(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を収容し上部に開口部を有する鋳型と、該鋳型開口部の上方に配置されたヒータと、前記溶湯浴面に向かって前記開口部から不活性ガスを供給するガス管とを備えた鋳造装置において、
前記溶湯浴面とヒータとの間に設けられた板状の蓋と、
該蓋の平面中心近傍に形成され、前記ガス管を挿通させるための貫通孔と、
前記蓋の周縁に設けられ、前記蓋の下方に存在するガスを通過させるための間隙と、を備えることを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
前記間隙は、前記蓋の周縁と前記鋳型の上縁部との間に設けられている請求項１に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不活性ガス雰囲気下で鋳造する鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば高融点金属やＳｉなど、大気中において鋳型に鋳込むと酸化しやすい材料に関しては、不活性ガスを吹き付けて鋳型近傍を不活性雰囲気にしつつ鋳造が行われる。特に近年、太陽電池に用いられるＳｉ多結晶を鋳造する際には、図５に示すような鋳造装置によって製造される。
【０００３】
図５において、鋳造装置５０は、冷却板５９の上方に設置された鋳型５１と、電極棒６０にそれぞれ支持された上部ヒータ５２及び下部ヒータ５３と、ガス管５４と、排気口６１とを備えており、これらは保温材からなる天井部５５と底部５６と側壁部５７とによって囲まれている。さらに、これらの部材はチャンバー６２によって外部と遮断されている。また、鋳型５１内部には溶湯５８が収容されており、溶湯５８にはガス管５４から不活性ガス５４ａが供給される。
【０００４】
溶湯５８は予め鋳型５１内に収容された原料が上部、下部ヒータ５２、５３によって溶融されたものである。そして、下部ヒータ５３による加熱を解いた後、冷却板５９によって鋳型５１下方から抜熱することによって溶湯５８は凝固される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
太陽電池用Ｓｉ多結晶は高純度のものが求められるが、このような鋳造装置５０では、上部ヒータ５２や該上部ヒータ５２近傍の天井部５５など鋳型５１の上方にある各部材から生じる異物が溶湯５８に混入し、不純物の混ざったインゴットが生成される場合があった。
【０００６】
また、ガス管５４から供給される不活性ガス５４ａの流路が定まらず、不活性ガス５４ａが広い範囲に十分に行き渡らないとともに、溶湯５８から発生するガスが浴面近傍で淀んでしまう部分が生じ、その部分で物性が変化しインゴット表面の光沢が無くなってしまう場合があった。さらに、上部ヒータ５２と溶湯５８からの発生ガスとが反応し、該上部ヒータ５２が劣化してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高純度なインゴットを生成することができるとともに、各部材の劣化を抑えることができる鋳造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の鋳造装置は、溶湯を収容し上部に開口部を有する鋳型と、該鋳型開口部の上方に配置されたヒータと、前記溶湯浴面に向かって前記開口部から不活性ガスを供給するガス管とを備えた鋳造装置において、前記溶湯浴面とヒータとの間に設けられた板状の蓋と、該蓋の平面中心近傍に形成され、前記ガス管を挿通させるための貫通孔と、前記蓋の周縁に設けられ、前記蓋の下方に存在するガスを通過させるための間隙と、を備えることを特徴とする。前記間隙は、前記蓋の周縁と前記鋳型の上縁部との間に設けることができる。
【０００９】
本発明によれば、鋳型内部に収容された溶湯浴面とヒータとの間に板状の蓋を設けたことにより、溶湯にはヒータやヒータ近傍の部材からの異物の侵入、或いはヒータと溶湯からの発生ガスとの反応生成物の混入を防止することができる。また、前記蓋を鋳型開口部とヒータとの間に仕切るように位置させたため、前記発生ガスとヒータとの反応を低減させることができ、該ヒータの劣化を防止することができる。
【００１０】
前記蓋の周縁に、該蓋の下方に存在する鋳型内部のガスを通過させるための間隙を設けたため、溶湯に吹き込まれた不活性ガスは、蓋中心近傍から溶湯浴面上を対流しつつ該間隙に向かって放射状に流れるようになる。そのため、溶湯からの発生ガスの淀み部分の発生を抑えるとともに、該発生ガスや小さい異物などはこの流れに沿って外部に排出されるため、生成されるインゴットは高純度のものとなる。また、不活性ガスは蓋下面に沿って対流しつつ広い範囲にまんべん無く流れ込むため、該不活性ガスが行き渡らない部分が生じるのを防止し、酸化や窒化しやすい材料に関しても、インゴットは安定して生成される。そして前記発生ガスの淀み部分によるインゴット表面の物性変化を防止することができるため、高光沢なインゴットを生成することができる。
【００１１】
また、板状の蓋を設けたことにより、ヒータからの熱は間接的且つ均一に鋳型内部に供給される。このため、溶融前の原料に局所的な熱は加わらないため、溶湯は均一に安定して生成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鋳造装置の第１実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の鋳造装置１の構成を説明する正面断面図であり、図２は鋳型２の近傍を上方から見た平面図である。
【００１３】
図１に示すように、鋳造装置１は、鋳型２と上部ヒータ３と下部ヒータ４とガス管５と蓋６とを備えており、これらは保温材からなる天井部１０と底部１１と側壁部１２とによって囲まれている。さらに、これらの部材はチャンバー１７によって外気と遮断されている。
【００１４】
有底筒状に形成された鋳型２は、図２に示すように平面視略正方形状の角型に形成されており、その開口部には平面視四角形の環状の上縁部２ａが形成されている。この鋳型２の内部には例えばＳｉからなる溶湯７が収容されている。
【００１５】
鋳型２の上方には上部ヒータ３が、下方には下部ヒータ４がそれぞれ設置されている。これら上部、下部ヒータ３、４は電極棒１５によって支持されている。また、貫通孔４ａに挿通した支持部９の上端には冷却板１３が設置されており、この冷却板１３の上面には前記鋳型２が載置されている。
【００１６】
モリブデンまたはカーボン製のガス管５はチャンバー１７に支持されており、該チャンバー１７から下方に延びるように設置されている。このガス管５は上部ヒータ３の中心近傍に形成された貫通孔３ａに挿通しており、その下端部５ａは溶湯７の浴面近傍まで達している。そしてガス管５からは、図示しないガス供給部から供給されたＡｒガスなどの不活性ガス８が溶湯７の浴面に向かって吹き付けられている。
【００１７】
ガス管５の下端部５ａ近傍には、鋳型２の開口部を覆うようにカーボン製の蓋６が固定されており、溶湯７の浴面から離間させて設けられている。この蓋６は、図２に示すように平面視略正方形盤状に形成されている。また、その縁部６ａは断面Ｌ字状に形成されており、該Ｌ字部分が上方に向かって設けられている。蓋６は、鋳型２の開口面積より若干小さくなるように形成されており、鋳型２の上縁部２ａとほぼ同じ高さ位置に設置されている。そして蓋６と上縁部２ａとの間には蓋６の外周に沿って間隙１４が形成されている。
【００１８】
このような構成を持つ鋳造装置１において鋳造を行うには、先ず鋳型２にＳｉなどの原料を収容する。そして、上部ヒータ３と下部ヒータ４とを稼動させて前記原料を溶融させる。このとき、ガス管５からは不活性ガス８が供給されており、該不活性ガス８は蓋６の中心近傍から該蓋６の下面に沿って流れつつ、放射状に間隙１４から排出される。
【００１９】
溶融された原料は溶湯７として鋳型２内に収容される。次いで下部ヒータ４の稼動を停止させ、不活性ガス８を供給しつつ、冷却板１３によって鋳型２の熱を該鋳型２の下方から抜熱させる。このとき不活性ガス８は図１、図２に示すように、蓋６の中心近傍から該蓋６の下面に沿って対流しつつ、放射状に間隙１４から排出され、排気口１６から外部へ排気される。
【００２０】
鋳型２の熱は、冷却板１３によってその底部２ａから抜熱される。これに伴って該鋳型２に収容されている溶湯７は下方から徐々に凝固される。このとき、溶湯７は上下方向に沿って配向しながら凝固し、一方向に配向した組織を持つインゴットが生成される。
【００２１】
このように、蓋６をガス管５の下端部５ａに固定し、鋳型２の開口部を覆うように設けたことにより、鋳型２内部に上部ヒータ３や該上部ヒータ３近傍の各部材からの異物の侵入、或いは上部ヒータ３と溶湯７からの発生ガスとの反応生成物の混入を防止することができる。
【００２２】
また、蓋６を鋳型２の開口部と上部ヒータ３との間に仕切るように位置させたため、溶湯７からの発生ガスと上部ヒータ３との反応を低減することができ、上部ヒータ３の劣化を防止することができる。
【００２３】
蓋６の周縁と鋳型２の上縁部２ａとの間に、鋳型２内部に存在するガスを通過させるための間隙１４を設けたため、溶湯７に吹き込まれた不活性ガス８は、蓋６の中心近傍から溶湯７の浴面上を対流しつつ間隙１４に向かって放射状に流れるようになる。そのため、溶湯７からの発生ガスの淀み部分の発生を抑えるとともに、該発生ガスや小さい異物などはこの流れに沿って外部に排出されるため、生成されるインゴットは高純度のものとなる。また、発生ガスの淀み部分に起因するインゴット表面の光沢の低下を防止することができる。
【００２４】
不活性ガス８は蓋６の下面に沿って対流しつつ広い範囲にまんべん無く流れ込むため、不活性ガス８が行き渡らない部分が生じるのを防止し、酸化や窒化しやすい材料に関しても、インゴットは安定して生成される。
【００２５】
また、盤状に形成させた蓋６を上部ヒータ３の下方にを設けたことにより、上部ヒータ３からの熱は間接的且つ均一に鋳型２内部の溶湯７に供給される。このため、溶融前の原料に局所的な熱は加わらないため、溶湯７は均一に安定して生成される。
【００２６】
なお蓋６の大きさ及び形状は、間隙１４を形成しつつ溶湯７に不純物が混入するのを防ぐのに十分な大きさを有し、不活性ガス８が溶湯７の浴面に沿って流れて発生ガスの淀み部分を生じさせないという所望の効果を得ることができれば良いため、例えば円盤状に形成したり、鋳型２の開口部面積より大きく形成し上縁部２ａより若干高いところに配置させるような構成とすることも可能である。
【００２７】
次に、本発明の鋳造装置の第２実施形態を図面を参照して説明する。図３は本発明の鋳造装置２１の構成を説明する正面断面図であり、図４は鋳型２２の近傍を上方から見た平面図である。
【００２８】
図３に示すように、鋳造装置２１は、例えばＳｉからなる溶湯２７を収容した鋳型２２と、鋳型２２を載置させている冷却板３３と、鋳型２２の上方に設置された上部ヒータ２３と、冷却板３３の下方に設けられた下部ヒータ２４と、鋳型２２に載置された蓋２６と、ガス管２５とを備えており、これらは保温材からなる天井部３０と底部３１と側壁部３２とによって囲まれている。上部、下部ヒータ２３、２４はそれぞれ電極棒３５に支持されている。さらにこれらの部材はチャンバー３７によって、外気から密閉されている。
【００２９】
鋳型２２の上縁部２２ａは、図４に示すように平面視略正方形状に形成されている。また、カーボン製の蓋２６は円盤状に形成されており、その直径は上縁部２２ａの一辺の長さより大きく形成されているとともに、上縁部２２ａの対角線の長さよりは小さく形成されている。そして、蓋２６は鋳型２２の上縁部２２ａに載置されており、蓋２６周縁と上縁部２２ａとの間には４隅に間隙３４が形成されている。
【００３０】
天井部３０から下方に延びるように設置されたガス管２５は上部ヒーター２３の中心近傍に形成された穴を挿通したあと、蓋２６の中心に形成された貫通孔２６ａに挿通される。ガス管２５の下端部２５ａは溶湯２７の浴面近傍まで達しており、図示しないガス供給部から供給されたＡｒガスなどの不活性ガス２８が溶湯２７に向かって吹き付けられている。そして、この不活性ガス２８は蓋２６の下面を対流しながら溶湯２７の浴面に沿って蓋２６の周縁側に向かって放射状に流れ、間隙３４から流出され、排気口３６から外部へ排気される。
【００３１】
このように、蓋２６を鋳型２２の上縁部２２ａに載置させることも可能である。このため、蓋２６はガス管２５の下端部２５ａ近傍に固定される必要が無くなり、簡単な構造で設置させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の鋳造装置は、以下のような効果を有するものである。
（１）鋳型内部に収容された溶湯浴面とヒータとの間に板状の蓋を設けたことにより、溶湯にはヒータやヒータ近傍の部材からの異物の侵入、或いはヒータと溶湯からの発生ガスとの反応生成物の混入を防止することができる。また、前記蓋を鋳型開口部とヒータとの間に仕切るように位置させたため、前記発生ガスとヒータとの反応を低減させることができ、該ヒータの劣化を防止することができる。
（２）前記蓋の周縁に、該蓋の下方に存在する鋳型内部のガスを通過させるための間隙を設けたため、溶湯に吹き込まれた不活性ガスは、蓋中心近傍から溶湯浴面上を対流しつつ該間隙に向かって放射状に流れるようになる。そのため、溶湯からの発生ガスの淀み部分の発生を抑えるとともに、該発生ガスや小さい異物などはこの流れに沿って外部に排出されるため、生成されるインゴットは高純度のものとなる。また、不活性ガスは蓋下面に沿って対流しつつ広い範囲にまんべん無く流れ込むため、該不活性ガスが行き渡らない部分が生じるのを防止し、酸化や窒化しやすい材料に関しても、インゴットは安定して生成される。そして前記発生ガスの淀み部分によるインゴット表面の物性変化を防止することができるため、高光沢なインゴットを生成することができる。
（３）板状の蓋を設けたことにより、ヒータからの熱は間接的且つ均一に鋳型内部に供給される。このため、溶融前の原料に局所的な熱は加わらないため、溶湯は均一に安定して生成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鋳造装置の第１実施形態の一例を示す側方断面図である。
【図２】図１における鋳型近傍の上方から見た平面図である。
【図３】本発明の鋳造装置の第２実施形態の一例を示す側方断面図である。
【図４】図３における鋳型近傍の上方から見た平面図である。
【図５】従来の鋳造装置を説明する図である。
【符号の説明】
１、２１      鋳造装置
２、２２      鋳型
２ａ、２２ａ  鋳型上端部
３、２３      上部ヒータ
４、２４      下部ヒータ
５、２５      ガス管
６、２６      蓋
７、２７      溶湯
８、２８      不活性ガス
１４、３４    間隙
１５、３５    電極棒
１６、３６    排気口
１７、３７    チャンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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