Высокотемпературный нагреватель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 1/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4363192/21 (22) 15.01.88 (46) 07.05,93. Бюл. М 17 (71) Институт горючих ископаемых, Всесоюзный электротехнический институт им.

В.И.Ленина и Научно-производственное объединение "Химволокно" (72) 3,С,Бунарева, Е.Е.Глазунова, А,H.EðMäлов, M.Å,Êàçàêîâ, В,Н.Лазарев, Л.В,Логи- нов, B.È.Ïàðõîì÷óê, М.И.Рогайлин и

А.В.Ч ибин (56) Сотникова В,M., Родзимовская Н,M. Углеграфитовые материалы и способы их соединения с металлами. Обзоры по электронной технике, серия 7, вып, 7, 1984, с.З вЂ” 9.

Патент США N 3914689, кл, 313-346, 1975, (54) ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изИзобретение относится к электронной технике, а именно к высокотемпературным нагревателям, работающим в вакууме или защитной атмосфере, и может быть использовано, в частности, при изготовлении катодно-подогревательных узлов (КПУ).

Цель изобретения — повышение экономичности и срока службы нагревателя, обеспечение равномерности нагрева крупногабаритных изделий. а также повышение быстродействия нагревателя.

Сущность изобретения состоит в использовании в качестве материала рези- стивного элемента высокотемпературного нагревателя композиционного углерод-уг... Я2 „„1542313 А1 готовлении катодно-подогревательных узлов и в качестве нагревательного элемента технологических установок газовой эпитаксии. Нагреватель содержит резистивный элемент 1, выполненный из углеродного шнура с оплеткой в пироуглеродной матрице; содержание пироуглерода в нагревателе

40-60 $. Ножки — токоподводы 2 выполнены из графита, поровый обьем которого заполнен пироуглеродом. Литейное электрическое сопротивление внешних витков нагревателя больше сопротивления внутренних в 1,2 — 3 раза, что достигается удалением из сердцевины углеродного шнура стержневых нитей, так чтобы соотношение их числа было в пределах 1:16 — 10:16. Нагреватель обеспечивает нагрев эмиттеров диаметром 30 — 90 мм до температуры 1650 С за

35 с и долговечность больше 250 ч, Неравномерность температуры эмиттеров не более + 5 С.4 ил. (л леродного материала, эффективность при- .1 менения которого определяется его следую- M щими свойствами: удельное сопротивление (.к) на два-три порядка превышает удельное сопротивление тугоплавких металлов и íà по- (,ц) рядок сопротивление графита, вследствие чего появляется возможность понизить накальный ток, отказаться от громоздкой ком- мутации и, в частности, от охлаждаемых токовводов, по этой же причине появляется возможность применить резистивный элемент с большей площадью поперечного сечения, что увеличивает теплоотдачу и повышает тепловой КПД нагревателя; отрицательный температурный коэффициент со1542313 противления позволяет отказаться от ступенчатого выхода на режим, чем достигается рост быстродействия устройства; рост механической прочности с повышением температуры и отсутствие процесса рекристаллизации, характерного для металлических нагревателей, определяет возможность создания бесподвесных нагревателей большого диаметра, обладающих высокой вибростойкостью и большим ресурсом; минимальная химическая активность по отношению к гексабориду лантана обуславливает повышение ресурса работы катодно-подогревательного узла в целом.

На фиг,1 представлена конструкция нагревателя диаметром 30 мм; 1 — резистивный элемент, 2 — опорные ножки-токоподводы из графита, 3 — изолятор, 4 — крепежные гайки;

lI8 фиг,2 показана конструкция нагревателя диаметром 75 мм; 5- центральный токоподвод, 5

10 .15

6 — двухзаходная спираль резистивного элемента; 7- опорное кольцо-токоподвод; на фиг,3 показана конструкция нагревателя для эмиттера диаметром 120 мм; 8 — витки двухзаходной спирали резистивного элемента, 9— центральный токоподвод, 10 — опорное кольцо токоподвода; на фиг.4 — зависимость температуры эмиттера от мощности нагревателя. лл

Механические характеристики композиционных углерод-углеродных материалов зависят от отношения веса волокна к весу пироуглерода. Система оказывается прочной и вибростойкой (т.е, сохраняет достаточную упругость) при отношении весов волокна и пироуглерода 40;60. Уменьшение количества пироуглерода ниже 40;(, ведет к понижению прочности, а увеличение его количества выше 60; снижает вибростойкость.

Композиционные углерод-углеродн ые материалы могут быть изготовлены на основе волоконных материалов, выполненных в виде шнуров, нитей, тканей, ленты. В случае изготовления резистивного элемента из 45 композиционного материала, армирующий каркас которого выполнен из углеродного шнура, состоящего из нитей оплетки и стержневых нитей, увеличение линейного сопротивления резистивного элемента от 50 центра к периферии может быть достигнуто постепенныл1 изьятием части стержневых нитей по длине шнура от центра к периферии до достижения отношения количества стержневых нитей в периферийной части шнура к количеству нитей в центральной, равного 16:1 — 16:10 (т.е. количество стержневых нитей в центре нагревателя должно превышать их количество на периферии в

16 — 1,6 раз). Меньшее значение отношения практически не влияет на величину линейного сопротивления. а большее не достижимо для существующих углеродных шнуров.

В распространенных конструкциях КПУ достаточно превышения линейного сопротивления периферийной части по сравнению с центральной в 1„2-3 раза. Это обеспечивает перегрев периферийного витка резистивного элемента на 20-150 С по сравнению с центральными витками. Этого достаточно, чтобы: устранить влияние теплопроводности опорных ножек; компенсировать захолаживание периферийного витка иэ-за отсутствия межвиткового теплопереноса, характерного для центрально расположенных витков; компенсировать теплосброс боковой поверхности нагреваемого тела и сброс тепла за счет теплопроводности крепящих нагреваемое тело элементов.

Для проведения испытаний были изготовлены нагреватели для катодно-подогревательных узлов с змиттером из гексаборида лантана диаметром 30, 75 и 1,20 мм, используемых в инжекторах электронных пучков.

Пример 1, Нагреватель для катода диаметром 30 мм изготовляют из многокомпонентного углеродного шнура диаметром

3,2 мм и длиной 180 мм. Шнур изготовлен из гидратцеллюлозного волокна типа "Урал205 текс", имеет оплетку из 20 нитей и 16 стержневых нитей. Перед укладкой в оправку на расстоянии 60 мм от конца. соединяемого с центральным токоподводом, вырезают 2 нити, а на расстоянии 110 мм еще 6 нитей, Таким образом, отношение числа стержневых нитей в центре и на периферии равно 2. Подготовленный таким образом шнур укладывают в оправку из пироуплотненного графита, имеющую спиральную проточку, а концы шнура закрепляют на графитовых токоподводах углеродной нитью. Полученную сборку помещают в термохимический реактор и подвергают обработке в среде метана при давлении 20 мм рт.ст. и температуре 950 С в течение 100 ч.

При этом весовое соотношение углеродное волокно-пироугерод составляет 50:50.

При охлаждении реактора нагреватель вынимают иэ оправки и испытывают, Отношение линейного сопротивления в центре и на периферии составляет 1, 1,2. При мощности 800 Вт (ток 60 А) в испытанной конструкции КПУ нагреватель обеспечивает температуру эмиттера из гексаборида лантана 1630 С, причем спад температуры в периферийной части эмиттера не превышал о

5 С, т.е, лежит в пределах ошибки пирометра ВИМП-015. Измерение температуры вит1542313 нейного сопротивления для этих участков удовлетворяет соотношению 1:1,2-1:3, а поровый объем токоподводов заполнен пироуглеродом.

5 тей и пироуглеродной матрицы при содержании пироуглерода 40-60 мас.ф,, причем отношение количества стержневых нитей в центральных и внешних витках шнура составляет от 16:1 до 16:10, соотношение лиСодержание компонентов композиционного матери ала для резистивного элемента

Показатели пироуглерод, Иеханивес,ф ческая проч., ность, кгс/мм2

48,5, 18,0

54 0 24,0

65,0 26,0

76,0 23,0

64,5 15,0

Испытания на вибростойкость проводятсл на вибростенде, обеспечивающем амплитуду колебаний + 0,5 мм при частоте 10 Гц. Испытания заканчиваются при изменении электросопротивления образца больше Я от номинальной величины, углеродное волокно, вес. :

35 г вибростойкость, ч.

1542313 ков спирали нагревателя показывает, что егознергетическиехарактеристики являютпри указанной температуре эмиттера цент- ся лучшими, При температуре эмиттера ральные витки имеют температуру 2050 С, 1600 С была зафиксирована изотермича периферийный виток 2080 С. Испытания ность поверхности эмиттера с точностью нагревателя в составе КПУ на вибростенде 5 5 С (точность пирометра). В этом случае при частоте 0,02 — 1 кГц в течение 10 ч пока- температура центральных витков нагреваэывают, что механические и электрические теля составляет 2000 С, а пер ферийный характеристики IIàt ревателя не измени- виток был перегрет на 110 С, К настоящему лись. Наработказтих нагревателей приста- времени наработка таких подогревателей бильной накальной характеристике 10 превышает 100 ч беэ изменения, накальной превышает 200 м. Время разогрева откры- характеристики. Термодеформация витков той спирали до температуры 2050 С состав- спирали не превышает 1 мм от ..-1чзльного ляет 6 с; время вывода на температурный положения и не влияет на работоспособрежим эмиттера составляет 35 с. 15 ность системы, Испытания нагревателей, конструкция В таблице показа чо влияние весового которых аналогична описанной в прототи- соотношения углеродное волокно:пироугпе, изготовленных из тантала или вольфра- лерод на механическйе характеристики нама, показали: гревателя, изготовленного согласно удельная мощность в расчете на 1 см 20 примеру 1.

2 площади эми гтера составляет 150 Вт/см, Анализируя приведенные примеры что на 30;ь больше, чем в испытанной кон- можно утверждать, что предлагаемое реструкции; шение позволяет сохранить достоинства время выхода на режим при площади прототипа-слияние функций опорных элеэмиттера, в 10 раз меньшей, составляет 30 с; 25 ментов конструкции нагревателя и токоподпри работе в составе КГ1У с эмиттером из водов и их монолитность. Монолитность гексаборида лантана срок службы с постоян- нагревателя из композиционного углеродной накальной характеристи",îé составляет 50 углеродного материала достигается в проч, что связано с рекрисгаллизацией металла. цессе термохимической обработки в среде

Пример 2. !-!агреватель для 75-мм метана, когда пироуглерод, осаждаясь как в эмиттера изготовлен с армирующим карка порах графита (токоподводы), так и в порах соМ из того >кс материала, по аналогичной углеродного волокна (резистивный элетехнологии, что и в примере 1. При этом мент), монолитно связывает элементы конимеются следующие конструктивные отли- струкции. Наряду с этим, в отличие от чия: резистивный элемент выполнен в виде 30 прототипа, достигается повышен. о ресурдвухзаходной спирали, опирающейся на са, экономичности, обеспечивается изатерцентра IbHblA и кольцевой токоподводы (cM. ми IHocTb нагрева к!эупногаба ритных фиг.2). Соотношение количества стержне- изделий, а применительно к использованию вых нитей в центре и на периферии состав- 35 таких нагревателей в катодно-подогреваляет 16:1, что обеспечивает tto окончании тельныхузлах повышается ресурс КПУв цепроцесса пироуплотнения отношение ли- лом, нейного сопротивления на периферии и в Замена металлического высокотемпецентре 2;1, 45 ратурного нагревателя на предложенный

КПУсэмиттером из гексаборидаланта- нагреватель из композиционного углеродна прошел успешные виброиспытания по углеродного материала только за счет исквышеописанной програMìå. На фиг,4 при- лючения дорогостоящих тугоплавких ведена зависимость температуры эмиттера металлов позволит снизить стоимость наот мощности нагревателя (кривая Il), Для 50 гревателя в 4 — 5 раз. сравнения приведена àíàllогичная зависи- Формула изобретения мость (12), демонстрирующая работу графи" Высокотемпературный нагреватель катового подогревателя в аналогичном КПУ, тодов электронных приборов, содержащий

Видно, что потребляемая мощность уже при монолитно связанные резистивный элемент температуре эмиттера 1500 С в два раза 55 в форме змеевика или спирали и графитоменьше у предлагаемого подогревателя, не- вые опорные токоподводы, о т л и ч а ю щ ижели у аналога. С ростом температуры эмит- и с я тем, что, с целью повышения экономичтера это отношение возрастает. Если ности и срока службы, обеспечения равноучесть,чтоток, потребляемый нагревателем мерности нагрева катодов, резистивный из композиционного материала, не превы- элемент выполнен из композиционного угшает110Л, против 100 Aдля подогревателя лерод-углеродного материала с армируюв аналогичном КПУ и порядка 500 Л для щим каркасом из углеродного вп ура, подогревателя, описанного B прототипе, то состоящего из оплеточных и степжневых Ht;ФигЗ

1542313

1700

Юиг4

Составител ь Г.Жукова

Техред М.Моргентал Корректор Л,Ливринц

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1972 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раужская наб., 4/5