(57)【要約】【課題】片方のチューブがもう片方の内部にあるような２本のチューブを接合し、高温環境下でガスの侵入や放出を防止するボール・カップ接合（ジョイント）を提供する。【解決手段】２本のチューブを接合するジョイント１０８であって、端部にボール接触面を有する第１チューブ１０２と、前記第１チューブ１０２のボール接触面２０２と結合して、カップ・ボール接触面を形成するカップ接触面２１０を壁面内に有する第２チューブ１０４，１０６とを備え、前記カップ・ボール接触面は前記第２チューブ１０４，１０６の内部に位置している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本のチューブを接合するジョイントであって、
端部にボール接触面を有する第１チューブと、前記第１チューブのボール接触面と結合して、カップ・ボール接触面を形成するカップ接触面を壁面内に有する第２チューブとを備え、
前記カップ・ボール接触面は前記第２チューブの内部に位置していることを特徴とするジョイント。
【請求項２】
前記第１チューブが石英、カーボランダム（炭化ケイ素）、ケイ素（シリコン）、酸化アルミニウムから成る群から選択された素材で作られていることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項３】
前記第２チューブが石英、カーボランダム（炭化ケイ素）、ケイ素（シリコン）、酸化アルミニウムから成る群から選択された素材で作られていることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項４】
前記第２チューブがプロセスチューブとサポートチューブから成り、
前記サポートチューブは上部表面でプロセスチューブをサポートするものであり、またこのサポートチューブには前記カップ接触面が付いていることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項５】
前記サポートチューブが石英から成る素材で作られていることを特徴とする請求項４に記載されたジョイント。
【請求項６】
前記プロセスチューブがカーボランダム（炭化ケイ素）から成る素材で作られていることを特徴とする請求項４に記載されたジョイント。
【請求項７】
さらにガスシールを含み、このガスシールは前記カップ・ボール接触面にあることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項８】
前記ガスシールがガス供給チャネルを含み、このガス供給チャネルの片方の端は前記カップ・ボール接触面で周囲溝に接合しており、また別の端は不活性ガス源に接合し、
前記不活性ガス源は前記カップ・ボール接触面において超大気圧状況が維持されるように設定されていることを特徴とする請求項７に記載されたジョイント。
【請求項９】
前記ガスシールがガス放出チャネルを含み、このガス放出チャネルの片方の端は前記カップ・ボール接触面で周囲溝に接合しており、また別の端は真空源に接合し、
前記真空源は前記カップ・ボール接触面において低大気圧状況が維持されるように設定されていることを特徴とする請求項７に記載されたジョイント。
【請求項１０】
さらに留め具を含み、この留め具は前記カップ接触面と前記ボール接触面がお互い固定・接触ポジションを取りながら維持するようにするためのものであることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項１１】
前記留め具がスプリングを含み、このスプリングはカップ・ボール接触面が接触ポジションになるようバイアスをかけるものであることを特徴とする請求項１０に記載されたジョイント。
【請求項１２】
前記ボール接触面が複数の溝を含むことを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項１３】
前記第１チューブがガス注入チューブであることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項１４】
前記第１チューブが熱電対チューブであることを特徴とする請求項１に記載されたジョイント。
【請求項１５】
２本のチューブを接合するジョイントであって、
端部にカップ接触面を有する第１チューブと、前記第１チューブのカップ接触面と結合して、カップ・ボール接触面を形成するボール接触面を壁面内に有する第２チューブと、前記カップ・ボール接触面に設けられたガスシールとを備え、
前記カップ・ボール接触面は前記第２チューブの内部に位置していることを特徴とするジョイント。
【請求項１６】
前記第１チューブが石英、カーボランダム（炭化ケイ素）、ケイ素（シリコン）、酸化アルミニウムから成る群から選択された素材で作られていることを特徴とする請求項１５に記載されたジョイント。
【請求項１７】
前記第２チューブが石英、カーボランダム（炭化ケイ素）、ケイ素（シリコン）、酸化アルミニウムから成る群から選択された素材で作られていることを特徴とする請求項１５に記載されたジョイント。
【請求項１８】
前記第２チューブがプロセスチューブとサポートチューブから成り、このサポートチューブは上部表面でプロセスチューブをサポートするものであり、またこのサポートチューブにはボール接触面が付いていることを特徴とする請求項１５に記載されたジョイント。
【請求項１９】
前記サポートチューブが石英から成る素材で作られていることを特徴とする請求項１８に記載されたジョイント。
【請求項２０】
さらに留め具を含み、この留め具はカップ接触面とボール接触面がお互い固定・接触ポジションを取りながら維持するようにするためのものであることを特徴とする請求項１５に記載されたジョイント。
【請求項２１】
前記留め具がスプリングを含み、このスプリングはカップ・ボール接触面が接触ポジションになるようバイアスをかけるものであることを特徴とする請求項２０に記載されたジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は２本のチューブを接合するためのジョイントに関するものである。具体的には、高温環境下でボール・カップ接合により２本のチューブを接合する技術に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
セラミック素材のチューブ同士を接合するには、高温の溶鉱炉内で行う必要がある。この場合のチューブにはプロセスチューブ、ガス供給チューブ、ガス排出チューブ、熱電対チューブなどが挙げられる。２本のチューブの接合の設計はガスの侵入や放出を防止する設計となる。
【０００３】
ガスの侵入や放出を防止するためにはボール・カップ接合が通常用いられる。この接合においては、片方のチューブにあるボールともう片方のチューブにある結合カップが組み合わさって結合・接触ポジションを形成し、その表面対表面の接触によりメカニカルシールができる。
【０００４】
通常、ボールとカップは同じ素材から作られ、ボールとカップの分級（サイジング）の許容誤差に対応できるよう設計される。ボールとカップが異なる素材で作られる場合は、その２つの素材の持つ熱膨張の差異に対応できるような設計を行わなくてはならない。そのような場合、室温ではボールとカップはきっちりと適合するが、熱が加わるとボールとカップ間の実際の接触は各素材の熱膨張の差異により面接触から線接触に低減する。
【０００５】
線接触ではガス拡散が容易に発生するので、ボール・カップ接合は完璧とは言えない。この拡散を最小限にするために、カップに対しボールを押しつける役割の留め具を使用したり、ボール・カップ接触面にＯリングを付けてガスを密封する必要がある。しかし、超高温になるとＯリングでは接合のクオリティに悪化や劣化が生じる場合がある。
【０００６】
米国特許第６，４９９，７６８号において、本発明と共に出願したガスの侵入や放出を防止するガスシール付ボール・カップ接合が開示されている。この第６，４９９，７６８号特許において、第１チューブ（その端にボール接触面が付いたもの）と第２チューブ（その端にカップ接触面が付いたもの）が提供されている。第２チューブのカップ接触面が第１チューブのボール接触面と結合することによりカップ・ボール接触面を形成して第１、第２チューブは接合するわけだが、この場合、これらのチューブ同士はもともとは接触していないチューブである。
【０００７】
しかし、状況によっては片方のチューブがもう片方のチューブ内にある場合に２本のチューブを接合する必要がある。この必要性を満たすこれまでの技術として知られた接合方法はウルトラトール接合であり、真空技術に用いられている。ウルトラトール接合では、真空チェンバーにしっかりと真空接合させなくてはならないチューブの外径に対して圧迫、密閉したＯリングを用いる。しかし、Ｏリングを使用するためウルトラトール接合は高温に対する耐性がない。
【０００８】
そこで２本のチューブを接合するための接合方法として、片方のチューブがもう片方の内部にあり、その接合は高温に対し耐性を有する接合方法が必要なのである。加えて、その接合方法はガスの侵入や放出を防止するものでなくてはならないのである。
【特許文献１】米国特許第６，４９９，７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的の一つ目は、片方のチューブがもう片方の内部にあるような２本のチューブを接合するボール・カップ接合を提供することである。
本発明の目的の二つ目は、高温環境下でガスの侵入や放出を防止するボール・カップ接合を提供することである。
本発明の目的の三つ目は、低大気圧状況、または超大気圧状況においてガスの侵入や放出を防止するボール・カップ接合を提供することである。
そして本発明の目的の四つ目は、高温下でもカップ接触面及びボール接触面がお互いに対して結合・接触・固定ポジションを取りながらそれらの接触面を維持するボール・カップ接合を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するために、本発明では留め具及びガスシール付きのボール・カップ接合を提供する。
ボール接触面は第１チューブの端に、カップ接触面は第２チューブの壁面内に付いている。第２チューブのカップ接触面は第１チューブのボール接触面と結合し、カップ・ボール接触面を形成する。本発明におけるカップ・ボール接触面は第２チューブの内部に位置している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では高温環境下で２本のチューブを接合するボール・カップ接合（ジョイント）を提供する。このボール・カップ接合ではガスの侵入や放出が防止される。
図１は本発明の実施例として典型的な溶鉱炉の図解である。溶鉱炉１００には、第１チューブ１０２、第２チューブ（プロセスチューブ１０４とサポートチューブ１０６から成る）、ボール・カップ接合１０８（ジョイント）、締め具１１０、燃焼チェンバー１１２、ガス分散チューブ１１４、ガス供給チューブ１１６が含まれる。第２チューブと締め具１１０がプロセスチェンバー１１２の範囲である。溶鉱炉１００は第２チューブを囲む加熱器（図には示されていない）により加熱される。
【００１２】
プロセスガスを第２チューブに通すことにより、基板を高温の溶鉱炉１００内で処理することが可能である。この基板は第２チューブの最底面にある閉鎖可能な開口部を通して第２チューブ内に設置される。閉口状態の時、この開口部は締め具１１０で閉鎖されている。基板ホルダー（図には示されていない）により、複数の基板でも垂直空間配置で収容可能である。この基板ホルダーは複数の基板を同時に処理できるよう第２チューブ内に設置される。本発明の実施形態の一例として、基板の素材には半導体の使用が可能である。第１チューブ１０２はボール・カップ接合１０８によりサポートチューブ１０６と接合されている。ボール・カップ接合１０８についての詳細は、図２及び図３を参照しながら説明する。
【００１３】
ガス分散チューブ１１４（第２チューブ内に設置）はサポートチューブ１０６と固定接合されているガス供給チューブ１１６と接合されている。ガスはまずガス供給チューブ１１６内に送られ、次にガス分散チューブ１１４を通り上昇しながら燃焼チェンバー１１２の上端に送られる。ガスはガス分散チューブ１１４から燃焼チェンバー１１２の上端に送られ、燃焼チェンバー１１２の底面からガス排出チューブ（図には示されていない）を通して排出される。
【００１４】
図２は本発明のさまざまな実施形態に基づいたボール・カップ接合１０８の図解である。ボール・カップ接合１０８には、第１チューブ１０２（ボール接触面２０２、ボール接触面２０２内の溝２０４、第１チューブ１０２の外部留め輪２０６及び外側部分２０８が付いている）、プロセスチューブ１０４、サポートチューブ１０６（カップ接触面２１０、ガス供給・放出チャネル２１２、サポートチューブ１０６の上部表面内の溝２１４が付いている）が含まれる。
【００１５】
ボール接触面２０２は第１チューブ１０２の端に付いている。本発明の実施形態の一例として、第１チューブ１０２には熱電対などのセンサー（第１チューブ１０２内に設置）付きの熱電対チューブを使用することが可能である。本発明の実施形態の別の例として、第１チューブ１０２にはガス注入チューブを使用することも可能である。カップ接触面２１０はサポートチューブ１０６の壁面内に付いている。
【００１６】
本発明の実施形態では、図に示してあるように第２チューブはプロセスチューブ１０４とサポートチューブ１０６から構成されている。サポートチューブ１０６はその上部表面にあるプロセスチューブ１０４をサポートするものであり、サポートチューブ１０６はそのターン上に載っている（図には示されていない）。本発明の実施形態の一例では、サポートチューブ１０６は石英で作られている。カップ接触面２１０はサポートチューブ１０６の壁面内に付いている。サポートチューブ１０６のカップ接触面２１０及び第１チューブ１０２の結合ボール接触面２０２はメカニカル接触によりカップ・ボール接触面（サポートチューブ１０６内にある）を形成する。
【００１７】
本発明の実施形態の別の例として、第２チューブが一体型チューブである場合もある。この場合、カップ接触面２１０は第２チューブの壁面内に付いている。第２チューブのカップ接触面２１０及び第１チューブ１０２のボール接触面２０２はカップ・ボール接触面を第２チューブの内部に形成する。
【００１８】
本発明の実施形態のまた別の例として、カップ接触面２１０が第１チューブ１０２の端に、ボール接触面２０２が第２チューブ壁面内部に付いている場合もある。第１チューブ１０２のカップ接触面２１０及び第２チューブのボール接触面２０２がカップ・ボール接触面を形成する。
【００１９】
ガスシールはカップ・ボール接触面の純度を維持するものである。このガスシールには、ガス供給・放出チャネル２１２及びカップ・ボール接触面にある周囲溝２０４が含まれる。ガス供給・放出チャネル２１２は、一方の端からボール接触面２０２にある溝２０４に放出する。
【００２０】
本発明の実施形態の別の例として、溝２０４はカップ接触面２１０にある場合もある。本発明の実施形態のまた別の例として、１つ、または複数の溝２０４がボール接触面２０２にある場合もある。ガス供給・放出チャネル２１２は、もう一方の端からサポートチューブ１０６の上部表面にある円形溝２１４（サポートチューブ１０６の外周沿いにある）に放出する。ガス供給・放出チャネル２１２はガス交換を行う吸気口・排気口に接合している。
【００２１】
本発明のさまざまな実施形態では、ガス供給・放出チャネル２１２は不活性ガス源に接合する場合もある。この不活性ガス源により、超大気圧状況（通常の大気圧を超える状況）において不活性ガスはボール接触面２０２とカップ接触面２１０の間に取り込まれる。不活性ガスはカップ・ボール接触面を通る外気の内拡散やプロセスガスの外拡散を中和するのに十分なガス速度を維持しながら、ガス供給・放出チャネル２１２を通って溝２０４に取り込まれるのである。さらに、この不活性ガス源から取り込まれる不活性ガスの速度により、カップ・ボール接触面において超大気圧状況が維持される。
【００２２】
本発明の実施形態の一例として、ガス供給・放出チャネル２１２は真空源と接合する場合もある。真空源により、ガスは溝２０４からガス供給・放出チャネル２１２へ移動させられる。また、この真空源により、カップ・ボール接触面において低大気圧状況が維持される。
【００２３】
第１チューブ１０２にはその端にボール接触面２０２が付いていると述べてきたが、図２にあるようにボール接触面２０２は第１チューブ１０２の通常の内部部分の端に付いており、第１チューブ１０２の留め輪２０６と外側部分２０８はボール接触面２０２部分より超えて拡張している。今後「端」と言う時、上記を含むものとし、最終的な構造上の理由から当該拡張部分はボール接触面２０２を超えて拡張すると理解するものとする。
【００２４】
留め具は外部留め輪２０６上に付いており、これはカップ接触面２１０及びボール接触面２０２がお互いに対して結合・接触・固定ポジションを取りながら維持するようにするためである。留め具についての詳細は、図３を参照しながら説明する。
【００２５】
図３は本発明の実施形態の一例に基づいたボール・カップ接合１０８における留め具のメカニズムの図解である。図３には、第１チューブ１０２、ボール接触面２０２、ボール接触面２０２内の溝２０４、第１チューブ１０２の外部留め輪２０６及び外側部分２０８、プロセスチューブ１０４、カップ接触面２１０、サポートチューブ１０６、ガス供給・放出チャネル２１２、サポートチューブ１０６の上部表面内の溝２１４、スプリング３０２、ワッシャー３０４、リング押さえ３０６、第１チューブ１０２の外部留め輪２０６にある溝３０８が含まれる。
【００２６】
カップ・ボール接触面には留め具が付いており、これはボール接触面２０２及びカップ接触面２１０がともに、高温環境などいかなる状況でもお互いに対して固定・接触ポジションを取りながら維持するようにするためである。この留め具によりカップ・ボール接触面に多様な力をかけることができ、カップ・ボール接触面のポジションは高温下でもそのままに保つことができるのである。この留め具にはスプリング３０２、ワッシャー３０４、リング押さえ３０６が含まれる。
【００２７】
スプリング３０２の片方の端からカップ接触面２１０にバイアス力がかかり、スプリング３０２のもう片方の端からワッシャー３０４にバイアス力がかかる。このバイアス力によりリング押さえ３０６にワッシャー３０４が押しつけられる。リング押さえ３０６は第１チューブ１０２の外部留め輪２０６の外部表面内にある周囲溝３０８に位置している。その結果、スプリング３０２からかかるバイアス力は、第１チューブ１０２のボール接触面２０２をサポートチューブ１０６内のカップ接触面２１０に接触させながら引っ張り、さらにカップ接触面２１０及びール接触面２０２のポジションがお互いに対し固定されるように維持するのである。
【００２８】
本発明の実施形態では、図にあるプロセスチューブ１０４と第１チューブ１０２はカーボランダム（炭化ケイ素）製であることが望ましい。本発明の実施形態の一例では、サポートチューブ１０６及び締め具１１０は石英で作られている。ただし、プロセス要求や処理温度次第で、どのような高温素材や高温素材の組み合わせでも選択することが可能である。例えば、石英、ケイ素（シリコン）、カーボランダム（炭化ケイ素）、酸化アルミニウムなど（これらは例であり、これらに限るものではない）から成る素材が挙げられる。
【００２９】
本発明によるボール・カップ接合は、片方のチューブがもう片方の内部にあるような２本のチューブを接合する方式などいろいろな利点を提供するものである。
本発明によるボール・カップ接合は高温下でガスの侵入や放出を防ぐものであり、また、留め具を使用することによってカップ接触面及びボール接触面がお互いに対して固定ポジションを維持させるようにするものである。
さらに、本発明によるボール・カップ接合は、低大気圧状況、または超大気圧状況においてもガスの侵入や放出を防止するものである。
【００３０】
本発明のさまざまな実施形態を例証、説明してきたが、本発明はそれら上述の実施形態に限るものではないことは明らかであろう。下記特許請求の範囲でも説明するが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の修正、変更、変形、代用物、同等物が可能であることは当技術に精通した当業者にとっては言うまでもないことである
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は本発明の実施例として典型的な溶鉱炉の図解である。
【図２】図２は本発明のさまざまな実施形態に基づいたボール・カップ接合の図解である。
【図３】図３は本発明の実施形態の一例に基づいたボール・カップ接合における留め具のメカニズムの図解である。
【符号の説明】
【００３２】
１００        溶鉱炉
１０２        第１チューブ
１０４        プロセスチューブ
１０６        サポートチューブ
１０８        ボール・カップ接合
１１０        締め具
１１２        燃焼チャンバー
１１４        ガス分散チューブ
１１６        ガス供給チューブ
２０２        ボール接触面
２０４        溝
２０６        外部留め輪
２０８        外側部分
２１０        カップ接触面
２１２        ガス供給・放出チャネル
２１４        溝
３０２        スプリング
３０４        ワッシャー
３０６        リング押さえ
３０８        周囲溝
【図１】
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【図２】
2008224031.tif 000004
【図３】
2008224031.tif 000005