DE3246671A1 - MELTING SPINNING OVENS - Google Patents
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Description
Patentanwälte
DipL-Ing. Hans-Jürgen Müller DipL-Chem. Dr. Gerhard Sdiupf ner
Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger Luclle-erahn-Str. 38 - D 8000 München 80 Patent attorneys
DipL-Ing. Hans-Jürgen Müller DipL-Chem. Dr. Gerhard Sdiupf ner Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger Luclle-erahn-Str. 38 - D 8000 Munich 80
17321732
Energy ("onveraion Devices, Tr. 1675 We st Map)le Road Troy, Michigan V. 3t.A.Energy ("onveraion Devices, Tr. 1675 We st Map) le Road Troy, Michigan V. 3t.A.
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SchmelzspinnofenMelt spinning furnace
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spinnofen zum Einsatz in einer Schmelzspinnvorrichtung, insbesondere einen Spinnofen aus Bornitrid, der einen Gasstrom-Ableitmantel aufweist, der Gasströme aus der Zone, in der der Schmelzestrahl auf eine bewegte Kühlfläche auftrifft, beseitigt.The invention relates to a spinning furnace for use in a melt spinning device, in particular a spinning furnace made of boron nitride, which has a gas flow discharge jacket, the gas flows from the zone in which the melt jet hits a moving cooling surface, eliminated.
Vorrichtungen zur Bildung eines fortlaufenden Materialfadens durch Kühlen eines Schmelzestrahls, indem dieser mit einer bewegten Kühlfläche kontaktiert wird, sind bekannt. Tsuya und Arai berichten über Versuche mit solchen Vorrichtungen in Japan Journal of Applied Physics, Bd. 18, 207-208 (1979). Das Verfahren zur Bildung dieses Fadens oder Bands, das als Schmelzspinnverfahren bezeichnet wird, läuft nach dem Prinzip ab, daß ein flüssiger Schmelzestrahl auf einem bewegten Wärmeableiter erstarrt unter Bildung eines fortlaufenden Materialfadens. Schmelze wird in einen Reservoirteil eines Spinnofens eingebracht, wo sie auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Materials gehalten wird. Durch Mittel zum Auspressen der Schmelze durch eine Düse oder Austrittsöffnung im Spinnofen trifft ein Schmelzestrahl auf die Oberfläche eines bewegten Kühlelements auf. Der Schmelzestrahl benetzt dann die Oberfläche des Kühlelements, so daß eine größere Materialmasse gebildet wird. Diese kann dann auf der Kühlfläche erstarren, so daß ein kontinuierliches Band bzw. ein Faden erzeugt wird, der dann von der Kühlfläche abnehmbar ist.Devices for the formation of a continuous thread of material by cooling a melt jet by contacting it with a moving cooling surface are known. Tsuya and Arai report attempts with such devices in Japan Journal of Applied Physics, Vol. 18, 207-208 (1979). The process of forming this thread or ribbon, called the melt spinning process, runs after the Principle from the fact that a liquid melt jet solidifies on a moving heat sink with the formation of a continuous one Material thread. Melt is introduced into a reservoir part of a spinning furnace, where it is at a temperature is kept above the melting point of the material. A melt jet strikes by means for pressing out the melt through a nozzle or outlet opening in the spinning furnace on the surface of a moving cooling element. Of the Melt jet then wets the surface of the cooling element, so that a larger mass of material is formed. This can then solidify on the cooling surface, so that a continuous band or a thread is generated, which is then from the Cooling surface is removable.
In der Einleitung der US-PS 4 142 571 wird sowohl das Schmelzspinnverfahren als auch das SchmelzziehverfahrenThe introduction of US Pat. No. 4,142,571 describes both the melt spinning process and the melt drawing process
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erläutert. Dabei wird folgendes bemerkt: "the key to success in the melt spin process is to stabilize the liquid jet until it solidifies" (der Schlüssel zum Erfolg beim Schmelzspinnverfahren liegt in der Stabilisierung des Flüssigkeitsstrahls bis zu dessen Erstarrung)« Die Stabilität des Schmelzestrahls wird durch eine Anzahl Faktoren beeinflußt, u. a. durch die Viskosität der Schmelze, die wiederum durch die Temperatur der Schmelze bestimmt wird. Gemäß Sp. 5, Zeilen 43-47 der US-PS können auch Gasströme, die durch die bewegte Kühlfläche erzeugt werden, den Schmelzestrahl und/oder die größere Schmelzemasse, die sich normalerweise an der Stelle ausbildet, an der der Schmelzestrahl auf die bewegte Kühlfläche trifft, nachteilig beeinflussen. Es ist interessant, daß diese Probleme in der genannten US-PS angesprochen werden, obwohl diese ein planares Gießverfahren betrifft, bei dem zwischen der Düse und der bewegten Kühlfläche tatsächlich kein Spielraum vorhanden ist.explained. The following is noted: "the key to success in the melt spin process is to stabilize the liquid jet until it solidifies "(the key to success in the melt spinning process lies in the stabilization of the liquid jet until it solidifies) «The stability of the The melt jet is affected by a number of factors including: by the viscosity of the melt, which in turn is due to the temperature of the melt is determined. According to Col. 5, lines 43-47 of the US-PS, gas flows through the moving cooling surface are generated, the melt jet and / or the larger melt mass that is normally forms at the point at which the melt jet hits the moving cooling surface, adversely affect. It is It is interesting that these problems are addressed in the said US-PS, although this is a planar casting process concerns, in which there is actually no clearance between the nozzle and the moving cooling surface.
Der Schmelzspinnofen gemäß der Erfindung umfaßt einen Reservoirteil zur Aufnahme von Schmelze und besitzt eine Austrittsöffnung, durch die das Material auf eine bewegte Kühlfläche ausgestoßen wird, sowie ferner einen Gasstrom-Ableitmantel, der um die Austrittsöffnung gebildet ist und den Schmelzestrahl vor Gasströmen schützt, während dieser sich von der Austrittsöffnung des Spinnofens auf die bewegte Kühlfläche bewegt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Stabilität des Schmelzestrahls auch dadurch verbessert, daß durch die Ausbildung des Spinnofens aus Bornitrid eine sehr genaue Temperaturregelung erzielbar ist.The melt spinning furnace according to the invention comprises one Reservoir part for receiving melt and has an outlet opening through which the material is moved to a Cooling surface is ejected, and also a gas flow discharge jacket which is formed around the outlet opening and the Melt jet protects against gas flows while it is moving from the outlet opening of the spinning furnace to the Moving cooling surface. In a preferred embodiment, the stability of the melt jet is also improved by that by designing the spinning furnace from boron nitride, very precise temperature control can be achieved.
Der Schmelzspinnofen nach der Erfindung zur Bildung eines fortlaufenden Materialfadens auf einer Schmelzspinnvorrich-The melt spinning furnace according to the invention for forming a continuous material thread on a melt spinning device
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tung, mit einem Reservoir zur Aufnahme der Schmelze, das eine Austrittsöffnung zum Aufbringen eines Schmelzestrahls auf eine Kühlfläche der Schmelzspinnvorrichtung aufweist, ist gekennzeichnet durch einen Gasstrom-Ableitmantel, der die Austrittsöffnung unter Bildung einer geschlossenen zone, durch die der Schmelzestrahl durchtreten kann, umgibt, wobei der Ableitmantel eine Frontöffnung zum Durchtritt des fortlaufenden Fadens aufweist.tion, with a reservoir for receiving the melt, the an outlet opening for applying a melt jet having on a cooling surface of the melt spinning device is characterized by a gas flow discharge jacket, which the outlet opening forming a closed zone, through which the melt jet can pass, surrounds the discharge jacket having a front opening for the passage of the has continuous thread.
Die Schmelzspinnvorrichtung nach der Erfindung, bei der ein Schmelzestrahl aus einer Austrittsöffnung eines Spinnofens austritt und eine bewegte Kühlfläche unter Bildung eines fortlaufenden Fadens kontaktiert, ist gekennzeichnet durch einen Spinnofen aus Bornitrid, durch den Temperaturgradienten in der Schmelze minimierbar sind.The melt spinning device according to the invention, in which a Melt jet from an outlet opening of a spinning furnace emerges and contacts a moving cooling surface with the formation of a continuous thread, is characterized by a spinning furnace made of boron nitride, through which temperature gradients in the melt can be minimized.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawing explained. Show it:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Schmelzspinnvorrichtung mit einem Spinnofen gemäß der Erfindung während des Betriebs; und1 shows a simplified representation of the melt spinning device with a spinning furnace according to FIG Invention during operation; and
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 1.Figure 2 is a cross-sectional view of part of the device according to Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Schmelzspinnvorrichtung mit einem verbesserten Spinnofen 10. Dieser kann aus einem nichtleitenden feuerbeständigen Werkstoff wie Quarz, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid oder Titandioxid bestehen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Spinnofen 10 aus Bornitrid, wie noch erläutert wird. Um den Spinnofen 10 ist eineFig. 1 shows a melt spinning device with an improved spinning furnace 10. This can consist of a non-conductive fire-resistant material such as quartz, aluminum oxide, zirconium dioxide or titanium dioxide. In the preferred embodiment, the spinning furnace 10 is made of boron nitride, as will be explained. Around the spinning furnace 10 is a
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Heizschlange 12 geführt, die eine Materialmasse im Spinnofen im Schmelzzustand hält. Die Heizschlange 12 ist entweder eine HF-Induktionsspule oder ein Widerstandsheizelement, Beide Heizmöglichkeiten sind wohlbekannt. Das Oberende 14 des Spinnofens 10 weist einen hermetischen Verschluß und einen Gaseinlaß 16 auf, so daß eine Kraft zur Steuerung des Schmelzeflusses innerhalb des Spinnofens durch eine Austrittsöffnung am ünterende ausgeübt werden kann. Die Austrittsöffnung (in Fig. 1 nicht gezeigt) ist oberhalb einer umlaufenden Kühlfläche in Form einer Scheibe oder Walze 18 positioniert. Vorrichtungen zum Drehen und Kühlen der Scheibe 18 sind allgemein bekannt. Ein Verfahren zum Kühlen der Scheibe 18 besteht darin, daß ein Kühlgasstrom auf die Oberfläche der Scheibe 18 z. B. durch eine Leitung 20 aufgeblasen wird. Aus diesem und anderen möglichen Gründen kann das Schmelzspinnverfahren in Anwesenheit einer Gasatmosphäre durchgeführt werden. Daher ist um das Unterende des Spinnofens 10 herum ein Mantel 22 ausgebildet, der den Schmelzestrahl 24 gegen Gasströme schützt. Die Gasströme werden hauptsächlich durch die Bewegung der Scheibe 18 selbst erzeugt und sind somit hauptsächlich an der Scheibenoberfläche vorhanden, wo die Stabilität des Schmelzestrahls 24 am kritischsten ist. In einer Seite des Mantels 22 ist eine Öffnung 26 ausgebildet, so daß sich ein Faden oder Band 28 zusammen mit der Oberfläche der Scheibe 18 bewegt, ohne den Mantel 22 zu kontaktieren. In der Zeichnung ist zur Verdeutlichung die Öffnung 26 stark übertrieben dargestellt. In konventioneller Weise löst sich das Band 28 typischerweise z. B. an einem Punkt 30 infolge von Fliehkräften von der Scheibe 18.Heating coil 12 out, which holds a mass of material in the spinning furnace in the melting state. The heating coil 12 is either an RF induction coil or a resistive heating element, both heating options are well known. The top 14 of the spinning furnace 10 has a hermetic seal and a gas inlet 16, so that a force for controlling the Melt flow inside the spinning furnace through an outlet opening can be exercised at the lower end. The outlet opening (not shown in FIG. 1) is above a circumferential cooling surface in the form of a disk or roller 18 positioned. Devices for rotating and cooling the disk 18 are well known. A method of cooling the disc 18 is that a cooling gas flow on the surface of the disc 18 z. B. through a line 20 is inflated. For this and other possible reasons, the melt spinning process can be performed in the presence of a gas atmosphere be performed. Therefore, a jacket 22 is formed around the lower end of the spinning furnace 10, which the Melt jet 24 protects against gas flows. The gas flows are mainly caused by the movement of the disk 18 self-generated and are therefore mainly present on the surface of the pane, where the stability of the melt jet 24 is most critical. An opening 26 is formed in one side of the shell 22 so that a thread or tape 28 moved together with the surface of the disk 18 without contacting the jacket 22. In the drawing is for Clarification, the opening 26 is shown greatly exaggerated. In a conventional manner, the tape 28 typically loosens z. B. at a point 30 as a result of centrifugal forces from the disk 18.
Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Spinnofens 10. Dabei ist ersichtlich, daß der Hauptteil des Spinnofens 10 ein inneres Reservoir 32 bildet, in dessen unterem Teil eine Schmelze vorhanden ist. Die Schmelze 34 ist z, B. geschmolzenes Silizium, das zur Verwendung bei der Fertigung von Halbleiter-Vorrichtungen verwendet wird. Ein oberer Teil 36 des Reservoirs 32 ist typischerweise mit einem Inertgas wie Argon gefüllt. Der Gasdruck in der Zone 36 wird durch den Einlaß 16 gemäß Fig. 1 so geregelt, daß er den Materialdurchsatz durch die Austrittsöffnung 38 am Unterende des Reservoirs 32 bestimmt. Typischerweise wird der GasdruckFig. 2 shows details of the spinning furnace 10. It can be seen that the main part of the spinning furnace 10 is an inner one Reservoir 32 forms, in the lower part of which there is a melt. The melt 34 is, for example, molten Silicon, used for use in the manufacture of semiconductor devices. An upper part 36 of the Reservoir 32 is typically filled with an inert gas such as Argon filled. The gas pressure in the zone 36 is regulated by the inlet 16 of FIG. 1 so that it increases the material throughput determined by the outlet opening 38 at the lower end of the reservoir 32. Typically the gas pressure
2 innerhalb eines Bereichs von 0,03-0,14 kp/cm geregelt, um den Durchsatz durch die Austrittsöffnung 38 zu regeln. Ein Unterdruck im oberen Teil des Reservoirs 32 relativ zum Außendruck kann angewandt werden, um die Schmelze 34 im Reservoir 3 2 zu halten, während geeignete Prozeßbedingungen geschaffen werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat der Schmelzestrahl 24 die Tendenz, eine größere Masse 40 an seiner Kontaktstelle mit der bewegten Kühlfläche 18 zu bilden. Idealerweise erstarrt die Schmelze etwas, bevor das Band 28 aus der Öffnung 26 austritt. Der erstarrte Teil 28 ist durch schraffiert gezeichnet. Es ist zu beachten, daß der Mantel 22 die Kühlfläche 18 im wesentlichen kontaktieren sollte, um eine maximale Abschirmung der Zone 42 gegen bewegte Gasströme zu erreichen. In der Praxis muß ein gewisser Abstand zwischen der Unterkante des Mantels 22 und der Kühlfläche 18 vorgesehen sein. Es wird angenommen, daß ein Höchstabstand von ca. 10f1 mm zwischen dem Mantel 22 und der Kühlfläche 18 annehmbar ist. Die vordere Öffnung 26 ist so bemessen, daß der Faden 28 aus der geschützten Zone 42 mit gleichem Spielraum austreten kann. In der Zeichnung ist2 controlled within a range of 0.03-0.14 kgf / cm in order to control the flow rate through the outlet opening 38. A negative pressure in the upper part of the reservoir 32 relative to the external pressure can be used to hold the melt 34 in the reservoir 32 while suitable process conditions are created. As can be seen from FIG. 2, the melt jet 24 has the tendency to form a larger mass 40 at its contact point with the moving cooling surface 18. Ideally, the melt solidifies somewhat before the strip 28 emerges from the opening 26. The solidified part 28 is shown by hatching. It should be noted that the jacket 22 should essentially contact the cooling surface 18 in order to achieve maximum shielding of the zone 42 from moving gas flows. In practice, a certain distance must be provided between the lower edge of the jacket 22 and the cooling surface 18. It is believed that a maximum distance of about 10 f 1 mm between the jacket 22 and the cooling surface 18 is acceptable. The front opening 26 is dimensioned so that the thread 28 can exit from the protected zone 42 with the same clearance. In the drawing is
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die Öffnung 26 nur zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Wenn also der Faden 28 eine Dicke von 5,08 mm hat, beträgt die Höhe der Öffnung 26 ebenfalls 5,08 mm.the opening 26 is shown exaggerated only for the sake of clarity. So if the thread 28 has a thickness of 5.08 mm, the height of the opening 26 is also 5.08 mm.
Normalerweise besteht der Spinnofen 10 aus feuerbeständigen Werkstoffen wie Quarz, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid oder Titandioxid oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus Bornitrid. Bornitrid wird deshalb bevorzugt, weil es eine höhere Wärmeleitzahl als Werkstoffe bekannter Spinnöfen hat. Dieser bevorzugte Spinnofen hat somit eine gleichmäßigere Temperatur innerhalb der Schmelze, wodurch mögliche Fehler in dem Band oder Faden, die durch Temperaturgradienten bedingt sind, verringert werden. Z. B. ist durch Unterhaltung einer gleichmäßigeren Temperatur innerhalb der Schmelze die Viskosität der Schmelze leichter regelbar und gleichmäßiger, und infolgedessen bleibt der Durchsatz durch die Austrittsöffnung 38 konstanter.Typically, the spinning furnace 10 is made of fire resistant ones Materials such as quartz, aluminum oxide, zirconium dioxide or titanium dioxide, or according to a preferred embodiment Boron nitride. Boron nitride is preferred because it has a higher thermal conductivity than the materials used in known spinning ovens. This preferred spinning furnace thus has a more uniform temperature within the melt, eliminating possible errors in the tape or thread caused by temperature gradients are reduced. E.g. is through entertainment a more uniform temperature within the melt, the viscosity of the melt can be regulated more easily and more evenly, and as a result, the flow rate through the exit port 38 remains more constant.
Der Spinnofen kann mit einem Warmpreßverfahren hergestellt werden. Bei einigen Werkstoffen kann Sintern erforderlich sein. Im Fall von Quarzglas kann der Spinnofen durch Glasblasverfahren hergestellt werden. Einige Werkstoffe, die Bindemittel enthalten, müssen bei erhöhten Temperaturen einer Wärmebehandlung unterworfen werden, um die Bindemittel zu entfernen, bevor der Spinnofen in einer Schmelzspinnvorrichtung eingesetzt wird. Bevorzugt wird die Basis des Spinnofens als Massivkörper ausgebildet, der dann zur Bildung des Mantels 22 und der Austrittsöffnung 38 spanabhebend bearbeitet wird. Dieser Bearbeitungsschritt besteht hauptsächlich im Ausbohren der Schutzzone 42 und der Austrittsöffnung 38. Bei der Fertigung wird bevorzugt derThe spinning furnace can be manufactured using a hot pressing process will. Sintering may be necessary for some materials. In the case of quartz glass, the spinning furnace can be made by glass blowing processes getting produced. Some materials that contain binders must be used at elevated temperatures subjected to a heat treatment to remove the binders before the spinning furnace in a melt spinning device is used. The base of the spinning furnace is preferably designed as a solid body, which is then used for Formation of the jacket 22 and the outlet opening 38 is machined. This processing step consists mainly in drilling out the protection zone 42 and the outlet opening 38. In manufacturing, the is preferred
Mantel 22 mit etwas Überlänge gefertigt. Diese Überlänge kann dann, wenn die optimale Entfernung zwischen Austrittsöffnung 38 und Kühlfläche 18 bestimmt ist, durch Bearbeiten entfernt werden. Die Dicke des Mantels 22 ist nicht kritisch, solange sie ausreichend ist, um dem Mantel die geeignete mechanische Festigkeit zu geben.Coat 22 made with a little extra length. This excess length can then, when the optimal distance between outlet opening 38 and cooling surface 18 is determined, by machining removed. The thickness of the jacket 22 is not critical as long as it is sufficient to the jacket the to give suitable mechanical strength.
Die tatsächlichen Abmessungen eines Spinnofens 10 sind in Abhängigkeit von der Art des Werkstoffs und dem Umfang des erwünschten Prozesses änderbar. Ursprünglich kann ein Spinnofen zum Gießen eines thermoelektrischen Werkstoffs folgende Abmessungen aufweisen: Die Gesamtlänge des Spinnofens vom Unterende des Mantels 22 bis zum Oberende 14 beträgt ca. 100 mm. Der Innendurchmesser des Reservoirs beträgt ca. 6 mm, während der Außendurchmesser ca. 12 mih bettägt. Die Austrittsöffnung 38 hat eine Länge von ca. 1 mm und einen Durchmesser von ca. 0,3 mm. Die Tiefe des Hohlraums 42 und damit die Länge des Mantels 22 sind ca. 2 mm. Der Innendurchmesser des Hohlraums 42 beträgt ca. 11 mm.The actual dimensions of a spinning furnace 10 are dependent on the type of material and the extent of the desired process can be changed. Originally, a spinning furnace can be used to cast a thermoelectric material have the following dimensions: The total length of the spinning furnace from the lower end of the jacket 22 to the upper end 14 is approx. 100 mm. The inside diameter of the reservoir is approx. 6 mm, while the outside diameter is approx. 12 mih beds. The outlet opening 38 has a length of approximately 1 mm and a diameter of about 0.3 mm. The depth of the cavity 42 and thus the length of the jacket 22 are approximately 2 mm. The inside diameter of the cavity 42 is approximately 11 mm.
Die Höhe der frontalen öffnung 26 könnte der Dicke des Fadens 28 entsprechen, und die Breite der öffnung 26 könnte etwa 1 mm größer als der Faden bzw. das Band 28 sein.The height of the frontal opening 26 could be the thickness of the The thread 28 corresponds to, and the width of the opening 26 could be approximately 1 mm larger than the thread or the band 28.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |