Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала

Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к высокочастотному нагреву диэлектриков (полупроводников) и может быть использовано в машиностроении, электронной и химической промышленности, в частности, при термоциклических испытаниях охлаждаемых деталей с керамическими и композиционными покрытиями газотурбинных двигателей (ГТД) и установок, при нагреве изделий из диэлектриков, у которых электропроводность, тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость увеличиваются в процессе нагрева.

Известен способ нагрева сверхвысокочастотным (СВЧ) полем и высокочастотным индукционным нагревом (Патент US №6350973, Способ обработки материалов с использованием высокочастотного индукционного нагрева и нагрева СВЧ-полем, кл. Н 05 В 6/62, опубликованный 26.02.2002), в котором нагревают объект СВЧ-полем и включают источник ВЧ энергии для создания в нагреваемом объекте осциллирующего электрического поля в том месте и/или при такой температуре, где напряженность индуцированного СВЧ-поля падает ниже заданного порогового уровня.

Недостатками указанного способа является большая длительность технологического процесса, требующая значительного количества электроэнергии для СВЧ-нагрева диэлектрика.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала, при котором производят предварительный нагрев материала энергией сверхвысокочастотного поля (СВЧ) и затем нагрев высокочастотным электромагнитным полем (см. а.с. СССР №989754 “Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала”, кл. Н 05 В 6/46, опубл. 15.01.83). Глубину проникновения электромагнитной волны при обоих видах нагрева выбирают не менее размеров нагреваемого материала.

Недостатком указанного способа является большая длительность технологического процесса, вызванная, во-первых, необходимостью последовательного нагрева материала на двух установках, во-вторых, продолжительным предварительным нагревом материала энергией СВЧ.

В предложенном авторами изобретении решается задача сокращения времени технологического цикла нагрева диэлектрического или полупроводникового материала.

Техническая задача достигается тем, что в способе нагрева диэлектрического или полупроводникового материала, заключающемся в предварительном нагреве материала с дальнейшим нагревом высокочастотным электромагнитным полем, предварительный нагрев материала производят высокочастотным электромагнитным полем в два этапа, на первом этапе осуществляют нагрев материала до 100-400° С при минимально заданных напряжении и токе электромагнитного поля, на втором этапе - нагрев до 400-600° С при максимально заданном напряжении и минимально заданном токе электромагнитного поля, а затем продолжают нагрев материала до заданной температуры высокочастотным электромагнитным полем при максимально заданных напряжении и токе электромагнитного поля.

На чертеже показано устройство для нагрева диэлектрического или полупроводникового материала, реализующее предлагаемый способ.

Рассмотрим пример нагрева диэлектрика по следующей программе высокочастотного нагрева: минимально и максимально заданные токи и напряжения в индукторе - 5А и 20А; 50В и 250В; температуры двух этапов предварительного нагрева диэлектрика – 200° С и 600° С, максимально заданная температура нагрева диэлектрика – 1000° С.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве для нагрева диэлектрического и полупроводникового материала, содержащем последовательно соединенные высокочастотный генератор 1 с регулятором 2 напряжения и регулятором 3 тока, токоподводы 4 и индуктор, состоящий из двух пластин 5 и 6 с разъемными соединениями 7, 8 и 9, металлическое изделие 10 с диэлектриком 11 (полупроводником), расположенное между пластинами 5 и 6 индуктора. Устройство содержит устройство 12 ввода информации, трансформатор 13 тока и трансформатор 14 напряжения, подсоединенные к токоподводам 4, контактный датчик 15 температуры и бесконтактный датчик 16 температуры. Датчик 15 температуры закреплен на поверхности металлического изделия 10. Датчик 16 температуры расположен вблизи поверхности диэлектрика 11.

Входы регулятора 2 напряжения и регулятора 3 тока подключены к выходам устройства 12 ввода информации. Выходы трансформатора 13 тока и трансформатора 14 напряжения подсоединены к входам устройства 12 ввода информации.

Выход устройства 12 ввода информации подсоединен к входу высокочастотного генератора 1, выходы датчиков 15 и 16 температуры подключены к входам устройства 12 ввода информации.

С одной стороны пластины 5 и 6 подключены к токоподводам 4 через разъемные шарнирные соединения 7 и 8, с другой стороны имеют разъемное соединение 9.

На металлическом изделии 10 устанавливают датчик 15 температуры.

Между пластинами 5 и 6 индуктора устанавливают металлическое изделие 10 с диэлектриком 11. Пластины 5 и 6 закрепляют с помощью разъемного соединения 9 и разъемных шарнирных соединений 7 и 8 с подключением последних к токоподводам 4. Вблизи поверхности диэлектрика 11 устанавливают датчик 16 температуры.

Включают высокочастотный генератор 1 с регулятором 2 напряжения и регулятором 3 тока. Устанавливают минимально заданные ток 5А и напряжение 50В в индукторе. Ток, протекая по пластинам 5 и 6 индуктора, создает электромагнитное поле, которое с одной стороны проходит через воздушный зазор к свободной поверхности металлического изделия и с другой его стороны через диэлектрик с минимальными потерями и наводит вихревые токи в металлическом изделии 10. Изделие 10 начинает нагреваться, и тепло от него за счет теплопроводности передается к диэлектрику и нагревает его. Значения температур металлического изделия 10 и диэлектрика 11 от датчиков температуры 15 и 16 передаются в устройство 12 ввода информации. По полученным сигналам от трансформатора 13 тока и трансформатора 14 напряжения устройство 12 через регулятор 2 напряжения и регулятор 3 тока поддерживает минимально заданные ток и напряжение в индукторе. При достижении температуры 200° С диэлектрика (тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость резко возрастают до значений 0,9 и 70 его материала) устройство 12 ввода информации устанавливает через регулятор 2 напряжение 250В в индукторе. В материале диэлектрика за счет его поляризации в высокочастотном электромагнитном поле возникает удельная объемная мощность диэлектрического нагрева, которая составляет 660 Вт/см³, рассчитанная по формуле где ε - диэлектрическая проницаемость tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ =0,9), f - частота тока (f=440000 Гц), U - напряжение (U=250 В), h - толщина материала диэлектрика (h=0,03 см).

Выше температуры 200° С диэлектрик подогревается за счет теплопроводности от металлического изделия 10 и диэлектрического нагрева и незначительно за счет повышения электропроводности материала диэлектрика, которое приближается к электропроводности полупроводникового материала с ростом температуры до 600° С. При этом нагрев производится при максимально заданном напряжении U=250В и минимально заданном токе I=5А (или при токе выше минимально заданного).

При достижении температуры 600° С диэлектрика (электропроводность его материала составляет 0,05Ом^-1·см^-1) устройство 12 ввода информации устанавливает через регулятор 3 ток 20А в индукторе. В материале диэлектрика за счет повышения его электропроводности в высокочастотном электромагнитном поле возникает удельная поверхностная мощность нагрева, которая составляет 30 Вт/см², рассчитанная по формуле

,

где I - ток (I=20A), γ - удельная электропроводность материала (γ =0,05 Ом^-1·см^-1), L - длина (периметр) изделия (L=6 см), μ - электрическая магнитная проницаемость (μ =1).

Далее диэлектрик нагревается до максимально заданной температуры 1000° С за счет теплопроводности от металлического изделия 10 и за счет диэлектрического и индукционного нагрева при напряжении 250В и токе 20A.

Указанный нагрев реализован при термоциклических испытаниях с помощью модернизированного высокочастотного генератора ВЧГ 25/0,44. В качестве металлического изделия использовалась металлическая пластина (элемент жаровой трубы камеры сгорания ГТД) с нанесенным на ее поверхность диэлектриком - керамическим покрытием из диоксида циркония. В качестве контактного датчика температуры использовалась термопара, бесконтактного датчика температуры - пирометр, устройства ввода информации - компьютерная система.

Предлагаемое авторами изобретение позволяет ускорить нагрев диэлектрического и полупроводникового материала и изделий с диэлектриками с учетом электро- и теплофизических свойств их материалов, снизить затраты электроэнергии на нагрев и стоимость электронагревательного оборудования и сократить сроки технологических циклов.

Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала, заключающийся в предварительном нагреве материала с дальнейшим нагревом высокочастотным электромагнитным полем, отличающийся тем, что предварительный нагрев материала производят высокочастотным электромагнитным полем в два этапа, на первом этапе осуществляют нагрев материала до 100-400°С при минимально заданных напряжении и токе электромагнитного поля, на втором этапе - нагрев до 400-600°С при максимально заданном напряжении и минимально заданном токе электромагнитного поля, а затем продолжают нагрев материала до заданной температуры высокочастотным электромагнитным полем при максимально заданных напряжении и токе электромагнитного поля.