一種有晶體生長控制器的定向凝固裝置制造方法及圖紙

一種有晶體生長控制器的定向凝固裝置，包括冷卻裝置、高頻感應加熱裝置、抽拉裝置、高頻感應加熱電源、行波磁場發生器和行波磁場變頻電源。行波磁場發生器、冷卻裝置中的行波磁場線圈冷卻箱和高頻感應加熱裝置均位于真空室內。抽拉裝置位于真空室內底部中心處。行波磁場發生器位于行波磁場線圈冷卻箱內。三個行波磁場線圈分別安裝在線圈架上的三層線圈擋板上。高頻感應加熱裝置中的輻射隔熱擋板位于線圈架下兩個行波磁場線圈相鄰表面之間間隙的中心處。在真空室的一側壁上有真空泵連接口；在真空室底部中心有抽拉裝置的水冷結晶器的安裝孔。本實用新型專利技術可以通入大電流來研究真空條件下較強磁場對易氧化合金、較高熔點合金甚至高熔點合金的晶體生長過程的影響。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種磁場的裝置，主要應用于晶體生長。
技術介紹
電磁學被廣泛應用于生產和實踐，特別在材料加工工程方面。電磁學之所以能在多種材料成形過程中得到廣泛的應用和發展，一方面，是由于熔融金屬為電的良導體，能通過磁場和電流的作用而產生電磁力，對熔融金屬進行非接觸性攪拌、輸送和形狀控制，獲得比機械手段更有利的效果；另一方面又可減少污染、改善環境、提高產品質量。行波磁場(TMF)是一種由通有三相交流電的多匝線圈產生的隨時間變化的移動磁場。行波磁場產生的洛侖茲力直接使導電熔體在整個試樣中產生了對稱的子午線方向的流動，這種流動有利于控制熔體中的溫度場和濃度場。近十年來人們對行波磁場的研究主要集中在行波磁場對熔體流動的穩定性、晶體生長界面形貌、溶質分布和鑄造充型能力及凈化作用等方面。晶體生長過程中流動的穩定性、溶質分布和生長界面形貌與凝固組織關系密切，而行波磁場引起的子午線流可能有利于凝固界面前沿熔體流動的穩定性、生長界面的平整和溶質的均勻分布，也可能促進凝固界面前沿熔體流動的穩定向不穩定轉變并影響生長界面的凹凸變化和溶質偏析，所以研究行波磁場對晶體生長過程中這幾方面的影響是十分重要的。研究行波磁場的實驗的前提條件是需要設計一個行波磁場發生器，該裝置設計的最大難點是其散熱問題，為了控制較大磁場對較高熔點甚至高熔點合金的凝固過程中流場，合理設計一種行波磁場發生器是必要的。目前，國內外主要有平板狀和圓柱狀兩種形狀的行波磁場發生器。平板狀行波磁場發生器主要應用在鋁合金的充型，圓柱狀行波磁場發生器主要應用在垂直梯度凝固法(VGF)下的晶體生長。其中，平板狀行波磁場發生器是由三相4級M槽雙層短距無補償疊繞組構成的直線電機，圓柱狀行波磁場發生器是由六匝線圈垂直排布而成。但是，平板狀行波磁場發生器通常用于鋁合金充型，線圈電流較小，使用時間不宜過長，主要使用在大氣環境下，且需要風扇冷卻。圓柱狀行波磁場發生器線圈內通有電流較小，產生磁場較小(Bmax 3. 4mT)，主要使用在大氣環境下對極低熔點的合金(fe^nSn等) 的研究。
技術實現思路
為了克服發生器的電流小、磁場弱和大氣環境下極低熔點的合金的研究的不足， 本專利技術提出了一種有晶體生長控制器的定向凝固裝置。本專利技術包括冷卻裝置、高頻感應加熱裝置、抽拉裝置、真空泵連接口和高頻感應加熱電源，其特征在于，還包括行波磁場發生器和行波磁場變頻電源。其中，行波磁場發生器、 冷卻裝置中的行波磁場線圈冷卻箱和高頻感應加熱裝置均位于真空室內；抽拉裝置位于真空室內底部中心處。行波磁場發生器位于行波磁場線圈冷卻箱內；行波磁場發生器包括三個行波磁場線圈和線圈架；三個行波磁場線圈分別安裝在線圈架上的三層線圈擋板上，并且相鄰的行波磁場線圈的間距為討 72mm ；行波磁場變頻電源的頻率變化范圍為50 600Hz ；每個行波磁場線圈的匝數為30 180匝；每個行波磁場線圈的截面形狀為方形，電流為5 60A ；三個行波磁場線圈的磁場強度為1 42. 5mT。高頻感應加熱裝置位于圓環形行波磁場線圈冷卻箱的內孔中，套裝在抽拉裝置的陶瓷管上；高頻感應加熱裝置中的輻射隔熱擋板位于線圈架下兩個行波磁場線圈相鄰表面之間間隙的中心處。在真空室的一側壁上有真空泵連接口 ；在真空室底部中心有抽拉裝置的水冷結晶器的安裝孔。線圈架包括4根絲桿、12塊線圈擋板和1個圓環形的底圈；其中，絲桿外圓表面帶有螺紋；線圈擋板的一端有連接孔；該連接孔的直徑與絲桿的外徑相等。底圈為圓環狀，外徑小于外壁的內徑并大于行波磁場線圈的外徑，內徑大于內壁的外徑。在底圈表面邊緣處圓周上均勻對稱分布四個絲桿安裝孔，4根絲桿的一端固定在該絲桿安裝孔內；12塊線圈擋板分為三層，沿絲桿的軸向均勻分布并套裝在每個絲桿上，并且各層的四塊線圈擋板處于同一高度；通過螺帽將線圈擋板固定在各絲桿上，組成了線圈架。冷卻裝置包括行波磁場線圈冷卻箱、冷卻油箱和齒輪油泵；行波磁場線圈冷卻箱為圓環形筒體，由圓環形底板、圓形內壁、圓形外壁、進油管、行波磁場線圈冷卻箱蓋和出油管組成；內壁和外壁分別焊接在底板表面的內邊緣與外邊緣上，形成了圓環形筒體，用于安放行波磁場發生器和冷卻用的變壓器油；圓環形行波磁場線圈冷卻箱蓋固定在行波磁場線圈冷卻箱敞口端的法蘭邊上；行波磁場線圈冷卻箱蓋上有出油管；內壁與行波磁場線圈之間、外壁與行波磁場線圈之間有變壓器油的循環流動通路；外壁底部有進油管的安裝孔； 在外壁一側上排布有行波磁場線圈接線的過孔。冷卻油箱為有內層和外層的夾層結構；冷卻油箱的內層箱體內用于盛放變壓器油；在冷卻油箱的內層箱體的兩端分別有變壓器油的進口和出口 ；冷卻油箱的內層和外層之間為循環冷卻水通路；冷卻油箱的內層和外層之間的循環冷卻水通路密封；冷卻油箱的小箱體內還排布有冷卻水管；該冷卻水管的兩端分別焊接在小箱體兩端端板上的通孔上， 使小箱體內的冷卻水管均與冷卻油箱的內層和外層之間的循環冷卻水通路連通。安裝時將四根絲桿分別插入底圈的四個圓孔中，并用螺母和墊片固定，使底圈在線圈架的最底部。將四個線圈擋板安置在絲桿上，緊靠底圈，線圈擋板的方形端指向線圈架的中心，并用螺母和墊片固定，在最下層的線圈擋板上安置第一個行波磁場線圈。在絲桿的上部分按同樣的方式安裝第二層線圈擋板和第二個行波磁場線圈以及第三層線圈擋板和第三個行波磁場線圈，構成行波磁場發生器，三個行波磁場線圈垂直排布，線圈間距d = 54mm。 將三個行波磁場線圈按星型連接的方式連接并將行波磁場發生器裝入行波磁場線圈冷卻箱。將行波磁場發生器的4根接線分別從外壁一側上的9/10高度處相鄰的4個圓孔中接出，在圓孔處的線外皮上再包一層絕緣膠帶，并用環氧樹脂將接線在4個圓孔處固定并密封。將涂有高真空硅脂的氟橡膠0型密封圈裝進行波磁場線圈冷卻箱蓋的槽內，行波磁場線圈冷卻箱的箱體和箱蓋以法蘭的形式連接，且進油管和出油管分布在中心軸的兩側。將裝有行波磁場發生器的行波磁場線圈冷卻箱放入真空室，并保證輻射隔熱擋板處于下面兩個相鄰行波磁場線圈間隙的中心處，線圈接線通過外壁上的圓孔與真空室一側的壁上的接線柱連接，接線柱于真空室外的行波磁場變頻電源相連。冷卻裝置中進油管與齒輪油泵的出油口通過管路連接，接口處密封。齒輪油泵的進油管和冷卻油箱的出油口通過管道連接， 出油管與冷卻油箱1的進油口通過管道連接，接口處密封。將輻射隔熱擋板置于儲有冷卻用液態金屬的水冷結晶器上，并安裝高頻感應加熱線圈，使高頻感應加熱線圈下端面與輻射隔熱擋板緊貼。將裝有金屬材料的陶瓷管穿過輻射隔熱擋板的中心孔與下拉裝置相連接，將石墨加熱體和保溫套置于輻射隔熱擋板之上， 使高頻感應加熱線圈和保溫套之間保有間隙，保溫套和石墨加熱體之間保有間隙，石墨加熱體與陶瓷管之間保有間隙。以上行波磁場線圈冷卻箱、行波磁場發生器、高頻感應加熱裝置、陶瓷管、水冷結晶器和下拉系統同軸，并將以上各組件共同置于真空室中。本專利技術將三個行波磁場線圈垂直排布，并用循環變壓器油進行冷卻，循環變壓器油順利帶走行波磁場線圈通電后產生的熱量和石墨加熱體的輻射熱。同時，石墨加熱體屏蔽了高頻感應加熱線圈的磁場，而低頻的行波磁場能順利通過。利用CT-3特斯拉計測量磁場，該裝置正中心部位能夠獲得Bmax為42. 5mT的行波磁場，而且該磁場本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種有晶體生長控制器的定向凝固裝置，包括冷卻裝置、高頻感應加熱裝置和抽拉裝置，其特征在于，還包括行波磁場發生器和行波磁場變頻電源（２６）；其中，ａ．行波磁場發生器、冷卻裝置中的行波磁場線圈冷卻箱（１５）和高頻感應加熱裝置均位于真空室（１７）內；抽拉裝置位于真空室（１７）內底部中心處；ｂ．行波磁場發生器位于行波磁場線圈冷卻箱（１５）內；行波磁場發生器包括三個行波磁場線圈（４）和線圈架；三個行波磁場線圈（４）分別安裝在線圈架上的三層線圈擋板（１６）上，并且相鄰的行波磁場線圈（４）的間距為５４～７２ｍｍ；行波磁場變頻電源（２６）的頻率變化范圍為５０－６００Ｈｚ；每個行波磁場線圈（４）的線圈為３０～１８０匝；每個行波磁場線圈（４）的截面形狀為方形，電流為５～６０Ａ；三個行波磁場線圈（４）的磁場強度為１～４２．５ｍＴ；ｃ．高頻感應加熱裝置位于圓環形行波磁場線圈冷卻箱（１５）的內孔中，套裝在抽拉裝置的陶瓷管（１１）上；高頻感應加熱裝置中的輻射隔熱擋板（１９）位于線圈架下兩個行波磁場線圈（４）相鄰表面之間間隙的中心處；ｄ．在真空室（１７）的一側壁上有真空泵連接口（６）；在真空室底部中心有抽拉裝置的水冷結晶器（２１）的安裝孔。...

【技術特征摘要】
1.一種有晶體生長控制器的定向凝固裝置，包括冷卻裝置、高頻感應加熱裝置和抽拉裝置，其特征在于，還包括行波磁場發生器和行波磁場變頻電源06)；其中，a.行波磁場發生器、冷卻裝置中的行波磁場線圈冷卻箱(1 和高頻感應加熱裝置均位于真空室(17)內；抽拉裝置位于真空室(17)內底部中心處；b.行波磁場發生器位于行波磁場線圈冷卻箱(1 內；行波磁場發生器包括三個行波磁場線圈⑷和線圈架；三個行波磁場線圈⑷分別安裝在線圈架上的三層線圈擋板(16) 上，并且相鄰的行波磁場線圈的間距為M 72mm;行波磁場變頻電源Q6)的頻率變化范圍為50-600HZ ；每個行波磁場線圈(4)的線圈為30 180匝；每個行波磁場線圈(4) 的截面形狀為方形，電流為5 60A ；三個行波磁場線圈(4)的磁場強度為1 42. 5mT ；c.高頻感應加熱裝置位于圓環形行波磁場線圈冷卻箱(1 的內孔中，套裝在抽拉裝置的陶瓷管(11)上；高頻感應加熱裝置中的輻射隔熱擋板(19)位于線圈架下兩個行波磁場線圈⑷相鄰表面之間間隙的中心處；d.在真空室(17)的一側壁上有真空泵連接口(6)；在真空室底部中心有抽拉裝置的水冷結晶器的安裝孔。2.如權利要求1所述一種有晶體生長控制器的定向凝固裝置，其特征在于，線圈架包括4根絲桿(5)、12塊線圈擋板(16)和1個圓環形的底圈(18)；其中，絲桿(5)外圓表面帶有螺紋；線圈擋板(16)的一端有連接孔；該連接孔的直徑與絲桿(5)的外徑相等；在底圈(18)表面邊緣處圓周上均勻對稱分布四個絲桿安裝孔，4根絲桿(5)的一端固定在該絲桿安裝孔內；12塊線圈擋板(16)分為三層，沿絲桿(5)的軸向均勻分布并套裝在每根絲桿 (5)上，并且各層的四塊線...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王雷，沈軍，王靈水，王偉，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：實用新型
國別省市：87