполнены из меди. Механическое соединение секторов 3 с кольцами 1 и 2 может быть осуществлено, например, при помощи пайки, сварки или выполнено в виде специальной конструкции. Токоподводящие шины 4 электрически и механически соединены с кольцами 1 и 2. Внутреннее кольцо 2 может быть выполнено из медного провода, например, сечением (0,5×0,5) мм или диаметром 0,5 мм.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Токоподводящие шины 4 индуктора подключают к источнику высокой частоты. К ним подключается вода, направление движения которой указано стрелками 6. Высокочастотный ток движется в направлении 5 по токоподводящим шинам 4 и кольцу 2, создавая сконцентрированное электромагнитное поле, результатом воздействия которого на объект является узкая, минимально возможная зона нагрева. Джоулево тепло от кольца 2 отводится в направлении водоохлаждаемого кольца 1 по теплопроводящим секторам 3 и далее поглощается водой, протекающей по кольцу 1.

Примером конкретного применения может служить индуктор для БЗП кремниевых кристаллов. Индуктор имеет внутреннее медное кольцо 2 с внутренним диаметром 38 мм и сечением 2×2 мм; водоохлаждаемое кольцо 1 с наружным диаметром 84 мм из медной трубки диаметром 6 мм; 8 секторов 3 из меди, соединенных с кольцами 1 и 2 посредством пайки припоем ПСр45. Таким индуктором была осуществлена многопроходная зонная очистка кремниевых кристаллов диаметром 35 мм с полной (классической) зоной расплава.

Таким образом, предлагаемый индуктор дает возможность выращивать кристаллы диаметром более 25 мм с полной зоной расплава при выполнении условия: внутренний диаметр индуктора больше диаметра кристалла.

Источники информации

1. Фогель А.А. Промышленное применение токов высокой частоты. М.Л.: Машиностроение, 1965, с.23.

2. Бындин В.М. и др. Индукционный нагрев при производстве особо чистых материалов. Машиностроение, Ленинградское отделение. 1980, с.10.

3. Исследование и усовершенствование процесса бестигельной зонной плавки кремния диаметром до 160 мм. Отчет по НИР, ВНИИТВЧ, Ленинград. УДК 621.745. Гос рег. №0187.0 022302, 1987, с.32.

Изобретение относится к области цветной металлургии, преимущественно полупроводниковой, занимающейся выращиванием кристаллов, и черной для нагрева деталей под закалку, гибку, сварку и т.д. Для расширения технологических возможностей индуктора за счет концентрации электромагнитного поля индуктора при получении узкой зоны нагрева кольцевой индуктор содержит теплопроводящее наружное кольцо, выполненное из трубки для пропускания теплообменной среды, и внутреннее электро- и теплопроводящее кольцо, имеющее сплошное поперечное сечение и площадь поверхности, соответствующую заданной плотности высокочастотного тока. Кольца соединены между собой через теплопроводящие переходные элементы в форме секторов. Внутреннее кольцо электрически соединено с токоподводящими шинами. Наружное кольцо может быть выполнено из электропроводящего материала и электрически параллельно соединено с внутренним кольцом. В этом случае переходные элементы также могут быть выполнены из электропроводящего материала. При использовании предлагаемого индуктора при выращивании кристаллов методом бестигельной зонной плавки (БЗП) становится возможным выращивать кристаллы диаметром более 25 мм с полной зоной расплава при диаметре индуктора больше диаметра кристалла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кольцевой индуктор, содержащий теплопроводящее наружное кольцо, выполненное из трубки для пропускания теплообменной среды и механически соединенное с ним внутреннее электро- и теплопроводящее кольцо, имеющее сплошное поперечное сечение и электрически соединенное с токоподводящими шинами, отличающийся тем, что наружное кольцо соединено с внутренним кольцом через теплопроводящие переходные элементы в форме секторов.2. Кольцевой индуктор по п.1, отличающийся тем, что наружное кольцо выполнено из электропроводящего материала и электрически параллельно соединено с внутренним кольцом.3. Кольцевой индуктор по п.1, отличающийся тем, что переходные элементы выполнены из электропроводящего материала.