JPH04289160A

JPH04289160A - 低電圧アーク放電と可変磁界を用いる基体の加熱方法

Info

Publication number: JPH04289160A
Application number: JP3288006A
Authority: JP
Inventors: Helmut Kaufmann; ヘルムート　カウフマン; Roland Schmidt; シュミットローラント
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1990-11-05
Filing date: 1991-11-01
Publication date: 1992-10-14
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: KR920011295A; ES2056552T3; JP3302710B2; DE59102249D1; EP0484704A1; EP0484704B1; DE4035131C2; KR100246490B1; DE4035131A1; ATE108836T1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空室内に設けられた
被加熱材を加熱するための方法に関するものである。こ
のような方法は、排気、はんだ付け、焼結、硬化の目的
で、および被覆法またはイオン処理法と組み合わせて用
いられる。その際、被加熱材はできるだけ一様に加熱さ
れなければならない。

【０００２】

【従来の技術】公知の真空熱処理炉において、被加熱材
は、たとえば加熱面に囲まれ、加熱面の熱が放射または
熱伝導により被加熱材に伝達される。導電性の被加熱材
は誘導電流によって加熱することもできる。さらに、熱
源にグロー放電を使用することが公知である。この熱源
はいわゆる異常放電の場合に全陰極面が均等に覆われる
ため、陰極に接続された被加熱材を一様に加熱すること
ができる。さらに、被加熱材、たとえば溶融されるべき
金属を真空中で電子照射によって加熱することが公知で
ある。この場合、電子源を特別の幾何学的関係に配置す
ることによって、被加熱材において所望の温度分布が生
じるようにしなければならない。従来、均等な加熱を達
成するには相当高いコストが必要であった。しかし、通
常電子照射はまさに反対の方針で、つまり周囲との温度
差が大きい、局部的に狭く限定された高温部を得るため
に用いられる。電子照射は焦点調節が容易なため、特に
この目的に適している。

【０００３】電子照射による加熱の特殊な形態は、低電
圧アーク放電を用いる加熱法である。本説明における低
電圧アーク放電とは、熱放射によって電子を放出する高
温の陰極と、他方の陽極との間で燃焼する気体放電を意
味する（これに関連して陰極が基体放電のみによって放
射温度に加熱されるか、または付加的に加熱されるかは
重要ではない）。たいていは陰極の近傍に、たとえば中
空陰極の空洞部や、開口部を介して真空室と連通してい
る特別の熱陰極室に貴ガスが送入される。中空陰極また
は熱陰極室から開口部を通って加熱室に進入するプラズ
マを磁界を用いて収束させることが慣用である。その際
、電子は中心線が磁界の磁力線にほぼ等しい狭い螺旋経
路を移動する。この種類の配置構成は、たとえば米国特
許Ｎｏ．３２１０　　４５４および米国特許Ｎｏ．４　
　１９７　　１７５により公知である。いずれの公報も
、陽極に接続された溶融材を、磁気によって収束された
低電圧アークを用いて加熱する方法について述べている
。この場合、低電圧アーク放電は溶融材に向けられてい
る。これは、磁力線、したがって螺旋状の電子経路が、
上記の開口部および溶融材を通って進行することによっ
て達成される。したがってこの場合、低電圧アークは周
囲との温度差が大きい、局部的に限定された高温部を生
むために用いる。表面を一様に加熱しなければならない
被加熱材の熱処理に電子放射炉またはアーク炉を用いる
ことは、上述のように難しいと思われた。それというの
も、被加熱材の上に十分均等な電流密度分布はほとんど
達成できなかったからである。

【０００４】さらに、スイス・リヒテンシュタイン特許
Ｎｏ．６５８　　５４５では、真空室において磁気的に
収束された低電圧アーク放電を維持することによって被
加熱材を一様に加熱する方法が提案されている。この場
合、磁力線が被加熱材の表面とほぼ平行に進行するよう
に、磁界が維持される。しかし、この方法は、特に縦に
長い被加熱材または基体の場合は、不適切であることが
判明した。なぜならば、基体は磁界のいわゆる中心部で
磁界の周縁部より強く加熱される結果、母材の硬度損失
を来すからである。最後に***公開公報Ｎｏ．３８　　
２９　　２６０には、加熱段階に陰極と被覆されるべき
対象との間に遮蔽体を配置することが提案されている。この遮蔽体はプロセス温度に達すると、取り除かれる。しかし、この方法によっては一様な加熱の問題は解決さ
れない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、被加
熱材または基体を一様に加熱する方法を提案することで
ある。それによって、たとえば縦に長い基体、または複
数の基体を取り付けた縦に長い基体保持具も一様に加熱
されなければならない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明において上記の課
題は、請求項１に記載された方法によって解決される。本発明による方法において、被加熱材または被覆される
べき基体は加熱室内で気体放電または低電圧アーク放電
によって加熱される。その際、気体放電または低電圧ア
ーク放電は磁気によって収束され、少なくとも加熱中は
少なくとも１つの局部的に可変な、および／または移動
可能な磁界によって維持される。この場合、磁界を固定
的に保持し、磁気コイル内の電流の強さを変化させるか
、磁気コイルを局部的に移動させることが可能である。その際、真空室内における電流密度の分布に影響を与え
て、気体放電において電子を真空室の種々の領域に移動
させ、それによって基体表面または被加熱材表面の一様
な加熱を実現することが重要である。電流密度が大きい
と、対応する基体領域が局部的に強く加熱されることに
なる。磁界の変化によって電子を随所に移動させること
により、基体の一様な加熱が実現される。

【０００７】好適な実施例によると、一部重なった少な
くとも２つの磁界が維持され、これらの磁界は交互によ
り強く、またはより弱く操作される。この方法により、
基体表面に沿ってより強い、またはより弱い加熱が交互
に実現される。この場合、電子は磁界がより弱い領域に
押しやられる。これに応じて基体は、より弱い磁界が維
持される領域でより強く加熱される。少なくとも１つの
、または上記の２つの磁界が被加熱材または基体の表面
と平行に局部的に可変に、および／または移動可能に維
持されることが有利である。もちろん、被加熱材または
被覆されるべき基体を磁界において同時に局部的に動か
すことも可能である。

【０００８】本発明の方法の更に好適な実施例が、請求
項５〜８に記載されている。さらに、この方法を実施す
るために、被加熱材または被覆されるべき基体を均等に
加熱するための装置が提案される。この装置は被加熱材
または基体を収容するための真空室、ならびに高温陰極
と真空室の領域に配置された少なくとも１つの磁気コイ
ルとを有する、前記の真空室と連通した陰極室を包含し
ている。この磁気コイルは、真空室において少なくとも
加熱中は局部的に可変な、および／または移動可能な磁
界が維持され得るように操作することができる。真空室
内で被加熱材または基体とほぼ共軸な２つの磁界が発生
するように、互いに離れて配置された少なくとも２つの
磁気コイルが真空室に設けられているのが有利である。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図１において１は鐘形の真空室（ベルジ
ャー）を表す。真空室内では被加熱材３が容器２によっ
て支持されている。保持具２は電気的絶縁体４を介して
真空室の床板５に固定されており、気密な電流貫通部６
を介して電源装置７の陽極と接続されている。真空室の
上部にはグロー陰極室８が取り付けられており、開口部
９を介して真空室１の内部と連通している。このグロー
陰極室には、絶縁板１１に支持されたグロー陰極１２が
収容されている。グロー陰極は、図示するように、通電
によって加熱された導線であることができる。グロー陰
極を、加熱された、または自己発熱する中空陰極として
形成することもできる。基体をグロー陰極室に送入する
ために、制御弁１３が設けられている。

【００１０】２つの磁気コイル１４ａおよび１４ｂは、
真空室１と共軸な磁界１６を発生する。開口部９から始
まって、中央の磁力線をたどると、磁界１６は最初は強
く、磁気コイル１４ａの中心面で最大強度に達する。開
口部９からさらに離れると、磁界１６は磁気コイル１４
ａの中心面において第２の最大強度に達する。この場合
、磁界１６の強さは、２つの磁気コイル１４ａまたは１
４ｂがどの強さの電流で操作されるかに依存している。図１に示す装置において、２つの磁気コイル１４ａおよ
び１４ｂは種々の電流強度で操作できるようになってい
る。

【００１１】加熱プロセスを実施するために、高真空ポ
ンプを用いてポンプスリーブ１５で真空室およびこれと
連通しているグロー陰極室の空気を抜き、気圧を約０．
０１Ｐ以下に下げる。次に、ポンプを稼働させながら、
制御弁１３を介して気体、たとえばアルゴンを送入して
、真空室内の圧力を０．１〜１Ｐに調節する。次にグロ
ー陰極１２を加熱し、電源装置７のスイッチを入れる。この電源装置は、たとえば１００Ｖの電圧を生み出す。開口部９を通して真空室１に進入する電子は、磁界強度
が十分な場合（たとえば０．０１Ｔ）、磁界の磁力線を
たどる。磁界の作用によって、軸に対して垂直の方向よ
りも、電子は軸と平行な方向に容易に動くことができる
。それによって電子流は、陽極に接続された容器２の全
体に分布する。

【００１２】磁気コイルが１つだけ設けられているＣＨ
−ＰＳ６５８　　５４５による対応する装置とは反対に
、磁気コイルを２つ設けるだけで、被加熱材に沿った一
様な加熱という点で著しい改善が得られる。しかし、２
つの磁気コイル１４ａおよび１４ｂの磁界強度が等しい
場合、磁気コイル１４ａまたは１４ｂの中心面において
被加熱材に最大温度が成立する。それゆえ、異なる磁界
が発生するように、２つの磁気コイル１４ａおよび１４
ｂを異なるコイル電流で操作することが有利である。磁
界を変化させることによって、図１を基準とした垂直方
向における電流密度の分布に影響を与えることができる
。上部のコイルにおける磁界がより強いと、気体放電にお
いて電子は下方の基体領域に押しやられ、そこがより強
く加熱される。下方の磁界を拡大すると、上方の基体領
域がより強く加熱される。

【００１３】図２に、２つの磁気コイル１４ａおよび１
４ｂの操作例をグラフの形で示す。図２の上のグラフは
上部磁気コイルにおける電流強度を基準としており、下
のグラフは下部磁気コイル１４ｂにおける電流強度に関
する。図２によれば、加熱段階の開始時は、最初に上部
磁気コイルにおいて、下部磁気コイルより強い電流Ｉが
貫流する。それに続く２分間では電流の強さは逆になる
。つまり、下方磁界が上方磁界より強くなる。上述のよ
うに、異なる磁界により、気体放電において電子は随所
に移動するため、この方法で基体または被加熱材３は全
表面にわたって一様に加熱される。

【００１４】図３および４に、磁界を種々に操作した場
合の影響をグラフの形で示す。その際、図４による等し
い磁界の場合、被覆設備または加熱室の下方領域と上方
領域は、中央領域より弱く加熱される。図３による種々
の磁界においては、加熱は一様に行われ、磁界を変化さ
せずに操作する場合の加熱のほぼ平均値に相当する。図
４のグラフによって明らかなように、２つの磁界が存在
するだけでなく、図３に示すように、これらの磁界を種
々に操作することによって被加熱材が一様に加熱される
のである。これは図２に関して説明したとおりである。

【００１５】いうまでもなく、図１に示す装置は１つの
仕様を例示したものにすぎず、任意の方法で修正または
変形することができる。たとえば、局部的に移動可能な
１つの磁気コイルを配置することも可能である。また、
複数の磁気コイルを配置することも可能である。その際
、たとえば付加的に１つの磁気コイルをグロー陰極室８
の領域に配置することができる。１つの磁気コイルをグ
ロー陰極室８に配置する場合、真空室１に沿ってただ１
つの磁気コイル１４を配置することも可能である。また
、このように配置された磁気コイルの電流強度Ｉを変え
ることによって、真空室内に種々の磁界を生み出すこと
も可能である。もちろん、グロー陰極室に代えて、***
公開公報Ｎｏ．３８　　２９　　２６０に記載されてい
るようなアークシュートを用いることも可能である。

【００１６】

【発明の効果】発明にとって本質的なのは、被覆室また
は加熱室または真空室において少なくとも１つの可変な
磁界を発生させ、加熱工程中に室内の電流密度を局部的
に変化させることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つの磁気コイルを有する本発明による加熱室
または被覆室である。

【図２】２つの磁気コイルの操作のグラフである。

【図３】種々の磁界を有する真空室または被覆設備にお
ける温度分布のグラフである。

【図４】均等な磁界を有する真空室または被覆設備にお
ける温度分布のグラフである。

【符号の説明】１…加熱室２…容器３…基体８…陰極室９…開口部１４ａ，１４ｂ…磁気コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　真空室において、基体と接していない
電子発生用陰極と、被加熱材または被覆されるべき基体
の保持具における陽極との間で、被加熱材または被覆さ
れるべき基体に気体放電または低電圧アーク放電を用い
て照射することにより被加熱材または基体を一様に加熱
する方法であって、気体放電または低電圧アーク放電が
真空室内で磁気的に収束状態に維持されるものにおいて
、電流密度または電子密度の分布に影響を与えるために
、少なくとも加熱中は少なくとも１つの局部的に可変な
、および／または移動可能な磁界が維持されることを特
徴とする方法。
【請求項２】　　被加熱材または基体に沿って局部的に
変更に強く、または弱く加熱をひきおこすために、交互
により強く、またはより弱く駆動される、一部重なった
少なくとも２つの磁界が維持されることを特徴とする請
求項１に記載の方法。
【請求項３】　　少なくとも１つの磁界が被加熱材また
は基体の表面に沿って平行に局部的に可変に、および／
または移動可能に維持されることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の方法。
【請求項４】　　同時に被加熱材または被覆されるべき
基体が動かされることを特徴とする請求項１から請求項
３までのいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】　　気体放電または低電圧アーク放電が、
陰極室内にある高温陰極と陽極との間で行われることを
特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに
記載の方法。
【請求項６】　　加熱中に陰極室と被加熱材または基体
の容器との間の開口部を通過する磁力線が被加熱材また
は基体を貫流しないように磁界が維持されることを特徴
とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載
の方法。
【請求項７】　　被加熱材または基体自身が低電圧アー
ク放電の陽極として接続されることを特徴とする請求項
１から請求項６までのいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】　　被加熱材または基体の加熱されるべき
表面領域において、これらとほぼ平行な磁界が維持され
ることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれ
か１つに記載の方法。
【請求項９】　　被加熱材または基体がプラズマ束の回
りに配置されることを特徴とする請求項１から請求項８
までのいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】　　被加熱材または被覆されるべき基体
を一様に加熱するための被覆室または加熱室と、基体ま
たは被加熱材と接していない、電子を発生させる陰極と
、ガス放電または低電圧アーク放電を発生させるための
、被加熱材または基体の容器を備えた陽極とを有する装
置において、磁界を発生させるための少なくとも１つの
装置（１４ａ，１４ｂ）が加熱室に配置されており、該
装置が局部的に可変な磁界を発生可能であるように駆動
できることを特徴とする請求項１から請求項９までのい
ずれか１つに記載の方法を実施するための装置。
【請求項１１】　　排気可能な真空室（１）と、該真空
室内にある、被加熱材または基体（３）用の容器（２）
と、高温陰極（１２）を具備し、低電圧アーク放電によ
って発生させられるプラズマの通過するための開口部（
９）を介して加熱室と連通している陰極室（８）とを有
する装置において、磁界を発生させるための少なくとも
１つの装置（１４ａ，１４ｂ）が加熱室に配置されてお
り、該装置が局部的に可変な磁界を発生可能であるよう
に駆動できることを特徴とする請求項１から請求項９ま
でのいずれか１つに記載の方法を実施するための装置。
【請求項１２】　　磁界を発生させる装置が、被加熱材
または被覆されるべき基体の容器とほぼ平行に移動可能
に配置されていることを特徴とする請求項１０または請
求項１１に記載の装置。
【請求項１３】　　磁界を発生させる装置が、プラズマ
を収束させる磁界を発生させるための、互いに離れた少
なくとも２つの磁気コイル（１４ａ，１４ｂ）を具備し
、その際、該磁気コイルによって発生される磁力線が、
被加熱材または被覆されるべき基体の容器とほぼ平行に
進むように、前記磁気コイルが配置されていることを特
徴とする請求項１０から請求項１２までのいずれか１つ
に記載の装置。
【請求項１４】　　陰極と被加熱材または基体との間に
遮蔽体が配置されていることを特徴とする請求項１０か
ら請求項１３までのいずれか１つに記載の装置。