シリコン融液の搬送部材
【課題】シリコン融液が浸み出すことなく、長期に亘って多数回の繰返し使用が可能であり、しかも、搬送中におけるシリコン融液の飛沫の発生を抑制することができるシリコン融液の搬送部材を提供する。
【解決手段】Ｃ／Ｃコンポジット材により一端開口筒体状に形成され、開口側には入口開口が形成されていると共に外周部の平坦側面部には側面方向に向けて開口する出口開口を有し、底面側には入口開口から流入したシリコン融液の流れ方向を出口開口に向けて変える底流案内部を有する方向変更部材と、Ｃ／Ｃコンポジット材により溝状又は筒状に形成された樋部材とを有し、使用時には、樋部材の上方に方向変更部材をその底流案内部が重なり合うように配置し、方向変更部材の入口開口から流入したシリコン融液の流れを樋部材のシリコン融液流れ方向に案内するシリコン融液の搬送部材である。
【解決手段】Ｃ／Ｃコンポジット材により一端開口筒体状に形成され、開口側には入口開口が形成されていると共に外周部の平坦側面部には側面方向に向けて開口する出口開口を有し、底面側には入口開口から流入したシリコン融液の流れ方向を出口開口に向けて変える底流案内部を有する方向変更部材と、Ｃ／Ｃコンポジット材により溝状又は筒状に形成された樋部材とを有し、使用時には、樋部材の上方に方向変更部材をその底流案内部が重なり合うように配置し、方向変更部材の入口開口から流入したシリコン融液の流れを樋部材のシリコン融液流れ方向に案内するシリコン融液の搬送部材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子や太陽電池等の原料として用いられる高純度シリコンの製造において使用される、シリコン融液の搬送部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や太陽電池等に用いられるシリコン原料の精製プロセスにおいては、従来は気相反応を用いたジーメンス法が広く採用されていたが、近年では、シリコン原料を溶融した後に、スラグ精錬や、電子ビーム溶解等の真空高温処理によって、溶融シリコン中のボロン、リン等の半導体ドーパント成分を除去するが、この前後に溶融シリコンを一方向凝固させることにより鉄等の金属成分を除去する工程等を組み合わせた、いわゆる冶金法が行われるようになっている。（特許文献１、非特許文献１参照）
【０００３】
しかるに、この冶金法によるシリコン原料の精製プロセスにおいて、溶融シリコン中からボロンの除去、リンの除去、及び金属成分の除去を行う各工程は各々独立した工程であって、夫々独立した炉を用いて処理される。このため、シリコン精製プロセスで高純度シリコンを製造する際には、作業の効率性からシリコン原料を溶融状態のままで搬送することが求められている。そして、シリコン原料を溶融状態のままで搬送するためには、１）高温で使用できること、２）シリコン融液を汚染しないこと、３）シリコン融液が漏れないこと、４）シリコン融液から熱を奪って固化させることのない程度に熱容量が小さいこと、が要求される。
【０００４】
発明者らは、先に、１）高温で使用でき、２）シリコン融液を汚染しない素材の一つとしてカーボンがあるが、単純なカーボンでは３）のシリコン融液が漏れないことの条件を満たすためにはその壁厚［み］を増して強度を稼ぐ必要があるが、壁厚を大きくすると熱容量が増大して４）の条件を満たせないことを見出し、更に、１）〜４）の条件を満たすには炭素繊維強化炭素複合材（以下、「Ｃ／Ｃコンポジット材」という。）を用いればよいことを見出し、このＣ／Ｃコンポジット材を用いたシリコン融液の搬送方法を提案した（第１の提案：特願2009-137,312号）。
【０００５】
この第１の提案に係る熱容量の低いＣ／Ｃコンポジット材を用いてシリコン融液を搬送する場合には、たとえ無予熱の場合であっても、例えば図１に示すように、Ｖ字状横断面を有するＬ字アングル部材状に形成された搬送部材（樋部材）Ｔ1を、その一端側が上にまた他端側が下になるように、所定の角度で傾斜させて配置し、上端側に位置するシリコン融液の流入口ａ側からシリコン融液の流出口ｂ側に向かって流せばよく、更に長い距離の搬送が必要なときには、同じ搬送部材（樋部材）Ｔ1を図１のように重ねて繋ぐことにより対応することができ、シリコン融液の温度が融点以下にならない距離まで容易に搬送することができる。
【０００６】
しかしながら、シリコンを溶融状態のまま搬送するに当り、流れの向きを変更しなければならない場合が生じる。しかし、搬送経路の流れ方向を変更し得る搬送部材を製造するに当っては、一体物として製造することが極めて困難であり、仮に一体物として製造できたとしても高コストとなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明者らは、搬送経路の流れ方向を変更し得る搬送部材を低コストで製造するために、幾つかの平板状の部品を組み合わせて接合することにより、複雑な形状の一体物を製造することに着目し、検討を重ねた結果、Ｃ／Ｃコンポジットの平板状の部品を組み合わせて接合する場合には、上記の１）及び２）の条件については満たすことができるが、５）シリコン融液の搬送開始当初には常温の搬送部材にシリコンの融点（1414℃）以上の高温のシリコン融液が流れて短時間で急激な温度上昇が起こり、高温のシリコン融液と接している部分と接していない部分とで大きな温度差が生じ、従って搬送部材には熱膨張量差による大きな応力分布が生じ、最も強度の小さな接合部に応力が集中し、接合部が破損する虞があること、また、６）部品の接合部分に生じる隙間にシリコン融液が滞留し、温度が低下してシリコンが固化したときに、シリコンの体積が増加して隙間部分を広げ、その搬送部材を再使用した際にその隙間部分からシリコン融液が漏れ出す虞があること、更に、７）搬送部材全体の熱容量を所定の値以下にして搬送中にシリコン融液の一部が凝固しないようにするためには、Ｃ／Ｃコンポジット板材の厚みは１０mm以下にする必要があり、接合面積を大きくとれないこと、という搬送部材製造上の必要条件を見出した。
【０００８】
そして、これら５）〜７）の搬送部材製造上の必要条件を満たすために、更に鋭意検討したところ、（Ａ）板材と板材の接合部分の強度を上げること、（Ｂ）接合部分にシリコン融液が侵入し難い構造とすること、の２点が極めて重要であることを見出し、接合部分をネジやピンでの接合部の補強方法、接合部分を互いに相補的関係を有する切欠き部と突起部との嵌合構造とする方法、接合部分にカーボン接着剤を塗布した後に不活性ガス雰囲気内で焼成して増強する方法を含む、Ｃ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法によるシリコン融液の搬送部材及びその製造方法を提案した（第２の提案：特願2010-267,995号）。
【０００９】
この第２の提案に係るシリコン融液の搬送部材によれば、例えば図２に示すように、平面略Ｌ字状に形成されたＬ字状板材と、このＬ字状板材の４つの側辺部の長さに対応する長さを有する４枚の長方形状板材とを組み合わせ、各板材の端部間を接合し、横断面略々Ｕ字状であって平面略Ｌ字状の搬送部材（樋部材）Ｔ2を構成し、その一端側が上にまた他端側が下になるように、所定の角度で傾斜させて配置し、上端側に位置するシリコン融液の流入口ａ側からシリコン融液の流出口ｂ側に向かって流せばよく、これによってシリコン融液の流れ方向を変更することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公平７−５５８１３号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Solar Energy Materials and Solar Cells 92 (2008)418-424
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、先の第２の提案に係るシリコン融液の搬送部材は、前記の（Ａ）板材と板材の接合部分の強度を上げること、（Ｂ）接合部分にシリコン融液が侵入し難い構造とすることの２つの条件のうち、（Ａ）の条件については極めて有効に働き、接合部分が完全に崩壊して形が崩れるまでには至らないという効果が達成され、また、（Ｂ）の条件については、ある程度の効果が発揮されて複数回の繰返し使用が可能になるものの、２５回を超える多数回の繰返し使用が可能になるところまでは到達できず、繰返し使用による通液回数が増加すると、シリコン融液が浸み出すような僅かな隙間が発生し、その隙間を起点に更に隙間が拡大してシリコン融液が漏れ出してしまうという長期耐久性の問題がある。
【００１３】
また、シリコン融液の搬送において最も重要な点は、上述の通り、高温で粘度が低くて漏れ易い上に、反応性が高くて周辺の鋼材製設備に接触するとその破損原因にもなるシリコン融液を漏らさないということであるが、シリコン融液の搬送中における飛沫の発生を抑制することもまた重要である。シリコン融液の飛沫は、やはり鋼材製設備を溶損するし、また、固化した後には、例えば機械部品の摺動部に噛み込まれて機械部品の動きを悪くする等の弊害を及ぼす。
【００１４】
ところで、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型体は、一般に次のような工程を経て製造されている。先ず、黒鉛の糸で編んだ布に樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを作製し、次にこのプリプレグをカーボン製の型に何層にも貼り付けて所定の形状を作り出し、その後に型ごと焼成し、最後に型を抜くという工程である。このため、Ｃ／Ｃコンポジット材によっては、例えば水道配管のエルボーの如く曲がった形状のパイプ等のように、複雑な形状の一体物を作ることはできない。外型であれば、分割式にする等して、焼成後に容易に取り外すことができるが、内型の場合には、幾何学的に抜き出すことのできる形状でなればならない。
【００１５】
本発明者らは、かかる観点に鑑みて、更にＣ／Ｃコンポジット材の製造方法を鋭意研究した結果、Ｃ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法による方法と、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法による方法に基づいて製造可能な範囲の三次元的な構造体からなる複数の搬送部材を組み合わせることで、シリコン融液が漏れ出すことがなく、また、シリコン融液の飛沫が飛び散ることもない長期耐久性に優れたシリコン融液の搬送部材を発明した。
【００１６】
従って、本発明の目的は、シリコン融液が浸み出すことなく、長期に亘って多数回の繰返し使用が可能であり、しかも、搬送中におけるシリコン融液の飛沫の発生を抑制することができるシリコン融液の搬送部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
〔１〕 シリコン融液と直接接触しながら当該シリコン融液を搬送すると共にシリコン融液の搬送方向を変えるシリコン融液の搬送部材であって、カーボン／カーボンコンポジット材（Ｃ／Ｃコンポジット材）により壁厚１〜１０mmの一端開口筒体状に形成され、開口側には入口開口が形成されていると共に外周部には少なくとも１つの平坦側面部が形成されており、また、この平坦側面部には側面方向に向けて開口する出口開口を有すると共に、底面側には前記入口開口から流入したシリコン融液の流れ方向を前記出口開口に向けて変える底流案内部を有する方向変更部材と、Ｃ／Ｃコンポジット材により壁厚１〜１０mmの溝状又は筒状に形成された樋部材とを有し、使用時には、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の上方に、前記方向変更部材の底流案内部が重なり合うと共にこの底流案内部におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材のシリコン融液流れ方向に略々一致するように、前記方向変更部材を配置し、方向変更部材の入口開口からこの方向変更部材内に流入したシリコン融液の流れを樋部材のシリコン融液流れ方向に案内することを特徴とするシリコン融液の搬送部材。
【００１８】
〔２〕 前記方向変更部材と樋部材とが、それぞれＣ／Ｃコンポジット材の一体成形により形成されている前記〔１〕に記載のシリコン融液の搬送部材。
【００１９】
〔３〕 前記方向変更部材と前記樋部材とが、互いに上下方向に所定の隙間を維持して配置されていることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２０】
〔４〕 前記方向変更部材が底壁部と４つの側壁部とを有する一端開口の横断面矩形箱体状に形成されており、前記底壁部と１つの側壁部とによりその隅角部分に前記底流案内部が形成されると共に、この底流案内部のシリコン融液流れ方向下流側に位置する平坦側面部には三角形状の出口開口が形成されており、また、前記樋部材が横断面略Ｖ字状のＬ字アングル型搬送部と、このＬ字アングル型搬送部のシリコン融液流れ方向上流側の端部に設けられた流止壁部とからなり、使用時には、前記方向変更部材が、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側においてＬ字アングル型搬送部と流止壁部とが形成する遇角部内に配置されることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２１】
〔５〕 前記方向変更部材の出口開口が前記底壁部の一部と側壁部の一部とを２辺とする直角三角形状に形成されており、また、前記樋部材のＬ字アングル型搬送部における２辺間の角度が略直角に形成されていることを特徴とする前記〔４〕に記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２２】
〔６〕 前記方向変更部材及び樋部材は、その表面の少なくともシリコン融液と接する部分に、厚さ０．１〜２００μmの炭化珪素層又はグラファイト層、若しくは、表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布し又は含浸させた後に焼成して形成された厚さ１μm〜３mmの高密度層からなる保護皮膜が形成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２３】
本発明において、前記方向変更部材については、その全体がＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものであっても、また、複数のＣ／Ｃコンポジット板材を用いた組合せ・接合法により製造されたものであってもよく、多数回に亘って繰返し使用が可能であるという長期耐久性の観点からは、好ましくはＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものである。そして、この方向変更部材の壁厚については、通常１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下であり、壁厚が１mmより薄いとシリコン融液が浸み出して漏れたり、浸透したシリコン融液と黒鉛が反応して脆化して破壊したりするという問題があり、反対に、１０mmより厚くなると熱容量が増大してシリコンが固化するという問題が生じる。
【００２４】
また、この方向変更部材の形状については、基本的には外周部に少なくとも１つの平坦な側面部（平坦側面部）を有する一端開口筒体状であり、入口開口から流入したシリコン融液の流れを出口開口に向けて変える底流案内部を形成し易くて製造が容易な形状であればよく、また、横断面形状についても特に制限はなく、例えば、正方形や長方形等の矩形状、略円形状、略楕円形、三角形、等であってもよく、横断面の形状が変化する、例えば全体として逆三角錐や逆四角錐を形成するような形状であってもよい。
【００２５】
更に、この方向変更部材に形成される底流案内部は、方向変更部材の底面側に形成され、開口側の入口開口から流入したシリコン融液の流れを出口開口に向けて変える機能の一部又は全部を担うものであり、使用時の姿勢において方向変更部材内をその入口開口から出口開口に向けて流れるシリコン融液の流れのうちの底の流れを形成しまた案内する部分である。この底流案内部については、底流案内部により案内されて流れるシリコン融液の底流が出口開口に向かうように形成されればよく、好ましくは方向変更部材の出口開口に配置される樋部材におけるシリコン融液の流れ方向に略一致するように形成される。
【００２６】
また、本発明において、前記樋部材については、その全体がＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものであっても、また、複数のＣ／Ｃコンポジット板材を用いた組合せ・接合法により製造されたものであってもよく、多数回に亘って繰返し使用が可能であるという長期耐久性の観点からは、好ましくはＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものである。そして、この方向変更部材の壁厚については、通常１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下であり、壁厚が１mmより薄いとシリコン融液が浸み出して漏れたり、浸透したシリコン融液と黒鉛が反応して脆化して破壊したりする、という問題があり、反対に、１０mmより厚くなると熱容量が増大してシリコンが固化するという問題が生じる。
【００２７】
また、この樋部材の形状については、基本的にはその一端側から他端側に向けてシリコン融液を流すことができ、製造が容易な形状であればよく、また、横断面形状についても特に制限はなく、例えば、略Ｖ字形、略Ｕ字形、半円形、半楕円形等の上面側が解放した横樋形状であっても、更には、正方形や長方形等の矩形状、略円形状、略楕円形、三角形等の竪樋形状であってもよい。なお、もし樋部材の形状が竪樋形状である場合には、方向変更部材との間の重なり合いが可能なように、この樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の一部を切り欠いて部分的に横樋形状に加工する等の適当な加工を施すのがよい。
【００２８】
そして、前記方向変更部材と樋部材は、その使用時には、方向変更部材が樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の上方に配置されるが、その際に、方向変更部材の底流案内部の一部又は全部が樋部材の上方に位置して重なり合い、かつ、この底流案内部におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材のシリコン融液流れ方向に略々一致し、これによって、方向変更部材の入口開口からこの方向変更部材内に流入したシリコン融液の流れは、その流れ方向が方向変更部材の底流案内部によって出口開口側に変えられ、この出口開口からの流れを樋部材によってそのシリコン融液流れ方向に案内するようになっている。
【００２９】
ここで、前記方向変更部材（特に、その底流案内部の裏面）と樋部材（特に、その上面）との間の重なり合い状態については、使用時にこれら方向変更部材や樋部材を配置する際の傾斜角度等に応じて適宜設定できるものであって、これら方向変更部材と樋部材との間の隙間を介してシリコン融液が逆流し、あるいは、方向変更部材と樋部材との間の接触部分における毛細管現象により逆流するのを防止できればよく、重なり幅については、通常３０mm以上底流案内部の長さ以下、好ましくは５０mm以上３００mm以下であるのがよく、また、重なり状態については、これら方向変更部材と樋部材とを互いに接触させて重ね合わせてもよいほか、毛細管現象による逆流を防止するために、通常２mm以上３０mm以下、好ましくは
５mm以上１０mm以下程度の隙間を維持して重ね合わせてもよい。
【００３０】
更に、本発明においては、Ｃ／Ｃコンポジット材で形成された前記方向変更部材及び樋部材の表面において、少なくともシリコン融液と接する部分には、保護皮膜を形成せしめ、これによってこれら搬送部材の長期耐久性を更に改善するようにしてもよい。この目的で形成される保護皮膜としては、具体的には、ＣＶＤ法等で形成された炭化珪素(SiC)層又はグラファイト層が挙げられ、また、方向変更部材及び樋部材の表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布又は含浸させた後に焼成して形成された密度の高い高密度層が挙げられる。
【００３１】
この保護皮膜としての炭化珪素層については、その膜厚が通常０．１μm以上２００μm以下、好ましくは０．１μm以上４０μm以下、より好ましくは０．１μm以上５μm以下であるのがよく、０．１μmより薄いと欠陥の少ない緻密な膜を形成することが難しいという問題があり、反対に、２００μmより厚くなると剥離し易くなるという問題が生じる。また、グラファイト層については、その膜厚が通常０．１μm以上２００μm以下、好ましくは０．１μm以上２０μm以下、より好ましくは０．１μm以上５μm以下であるのがよく、０．１μmより薄いと欠陥の少ない緻密な膜を形成することが難しいという問題があり、反対に、２００μmより厚くなると剥離し易くなるという問題が生じる。更に、高密度層については、その膜厚が1μm以上３mm以下、好ましくは１μm以上１００μm以下、より好ましくは１μm以上１０μm以下であるのがよく、１μmより薄いとシリコンの浸透を防止する効果が小さいという問題があり、反対に、３mmより厚い高密度層を形成するのは難しいという問題がある。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、シリコン融液が浸み出すことなく、長期に亘って多数回の繰返し使用が可能であり、しかも、搬送中におけるシリコン融液の飛沫の発生を抑制することができる長期耐久性に優れたシリコン融液の搬送部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明者らの第１の提案に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図である。
【００３４】
【図２】図２は、本発明者らの第２の提案に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図である。
【００３５】
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材を構成する方向変更部材を示す斜視説明図である。
【００３６】
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材を構成する樋部材を示す斜視説明図である。
【００３７】
【図５】図５は、図３の方向変更部材と図４の樋部材を用いて構成される本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材の分解組立状態を示す斜視説明図である。
【００３８】
【図６】図６は、図３の方向変更部材と図４の樋部材を用いて構成される本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図である。
【００３９】
【図７】図７は、本発明の比較例に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図であり、本発明者らの第２の提案に基づいて形成されたものである。
【００４０】
【図８】図８は、シリコン融液の搬送部材の長期耐久性を調べるシリコン融液通液試験の方法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3は、図３〜図６に示すように、Ｃ／Ｃコンポジット材により形成され、横断面が正四角形状であって、一端側が開口し、また、他端側が閉塞した一端開口の横断面正四角形箱体状に形成された壁厚１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下の方向変更部材１と、同じくＣ／Ｃコンポジット材により横断面略Ｖ字状の溝状に形成された壁厚１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下の樋部材２とで構成されている。これら方向変更部材１及び樋部材２における壁厚が１mm未満だとシリコン融液が浸み込んで破壊する虞があり、反対に、１０mmを超えるとこれら方向変更部材１や樋部材２の熱容量が大きくなり、搬送中にシリコン融液の熱を奪って固化させる虞がある。
【００４２】
前記方向変更部材１は、底壁部1aと外周部を構成する４つの側壁部1b,1c,1d,1eとからなり、その開口側には入口開口３が形成されていると共に、１つの側壁部1bには側面方向に向けて開口する直角二等辺三角形状の出口開口４が開設されており、この出口開口４は底壁部1aと１つの側壁部1eとが形成する隅角部に連なり、これによって底壁部1aと側壁部1eの間の隅角部が入口開口３から流入するシリコン融液の流れ方向を出口開口４へと直角に変える底流案内部５となっている。
【００４３】
また、前記樋部材２は、２辺間の角度が９０°（直角）を中心にして許容される誤差範囲の８８°以上９２°以下である横断面略Ｖ字状のＬ字アングル型搬送部2aと、このＬ字アングル型搬送部2aのシリコン融液流れ方向上流側の端部に設けられ、この上流側への逆流を防止する流止壁部2bとからなり、前記Ｌ字アングル型搬送部2aの２辺が形成する隅角部がこの樋部材２を流れるシリコン融液の底流案内部６として機能するようになっている。
【００４４】
また、前記Ｌ字アングル型搬送部2aの長さは、通常、前記方向変更部材１の底流案内部５の長さ（底壁部1aと側壁部1eとが形成する隅角部の長さ）より３０mm以上長く、また、全長が３０００mm以下である。このＬ字アングル型搬送部2aの長さが、底流案内部５の長さより３０mm以上長くない場合には方向変更部材１の出口開口４から流出するシリコン融液を十分に受け取れない場合が生じ、反対に、全長が３０００mmを超えると流路が長くなりすぎてシリコン融液が冷却し固化する虞が生じる。
【００４５】
この第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3において、その使用時には、図５及び図６に示すように、樋部材２のシリコン融液流れ方向上流側に方向変更部材１を配置し、方向変更部材１の底流案内部５が、樋部材２のシリコン融液流れ方向上流側において、Ｌ字アングル型搬送部2aと流止壁部2bとが形成する遇角部（底流案内部６）に重なり合うように、かつ、この底流案内部５におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材２のシリコン融液流れ方向に略一致するように嵌め込まれる。
【００４６】
この第１の実施形態においては、樋部材２のＬ字アングル型搬送部2aを形成する各辺の長さが方向変更部材１の底壁部1aの各辺や各側壁部1b,1c,1d,1eの長さと略同じに形成されて、樋部材２のシリコン融液流れ方向上流側の遇角部（底流案内部６）に方向変更部材１の略半分が嵌り込むようになっており、仮に方向変更部材１内に流れ込んだシリコン融液がこの方向変更部材１から漏れ出しても、樋部材２によって外部への漏れ出しを防止できるようになっている。
【００４７】
なお、樋部材２が大きくなり過ぎて全体の熱容量が許容範囲を超える虞がある場合や樋部材２の形状に幾何学的な制約がある場合には、図５に点線で示した樋部材２の一部分を切り欠き、図６に示したように、方向変更部材１を超えて延びる樋部材２のシリコン融液流れ方向下流側を方向変更部材１の出口開口４の大きさに略々一致させるようにしてもよい。
【００４８】
上記第１の実施形態に係る方向変更部材１及び樋部材２は、そのいずれも上述したＣ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法や、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法により製造可能な三次元的な構造体からなるものであり、いずれの方法で形成してもよいが、多数回の繰返し使用を可能にする長期耐久性の観点からは、少なくとも樋部材２についてはＣ／Ｃコンポジット材の成型法により製造し、接合部を持たない構造体とすることが望ましい。なお、方向変更部材１の出口開口４を形成する際には、Ｃ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法で形成する場合には予めこの出口開口４に対応する部分が切り欠かれたＣ／Ｃコンポジット板材を用いてもよく、また、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法で形成する場合には成型後に切削加工で形成してもよい。
【００４９】
この第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3によれば、図６に示すように、方向変更部材１の入口開口３からこの方向変更部材１内に流れ込んだシリコン溶液は、その流れ方向正面に位置する側壁部1aに当り、この側壁部1aと側壁部1eとで形成される隅角部を底流案内部５としてその流れ方向が方向変更部材１の出口開口４へと変えられ、この出口開口４から流出して樋部材２へと受け継がれて行き、結果としてシリコン融液の流れ方向はこの搬送部材Ｔ3により９０°変えられることになる。
【００５０】
また、この第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3によれば、方向変更部材１の入口開口３を大きくとることができるので、シリコン融液を受ける位置に一定の自由度があり、また、方向変更部材１の内部ではシリコン融液の運動エネルギーが低減されてその際にシリコンの飛沫が発生するが、このシリコンの飛沫が外部に飛散するのを効果的に防止することができる。更に、出口開口４の形状が直角二等辺三角形状であるため、樋部材２のＬ字アングル型搬送部2aと重ね合わせることができ、方向変更部材１の出口開口４から樋部材２へとシリコン融液の流れを円滑に受け渡すことができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態においては、上記の第１の実施形態の場合に加えて、方向変更部材１及び樋部材２の表面において、シリコン融液の搬送中に少なくともこのシリコン融液と接する部分に、厚さ０．１〜２００μmの炭化珪素層又はグラファイト層、若しくは、表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布し又は含浸させた後に焼成して形成された厚さ１μm〜３mmの高密度層からなる保護皮膜が形成されている。
【００５２】
この第２の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材によれば、多数回の繰返し使用が可能な長期耐久性が更に向上し、長期に亘って、シリコン融液が浸み出すことなく、また、搬送中におけるシリコン融液の飛沫も発生させることなく、シリコン融液を搬送することができる。
【実施例】
【００５３】
〔実施例１〕
実施例１においては、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法により、図３に相当する壁厚３mmの方向変更部材と、図４に相当する壁厚３mmの樋部材とを作製し、図６に示すように重ね合わせてシリコン融液の搬送部材を構成した。
【００５４】
また、この実施例１において、方向変更部材は、その底壁部の大きさが３００mm×３００mmであって各側壁部の大きさが３００mm×３００mmであり、また、出口開口の大きさが１００mm×１００mm×１４１mmの直角二等辺三角形状に形成されており、そして、樋部材は、そのＬ字アングル型搬送部が長さ４８０mm×各辺長３００mmの大きさに形成されている。
【００５５】
〔実施例２〕
実施例２においては、上記実施例１の方向変更部材及び樋部材の全面に、保護皮膜としてＣＶＤ法により約２０μmのグラファイト層を形成したこと以外は、上記実施例１と同様にして方向変更部材及び樋部材を作製し、実施例１と同様に組み合わせてシリコン融液の搬送部材を構成した。
【００５６】
〔比較例〕
比較例として、図７に示すように、先に説明した第２の提案に係るＣ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法により、方向変更部７と樋部８とが一体的に形成されたシリコン融液の搬送部材Ｔ4を形成した。
この比較例のシリコン融液の搬送部材Ｔ4は、方向変更部７と樋部８とが一体的に形成されて重ね合わせ構造になっていない点で、上記実施例１のシリコン融液の搬送部材と異なるのみで、シリコン融液の流れを形成する内部構造はその大きさも含めて実質的に上記実施例１の場合と同じに設計されている。
【００５７】
〔シリコン融液の通液試験〕
比較例、実施例１及び２に係るシリコン融液の搬送部材について、１回当り約１６００℃のシリコン融液１０kgを流した後に３０分間自然冷却させる通液操作を複数回繰り返して実施し、１回毎に搬送部材からのシリコン融液の漏れの程度を観察し、漏れ量が５００gを超えた時点で通液試験を中止し、その時点での通液回数を長期耐久性（寿命）として評価した。
【００５８】
このシリコン融液の通液試験は、不活性ガスで置換できるチャンバー内で実施され、図７の概念図に示ように、搬送部材Ｔ、シリコン融液９の取鍋10、及び受器11を、それぞれ搬送部材Ｔの入口開口からその底壁部に至る傾斜角度が５°であって、搬送部材Ｔの底壁部と側壁部とで形成される底流案内部から出口開口を経て樋部材（樋部）に至る傾斜角度が５°となるように配置して実施した。このシリコン融液の通液試験において、１回の通液操作で流される１０kgのシリコン融液を取鍋10から受器11まで完全に流すのに１分程度の時間を要し、また、通液終了後に搬送部材Ｔをほぼ室温に冷却するまでに３０分間の放冷を必要とした。結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
表１に示す結果から明らかなように、比較例では、９回目の通液操作で接合部から約６００g融液漏れが確認されたが、実施例１では、３６回目に樋部材のＬ字アングル型搬送部の先端に亀裂が入って、５００g以上の融液漏れが生じ、また、実施例２では、８０回を越える通液操作を実施しても、融液漏れは最大でも１００g以下であり、本発明の効果が確認された。
【符号の説明】
【００６１】
Ｔ、Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4…搬送部材、ａ…流入口、ｂ…流出口、１…方向変更部材、1a…底壁部、1b,1c,1d,1e…側壁部、２…樋部材、2a…Ｌ字アングル型搬送部、2b…流止壁部、３…入口開口、４…出口開口、５…方向変更部材の底流案内部、６…樋部材の底流案内部、７…方向変更部、８…樋部、９…シリコン融液、10…取鍋、11…受器。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子や太陽電池等の原料として用いられる高純度シリコンの製造において使用される、シリコン融液の搬送部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や太陽電池等に用いられるシリコン原料の精製プロセスにおいては、従来は気相反応を用いたジーメンス法が広く採用されていたが、近年では、シリコン原料を溶融した後に、スラグ精錬や、電子ビーム溶解等の真空高温処理によって、溶融シリコン中のボロン、リン等の半導体ドーパント成分を除去するが、この前後に溶融シリコンを一方向凝固させることにより鉄等の金属成分を除去する工程等を組み合わせた、いわゆる冶金法が行われるようになっている。（特許文献１、非特許文献１参照）
【０００３】
しかるに、この冶金法によるシリコン原料の精製プロセスにおいて、溶融シリコン中からボロンの除去、リンの除去、及び金属成分の除去を行う各工程は各々独立した工程であって、夫々独立した炉を用いて処理される。このため、シリコン精製プロセスで高純度シリコンを製造する際には、作業の効率性からシリコン原料を溶融状態のままで搬送することが求められている。そして、シリコン原料を溶融状態のままで搬送するためには、１）高温で使用できること、２）シリコン融液を汚染しないこと、３）シリコン融液が漏れないこと、４）シリコン融液から熱を奪って固化させることのない程度に熱容量が小さいこと、が要求される。
【０００４】
発明者らは、先に、１）高温で使用でき、２）シリコン融液を汚染しない素材の一つとしてカーボンがあるが、単純なカーボンでは３）のシリコン融液が漏れないことの条件を満たすためにはその壁厚［み］を増して強度を稼ぐ必要があるが、壁厚を大きくすると熱容量が増大して４）の条件を満たせないことを見出し、更に、１）〜４）の条件を満たすには炭素繊維強化炭素複合材（以下、「Ｃ／Ｃコンポジット材」という。）を用いればよいことを見出し、このＣ／Ｃコンポジット材を用いたシリコン融液の搬送方法を提案した（第１の提案：特願2009-137,312号）。
【０００５】
この第１の提案に係る熱容量の低いＣ／Ｃコンポジット材を用いてシリコン融液を搬送する場合には、たとえ無予熱の場合であっても、例えば図１に示すように、Ｖ字状横断面を有するＬ字アングル部材状に形成された搬送部材（樋部材）Ｔ1を、その一端側が上にまた他端側が下になるように、所定の角度で傾斜させて配置し、上端側に位置するシリコン融液の流入口ａ側からシリコン融液の流出口ｂ側に向かって流せばよく、更に長い距離の搬送が必要なときには、同じ搬送部材（樋部材）Ｔ1を図１のように重ねて繋ぐことにより対応することができ、シリコン融液の温度が融点以下にならない距離まで容易に搬送することができる。
【０００６】
しかしながら、シリコンを溶融状態のまま搬送するに当り、流れの向きを変更しなければならない場合が生じる。しかし、搬送経路の流れ方向を変更し得る搬送部材を製造するに当っては、一体物として製造することが極めて困難であり、仮に一体物として製造できたとしても高コストとなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明者らは、搬送経路の流れ方向を変更し得る搬送部材を低コストで製造するために、幾つかの平板状の部品を組み合わせて接合することにより、複雑な形状の一体物を製造することに着目し、検討を重ねた結果、Ｃ／Ｃコンポジットの平板状の部品を組み合わせて接合する場合には、上記の１）及び２）の条件については満たすことができるが、５）シリコン融液の搬送開始当初には常温の搬送部材にシリコンの融点（1414℃）以上の高温のシリコン融液が流れて短時間で急激な温度上昇が起こり、高温のシリコン融液と接している部分と接していない部分とで大きな温度差が生じ、従って搬送部材には熱膨張量差による大きな応力分布が生じ、最も強度の小さな接合部に応力が集中し、接合部が破損する虞があること、また、６）部品の接合部分に生じる隙間にシリコン融液が滞留し、温度が低下してシリコンが固化したときに、シリコンの体積が増加して隙間部分を広げ、その搬送部材を再使用した際にその隙間部分からシリコン融液が漏れ出す虞があること、更に、７）搬送部材全体の熱容量を所定の値以下にして搬送中にシリコン融液の一部が凝固しないようにするためには、Ｃ／Ｃコンポジット板材の厚みは１０mm以下にする必要があり、接合面積を大きくとれないこと、という搬送部材製造上の必要条件を見出した。
【０００８】
そして、これら５）〜７）の搬送部材製造上の必要条件を満たすために、更に鋭意検討したところ、（Ａ）板材と板材の接合部分の強度を上げること、（Ｂ）接合部分にシリコン融液が侵入し難い構造とすること、の２点が極めて重要であることを見出し、接合部分をネジやピンでの接合部の補強方法、接合部分を互いに相補的関係を有する切欠き部と突起部との嵌合構造とする方法、接合部分にカーボン接着剤を塗布した後に不活性ガス雰囲気内で焼成して増強する方法を含む、Ｃ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法によるシリコン融液の搬送部材及びその製造方法を提案した（第２の提案：特願2010-267,995号）。
【０００９】
この第２の提案に係るシリコン融液の搬送部材によれば、例えば図２に示すように、平面略Ｌ字状に形成されたＬ字状板材と、このＬ字状板材の４つの側辺部の長さに対応する長さを有する４枚の長方形状板材とを組み合わせ、各板材の端部間を接合し、横断面略々Ｕ字状であって平面略Ｌ字状の搬送部材（樋部材）Ｔ2を構成し、その一端側が上にまた他端側が下になるように、所定の角度で傾斜させて配置し、上端側に位置するシリコン融液の流入口ａ側からシリコン融液の流出口ｂ側に向かって流せばよく、これによってシリコン融液の流れ方向を変更することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公平７−５５８１３号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Solar Energy Materials and Solar Cells 92 (2008)418-424
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、先の第２の提案に係るシリコン融液の搬送部材は、前記の（Ａ）板材と板材の接合部分の強度を上げること、（Ｂ）接合部分にシリコン融液が侵入し難い構造とすることの２つの条件のうち、（Ａ）の条件については極めて有効に働き、接合部分が完全に崩壊して形が崩れるまでには至らないという効果が達成され、また、（Ｂ）の条件については、ある程度の効果が発揮されて複数回の繰返し使用が可能になるものの、２５回を超える多数回の繰返し使用が可能になるところまでは到達できず、繰返し使用による通液回数が増加すると、シリコン融液が浸み出すような僅かな隙間が発生し、その隙間を起点に更に隙間が拡大してシリコン融液が漏れ出してしまうという長期耐久性の問題がある。
【００１３】
また、シリコン融液の搬送において最も重要な点は、上述の通り、高温で粘度が低くて漏れ易い上に、反応性が高くて周辺の鋼材製設備に接触するとその破損原因にもなるシリコン融液を漏らさないということであるが、シリコン融液の搬送中における飛沫の発生を抑制することもまた重要である。シリコン融液の飛沫は、やはり鋼材製設備を溶損するし、また、固化した後には、例えば機械部品の摺動部に噛み込まれて機械部品の動きを悪くする等の弊害を及ぼす。
【００１４】
ところで、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型体は、一般に次のような工程を経て製造されている。先ず、黒鉛の糸で編んだ布に樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを作製し、次にこのプリプレグをカーボン製の型に何層にも貼り付けて所定の形状を作り出し、その後に型ごと焼成し、最後に型を抜くという工程である。このため、Ｃ／Ｃコンポジット材によっては、例えば水道配管のエルボーの如く曲がった形状のパイプ等のように、複雑な形状の一体物を作ることはできない。外型であれば、分割式にする等して、焼成後に容易に取り外すことができるが、内型の場合には、幾何学的に抜き出すことのできる形状でなればならない。
【００１５】
本発明者らは、かかる観点に鑑みて、更にＣ／Ｃコンポジット材の製造方法を鋭意研究した結果、Ｃ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法による方法と、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法による方法に基づいて製造可能な範囲の三次元的な構造体からなる複数の搬送部材を組み合わせることで、シリコン融液が漏れ出すことがなく、また、シリコン融液の飛沫が飛び散ることもない長期耐久性に優れたシリコン融液の搬送部材を発明した。
【００１６】
従って、本発明の目的は、シリコン融液が浸み出すことなく、長期に亘って多数回の繰返し使用が可能であり、しかも、搬送中におけるシリコン融液の飛沫の発生を抑制することができるシリコン融液の搬送部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
〔１〕 シリコン融液と直接接触しながら当該シリコン融液を搬送すると共にシリコン融液の搬送方向を変えるシリコン融液の搬送部材であって、カーボン／カーボンコンポジット材（Ｃ／Ｃコンポジット材）により壁厚１〜１０mmの一端開口筒体状に形成され、開口側には入口開口が形成されていると共に外周部には少なくとも１つの平坦側面部が形成されており、また、この平坦側面部には側面方向に向けて開口する出口開口を有すると共に、底面側には前記入口開口から流入したシリコン融液の流れ方向を前記出口開口に向けて変える底流案内部を有する方向変更部材と、Ｃ／Ｃコンポジット材により壁厚１〜１０mmの溝状又は筒状に形成された樋部材とを有し、使用時には、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の上方に、前記方向変更部材の底流案内部が重なり合うと共にこの底流案内部におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材のシリコン融液流れ方向に略々一致するように、前記方向変更部材を配置し、方向変更部材の入口開口からこの方向変更部材内に流入したシリコン融液の流れを樋部材のシリコン融液流れ方向に案内することを特徴とするシリコン融液の搬送部材。
【００１８】
〔２〕 前記方向変更部材と樋部材とが、それぞれＣ／Ｃコンポジット材の一体成形により形成されている前記〔１〕に記載のシリコン融液の搬送部材。
【００１９】
〔３〕 前記方向変更部材と前記樋部材とが、互いに上下方向に所定の隙間を維持して配置されていることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２０】
〔４〕 前記方向変更部材が底壁部と４つの側壁部とを有する一端開口の横断面矩形箱体状に形成されており、前記底壁部と１つの側壁部とによりその隅角部分に前記底流案内部が形成されると共に、この底流案内部のシリコン融液流れ方向下流側に位置する平坦側面部には三角形状の出口開口が形成されており、また、前記樋部材が横断面略Ｖ字状のＬ字アングル型搬送部と、このＬ字アングル型搬送部のシリコン融液流れ方向上流側の端部に設けられた流止壁部とからなり、使用時には、前記方向変更部材が、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側においてＬ字アングル型搬送部と流止壁部とが形成する遇角部内に配置されることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２１】
〔５〕 前記方向変更部材の出口開口が前記底壁部の一部と側壁部の一部とを２辺とする直角三角形状に形成されており、また、前記樋部材のＬ字アングル型搬送部における２辺間の角度が略直角に形成されていることを特徴とする前記〔４〕に記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２２】
〔６〕 前記方向変更部材及び樋部材は、その表面の少なくともシリコン融液と接する部分に、厚さ０．１〜２００μmの炭化珪素層又はグラファイト層、若しくは、表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布し又は含浸させた後に焼成して形成された厚さ１μm〜３mmの高密度層からなる保護皮膜が形成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載のシリコン融液の搬送部材。
【００２３】
本発明において、前記方向変更部材については、その全体がＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものであっても、また、複数のＣ／Ｃコンポジット板材を用いた組合せ・接合法により製造されたものであってもよく、多数回に亘って繰返し使用が可能であるという長期耐久性の観点からは、好ましくはＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものである。そして、この方向変更部材の壁厚については、通常１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下であり、壁厚が１mmより薄いとシリコン融液が浸み出して漏れたり、浸透したシリコン融液と黒鉛が反応して脆化して破壊したりするという問題があり、反対に、１０mmより厚くなると熱容量が増大してシリコンが固化するという問題が生じる。
【００２４】
また、この方向変更部材の形状については、基本的には外周部に少なくとも１つの平坦な側面部（平坦側面部）を有する一端開口筒体状であり、入口開口から流入したシリコン融液の流れを出口開口に向けて変える底流案内部を形成し易くて製造が容易な形状であればよく、また、横断面形状についても特に制限はなく、例えば、正方形や長方形等の矩形状、略円形状、略楕円形、三角形、等であってもよく、横断面の形状が変化する、例えば全体として逆三角錐や逆四角錐を形成するような形状であってもよい。
【００２５】
更に、この方向変更部材に形成される底流案内部は、方向変更部材の底面側に形成され、開口側の入口開口から流入したシリコン融液の流れを出口開口に向けて変える機能の一部又は全部を担うものであり、使用時の姿勢において方向変更部材内をその入口開口から出口開口に向けて流れるシリコン融液の流れのうちの底の流れを形成しまた案内する部分である。この底流案内部については、底流案内部により案内されて流れるシリコン融液の底流が出口開口に向かうように形成されればよく、好ましくは方向変更部材の出口開口に配置される樋部材におけるシリコン融液の流れ方向に略一致するように形成される。
【００２６】
また、本発明において、前記樋部材については、その全体がＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものであっても、また、複数のＣ／Ｃコンポジット板材を用いた組合せ・接合法により製造されたものであってもよく、多数回に亘って繰返し使用が可能であるという長期耐久性の観点からは、好ましくはＣ／Ｃコンポジット材の成型法により一体成型されたものである。そして、この方向変更部材の壁厚については、通常１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下であり、壁厚が１mmより薄いとシリコン融液が浸み出して漏れたり、浸透したシリコン融液と黒鉛が反応して脆化して破壊したりする、という問題があり、反対に、１０mmより厚くなると熱容量が増大してシリコンが固化するという問題が生じる。
【００２７】
また、この樋部材の形状については、基本的にはその一端側から他端側に向けてシリコン融液を流すことができ、製造が容易な形状であればよく、また、横断面形状についても特に制限はなく、例えば、略Ｖ字形、略Ｕ字形、半円形、半楕円形等の上面側が解放した横樋形状であっても、更には、正方形や長方形等の矩形状、略円形状、略楕円形、三角形等の竪樋形状であってもよい。なお、もし樋部材の形状が竪樋形状である場合には、方向変更部材との間の重なり合いが可能なように、この樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の一部を切り欠いて部分的に横樋形状に加工する等の適当な加工を施すのがよい。
【００２８】
そして、前記方向変更部材と樋部材は、その使用時には、方向変更部材が樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の上方に配置されるが、その際に、方向変更部材の底流案内部の一部又は全部が樋部材の上方に位置して重なり合い、かつ、この底流案内部におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材のシリコン融液流れ方向に略々一致し、これによって、方向変更部材の入口開口からこの方向変更部材内に流入したシリコン融液の流れは、その流れ方向が方向変更部材の底流案内部によって出口開口側に変えられ、この出口開口からの流れを樋部材によってそのシリコン融液流れ方向に案内するようになっている。
【００２９】
ここで、前記方向変更部材（特に、その底流案内部の裏面）と樋部材（特に、その上面）との間の重なり合い状態については、使用時にこれら方向変更部材や樋部材を配置する際の傾斜角度等に応じて適宜設定できるものであって、これら方向変更部材と樋部材との間の隙間を介してシリコン融液が逆流し、あるいは、方向変更部材と樋部材との間の接触部分における毛細管現象により逆流するのを防止できればよく、重なり幅については、通常３０mm以上底流案内部の長さ以下、好ましくは５０mm以上３００mm以下であるのがよく、また、重なり状態については、これら方向変更部材と樋部材とを互いに接触させて重ね合わせてもよいほか、毛細管現象による逆流を防止するために、通常２mm以上３０mm以下、好ましくは
５mm以上１０mm以下程度の隙間を維持して重ね合わせてもよい。
【００３０】
更に、本発明においては、Ｃ／Ｃコンポジット材で形成された前記方向変更部材及び樋部材の表面において、少なくともシリコン融液と接する部分には、保護皮膜を形成せしめ、これによってこれら搬送部材の長期耐久性を更に改善するようにしてもよい。この目的で形成される保護皮膜としては、具体的には、ＣＶＤ法等で形成された炭化珪素(SiC)層又はグラファイト層が挙げられ、また、方向変更部材及び樋部材の表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布又は含浸させた後に焼成して形成された密度の高い高密度層が挙げられる。
【００３１】
この保護皮膜としての炭化珪素層については、その膜厚が通常０．１μm以上２００μm以下、好ましくは０．１μm以上４０μm以下、より好ましくは０．１μm以上５μm以下であるのがよく、０．１μmより薄いと欠陥の少ない緻密な膜を形成することが難しいという問題があり、反対に、２００μmより厚くなると剥離し易くなるという問題が生じる。また、グラファイト層については、その膜厚が通常０．１μm以上２００μm以下、好ましくは０．１μm以上２０μm以下、より好ましくは０．１μm以上５μm以下であるのがよく、０．１μmより薄いと欠陥の少ない緻密な膜を形成することが難しいという問題があり、反対に、２００μmより厚くなると剥離し易くなるという問題が生じる。更に、高密度層については、その膜厚が1μm以上３mm以下、好ましくは１μm以上１００μm以下、より好ましくは１μm以上１０μm以下であるのがよく、１μmより薄いとシリコンの浸透を防止する効果が小さいという問題があり、反対に、３mmより厚い高密度層を形成するのは難しいという問題がある。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、シリコン融液が浸み出すことなく、長期に亘って多数回の繰返し使用が可能であり、しかも、搬送中におけるシリコン融液の飛沫の発生を抑制することができる長期耐久性に優れたシリコン融液の搬送部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明者らの第１の提案に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図である。
【００３４】
【図２】図２は、本発明者らの第２の提案に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図である。
【００３５】
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材を構成する方向変更部材を示す斜視説明図である。
【００３６】
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材を構成する樋部材を示す斜視説明図である。
【００３７】
【図５】図５は、図３の方向変更部材と図４の樋部材を用いて構成される本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材の分解組立状態を示す斜視説明図である。
【００３８】
【図６】図６は、図３の方向変更部材と図４の樋部材を用いて構成される本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図である。
【００３９】
【図７】図７は、本発明の比較例に係るシリコン融液の搬送部材を示す斜視説明図であり、本発明者らの第２の提案に基づいて形成されたものである。
【００４０】
【図８】図８は、シリコン融液の搬送部材の長期耐久性を調べるシリコン融液通液試験の方法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3は、図３〜図６に示すように、Ｃ／Ｃコンポジット材により形成され、横断面が正四角形状であって、一端側が開口し、また、他端側が閉塞した一端開口の横断面正四角形箱体状に形成された壁厚１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下の方向変更部材１と、同じくＣ／Ｃコンポジット材により横断面略Ｖ字状の溝状に形成された壁厚１mm以上１０mm以下、好ましくは２mm以上５mm以下の樋部材２とで構成されている。これら方向変更部材１及び樋部材２における壁厚が１mm未満だとシリコン融液が浸み込んで破壊する虞があり、反対に、１０mmを超えるとこれら方向変更部材１や樋部材２の熱容量が大きくなり、搬送中にシリコン融液の熱を奪って固化させる虞がある。
【００４２】
前記方向変更部材１は、底壁部1aと外周部を構成する４つの側壁部1b,1c,1d,1eとからなり、その開口側には入口開口３が形成されていると共に、１つの側壁部1bには側面方向に向けて開口する直角二等辺三角形状の出口開口４が開設されており、この出口開口４は底壁部1aと１つの側壁部1eとが形成する隅角部に連なり、これによって底壁部1aと側壁部1eの間の隅角部が入口開口３から流入するシリコン融液の流れ方向を出口開口４へと直角に変える底流案内部５となっている。
【００４３】
また、前記樋部材２は、２辺間の角度が９０°（直角）を中心にして許容される誤差範囲の８８°以上９２°以下である横断面略Ｖ字状のＬ字アングル型搬送部2aと、このＬ字アングル型搬送部2aのシリコン融液流れ方向上流側の端部に設けられ、この上流側への逆流を防止する流止壁部2bとからなり、前記Ｌ字アングル型搬送部2aの２辺が形成する隅角部がこの樋部材２を流れるシリコン融液の底流案内部６として機能するようになっている。
【００４４】
また、前記Ｌ字アングル型搬送部2aの長さは、通常、前記方向変更部材１の底流案内部５の長さ（底壁部1aと側壁部1eとが形成する隅角部の長さ）より３０mm以上長く、また、全長が３０００mm以下である。このＬ字アングル型搬送部2aの長さが、底流案内部５の長さより３０mm以上長くない場合には方向変更部材１の出口開口４から流出するシリコン融液を十分に受け取れない場合が生じ、反対に、全長が３０００mmを超えると流路が長くなりすぎてシリコン融液が冷却し固化する虞が生じる。
【００４５】
この第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3において、その使用時には、図５及び図６に示すように、樋部材２のシリコン融液流れ方向上流側に方向変更部材１を配置し、方向変更部材１の底流案内部５が、樋部材２のシリコン融液流れ方向上流側において、Ｌ字アングル型搬送部2aと流止壁部2bとが形成する遇角部（底流案内部６）に重なり合うように、かつ、この底流案内部５におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材２のシリコン融液流れ方向に略一致するように嵌め込まれる。
【００４６】
この第１の実施形態においては、樋部材２のＬ字アングル型搬送部2aを形成する各辺の長さが方向変更部材１の底壁部1aの各辺や各側壁部1b,1c,1d,1eの長さと略同じに形成されて、樋部材２のシリコン融液流れ方向上流側の遇角部（底流案内部６）に方向変更部材１の略半分が嵌り込むようになっており、仮に方向変更部材１内に流れ込んだシリコン融液がこの方向変更部材１から漏れ出しても、樋部材２によって外部への漏れ出しを防止できるようになっている。
【００４７】
なお、樋部材２が大きくなり過ぎて全体の熱容量が許容範囲を超える虞がある場合や樋部材２の形状に幾何学的な制約がある場合には、図５に点線で示した樋部材２の一部分を切り欠き、図６に示したように、方向変更部材１を超えて延びる樋部材２のシリコン融液流れ方向下流側を方向変更部材１の出口開口４の大きさに略々一致させるようにしてもよい。
【００４８】
上記第１の実施形態に係る方向変更部材１及び樋部材２は、そのいずれも上述したＣ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法や、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法により製造可能な三次元的な構造体からなるものであり、いずれの方法で形成してもよいが、多数回の繰返し使用を可能にする長期耐久性の観点からは、少なくとも樋部材２についてはＣ／Ｃコンポジット材の成型法により製造し、接合部を持たない構造体とすることが望ましい。なお、方向変更部材１の出口開口４を形成する際には、Ｃ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法で形成する場合には予めこの出口開口４に対応する部分が切り欠かれたＣ／Ｃコンポジット板材を用いてもよく、また、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法で形成する場合には成型後に切削加工で形成してもよい。
【００４９】
この第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3によれば、図６に示すように、方向変更部材１の入口開口３からこの方向変更部材１内に流れ込んだシリコン溶液は、その流れ方向正面に位置する側壁部1aに当り、この側壁部1aと側壁部1eとで形成される隅角部を底流案内部５としてその流れ方向が方向変更部材１の出口開口４へと変えられ、この出口開口４から流出して樋部材２へと受け継がれて行き、結果としてシリコン融液の流れ方向はこの搬送部材Ｔ3により９０°変えられることになる。
【００５０】
また、この第１の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材Ｔ3によれば、方向変更部材１の入口開口３を大きくとることができるので、シリコン融液を受ける位置に一定の自由度があり、また、方向変更部材１の内部ではシリコン融液の運動エネルギーが低減されてその際にシリコンの飛沫が発生するが、このシリコンの飛沫が外部に飛散するのを効果的に防止することができる。更に、出口開口４の形状が直角二等辺三角形状であるため、樋部材２のＬ字アングル型搬送部2aと重ね合わせることができ、方向変更部材１の出口開口４から樋部材２へとシリコン融液の流れを円滑に受け渡すことができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態においては、上記の第１の実施形態の場合に加えて、方向変更部材１及び樋部材２の表面において、シリコン融液の搬送中に少なくともこのシリコン融液と接する部分に、厚さ０．１〜２００μmの炭化珪素層又はグラファイト層、若しくは、表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布し又は含浸させた後に焼成して形成された厚さ１μm〜３mmの高密度層からなる保護皮膜が形成されている。
【００５２】
この第２の実施形態に係るシリコン融液の搬送部材によれば、多数回の繰返し使用が可能な長期耐久性が更に向上し、長期に亘って、シリコン融液が浸み出すことなく、また、搬送中におけるシリコン融液の飛沫も発生させることなく、シリコン融液を搬送することができる。
【実施例】
【００５３】
〔実施例１〕
実施例１においては、Ｃ／Ｃコンポジット材の成型法により、図３に相当する壁厚３mmの方向変更部材と、図４に相当する壁厚３mmの樋部材とを作製し、図６に示すように重ね合わせてシリコン融液の搬送部材を構成した。
【００５４】
また、この実施例１において、方向変更部材は、その底壁部の大きさが３００mm×３００mmであって各側壁部の大きさが３００mm×３００mmであり、また、出口開口の大きさが１００mm×１００mm×１４１mmの直角二等辺三角形状に形成されており、そして、樋部材は、そのＬ字アングル型搬送部が長さ４８０mm×各辺長３００mmの大きさに形成されている。
【００５５】
〔実施例２〕
実施例２においては、上記実施例１の方向変更部材及び樋部材の全面に、保護皮膜としてＣＶＤ法により約２０μmのグラファイト層を形成したこと以外は、上記実施例１と同様にして方向変更部材及び樋部材を作製し、実施例１と同様に組み合わせてシリコン融液の搬送部材を構成した。
【００５６】
〔比較例〕
比較例として、図７に示すように、先に説明した第２の提案に係るＣ／Ｃコンポジット板材の組合せ・接合法により、方向変更部７と樋部８とが一体的に形成されたシリコン融液の搬送部材Ｔ4を形成した。
この比較例のシリコン融液の搬送部材Ｔ4は、方向変更部７と樋部８とが一体的に形成されて重ね合わせ構造になっていない点で、上記実施例１のシリコン融液の搬送部材と異なるのみで、シリコン融液の流れを形成する内部構造はその大きさも含めて実質的に上記実施例１の場合と同じに設計されている。
【００５７】
〔シリコン融液の通液試験〕
比較例、実施例１及び２に係るシリコン融液の搬送部材について、１回当り約１６００℃のシリコン融液１０kgを流した後に３０分間自然冷却させる通液操作を複数回繰り返して実施し、１回毎に搬送部材からのシリコン融液の漏れの程度を観察し、漏れ量が５００gを超えた時点で通液試験を中止し、その時点での通液回数を長期耐久性（寿命）として評価した。
【００５８】
このシリコン融液の通液試験は、不活性ガスで置換できるチャンバー内で実施され、図７の概念図に示ように、搬送部材Ｔ、シリコン融液９の取鍋10、及び受器11を、それぞれ搬送部材Ｔの入口開口からその底壁部に至る傾斜角度が５°であって、搬送部材Ｔの底壁部と側壁部とで形成される底流案内部から出口開口を経て樋部材（樋部）に至る傾斜角度が５°となるように配置して実施した。このシリコン融液の通液試験において、１回の通液操作で流される１０kgのシリコン融液を取鍋10から受器11まで完全に流すのに１分程度の時間を要し、また、通液終了後に搬送部材Ｔをほぼ室温に冷却するまでに３０分間の放冷を必要とした。結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
表１に示す結果から明らかなように、比較例では、９回目の通液操作で接合部から約６００g融液漏れが確認されたが、実施例１では、３６回目に樋部材のＬ字アングル型搬送部の先端に亀裂が入って、５００g以上の融液漏れが生じ、また、実施例２では、８０回を越える通液操作を実施しても、融液漏れは最大でも１００g以下であり、本発明の効果が確認された。
【符号の説明】
【００６１】
Ｔ、Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4…搬送部材、ａ…流入口、ｂ…流出口、１…方向変更部材、1a…底壁部、1b,1c,1d,1e…側壁部、２…樋部材、2a…Ｌ字アングル型搬送部、2b…流止壁部、３…入口開口、４…出口開口、５…方向変更部材の底流案内部、６…樋部材の底流案内部、７…方向変更部、８…樋部、９…シリコン融液、10…取鍋、11…受器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン融液と直接接触しながら当該シリコン融液を搬送すると共にシリコン融液の搬送方向を変えるシリコン融液の搬送部材であって、
カーボン／カーボンコンポジット材（Ｃ／Ｃコンポジット材）により壁厚１〜１０mmの一端開口筒体状に形成され、開口側には入口開口が形成されていると共に外周部には少なくとも１つの平坦側面部が形成されており、また、この平坦側面部には側面方向に向けて開口する出口開口を有すると共に、底面側には前記入口開口から流入したシリコン融液の流れ方向を前記出口開口に向けて変える底流案内部を有する方向変更部材と、Ｃ／Ｃコンポジット材により壁厚１〜１０mmの溝状又は筒状に形成された樋部材とを有し、
使用時には、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の上方に、前記方向変更部材の底流案内部が重なり合うと共にこの底流案内部におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材のシリコン融液流れ方向に略々一致するように、前記方向変更部材を配置し、方向変更部材の入口開口からこの方向変更部材内に流入したシリコン融液の流れを樋部材のシリコン融液流れ方向に案内することを特徴とするシリコン融液の搬送部材。
【請求項２】
前記方向変更部材と樋部材とが、それぞれＣ／Ｃコンポジット材の一体成型により形成されている請求項１に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項３】
前記方向変更部材と前記樋部材とが、互いに上下方向に所定の隙間を維持して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項４】
前記方向変更部材が底壁部と４つの側壁部とを有する一端開口の横断面矩形箱体状に形成されており、前記底壁部と１つの側壁部とによりその隅角部分に前記底流案内部が形成されると共に、この底流案内部のシリコン融液流れ方向下流側に位置する平坦側面部には三角形状の出口開口が形成されており、また、前記樋部材が横断面略Ｖ字状のＬ字アングル型搬送部と、このＬ字アングル型搬送部のシリコン融液流れ方向上流側の端部に設けられた流止壁部とからなり、
使用時には、前記方向変更部材が、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側においてＬ字アングル型搬送部と流止壁部とが形成する遇角部内に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項５】
前記方向変更部材の出口開口が前記底壁部の一部と側壁部の一部とを２辺とする直角三角形状に形成されており、また、前記樋部材のＬ字アングル型搬送部における２辺間の角度が略直角に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項６】
前記方向変更部材及び樋部材は、その表面の少なくともシリコン融液と接する部分に、厚さ０．１〜２００μmの炭化珪素層又はグラファイト層、若しくは、表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布し又は含浸させた後に焼成して形成された厚さ１μm〜３mmの高密度層からなる保護皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項１】
シリコン融液と直接接触しながら当該シリコン融液を搬送すると共にシリコン融液の搬送方向を変えるシリコン融液の搬送部材であって、
カーボン／カーボンコンポジット材（Ｃ／Ｃコンポジット材）により壁厚１〜１０mmの一端開口筒体状に形成され、開口側には入口開口が形成されていると共に外周部には少なくとも１つの平坦側面部が形成されており、また、この平坦側面部には側面方向に向けて開口する出口開口を有すると共に、底面側には前記入口開口から流入したシリコン融液の流れ方向を前記出口開口に向けて変える底流案内部を有する方向変更部材と、Ｃ／Ｃコンポジット材により壁厚１〜１０mmの溝状又は筒状に形成された樋部材とを有し、
使用時には、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側の上方に、前記方向変更部材の底流案内部が重なり合うと共にこの底流案内部におけるシリコン融液の流れ方向が樋部材のシリコン融液流れ方向に略々一致するように、前記方向変更部材を配置し、方向変更部材の入口開口からこの方向変更部材内に流入したシリコン融液の流れを樋部材のシリコン融液流れ方向に案内することを特徴とするシリコン融液の搬送部材。
【請求項２】
前記方向変更部材と樋部材とが、それぞれＣ／Ｃコンポジット材の一体成型により形成されている請求項１に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項３】
前記方向変更部材と前記樋部材とが、互いに上下方向に所定の隙間を維持して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項４】
前記方向変更部材が底壁部と４つの側壁部とを有する一端開口の横断面矩形箱体状に形成されており、前記底壁部と１つの側壁部とによりその隅角部分に前記底流案内部が形成されると共に、この底流案内部のシリコン融液流れ方向下流側に位置する平坦側面部には三角形状の出口開口が形成されており、また、前記樋部材が横断面略Ｖ字状のＬ字アングル型搬送部と、このＬ字アングル型搬送部のシリコン融液流れ方向上流側の端部に設けられた流止壁部とからなり、
使用時には、前記方向変更部材が、前記樋部材のシリコン融液流れ方向上流側においてＬ字アングル型搬送部と流止壁部とが形成する遇角部内に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項５】
前記方向変更部材の出口開口が前記底壁部の一部と側壁部の一部とを２辺とする直角三角形状に形成されており、また、前記樋部材のＬ字アングル型搬送部における２辺間の角度が略直角に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のシリコン融液の搬送部材。
【請求項６】
前記方向変更部材及び樋部材は、その表面の少なくともシリコン融液と接する部分に、厚さ０．１〜２００μmの炭化珪素層又はグラファイト層、若しくは、表面に黒鉛化容易な高分子溶液を塗布し又は含浸させた後に焼成して形成された厚さ１μm〜３mmの高密度層からなる保護皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコン融液の搬送部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３６３５８（Ｐ２０１２−１３６３５８Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７６３３（Ｐ２０１０−２８７６３３）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄マテリアルズ株式会社 (196)
【出願人】（５１００９６０４９）ＮＳソーラーマテリアル株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄マテリアルズ株式会社 (196)
【出願人】（５１００９６０４９）ＮＳソーラーマテリアル株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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