Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала

О П И С А Н И Е (п)989754ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциаиистическихРесиубиии(23) Приоритет -СССР до делам кзабретеккй и еткрьдий(53) УДК 621. 365. .5 И. (088.8) Опубликовано 15.01.83, Бюллетень2 Дата опубликования описания 15.01.83 Н. И. Солин, А,А.Самохвалов, В.А. Белолуго А.Я,Афанасьев и Г.И.Гладков(71) Заявител титут физики металлов Уральского науч541 СПОСОБ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИ Изобретение от сокочастотному и греву диэлектрика может быть исполь электронной и хим ности, в частност тов, нагреве изде других диэлектрик ность которых уве се нагрева. лощение носится к сверхвывысокочастотному на (полупроводника) и зовано в отраслях ической промышлен-, и, при синтезе ферр лий из ферритов или ов, электропроводличивается в процес Известны методы диэлектрического и индукционного нагрева, К области индукционного нагрева относятся явления, связанные с использованием высокочастотных магнитных полей при нагреве объектов из электропроводящих материалов за счет индуктированных в них токов. К области диэлектри ческого нагрева относится нагрев объектов из плохо электропроводящих материалов в высокочастотных электри ческих полях за счет явлений поляризации, сопровождающихся пог мэнергии Г 1 1 .Недостатком высокочастотных методов нагрева диэлектриков являетсянеобходимость значительного количества электроэнергии для,нагрева едини" 5цы объема диэлектрика, пропорционального проводимости на переменном токе,что ограничивает широкое внедрение впромышленность диэлектрического на"грева.Наиболее близким к изобретению яв"ляется способ нагрева диэлектрическихили полупроводниковых материалов, при 15 котором производят предварительныйнагрев материала и затем нагрев высокочастотным электромагнитным полем 2 1,Недостатком данного способа комби"нированного нагрева является то, что 2 о при применении обычных источников тепла для предварительного нагрева ассивных материалов или значительногоколичества порошкообразных диэлектри 989754ков (например для ускорения химических реакций при синтезе ферритов или других химических соединений методом смешения порошкообразных компонент) большая часть технологического време ни тратится на предварительный нагрев. При этом имеет место неравномерный нагрев материала по объему. Указанные недостатки обусловлены плохой теплопроводностью диэлектриков и плохим 10 тепловым контактом в порошкообразных материалах и тем, что тепло при этих методах передается к центру материала.Цель изобретения - повышение производительности и равномерности нагрева.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу предварительный нагрев производят энергией СВЧ, а глубину проникновения электромагнитной20 волны при обоих видах нагрева выбирают не менее размеров нагреваемого материала.Обоснование предлагаемого способа вытекает из рассмотрения температурной и частотной зависимости проводимости диэлектрика на переменном токе. Проводимость диэлектрика-полупроводника на переменном токе 6 щ в общем30 случае определяется не .зависящей от частоты величиной сквозной проводимости на постоянном токе 6 о и величиной диэлектрических потерь Е обусловленной процессами поляризации и.зависящими от частоты0 6щЕу оОтсюда следует, если сквозная про водимость мала по сравнению с проводимостью, обусловленной процессами поляризации (6 4 ), то при увеличении частоты эффективность преобразования электромагнитной энергии воз растает. Если проводимость на переменном токе, в основном, определяется проводимостью на постоянном токе ( 6), то эффективность преобраозования электромагнитной энергии от частоты не зависит,Электропроводность диэлектриков и полупроводников на постоянном токе возрастает при увеличении температуры по экспоненциальному закону 55о - 60 ехр (Хотя в некоторых случаях к также зависит от частоты (например в случае ФШ ьбольшинстве случаев потери, обусловл.ные с процессами поляризации, возрасЗтают с увеличением частоты 6- огде 5=0,8-1,0. Часть проводимости,обусловленная процессами поляризации,или не зависит от температуры, иливозрастает пропорционально температуре.Такие температурная и частотная зависимости двух частей проводимости напеременном токе приводят к тому, что, начиная с некоторой определенной температуры, проводимость на переменномтоке определяется значением проводимости на постоянном токе и не зависитот частоты,При СВЧ нагрева благодаря равномерному распределению электромагнитного поля нагрев диэлектрика по объему будет равномерным. Способ предлагается применять для нагрева диэлектриков, проводимость которых растет с температурой. Связанное с этим возрастаниеэффективности преобразования энергии СВЧ в тепло, а также уменьшение времени технологического цикла позволяют сократить затраты электроэнергии на единицу выпускаемой продукции, Глубина проникновения электромагнитной волны в материал должна определяться из выражения для металлов3 10 1 4 Т 6 ш Уменьшением глубины проникновения СВЧ волны при высоких температурах обусловлена неравномерность нагрева шихты в СВЧ камере, наличие областей оплавления шихты в центре тигля и не. прореагировавших частей на краю тигля. Такая неравномерность нагрева объясняется следующим образом.Даже при равномерном поглощении СВЧ энергии из-за теплоотвода температура в центре тигля всегда немного выше, чем на краях. Когда температура шихты превысит 200 С, диэлектрик в центре тигля имеет более высокую проводимость, соответственно более высокую эффективность преобразования СВЧ энергии в тепло, чем на краях. Тогда область в центре тигля избирательно поглощает СВЧ энергию и при дальнейшем повышении температуры объем этой области уменьСоставитель О.ЩедринаРедактор А.Долинич Техред И.Надь Корректор А.Дзятко Заказ 11151/78 Тираж 843 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Иосква, Ж, Раушская наб:, д, 4/5филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,5 9897 шается из-за уменьшения глубины проникновения СВЧ волны в диэлектрик. И температура, в этом объеме быстро увеличивается, достигая температуры плавления шихты. 5П р и м е р. Допустим, что нужно нагреть диэлектрик с диаметром 90 мм и длиной 90 мм до 1200 С. Электропроводность диэлектрика при разных температурах и частотах меняется1 вПредлагаемым способом нужно нагреть диэлектрик до 250-600 С энергией СВЧ 2,4 ГГц, а от 250-600 С до 1200 С- энергией электромагнитных колебаний с частотой 0,1 ИГц. При указанных условиях глубина проникновения в 3 или более раз превышает размеры нагреваемого диэлектрика, обеспечивая равномерный нагрев.Предлагаемый способ может быть 20 осуществлен на установке, состоящей из СВЧ и высокочастотной печей и уст ройства (например конвейерной линии) для перемещения нагреваемого диэлектрика из СВЧ печи в высокочастотную печь. В качестве СВЧ печи может быть использована, например, печь типа "Электроника", в качестве высокочастотной печи - установки индукционного или диэлектрического нагрева,30Применение СВЧ нагрева вместо обычных источников тепла позволяет уменьшить время предварительного нагреваи длительность технологического процесса, не менее 100 мин, увеличиваетпроизводительность труда более чемв 2 раза, уменьшает расход электроэнергии.на единицу веса нагреваемогодиэлектрика до 29 кВт ч/кг. формула изобретенияСпособ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала, при котором производят предварительный нагрев материала и затем нагрев высокочастотным электромагнитным полем, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности и равномерности нагрева, предварительный нагрев производят энергией СВЧ, а глубину проникновения электромагнитной волны при обоих видах нагрева выбирают не менее размеров нагреваечого материала. Источники информдциирпринятые во внимание при экспертизе1, Высокочастотная электротермия,Под ред. В.Донской, "Машиностроение,1965, с.194-2092. Авторское свидетельство СССРИ 91027, кл. Н 05 В 9/00, 1950,