CZ酸化物単結晶固液界面形状の非軸対称性に及ぼす結晶・融液内輻射伝熱の影響

晶体和熔体内辐射传热对CZ氧化物单晶非轴对称固液界面形状的影响

基本信息

批准号：
16760004
负责人：
小林正樹
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Hachinohe Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、CZ酸化物単結晶育成プロセスに関し、結晶・融液内輻射伝熱を厳密に評価可能な3次元非定常熱流動解析コードを開発し、固液界面形状の非軸対称性に及ぼす結晶・融液の吸収係数の影響を解明することを目的としている。研究期間における成果を以下に述べる。結晶内での輻射伝熱を考慮可能な2次元軸対称定常総合熱解析(炉内構成要素を全て含んだ解析)と融液のみを対象とした3次元非定常解析を組み合わせることにより、3次元非定常融液内対流を考慮した効率的な総合熱解析モデルの構築を試みた。これは、総合熱解析を3次元化すべきであるところを、計算負荷の観点から融液部のみを3次元として扱ったものである。ここではすなわち,独立した解析コードである両者のインターフェイスを構築した。1.解析コードの妥当性を検討するために、小規模炉を対象とした計算を行った。小規模炉の解析では三次元非定常解析でも軸対称定常の結果を示すと考えられる。その結果,2次元総合熱解析と、インターフェイスを通した解析で同様の結果が得られ,本解析の妥当性が確認できた。2.統合したコードを用いて解析を行い、小規模炉を対象とした検討を行った。その結果,小規模炉においても結晶回転速度が高くなると融液自由表面上温度分布にwave patternが生成することがわかった。3.融液自由表面上の温度勾配に起因するマランゴニ対流と融液内輻射伝熱の相関について知見を得るため、2次元軸対称定常総合熱解析による検討を行った。その結果、融液吸収係数が小さくなると融液自由表面上の温度勾配が小さくなりマランゴニ対流が抑制され、結晶回転に起因する強制対流が発達しやすくなり固液界面が反転しやすくなることがわかった。

在本研究中，我们开发了三维非稳态热水力分析程序，可以严格评估CZ氧化物单晶生长过程中晶体和熔体内的辐射传热，并开发了其目的是阐明吸收系数的影响晶体和熔体。研究期间获得的结果描述如下。通过结合考虑晶体内辐射传热的二维轴对称稳态综合热分析（包括炉内所有部件的分析）和仅针对熔体的三维非稳态分析，试图构建一个有效的综合热分析模型，该模型考虑了熔体内部的非稳态对流。在该方法中，虽然综合热分析应该是三维的，但从计算负荷的角度来看，仅将熔体部分视为三维。这里，我们构建了两者之间的接口，是独立的分析代码。 1. 为了检验分析代码的有效性，对小型反应堆进行了计算。在小型反应堆的分析中，人们认为即使三维非稳态分析也显示出轴对称的稳态结果。结果，在二维综合热分析和通过界面分析中得到了类似的结果，证实了该分析的有效性。 2.使用集成代码进行分析，并针对小型反应堆进行研究。结果表明，即使在小型反应器中，当晶体旋转速度增加时，熔体自由表面上的温度分布也会产生波型。 3. 为了了解熔体自由表面温度梯度引起的马兰戈尼对流与熔体内部辐射传热之间的相关性，进行了二维轴对称稳态综合热分析。结果发现，当熔体吸收系数变小时，熔体自由表面的温度梯度减小，抑制了马兰戈尼对流，使得晶体旋转引起的强制对流更容易发展，更容易固液界面反转。