УСТРОЙСТВО ТРИБОСТАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
TRIBOSTATIC ELECTRISATION DEVICE

Изобретение относится к технологии трибостатического нанесения порошкообразного диэлектрического сырья на подложки, размещаемые в технологических объемах с любой контролируемой атмосферой под давлением от выше атмосферного до глубокого вакуума.
9
Известно устройство центробежного разбрасывателя (патент RU № 21772218, дата публикации 27.12.2001; МПК А01С 17/00, Е01С 19/20. «Рабочий орган для рассева сыпучих материалов»), содержащее корпус, входной и выходной патрубки, размещенный в корпусе диск с приводным валом. На верхнем торце диска установлены лопатки и прикрепленный к центральной части диска отражатель, состоящий из установленных концентрично относительно друг друга центрального и периферийного конусов, выполненных по эпициклоидам.
Нижний конец ветви образующей центрального конуса касателен к поверхности диска, а верхний - к оси вращения диска. Нижний конец образующей периферийного конуса касателен к поверхности диска, верхний - к поверхности цилиндрического входного патрубка, проходящего через вершины внутренних торцов лопаток.
При подаче сыпучего сырья из внешнего питателя через входной патрубок на диск, соосный с центральной осью разбрасывателя, сырье, не отражаясь от лопаток, разгоняется за счет центробежных сил инерции и покидает устройство через выходной патрубок, равномерно рассеиваясь в окружающем пространстве.
К недостаткам устройства можно отнести невозможность подачи сыпучего сырья на поверхность подложки ограниченного размера.
9
Известно устройство трибостатической электризации полимерных порошков для напыления порошковых полимерных покрытий на подложки в различных отраслях техники (патент RU № 2162375, дата публикации 27.01.2001, МПК B05D 1/06. «Способ наведения электростатического заряда на порошки для использования таких порошков для изготовления покрытий»).
Установка содержит питатель порошкообразного сырья, в общем случае - трибостатический блок, совмещенный с высоковольтным блоком, обеспечивающим дополнительную электризацию сырья за счет эффекта индукции дополнительного заряда на сырье с электропроводящей поверхностью; а также систему подачи газа-носителя. Порошкообразное сырье, поверхность которого электропроводна, из питателя в виде аэрозоля подается через систему пневмораспределения во внутреннюю полость электризатора, где частично заряжается трибостатически за счет трения в специальных геометрически длинных каналах с последующим дозаряжением в специальном канале блока индукции. Далее заряженное сырье через выходной патрубок покидает электризатор и оседает на подложке, к которой подведен высоковольтный потенциал, при этом знак заряда сырья противоположен потенциалу подложки.
К недостаткам устройства можно отнести:
- необходимость введения в исходно чистое диэлектрическое сырье специальных добавок, обеспечивающих комплекс специальных свойств модифицированному сырью (поверхностную электропроводность и др.), без которых невозможен процесс электризации с высоким коэффициентом прилипания сырья к подложке, с одной стороны, а с другой - вводит ограничения на сам процесс напыления сырья на подложки, для которых не допустимы добавки иной природы, кроме самого сырья;
- неуправляемость величины удельного массового заряда, приобретаемого порошкообразным сырьем в процессе электризации, которая зависит от времени самого процесса электризации, то есть от скорости газа-носителя и габаритов устройства. Уменьшая скорость газа-носителя и увеличивая линейные размеры электризующих каналов можно увеличить величину удельного массового заряда (а значит и коэффициент прилипания сырья к подложке), что автоматически приводит к некомпактности устройства в целом;
- неадаптированность к условиям нанесения порошкообразного сырья на подложку, когда по техническим параметрам недопустимо присутствие газа-носителя в контролируемой атмосфере, либо сам процесс нанесения сырья требуется осуществлять в вакууме.
9
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство трибостатической электризации, известное из патента RU №2036021 с датой публикации от 27.05.1995; МПК. В05В 5/03. «Устройство для нанесения полимерных порошковых покрытий».
Устройство трибостатической электризации для нанесения порошковых полимерных покрытий включает корпус, входной и выходной патрубки, а также внешний питатель порошкообразного сырья, соединенный с трибоэлектризующим диском, размещенным в корпусе. На торцах диска выполнены спиральные каналы для прохождения воздушно-порошковой смеси. Кроме того, на торцах диска беззазорно установлены трибоэлектризующие пластины, перфорированные над каналами диска, при этом на торцах трибоэлектризующих пластин установлены заземленные металлические пластины.
Работает трибоэлектризующее устройство следующим образом. Во входной патрубок устройства из питателя подается воздушно-сырьевая смесь в виде аэрозоли. Попадая в трибоэлектризующие спиральные каналы замкнутого контура, сырье электризуется с определенным знаком электрического заряда за счет трения о стенки каналов. Одновременно с этим на стенках каналов, образованных трибоэлектризующими диском и пластинами, возникают заряды противоположного знака. Нейтрализация этих зарядов осуществляется через отверстия в трибоэлектризующих пластинах и металлические заземленные пластины путем их отекания с поверхностей каналов диска на Землю.
К недостаткам устройства можно отнести:
- малый коэффициент осаждения (прилипания) сырья на подложку - существенно меньше единицы за счет присутствия ионов газа-носителя на подложке, инициирующих отскок сырья при попытке нанесения относительно толстых покрытий;
- неуправляемость величиной удельного массового заряда, приобретаемого порошкообразным сырьем в процессе электризации. Итог - некомпактность устройства при попытке увеличить удельный массовый заряд сырья;
- неадаптированность к условиям нанесения наноразмерного сырья на подложку в условиях контролируемого вакуума (условия, когда газ-носитель недопустим в технологическом цикле нанесения сырья на подложку).
Задача настоящего изобретения - повышение коэффициента осаждения сырья и расширение технологических возможностей устройства при сохранении его компактности. Задача решается разработкой устройства, обеспечивающего увеличение удельного массового заряда сырья при его трибостатической электризации в условиях, когда газ-носитель сырья недопустим в технологическом цикле.
Использование настоящего изобретения обеспечивает следующий технический результат - возможность подачи наноразмерного диэлектрического сырья на подложку в вакууме с коэффициентом осаждения, близким к единице, за счет увеличения средней удельной массовой величины заряда сырья от 25 до 55 мкКл/г.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве трибостатической электризации порошкообразного сырья, включающем неподвижный корпус с входным и выходным патрубками, расположенный в корпусе трибоэлектризующий диск с осевым отверстием и рабочими каналами для электризуемого сырья, при этом рабочие каналы сообщены с осевым отверстием, входным и выходным патрубками, на торцах диска установлены трибоэлектризующие пластины, в которых над каналами диска выполнены сквозные отверстия для удаления статического электричества, а на трибоэлектризующих пластинах установлены заземленные электропроводящие пластины, согласно изобретению диск на приводном валу установлен в корпусе с зазором с возможностью вращения, каналы в диске выполнены радиальными с образованием плоских секторов, внутренняя поверхность корпуса на уровне диска выполнена в виде трибоэлектризующего кольца, а в каждом секторе диска и в трибоэлектризующих пластинах соосно выполнены сквозные прорези, в которых беззазорно установлены электропроводящие вкладыши, контактирующие с электропроводящими пластинами, отверстия для удаления статического электричества выполнены на всех трибоэлектризующих поверхностях, контактирующих с сырьем, а продолжение в зазор между внутренней поверхностью корпуса и диском одной из радиальных плоскостей секторов по всей ее высоте выполнено в виде криволинейной клинообразной лопатки, при этом в корпусе в месте сообщения с выходным патрубком установлена заслонка с возможностью периодического сообщения каналов диска с выходным патрубком.
Кроме того, вал диска и корпус заземлены через высоковольтный разрядник.
Наличие совокупности и взаимосвязи таких элементов устройства трибостатической электризации порошкообразного сырья, как неподвижного корпуса с входным и выходным патрубками, расположенного в корпусе трибоэлектризующего диска с осевым отверстием и рабочими каналами для электризуемого сырья; сообщенных с осевым отверстием входным и выходным патрубками рабочих каналов; установка на торцах диска трибоэлектризующих пластин, в которых над каналами диска выполнены сквозные отверстия для удаления статического электричества; установка на трибоэлектризующих пластинах заземленных электропроводящих пластин - обеспечивает такой технический эффект, как принципиальную возможность электризации порошкообразного сырья, подаваемого внутрь устройства в виде потока сырья.
Установка диска в корпусе с зазором обеспечивает принципиальную возможность его вращения.
Установка диска на приводном валу с возможностью вращения обеспечивает для сырья переносное вращательное движение с одновременным действием на него центробежных сил инерции, обеспечивающих движение сырья с постоянной скоростью при выходе его из устройства.
Выполнение каналов в диске радиальными (с образованием плоских секторов) обеспечивает возможность электризации сырья в межсекторном пространстве, а также доставку дискретной порции сырья до поверхности трибоэлектризующего неподвижного кольца, вмонтированного в корпус.
Выполнение внутренней поверхности корпуса на уровне диска в виде трибоэлектризующего кольца обеспечивает принципиальную возможность электризации сырья всеми поверхностями, с которыми контактирует сырье.
Выполнение соосно в каждом секторе диска и в трибоэлектризующих пластинах сквозных прорезей, в которых беззазорно установлены электропроводящие вкладыши, обеспечивает электрический контакт внешних электропроводящих пластин диска.
Выполнение отверстий для удаления статического электричества на всех трибоэлектризующих поверхностях, контактирующих с сырьем, реализует принципиальную возможность отекания электрических зарядов с трибоэлектризующих поверхностей на электропроводящие пластины диска и корпуса.
Выполнение продолжения в зазор между внутренней поверхностью корпуса и диском одной из радиальных плоскостей секторов по всей ее высоте в виде криволинейной клинообразной лопатки реализует:
- исключение налипания сырья на поверхность трибоэлектризующего кольца при вращении диска за счет скалывания сырья с поверхности кольца лезвием лопатки специальной формы;
- принципиальную возможность формирования перед каждой лопаткой стоячего вихря, возникающего при одновременном действии переносного вращательного движения и сил инерции. Стоячий вихрь образуется из порции сырья перед каждой лопаткой даже в вакууме в условиях, когда выходная заслонка закрыта, что и обеспечивает контролируемость времени электризации сырья в форме вращающегося вихря. Следствие из вышеприведенного технического эффекта очевидно - реализована возможность управления величиной удельного массового заряда порции сырья, поданной во входной патрубок из внешнего питателя.
Установка заслонки в корпусе, в месте сообщения с выходным патрубком с возможностью периодического сообщения каналов диска с выходным патрубком, реализует, с одной стороны, порционную подачу порошкообразного сыпучего сырья на внешнюю подложку, а с другой - достигается эффект минимизации габаритов устройства при одновременной контролируемости средней удельной массовой величины заряда сырья. Минимизация габаритов устройства достигается в сравнении с теми, в которых процесс электризации сырья реализуется при однократном перемещении его газом-носителем по линейно протяженным криволинейным каналам электризатора. Линейно протяженные криволинейные каналы электризатора существенно увеличивают его габариты при попытке увеличения времени контакта сырья с трибоэлектризующими поверхностями, а значит и при попытке увеличения удельного массового заряда сыпучего порошкообразного сырья. Из вышеприведенного следует, что на процесс электризации сырья принципиально никак не влияет фракционность сыпучего порошкообразного сырья - предлагаемое устройство адаптировано даже на сырье наноразмерных фракций в условиях его нанесения без газа-носителя на подложки, размещенные в отвакуумированных боксах.
Принудительное заземление через нормированный высоковольтный разрядник приводного вала диска и корпуса обеспечивает:
- принципиальную возможность нейтрализации заряда трибоэлектризующих поверхностей устройства в процессе накапливания заряда противоположной полярности на сырье;
- принципиальную возможность контроля и управления накапливаемой сырьем величиной удельного массового заряда за счет автоматизированного учета числа разрядов нормированного высоковольтного разрядника в промежутке времени, когда заслонка закрыта.
На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 представлена схема устройства и его отдельных элементов для трибостатической электризации порошкообразного диэлектрического сырья.
Заявляемое устройство трибостатической электризации порошкообразного диэлектрического сырья 1 содержит неподвижный корпус 2 с входным 3 и выходным 4 патрубками. В корпусе 2 с зазором 5 установлен с возможностью вращения на валу 6 диск 7 с осевым отверстием 8. В диске 7 образованы рабочие радиальные каналы 9 для электризуемого сырья 1, сообщенные с осевым отверстием 8, входным 3 и выходным 4 патрубками. На торцах диска 7 установлены трибоэлектризующие пластины 10, на которых расположены заземленные электропроводящие пластины 11. Радиальными каналами 9 диск 7 разделен на плоские секторы 12. В каждом секторе 12 и в трибоэлектризующих пластинах 10 соосно выполнены сквозные прорези 13, в которых установлены электропроводящие вкладыши 14, контактирующие с заземленными электропроводящими пластинами 11. Продолжение одной из радиальных плоскостей 15 секторов 12 по всей ее высоте выполнено в виде криволинейной клинообразной лопатки 16, выступающей в зазор 5 между внутренней поверхностью корпуса 2 и диском 7. На внутренней поверхности корпуса 2 на уровне диска 7 установлено трибоэлектризующее кольцо 17. На всех трибоэлектризующих поверхностях, контактирующих с сырьем 1, выполнены сквозные отверстия 18 для стока зарядов статического электричества. В корпусе 2 в месте сообщения его с выходным патрубком 4 установлена заслонка 19. Вал 6 диска 7 и корпус 2 заземлены через высоковольтный разрядник 20. При закрытой заслонке 19 и вращении вала 6 лопатка 16 формирует тело стоячего вихря 21, образованное нормированной порцией сырья 1.
Устройство трибостатической электризации порошкообразного диэлектрического сырья работает следующим образом.
При вращении приводного вала 6 через центральное осевое отверстие 8 диска 7 из входного патрубка 3, например шнекового питателя (не показан), в каналы 9 подают мерную порцию сырья 1 не в аэрозольной форме. Не отражаясь от плоскостей 15 секторов 12 за счет сил инерции, переносного вращательного движения и сил трения, сырье 1 переносится к поверхности трибоэлектризующего кольца 17, неся на себе некоторый электростатический заряд, приобретенный в процессе перемещения к поверхности кольца 17. Далее порция сырья 1 подхватывается криволинейной лопаткой 16, форма которой обеспечивает формирование тела стоячего вихря 21 из сырья 1 с высотой, равной толщине диска 7, при этом направление вращения вихря 21 противоположно направлению вращения диска 7. Автоматика управления устройства (не показана) контролирует время жизни вихря 21, а значит обеспечивает контроль и управление накапливаемой сырьем 1 величины удельного массового заряда путем удержания заслонки 19 в положении - закрыто и, поддерживая требуемую величину угловой скорости вращения диска 7 в зависимости от типа сырья 1 и трибоэлектризующего материала соответствующих элементов устройства. В течение времени, пока заслонка 19 закрыта, частички сырья 1, образующие тело вихря 21, трутся о трибоэлектризующие поверхности, которых он касается, и заряжаются. При этом силы трения, разрушающие динамическую устойчивость тела вихря 21, поддерживаются на уровне, меньшем чем центробежные силы от вращения диска 7. Устойчивость тела вихря 21 зависит от размеров частичек сырья, угловой скорости вращения диска 7, геометрии лопатки 16 и коэффициента трения сырья 1 о трибоэлектризующий материал кольца 17, эффективности скалывания прилипшего микрослоя агломерированного сырья 1 с поверхности кольца 17 лезвием лопатки 16 - для отдельных видов пар сырья и трибоэлектризующего материала, склонных к взаимному налипанию.
Автоматика трибоэлектризующего устройства открывает заслонку 19 в тот момент времени, когда контролируемое количество электричества, стекшее на Землю по пути - поверхность кольца 17 - отверстия 18 - корпус 2 - разрядник 20; а также по пути - трибоэлектризующие поверхности замкнутого контура радиальных каналов 9 - отверстия 18 электропроводящие пластины 11, закороченные через вкладыши 14 - вал 6 - разрядник 20, достигнет требуемого уровня величины удельного массового заряда, приобретаемого порошкообразным сырьем 1 в процессе электризации в заявляемом устройстве. Время, в течение которого заслонка остается открытой, равно или больше времени одного оборота диска 7. При открытой заслонке 19 вихри 21, образованные сырьем 1, разрушаются и, с определенной линейной скоростью сырье 1 через выходной патрубок 4, покидает устройство в направлении соответствующей приемной подложки (не показана), при этом вектор скорости сырья 1 может не совпадать с полем тяжести Земли.
2
3
2
3
При использовании в качестве трибоэлектризующего материала искусственного монокристаллического сапфира (α-фаза AlO) и наноразмерного сырья в виде γ-фазы AlO при среднем диаметре его частичек 27 нм и толщине 3 нм удается достичь величины его удельного массового заряда от 25 до 55 мкКл/г в зависимости от времени электризации.
2
3
Кроме того, при электризации сырья во внешнем питателе центробежного типа оно приобретает электрический заряд соответствующей величины и полярности, а также разгоняется до определенной скорости без применения газа-носителя, что и обеспечивает, например, возможность введения наноразмерного сырья в виде γ-фазы AlO на специальную приемную подложку вакуумной печи при выращивании в ней крупногабаритного монокристалла сапфира, сохраняя, с одной стороны, неизменным состав атмосферы вакуумной печи, ответственной за качество монокристалла, а с другой - исключая энергозатраты на подогрев газа-носителя до температуры атмосферы печи.