УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
INDUCTION HEATING APPARATUS

Изобретение относится к области электрических средств воспламенения, а именно к индукционному нагреву, и может быть использовано для нагрева изделий внутри герметичного контейнера, в том числе с целью задействования содержащихся в изделии пиротехнических составов, взрывчатых веществ (ВВ), порохов и других химических веществ, в том числе веществ выделяющих при горении (или нагревании).
При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены аналоги изобретения. Существуют различные электровоспламенители, в которых для задействования навески инициирующего состава используется электрический импульс, подаваемый на мостик накаливания. Например, патент РФ №176158 (МПК F42C 19/12, опубликован 10.01.2018), №178965 (МПК F42B 3/12, опубликован 24.04.2018), №2263871 (МПК F42B 3/12, опубликован 10.11.2005), №2475693 (МПК F42B 3/10, опубликован 20.02.2013).
Известен термостойкий электровоспламенитель (патент РФ №2675001, МПК F42B 3/12, опубликован 14.12.2018), содержащий корпус, гермоввод со встроенными электровводами. Основной воспламенительный заряд выполнен из состава, содержащего оксид меди, алюминий, а инициирующий заряд выполнен из состава высокой плотности, содержащего бор и титан. Инициатор выполнен в виде мостика накаливания. Мостик накаливания выполнен в виде слоя из резистивного материала, нанесенного на диэлектрическую пластину.
Преимуществом данного воспламенителя является высокая скорость инициирования горения различных веществ.
Общими недостатками известных аналогов (электровоспламенителей), является то, что по своей сути они являются изделиями однократного использования, что приводит к удорожанию конструкции, в которой они используются. Наличие гермовводов приводит к снижению несущей способности, прочности и герметичности конструкции, из-за чего увеличиваются диффузионные утечки нагреваемых веществ.
Наиболее близким к заявляемому устройству индукционного нагрева является индукционный воспламенитель (патент РФ №2675000, МПК F42B 3/10, опубликован 14.12.2018). Индукционный воспламенитель состоит из корпуса и вкладыша, который выполнен из диэлектрического материала в форме стакана с глухим дном с разной толщиной стенок. В нижней части вкладыша, выполненной с меньшей толщиной стенки, установлена катушка индуктивности. Во внутреннюю полость вкладыша запрессована воспламенительная навеска, выполненная из взрывчатого материала, который содержит металлические частицы или частицы графита, выполняющие инициирующую функцию при нагреве. Вкладыш и катушка индуктивности установлены внутрь корпуса, выполненного в виде полого цилиндра с дном, имеющим два отверстия под электрические выводы катушки индуктивности. Полости между катушкой индуктивности, вкладышем и корпусом заполнены клеем. Данное устройство выбрано за прототип как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату.
Преимуществом прототипа, также как и аналогов, является высокая скорость задействования навески. По сравнению с аналогом, при использовании индукционного воспламенителя возможно бесконтактное нагревание взрывчатого вещества.
Недостатком прототипа является использование различного рода пластиков в качестве материала вкладыша, следовательно, данное устройство работоспособно при температуре не выше температуры разложения материала вкладыша. Разложение вкладыша исключает многократное использование устройства, так как данный материал обладает низкими прочностными характеристиками, а при его нагреве выделяется большое количество газообразных продуктов. Кроме этого, данная категория материалов имеет низкую стойкость но отношению к химически активным веществам, что может привести к выходу их наружу.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение безопасности при нагреве вещества и расширение функциональных возможностей устройства.
При использовании изобретения достигается следующий технический результат:
- многократное использование индукционного нагревателя;
- расширение диапазона рабочих параметров (температура, давление) и прочности составных элементов устройства при нагревании вредных и токсичных материалов внутри контейнера;
- исключение выхода наружу химически активных веществ, что обеспечивает безопасность устройства.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется устройство индукционного нагрева, содержащее контейнер, в котором размещен корпус с нагреваемым веществом, индукционный нагреватель. Контейнер выполнен герметичным. Индукционный нагреватель установлен на внешней поверхности контейнера. Корпус выполнен из ферромагнитного материала, при этом удельная электрическая проводимость (σ) и относительная магнитная проницаемость (μ) материала контейнера меньше соответствующих характеристик материала корпуса. Индукционный нагреватель может быть выполнен с магнитопроводом. Внутри контейнера могут быть установлены концентраторы магнитного поля.
Многократное использование индукционного нагревателя обеспечивается за счет его расположения на внешней поверхности контейнера, выполненного из прочного материала, что обеспечивает полное отсутствие воздействия на него продуктов горения, детонации и других факторов, возникающих при задействовании пиротехнических составов, ВВ, порохов и прочих химических веществ.
В заявленном устройстве нагрев вещества происходит за счет его разогрева от стенки корпуса, которая в свою очередь разогревается за счет индуцируемых в материале корпуса вихревых токов. Для реализации такой ситуации необходимо, чтобы в процессе воздействия электромагнитного поля индукционного нагревателя глубина проникновения электромагнитной волны (Δ) в материал контейнера была больше, чем толщина стенки контейнера.
Глубина проникновения электромагнитной волны (Δ) зависит от удельного электрического сопротивления (ρ), относительной магнитной проницаемости и частоты тока  по следующей формуле:
-12
где с - скорость света в вакууме;  электрическая постоянная равная 8,85419⋅10 Ф/м.
При подборе материалов контейнера и корпуса с вышеуказанным соотношением σ и μ. частота тока  в индукционном нагревателе должна обеспечивать величину Δ в материале контейнера большую, чем его толщина, В таком случае, часть электромагнитного излучения попадает во внутрь контейнера, которая активно поглощается материалом корпуса, обеспечивая эффективный его разогрев за счет вихревых токов.
Расположенное в корпусе вещество нагревается от стенки корпуса. При этом температура разогрева контейнера ниже, чем температура корпуса. Снижение температуры контейнера обеспечивает расширение диапазона рабочих параметров (температура, давление) и прочности составных элементов устройства при задействовании вредных и токсичных материалов внутри контейнера, и сохранение прочностных характеристик материала контейнера на исходном уровне. Исключение выхода наружу химически активных веществ обеспечивается тем, что контейнер выполнен герметичным из металлических материалов, отсутствуют гермовводы, а температура контейнера ниже, чем температура корпуса с нагреваемым веществом.
На фиг. 1 представлено заявляемое устройство индукционного нагрева.
На фиг. 2 представлено устройство индукционного нагрева с магнитопроводом и концентраторами магнитного поля.
На фиг. 3 представлен график зависимости температур от времени: Т1 - герметичный контейнер и Т2 - корпус с нагреваемым веществом.
На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения: 1 - контейнер, 2 -корпус, 3 - нагреваемое вещество, 4 - индукционный нагреватель, 5 -концентраторы магнитного поля, 6 -магнитопровод. Пунктирной линией схематично изображены линии магнитного поля.
Устройство на фиг. 1 содержит герметичный контейнер 1, выполненный из материала с минимальными характеристиками удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости. Внутри контейнера располагается корпус 2 с нагреваемым веществом 3. Корпус 2 выполнен из магнитного материала с высоким значением удельной электрической проводимости. Снаружи контейнера 1 установлен индукционный нагреватель 4. В устройстве на фиг. 2 корпус 2 с нагреваемым веществом 3 располагается между концентраторами магнитного поля 5, а индукционный нагреватель 4 снабжен магнитопроводом 6.
Работает заявляемое устройство следующим образом. При подаче на индукционный нагреватель 4 переменного электрического тока определенной частоты (при которой величина Д больше толщины стенки контейнера) возникает переменное магнитное поле. При этом, энергия переменного магнитного поля частично поглощается материалом контейнера 1. За счет выполнения контейнера 1 из материала с низкими характеристиками удельной электрической проводимости и относительной магнитной проницаемости, которые ниже, чем у материала корпуса, часть энергии электромагнитного поля проникает внутрь контейнера 1. За счет выполнения корпуса из материала с высокими характеристиками удельной электрической проводимости и относительной магнитной проницаемости, энергия электромагнитного поля, попавшая внутрь контейнера, активно поглощается материалом корпуса, что обеспечивает эффективный разогрев корпуса 2 и расположенного в нем вещества 3. При этом, происходит разогрев контейнера 1 и корпуса 2 с нагреваемым веществом 3 за счет индуцируемых вихревых токов таким образом, что рост температуры нагрева корпуса 2 с нагреваемым веществом 3 опережает рост температуры нагрева контейнера 1.
-7
-7
Примером конкретного выполнения является устройство для индукционного нагрева с контейнером, выполненным из жаропрочной нержавеющей стали 12Х18Н10Т (μ=1, ρ=7,25⋅10 Ом⋅м). В контейнер устанавливался корпус из стали 30ХГС (μ≈600, ρ=2,1⋅10 Ом⋅м) с толщиной стенки 2,5 мм с запрессованной в него навеской пиротехнического состава на основе циркония и тетраоксида свинца с добавкой коллоксилина (температурой воспламенения 200 - 250°С). Корпус с навеской пиротехнического состава располагался между двумя концентраторами магнитного поля из стали 45. Индукционный нагреватель располагался снаружи контейнера в районе геометрического центра корпуса и представлял собой двухслойную катушку из 9 витков медной трубки. Для задействования пиротехнического состава на индукционный нагреватель подавался переменный ток с частотой 500 Гц и амплитудой тока 450 А. При этом, задействование пиротехнического состава осуществлялось через 40 секунд. При задействовании пиротехнического состава температура контейнера составляла 80°С, а температура корпуса с нагреваемым веществом - 220°С. Данное устройство подходит для нагрева и других химических веществ, например, ВВ, пороха и других, в том числе веществ при горении (или нагреве) которых могут выделяться газообразные продукты. На фиг. 3 представлены графики зависимости температуры корпуса (Т2) и температуры контейнера (Т1) от времени, полученные при задействовании навески.