熱エネルギー伝導の制御方法
【目的】 融体から放散される熱エネルギーをコントロールして、融体中に所望の温度勾配を設定するための、幅広い温度域において採用可能な、熱エネルギー伝導の制御方法の提供。
【構成】 垂直ブリッジマン炉を利用した図１の装置において、断熱材３で囲まれ、カーボンヒーター９によって昇温される融体１１が装入されている石英製縦型ボート８の底部に液体ガリウム１５を収納したカーボン製容器１４を取りつけ、該ボート８の軸心に設けた石英管１０中の温度センサー６と７の温度差が一定になるように、リング状の軟鉄１６に取りつけられた希土類磁石１７からなる回転磁石を、フランジ１３の周囲に設けられた水冷ジャケット１２に沿って回転させ、その速度をコントロールし、液体ガリウム１５を通して融体１１から放散される熱エネルギーを制御する。
【構成】 垂直ブリッジマン炉を利用した図１の装置において、断熱材３で囲まれ、カーボンヒーター９によって昇温される融体１１が装入されている石英製縦型ボート８の底部に液体ガリウム１５を収納したカーボン製容器１４を取りつけ、該ボート８の軸心に設けた石英管１０中の温度センサー６と７の温度差が一定になるように、リング状の軟鉄１６に取りつけられた希土類磁石１７からなる回転磁石を、フランジ１３の周囲に設けられた水冷ジャケット１２に沿って回転させ、その速度をコントロールし、液体ガリウム１５を通して融体１１から放散される熱エネルギーを制御する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、融液の固化速度や蒸発速度等のコントロールに使用できる熱エネルギー伝導の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】工業的に広く用いられる液相からの単結晶育成法においては、例えば温度勾配のある電気炉で融体を収納したるつぼを移動したり降下したりして結晶を育成する温度勾配法（ブリッジマン法）、または融体表面から結晶を引上げる引上げ法（チョクラルスキー法）などにおいて、いずれも融体の冷却速度のコントロールが重要である。
【０００３】一般に融液の固化速度や蒸発速度をコントロールする晶出装置や結晶育成装置における融液の冷却は放熱したい部分を空冷したり、液体で冷却するかあるいは液体アルカリで冷却する方法が採られている。
【０００４】冷却される対象により、通常２５０℃以下の冷却方法については、水やシリコーンオイル等を用い、それ以上ではアルカリ金属や空気等で冷却される場合が多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記冷却方法のうち、空気冷却は冷却速度が遅く、放熱したい部分の放熱量を大きく取れないため、放熱量を増すためには他の方法に比較して大きなスペースを必要とする。
【０００６】一方、液体冷却による方法では、放熱したい部分からの放熱量を大きくできるものの、放熱エネルギーのコントロール範囲が狭く、したがって冷却温度幅に制限があった。
【０００７】また、液体アルカリ冷却でも冷却温度域が１００〜７００℃と狭い上、一般に設備費がかさむという様にそれぞれ課題があった。
【０００８】したがって本発明の目的は、融体から放散される熱エネルギーをコントロールして融体中に所望の温度勾配を設定するための、幅広い温度域において採用可能な熱エネルギー伝導の制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を達成すべく研究の結果、高低２種の熱良導体のうち前者の第１の熱良導体から後者の第２の熱良導体に熱エネルギーが移動放散される際、第１および第２の熱良導体の途中に、熱的に両者を接続する空間部（真空または気相）と液体金属、例えば融点が２９．８℃の高純度液体ガリウムとからなる接続部を設け、この接続部を回転するか、あるいは両熱良導体の間隔を変えることにより該液体金属の有効熱伝導面積を変化させるようにすれば、第１の熱良導体から放散する熱エネルギーを制御でき、従来技術の問題点を解決する有効な手段となることを見いだし本発明に到達した。
【００１０】すなわち、本発明は第１に、第１の熱良導体から第２の熱良導体に熱エネルギーを伝導することによって第１の熱良導体中の温度勾配を設定する熱エネルギー伝導の制御方法において、上記第１の熱良導体と第２の熱良導体との間に真空または気相からなる空間部と液体金属とからなる接続部を設け、両熱良導体間を熱的に接続する液体金属の有効熱伝導面積を変えることにより、第１の熱良導体中の温度勾配を第１の熱良導体からの放熱量によって制御することを特徴とする熱エネルギー伝導の制御方法を：第２に、前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属を回転することにより行われる上記第１の制御方法を：第３に、前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属と熱的に接続する熱良導体同士の間隔の変更により行われる上記第１の制御方法を提供するものでる。
【００１１】
【作用】本発明の方法では、両熱良導体の間に設けられた接続部中の液体金属によって有効熱伝導面積を変化させることにより熱エネルギーの伝導を制御する。
【００１２】上記有効熱伝導面積を制御する方法として、図２（ａ）の模式断面図に示すように、断熱材３で囲まれた第１の熱良導体１と第２の熱良導体２との間に、静止時、図示のような空間部４と液体金属５とからなる接続部を設け、図２（ｂ）の模式断面図のように該接続部を回転させると、回転速度に応じて、側壁に沿ってせり上がった液体金属５と接する第１の熱良導体との面積すなわち有効熱伝導面積が変化するようになる。
【００１３】また、図３の模式断面図に示すように、同じく断熱材３で囲まれた両熱良導体１および２との間に図示のような接続部（空間部４および液体金属５からなる）を設け、両熱良導体のいずれかを上下に移動して両者の間隔を変えることにより、第１の熱良導体と接する液体金属の有効熱伝導面積を変化させることもできる。 以上の様にして上記有効熱伝導面積を変えることにより、第１の熱良導体中に押入された第１温度センサー６と第２温度センサー７との温度差が所望の値になるように放散熱エネルギーをコントロールすることができる。
【００１４】なお、接続部中の液体金属を回転させるには、例えばリング状の軟鉄板の内側に希土類磁石を取りつけた回転磁石を接続部の周りを回転させ、その回転速度に比例して流れる誘導電流によって回転する液体金属の挙動をコントロールする。
【００１５】また、液体金属としては、融点が２９．８℃の高純度ガリウムあるいはその化合物が化学的安定性およびコントロール域の広さから考えて望ましい。
【００１６】
【実施例１】図１は本実施例で用いられた垂直ブリッジマン炉を利用した装置の模式断面図であって、この図を参照して以下説明する。
【００１７】断熱材３で囲まれ、カーボンヒーター９によって昇温される５００℃以上の融点をもつ融体１１が装入されている石英製縦型ボート８の底部に液体ガリウム１５を収納した特殊カーボン材からなる容器１４を図のように取りつけ、該ボート８の軸心に設けた石英管１０中の第１温度センサー６と第２温度センサー７との温度差が一定になるように、リング状の軟鉄１６に取りつけられた希土類磁石からなる回転磁石を、フランジ１３の周囲に設けられた水冷ジャケット１２に沿って回転させた。
【００１８】回転磁石を回転させると回転速度に比例して誘導電流が流れるので液体金属を回転させることができ、図では液体ガリウムが容器の側面にせり上がった回転時の状態を示している。
【００１９】まず、上記の装置で３段重ねの各カーボン容器に２５０ｇずつ容器の体積の９０％に相当する高純度ガリウムを入れ、アルゴン雰囲気で昇温したところ、第１温度センサーが１０００℃、第２温度センサーが９５０℃で単位面積当りの放出エネルギーは４．２ W／cm2 であった。
【００２０】次に、両センサーの温度差を１００℃にセットして該磁石を回転させたところ、第１センサー、第２センサーが約９５０℃および約８５０℃となり、放出エネルギーは８．５ W／cm2 となった。
【００２１】次に、両センサーの温度差を２００℃にセットして該磁石を回転させたところ、同様に約８００℃および約６００℃となり放出エネルギーは１７ W／cm2 であり、以上の様に放出エネルギーをコントロールすることができた。
【００２２】
【実施例２】実施例１では融体１１中の第１温度センサーで１０００℃以下の場合について述べたが、本実施例では１０００℃より高温の場合について試験した。
【００２３】図１の装置を用いて第１温度センサーが１４００℃、第２温度センサーが１３３０℃になるようにして試験を行ったが、実施例１と同様に支障なく熱放出エネルギーをコントロールすることができた。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によれば、熱良導体、例えば融体の固化速度をコントロールするために、２つの熱良導体の途中を液体金属でつなぎ、液体金属の有効熱伝導面積をコントロールするので、熱エネルギー伝導、すなわち熱放出エネルギーを幅広い温度域において制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例において用いられた垂直ブリッジマン炉を利用する装置の模式断面図である。
【図２】本発明において、液体金属を回転させるタイプの場合、その作用を説明する模式図であって、同図（ａ）は液体金属が静止時の状態を、同図（ｂ）は液体金属が回転して有効熱伝導面積が変化する様子を示す図である。
【図３】本発明において、熱良導体のいずれかが上下に移動すると、両者間に介在する液体金属の有効熱伝導面積が変化する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 第１の熱良導体
２ 第２の熱良導体
３ 断熱材
４ 空間部
５ 液体金属
６ 第１温度センサー
７ 第２温度センサー
８ 石英製縦型ボート
９ カーボンヒーター
１０ 石英管
１１ 融体
１２ 水冷ジャケット
１３ フランジ
１４ カーボン容器
１５ ガリウム
１６ 軟鉄
１７ 希土類磁石
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、融液の固化速度や蒸発速度等のコントロールに使用できる熱エネルギー伝導の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】工業的に広く用いられる液相からの単結晶育成法においては、例えば温度勾配のある電気炉で融体を収納したるつぼを移動したり降下したりして結晶を育成する温度勾配法（ブリッジマン法）、または融体表面から結晶を引上げる引上げ法（チョクラルスキー法）などにおいて、いずれも融体の冷却速度のコントロールが重要である。
【０００３】一般に融液の固化速度や蒸発速度をコントロールする晶出装置や結晶育成装置における融液の冷却は放熱したい部分を空冷したり、液体で冷却するかあるいは液体アルカリで冷却する方法が採られている。
【０００４】冷却される対象により、通常２５０℃以下の冷却方法については、水やシリコーンオイル等を用い、それ以上ではアルカリ金属や空気等で冷却される場合が多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記冷却方法のうち、空気冷却は冷却速度が遅く、放熱したい部分の放熱量を大きく取れないため、放熱量を増すためには他の方法に比較して大きなスペースを必要とする。
【０００６】一方、液体冷却による方法では、放熱したい部分からの放熱量を大きくできるものの、放熱エネルギーのコントロール範囲が狭く、したがって冷却温度幅に制限があった。
【０００７】また、液体アルカリ冷却でも冷却温度域が１００〜７００℃と狭い上、一般に設備費がかさむという様にそれぞれ課題があった。
【０００８】したがって本発明の目的は、融体から放散される熱エネルギーをコントロールして融体中に所望の温度勾配を設定するための、幅広い温度域において採用可能な熱エネルギー伝導の制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を達成すべく研究の結果、高低２種の熱良導体のうち前者の第１の熱良導体から後者の第２の熱良導体に熱エネルギーが移動放散される際、第１および第２の熱良導体の途中に、熱的に両者を接続する空間部（真空または気相）と液体金属、例えば融点が２９．８℃の高純度液体ガリウムとからなる接続部を設け、この接続部を回転するか、あるいは両熱良導体の間隔を変えることにより該液体金属の有効熱伝導面積を変化させるようにすれば、第１の熱良導体から放散する熱エネルギーを制御でき、従来技術の問題点を解決する有効な手段となることを見いだし本発明に到達した。
【００１０】すなわち、本発明は第１に、第１の熱良導体から第２の熱良導体に熱エネルギーを伝導することによって第１の熱良導体中の温度勾配を設定する熱エネルギー伝導の制御方法において、上記第１の熱良導体と第２の熱良導体との間に真空または気相からなる空間部と液体金属とからなる接続部を設け、両熱良導体間を熱的に接続する液体金属の有効熱伝導面積を変えることにより、第１の熱良導体中の温度勾配を第１の熱良導体からの放熱量によって制御することを特徴とする熱エネルギー伝導の制御方法を：第２に、前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属を回転することにより行われる上記第１の制御方法を：第３に、前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属と熱的に接続する熱良導体同士の間隔の変更により行われる上記第１の制御方法を提供するものでる。
【００１１】
【作用】本発明の方法では、両熱良導体の間に設けられた接続部中の液体金属によって有効熱伝導面積を変化させることにより熱エネルギーの伝導を制御する。
【００１２】上記有効熱伝導面積を制御する方法として、図２（ａ）の模式断面図に示すように、断熱材３で囲まれた第１の熱良導体１と第２の熱良導体２との間に、静止時、図示のような空間部４と液体金属５とからなる接続部を設け、図２（ｂ）の模式断面図のように該接続部を回転させると、回転速度に応じて、側壁に沿ってせり上がった液体金属５と接する第１の熱良導体との面積すなわち有効熱伝導面積が変化するようになる。
【００１３】また、図３の模式断面図に示すように、同じく断熱材３で囲まれた両熱良導体１および２との間に図示のような接続部（空間部４および液体金属５からなる）を設け、両熱良導体のいずれかを上下に移動して両者の間隔を変えることにより、第１の熱良導体と接する液体金属の有効熱伝導面積を変化させることもできる。 以上の様にして上記有効熱伝導面積を変えることにより、第１の熱良導体中に押入された第１温度センサー６と第２温度センサー７との温度差が所望の値になるように放散熱エネルギーをコントロールすることができる。
【００１４】なお、接続部中の液体金属を回転させるには、例えばリング状の軟鉄板の内側に希土類磁石を取りつけた回転磁石を接続部の周りを回転させ、その回転速度に比例して流れる誘導電流によって回転する液体金属の挙動をコントロールする。
【００１５】また、液体金属としては、融点が２９．８℃の高純度ガリウムあるいはその化合物が化学的安定性およびコントロール域の広さから考えて望ましい。
【００１６】
【実施例１】図１は本実施例で用いられた垂直ブリッジマン炉を利用した装置の模式断面図であって、この図を参照して以下説明する。
【００１７】断熱材３で囲まれ、カーボンヒーター９によって昇温される５００℃以上の融点をもつ融体１１が装入されている石英製縦型ボート８の底部に液体ガリウム１５を収納した特殊カーボン材からなる容器１４を図のように取りつけ、該ボート８の軸心に設けた石英管１０中の第１温度センサー６と第２温度センサー７との温度差が一定になるように、リング状の軟鉄１６に取りつけられた希土類磁石からなる回転磁石を、フランジ１３の周囲に設けられた水冷ジャケット１２に沿って回転させた。
【００１８】回転磁石を回転させると回転速度に比例して誘導電流が流れるので液体金属を回転させることができ、図では液体ガリウムが容器の側面にせり上がった回転時の状態を示している。
【００１９】まず、上記の装置で３段重ねの各カーボン容器に２５０ｇずつ容器の体積の９０％に相当する高純度ガリウムを入れ、アルゴン雰囲気で昇温したところ、第１温度センサーが１０００℃、第２温度センサーが９５０℃で単位面積当りの放出エネルギーは４．２ W／cm2 であった。
【００２０】次に、両センサーの温度差を１００℃にセットして該磁石を回転させたところ、第１センサー、第２センサーが約９５０℃および約８５０℃となり、放出エネルギーは８．５ W／cm2 となった。
【００２１】次に、両センサーの温度差を２００℃にセットして該磁石を回転させたところ、同様に約８００℃および約６００℃となり放出エネルギーは１７ W／cm2 であり、以上の様に放出エネルギーをコントロールすることができた。
【００２２】
【実施例２】実施例１では融体１１中の第１温度センサーで１０００℃以下の場合について述べたが、本実施例では１０００℃より高温の場合について試験した。
【００２３】図１の装置を用いて第１温度センサーが１４００℃、第２温度センサーが１３３０℃になるようにして試験を行ったが、実施例１と同様に支障なく熱放出エネルギーをコントロールすることができた。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によれば、熱良導体、例えば融体の固化速度をコントロールするために、２つの熱良導体の途中を液体金属でつなぎ、液体金属の有効熱伝導面積をコントロールするので、熱エネルギー伝導、すなわち熱放出エネルギーを幅広い温度域において制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例において用いられた垂直ブリッジマン炉を利用する装置の模式断面図である。
【図２】本発明において、液体金属を回転させるタイプの場合、その作用を説明する模式図であって、同図（ａ）は液体金属が静止時の状態を、同図（ｂ）は液体金属が回転して有効熱伝導面積が変化する様子を示す図である。
【図３】本発明において、熱良導体のいずれかが上下に移動すると、両者間に介在する液体金属の有効熱伝導面積が変化する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 第１の熱良導体
２ 第２の熱良導体
３ 断熱材
４ 空間部
５ 液体金属
６ 第１温度センサー
７ 第２温度センサー
８ 石英製縦型ボート
９ カーボンヒーター
１０ 石英管
１１ 融体
１２ 水冷ジャケット
１３ フランジ
１４ カーボン容器
１５ ガリウム
１６ 軟鉄
１７ 希土類磁石
【特許請求の範囲】
【請求項１】 第１の熱良導体から第２の熱良導体に熱エネルギーを伝導することによって第１の熱良導体中の温度勾配を設定する熱エネルギー伝導の制御方法において、上記第１の熱良導体と第２の熱良導体との間に真空または気相による空間部と液体金属とからなる接続部を設け、両熱良導体間を熱的に接続する液体金属の有効熱伝導面積を変えることにより、第１の熱良導体中の温度勾配を第１の熱良導体からの放熱量の調節によって制御することを特徴とする熱エネルギー伝導の制御方法。
【請求項２】 前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属の高速回転による液面上昇力の調節により行われる請求項１記載の制御方法。
【請求項３】 前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属と熱的に接続する熱良導体同士の間隔の変更により行われる請求項１記載の制御方法。
【請求項１】 第１の熱良導体から第２の熱良導体に熱エネルギーを伝導することによって第１の熱良導体中の温度勾配を設定する熱エネルギー伝導の制御方法において、上記第１の熱良導体と第２の熱良導体との間に真空または気相による空間部と液体金属とからなる接続部を設け、両熱良導体間を熱的に接続する液体金属の有効熱伝導面積を変えることにより、第１の熱良導体中の温度勾配を第１の熱良導体からの放熱量の調節によって制御することを特徴とする熱エネルギー伝導の制御方法。
【請求項２】 前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属の高速回転による液面上昇力の調節により行われる請求項１記載の制御方法。
【請求項３】 前記液体金属の有効熱伝導面積の変更が該液体金属と熱的に接続する熱良導体同士の間隔の変更により行われる請求項１記載の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開平７−８７９３
【公開日】平成７年（１９９５）１月１３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−１７６０４６
【出願日】平成５年（１９９３）６月２３日
【出願人】（０００２２４７９８）同和鉱業株式会社 (550)
【公開日】平成７年（１９９５）１月１３日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）６月２３日
【出願人】（０００２２４７９８）同和鉱業株式会社 (550)
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