Высокотемпературный нагреватель

(5)5 БР ИЯ К АВТО РС ИДЕТЕЛ ЬСТВУ М 3914689, кл, 313-3 Пате1975,(57) Итехни т метром 30-90 35 с и долгов КО номерность тлее 4-5 С,4 и зобретение относится ке и может быть испол ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(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 обьединение "Химволокно" (72) З,С,Бунарева, Е.Е.Глазунова, А.Н.Ермилов, М.Е,Казаков, В,Н.Лазарев, Л.В,Логинов, В.И.Пархомчук, М.И.Рогайлин и А.В.Ч ибин (56) Сотникова В,МРодзимовская Н,М. Углеграфитовые материалы и способы их соединения с металлами. Обзоры по электронной технике, серия 7, вып, 7, 1984,с,З - 9,ПЕРАТУРНЫИ НАГРЕВАк электронной ьзовано при из Изобретение 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 резистивного элемента высокотемпературного нагревателя композиционного углерод-угготовлении 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 диамм до температуры 1650 С за чность больше 250 ч, Неравмпературы эмиттеров не болеродного материала, эффективность применения которого определяется его следующими свойствами: удельное сопротивление на два-три порядка превышает удельное сопротивление тугоплавких металлов и на порядок 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 со 1542313протиоления 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-подогреоательного узла в целом.На фиг,1 представлена конструкция нагревателя диаметром 30 мм; 1 - реэистивный элемент, 2 - опорные ножки-токоподооды из графита, 3 - изолятор, 4 - крепежные гайки; на фиг,2 показана конструкция нагревателя диаметром 75 мм; 5- центральный токоподоод,5 10 .15 20 6 - двухэаходная спираль реэистивного элемента; 7- опорное кольцо-токоподоод; на фиг,3 показана конструкция нагревателя для эмиттера диаметром 120 мм; 8 - витки двухзаходной спирали резистионого элемента, 9 - центральный токоподоод, 10 - опорное кольцо токоподводз; на фиг.4 - зависимость температуры эмиттера от мощности нзгреозтеля.олМеханические характеристики композиционных углерод-углеродных материалов зависят от отношения веса волокна к весу пироуглерода. Система оказывается прочной и оибростойкой (т.е, сохраняет достаточную упругость) при отношении оесов волокна и пироуглерода 40;60. Уменьшение количества пироуглерода ниже 40, ведет к понижению прочности, а увеличение его количества выше 60; снижает вибростойкость.40Композиционные углерод-углеродн ые материалы могут быть изготовлены на основе волоконных материалов, выполненных в виде шнуров, нитей, тканей, ленты. В случае изготовления резистивного элемента иэ 45 композиционного материала, армирующий каркас которого выполнен иэ углеродного шнура, состоящего иэ нитей оплетки и стержневых нитей, уоеличение линейного сопротивления реэистивного элемента от 50 центра к периферии может быть достигнуто постепенныл 1 иэьятием части стержневых нитей по длине шнура от центра к периферии до достижения отношения количества стержневых нитей в периферийной части 55 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 раэ), 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 12-3 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 эахолаживание периферийного витка иэ-за отсутствия межвиткового теплопереноса, характерного для центрально расположенных витков;компенсировать теплосброс боковой поверхности нагреваемого тела и сброс тепла эа счет теплопроводности крепящих нзгреваемое тело элементов.Для проведения испытаний были изготовлены нагреватели для катодно-подогрева- тельных узлов с змиттером из гексаборида лантана диаметром 30, 75 и 1,20 мм, используемых в инжекторах электронных пучков. П р и м е р 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 "Урал 205 текс", имеет оплетку из 20 нитей и 16стержневых нитей. Перед укладкой в оправку на расстоянии 60 мм от конца, соединяемого с центральным токоподводом, вырезают 2 нити, а на расстоянии 110 мм еще б нитей, Таким образом, отношение числа стержневых нитей в центре и на периферии равно 2. Подготовленный таким образом шнур укладывают в оправку изпироуплотненного 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 ммрт,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 превышало5 С, т.е, лежит в пределах ошибки пирометра ВИМП, 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 компонентовкомпозиционного материала для резистивногоэлемента Показатели пироуглерод, Иеханивес,ф ческаяпроч., ность, кгс/мм 2 8,5 18,0 51,0 24,0 65,0 26,0 76,0 23,0 6,5 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 53 от номинальной величины,углеродное волокно,вес.: 35 40 50 60 65 65 60 50 ЙО 35 г вибростойкость,ч.ков спирали нагревателя показывает, что егознергетическиехарактеристики являютпри указанной температуре эмиттера цент- ся лучшими, При температуре эмиттера ральные витки имеют темпеоатуру 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 периферийный характеристики нагревателя 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 без изменения, накальной превышает 200 м. Время разогрева откры- характеристики. Термодеформация витков той спирали до температуры 2050 С состав- спирали не превышает 1 мм от ачзльного 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 показачо влияние весового которых аналогична описанной в прототи- соотношения углеродное волокно:пироугпе, изготовленных из тантала или вольфра- лерод на механическйе характеристики нама, показали: гревателя, изготовленного согласноудельная мощность в расчете на 1 см 20 примеру 1.2площади эмиттера составляет 50 Вт/см, Анализируя приведенные примеры что на 30;ь больше, чем в испьгганной кон- можно утверждать, что предлагаемое реструкции; шение позволяет сохранить достоинствавремя 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 КГ 1 У с эмиттером из водов и их монолитность. Монолитность гексаборида лантана срок службы с постоян- нагревателя из композиционного углеродной накальной характеристикой составляет 50 углеродного материала достигается в проч, что связано с рекрисгаллизацией металла. цессе термохимической обработки в средеП р и м е р 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 же 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 повышение ресурдвухзаходной спирали, опирающейся на са, экономичности, обеспечивается изатерцентральный и кольцевой токоподводы (см. мичность нагрева кэупногаба ритных фиг.2). Соотношение количества стержне- изделий, а применительно к использованию вых нитей в центре и на периферии состав таких нагревателей в катодно-подогреваляет 16:1, что обеспечивает го окончании тельных узлах повышается ресурс КПУ в цепроцесса пироуплотнения отношение ли- лом,нейного сопротивления на периферии и в Замена металлического высокотемпецентре 2;1, 45 ратурного нагревателя на предложенныйКПУсэмиттером из гексаборидаланта- нагреватель из композиционного углеродна прошел успешные виброиспытания по углеродного материала только за счет исквышеописанной программе, На фиг,4 при- лючения дорогостоящих тугоплавких ведена зависимость температуры эмиттера металлов позволит снизить стоимость наот мощности нагревателя (кривая ), Для 50 гревателя в 4 - 5 раз,сравнения приведена аналогичная зависи- Формула изобретения масть (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 и- жели у аналога, С ростом температуры эмит- й с я тем, что, с целью повышения экономичтера это отношение возрастает. Если ности и срока службы, обеспечения равно- учесть,чтоток,потребляемый нагревателем мерности нагрева катодов, резистивный из композиционного материала, не превы- элемент выполнен из композиционного уг- шает 110 Л, против 400 Адля подогревателя лерод-углеродного материала с армируюв аналогичном КПУ и порядка 500 А для щим каркасом из углеродного вп ура, подогревателя, описанного в прототипе, то состоящего из оплеточных и стержневых ни1542313Эф оставител ь Г.Жукова ехред М,Моргентал Корректор Л,Ливр едакто Заказ 1972 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101