專利名稱：下落型靜電懸浮爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用產(chǎn)生于電極之間的電場(chǎng)使帶電試樣處于懸浮狀態(tài)并對(duì)該試樣進(jìn)行熱處理的下落型靜電懸浮爐。
背景技術(shù)：
通常，靜電懸浮爐包括位于可抽成真空的封閉空間內(nèi)的一對(duì)電極和光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)利用在封閉空間外部會(huì)聚并引入該封閉空間內(nèi)部的激光束來(lái)照射懸浮于電極之間的試樣，此爐使封閉空間內(nèi)為真空、利用產(chǎn)生于電極之間的電場(chǎng)使帶電試樣懸浮、并利用激光束照射該試樣以無(wú)接觸地進(jìn)行熱處理。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的更好熱處理，這種靜電懸浮爐優(yōu)選在包括微重力條件在內(nèi)的失重環(huán)境下使用。作為產(chǎn)生失重環(huán)境的方式，例如，把靜電懸浮爐安裝在宇宙飛船或者航空器上，以及采用使該爐自由下落的下落塔。
然而，當(dāng)采用為靜電懸浮爐生成失重環(huán)境的方式之一的航空器時(shí)，該爐的重力水平為10-2G左右，此重力不一定滿足失重環(huán)境。當(dāng)采用宇宙飛船或下落塔時(shí)，該爐的重力水平為10-3G左右，與采用航空器相比，此重力滿足失重環(huán)境，然而這種情況具有一些問(wèn)題，即，裝置變得龐大和需要大量成本，以及一邊改變參數(shù)、一邊進(jìn)行多次試驗(yàn)具有難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到上述傳統(tǒng)方式完成的。本發(fā)明目的是提供這樣一種下落式靜電懸浮爐，其具有比較簡(jiǎn)單的構(gòu)造、在地面上生成充分的失重環(huán)境、以及顯著減少成本。
本發(fā)明的下落式靜電懸浮爐的一個(gè)方面是一種利用產(chǎn)生于電極之間的電場(chǎng)使帶電試樣處于懸浮狀態(tài)并對(duì)所述試樣進(jìn)行熱處理的靜電懸浮爐，此爐帶有下落管，該下落管可抽成真空且垂直地連接在爐體的下側(cè)，以允許爐體的內(nèi)側(cè)與下落管的內(nèi)側(cè)連通以及允許試樣經(jīng)由下落管下落。
另外，在本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐的另一方面中，從爐體上側(cè)引入的激光束用作試樣的熱源，下電極帶有光束照射光學(xué)系統(tǒng)，該光束照射光學(xué)系統(tǒng)利用由其引來(lái)的激光束照射試樣，且下電極設(shè)置在可經(jīng)由下落管下落的位置，以及提供有在切斷對(duì)下電極的通電的同時(shí)釋放該下電極的電極保持器。
另外，在本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐的另一方面中，下電極帶有設(shè)在其下側(cè)且允許試樣通過(guò)的開口，并且，用于接收下電極的電極接收器和用于在比該電極接收器更低的位置接收試樣的試樣接收器設(shè)在下落管的下端處。
另外，在本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐的另一方面中，下落管帶有把該下落管的內(nèi)部空間分隔為上部空間和下部空間的門閥，真空泵設(shè)在該上部空間和下部空間的每個(gè)中。


圖1A，1B和1C是表示本發(fā)明的下落式靜電懸浮爐的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖1A是表示熱處理初始狀態(tài)的該爐的剖面圖。
圖1B是表示試樣和下電極正下落狀態(tài)的該爐的剖面圖。
圖1C是表示試樣和下電極已下落狀態(tài)的該爐的剖面圖。
具體實(shí)施例方式圖1A，1B和1C是表示本發(fā)明的下落式靜電懸浮爐的一個(gè)實(shí)施例的示圖。在圖1A所示的下落式靜電懸浮爐1中，可抽成真空的下落管3垂直地與爐體2的下側(cè)連接，以允許該爐體2的內(nèi)部與下落管3的內(nèi)部連通以及還允許試樣A經(jīng)由該下落管3的內(nèi)部無(wú)接觸地下落。
除與下落管3的連接部以外，爐體2形成封閉空間4，該封閉空間4帶有垂直面對(duì)的上電極5和下電極6，盡管以下圖中未表示，但此爐帶有兩或更多個(gè)進(jìn)入口且可安裝有各種設(shè)備，例如，試樣A的供應(yīng)設(shè)備、位置檢測(cè)器和溫度測(cè)量設(shè)備，以及該試樣A的圖像的照相器和照明器。
靜電懸浮爐1帶有圖示以外的激光振蕩器。從爐體2上側(cè)垂直引入的多于一束的激光L用作試樣A的熱源。下電極6一體地帶有光束照射光學(xué)系統(tǒng)7，該系統(tǒng)7把從爐體上側(cè)引入的多束激光會(huì)聚并照射到位于該爐體中央的試樣A上，且下電極6被設(shè)置成可經(jīng)由下落管3與試樣A一起無(wú)接觸地下落并利用電極保持器8保持。下電極6在其中央處具有允許試樣A通過(guò)的開口9。
光束照射光學(xué)系統(tǒng)7包括凹面會(huì)聚反射鏡或者反射鏡和會(huì)聚透鏡的組合，其水平反射從爐體2上側(cè)引入的多束激光并集中會(huì)聚到試樣A上以均勻地加熱該試樣A。電極保持器8在爐體2內(nèi)保持下電極6位于下落管3的正上方，且具有在釋放該下電極6的同時(shí)切斷對(duì)該下電極6的通電的功能。
下落管3能夠調(diào)節(jié)至適當(dāng)長(zhǎng)度以確保通過(guò)下落試樣A在預(yù)定時(shí)間內(nèi)為試樣A生成失重環(huán)境，且在其下部帶有用于接收下落的下電極6的環(huán)狀電極接收器10、用于在比該電極接收器10更低的位置接收下落的試樣A的試樣接收器11、以及下落的試樣A和下電極6經(jīng)由其取出到外部的氣密門12。
例如，減震片可應(yīng)用于電極接收器10和試樣接收器11，以緩和下電極6和試樣A的下落沖擊。如后所述，在試樣A受到無(wú)定形化的情況中，試樣接收器由剛性材料例如金屬形成，以便該試樣A撞擊試樣接收器11，從而使該試樣A迅速地冷卻和凝固。
下落管3在其下端附近帶有把該下落管的內(nèi)部空間氣密地分隔為上部空間和下部空間的門閥13。上部空間14A和下部空間14B中的每個(gè)在其各自的內(nèi)部空間里帶有真空泵15A和15B。上述電極接收器10和試樣接收器11設(shè)在下部空間14B里。盡管圖中未表示，但空間14A和14B中的每個(gè)都帶有真空指示器。
帶有上述組件的下落型靜電懸浮爐1基本具有下落管與爐體下側(cè)連接的較簡(jiǎn)單設(shè)備構(gòu)造，且對(duì)其安裝位置幾乎無(wú)任何限制以允許安裝在各種設(shè)置場(chǎng)所例如企業(yè)、研究所和學(xué)校。另外，與利用宇宙飛船、航空器或者下落塔的情況相比，此爐能夠顯著地降低成本，并且能夠如下所述獲得充分的失重環(huán)境。
具體的，下落型靜電懸浮爐1啟動(dòng)至少一個(gè)真空泵15A和15B，以把爐體2和下落管3的內(nèi)側(cè)抽成真空例如近似10-4托。自然，當(dāng)使兩個(gè)真空泵15A和15B都運(yùn)行時(shí)，能夠在更短的時(shí)間里形成真空。隨后，在靜電懸浮爐1內(nèi)，使試樣A帶電。接著，利用產(chǎn)生于上電極5與下電極6之間的電場(chǎng)使帶電試樣A處于懸浮狀態(tài)，并利用多束激光L對(duì)該試樣A進(jìn)行熱處理。
當(dāng)試樣A已通過(guò)加熱而正好熔融之后，在釋放電極保持器8對(duì)下電極6的保持時(shí)，該下電極6不與下落管3的內(nèi)壁接觸地下落。由于電極保持器8在釋放下電極6的同時(shí)切斷對(duì)該電極的通電，所以電場(chǎng)消失，試樣A落到下落管3內(nèi)，同時(shí)，下落管內(nèi)是真空的，因此下電極6和試樣A在保持相互位置關(guān)系的同時(shí)以相同速度下落。通過(guò)按照這種方式使試樣A自由下落，能夠提供重力水平近似10-3G或更低水平的充分失重環(huán)境。
另外，由于靜電懸浮爐1具有多于一束激光L從爐體2上側(cè)引入的結(jié)構(gòu)且?guī)в幸惑w承載在下電極6上的光束照射光學(xué)系統(tǒng)7，所以如圖1B所示，當(dāng)該下電極6和試樣A正下落時(shí)，多于一束激光L集中地持續(xù)照射在該試樣A上。也就是說(shuō)，試樣A不受電場(chǎng)影響、在真空環(huán)境中、由下落導(dǎo)致的失重環(huán)境下、無(wú)任何接觸地被均勻加熱。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)技術(shù)的靜電懸浮爐持續(xù)形成電場(chǎng)以控制懸浮試樣的位置，所以即便在失重環(huán)境下，經(jīng)熔融的試樣也會(huì)朝向該電場(chǎng)變形。因而，在試樣熔融和凝固時(shí)，難以避免電場(chǎng)的影響。相反，靜電懸浮爐1能夠完全排除電場(chǎng)的影響，并能夠保持試樣A處于熔融狀態(tài)直至該試樣完全不受電場(chǎng)和重力的影響，以使此爐能夠滿意地執(zhí)行該試樣A的熔融和凝固。
隨后，在靜電懸浮爐1中，如圖1C所示，正好在電極接收器10接收下電極6之前停止激光束L的發(fā)射，隨后利用試樣接收器11接收通過(guò)該下電極6的開口9的試樣A。由此，試樣A在其正好到達(dá)試樣接收器11之前被持續(xù)加熱，并依靠重力投向試樣接收器11以被薄薄地壓扁，然后迅速地冷卻和凝固該試樣A以無(wú)定形化。此時(shí)，利用被設(shè)置得高于試樣接收器11的電極接收器10和被設(shè)置得較低的試樣接收器11使下電極與試樣A分離，所以熔融試樣A不附著在下電極6上。圖1C所示的試樣A不代表變形試樣，而是一個(gè)球形凝固的試樣。
在上述熱處理后，關(guān)閉門閥13以氣密地分隔上部空間14A與下部空間14B、使該下部空間14B對(duì)外部空氣開放、以及從氣密門12取出試樣A和下電極6。通過(guò)按照這種方式采用門閥13，爐體2的內(nèi)部空間和上部空間14A維持在真空狀態(tài)。由此，因?yàn)樵诹硪辉囼?yàn)之前需要進(jìn)行的操作僅僅是利用真空泵15B對(duì)下部空間14B抽真空且隨后打開門閥13，所以可在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好試驗(yàn)。
如上所述，靜電懸浮爐1可在地面上使用、具有較簡(jiǎn)單的設(shè)備構(gòu)造、以及可在與至少利用宇宙飛船或下落塔生成的失重環(huán)境相當(dāng)?shù)某浞质е丨h(huán)境下無(wú)任何接觸地對(duì)試樣A執(zhí)行熱處理而電場(chǎng)不對(duì)該試樣A施加任何影響。另外，此爐易于控制以一邊變化參數(shù)、一邊執(zhí)行多次實(shí)驗(yàn)。另外，當(dāng)按照傳統(tǒng)方式采用下落塔時(shí)，靜電懸浮爐本身也下落，于是裝置變得龐大。然而，因?yàn)殪o電懸浮爐1僅使試樣A和下電極6下落，所以此爐在下落型爐中具有難以置信的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
另外，本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐具有不限于上述實(shí)施例的構(gòu)造，且允許在本發(fā)明的要旨范圍內(nèi)相應(yīng)地改變?cè)摌?gòu)造的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的上述實(shí)施例表示了這樣一種情況，其中，試樣A在下落的同時(shí)被連續(xù)加熱且最終形成無(wú)定形體。另外，可采用這樣一種方法，其中，試樣A在爐體2內(nèi)利用熱量熔融，然后就像形成無(wú)定形體的情況一樣，其與下電極6一起下落、保持在熔融狀態(tài)直至不受電場(chǎng)和重力的影響、并接著凝固。此外，作為一種簡(jiǎn)單方法，也可采用這樣的方法，其中，通過(guò)切斷對(duì)電極5和6的通電以令電場(chǎng)消失來(lái)使試樣A下落。按照這種方式，可在充分的失重環(huán)境下使試樣A凝固而不受電場(chǎng)的影響。在這種情況中，為防止凝固的試樣A破損，試樣接收器11優(yōu)選與緩沖件例如減震片連接。
工業(yè)實(shí)用性 本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐具有下落管連接在爐體下方的較簡(jiǎn)單構(gòu)造，且通過(guò)經(jīng)由該下落管使在爐體內(nèi)加熱的試樣下落來(lái)給試樣提供重力水平近似10-3G的充分失重環(huán)境。例如，當(dāng)使經(jīng)加熱和熔融的試樣凝固時(shí)，此爐實(shí)現(xiàn)了在充分失重環(huán)境下且不受電場(chǎng)影響地執(zhí)行試樣的良好凝固。另外，與利用宇宙飛船、航空器或下落塔的情況相比，此爐能夠顯著降低成本，此外，該爐易于控制以一邊改變參數(shù)、一邊執(zhí)行多次實(shí)驗(yàn)。
另外，本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐的一種優(yōu)選實(shí)施例讓帶有光束照射光學(xué)系統(tǒng)的下電極與試樣一起下落，使得可在下落中用激光束連續(xù)加熱該試樣。也就是說(shuō)，此爐通過(guò)下落在失重環(huán)境下保持試樣處于熔融狀態(tài)，且因?yàn)榇藭r(shí)切斷對(duì)下電極的通電，所以此爐能夠不受電場(chǎng)影響地執(zhí)行該試樣的加熱和凝固。
此外，在本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐的一種優(yōu)選實(shí)施該中，試樣接收器用剛性材料例如金屬形成，在該試樣正好到達(dá)試樣接收器之前通過(guò)用激光束照射來(lái)加熱該試樣，且該試樣以重力投向試樣接收器，結(jié)果該試樣被迅速地冷卻和凝固以形成無(wú)定形體。利用被設(shè)置得高于試樣接收器的電極接收器和被設(shè)置得較低的試樣接收器使下電極與試樣分離，還避免了擔(dān)心熔融試樣附著在該下電極上。
此外，本發(fā)明的下落型靜電懸浮爐的一種優(yōu)選實(shí)施例利用兩個(gè)真空泵使?fàn)t體和下落管的內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)形成真空。特別的，當(dāng)要把落入下落管內(nèi)的試樣和下電極取出到外部時(shí)，關(guān)閉門閥以僅使下部空間對(duì)外部空氣開放而爐體和上部空間的內(nèi)部保持處于真空狀態(tài)。由此，因?yàn)樵诹硪辉囼?yàn)之前需要進(jìn)行的操作僅僅是對(duì)下部空間抽真空且隨后打開門閥，所以可在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種下落型靜電懸浮爐，其利用產(chǎn)生于電極之間的電場(chǎng)使帶電試樣處于懸浮狀態(tài)并對(duì)被懸浮的所述試樣進(jìn)行熱處理，其中，可抽成真空的下落管垂直地連接在爐體的下側(cè)，以允許所述爐體的內(nèi)側(cè)與所述下落管的內(nèi)側(cè)連通以及允許所述試樣經(jīng)由所述下落管下落。
2.權(quán)利要求1所述的下落型靜電懸浮爐，其特征在于，從所述爐體上側(cè)引入的激光束用作所述試樣的熱源，下電極帶有光束照射光學(xué)系統(tǒng)，該光束照射光學(xué)系統(tǒng)利用由其引來(lái)的所述激光束照射所述試樣，且下電極設(shè)置在可經(jīng)由所述下落管下落的位置，以及提供有在切斷對(duì)所述下電極的通電的同時(shí)釋放所述下電極的電極保持器。
3.權(quán)利要求2所述的下落型靜電懸浮爐，其特征在于，所述下電極帶有設(shè)在其下側(cè)且允許試樣通過(guò)的開口，并且，用于接收所述下電極的電極接收器和用于在比所述電極接收器更低的位置接收所述試樣的試樣接收器設(shè)在所述下落管的下端處。
4.權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的下落型靜電懸浮爐，其特征在于，所述下落管帶有把所述下落管的內(nèi)部空間分隔為上部空間和下部空間的門閥，真空泵設(shè)在所述上部空間和下部空間的每個(gè)中。
全文摘要
一種利用產(chǎn)生于電極之間的電場(chǎng)使帶電試樣處于懸浮狀態(tài)并對(duì)試樣進(jìn)行熱處理的下落型靜電懸浮爐，其中，可抽成真空的下落管垂直地連接在爐體的下側(cè)以允許試樣經(jīng)由該下落管下落，且包括具有加熱激光束的光束照射光學(xué)系統(tǒng)。這導(dǎo)致了這樣的試驗(yàn)結(jié)果，其中，利用具有較簡(jiǎn)單構(gòu)造的爐充分排除了電場(chǎng)和重力的影響，還能夠以高實(shí)驗(yàn)環(huán)境顯著降低成本。
文檔編號(hào)F27B14/00GK1926396SQ20048004258
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者旭廣明, 玉置英彥 申請(qǐng)人:飛機(jī)夢(mèng)技術(shù)株式會(huì)社, 石川島播磨重工業(yè)空間技術(shù)株式會(huì)社