УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРЕВА ТОКОПРОВОДНОГО НИТЕВИДНОГО МАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ СВЧ-ПЛАЗМЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области материаловедения и может найти применение в производстве графитизированных углеродных волокон и карбидокремниевых волокон, а также для производства других материалов, технология которых предусматривает стадию высокотемпературного нагрева.
Для нагрева токопроводных нитевидных материалов, например углеродных волокон традиционно используются электрические резистивные и индукционные печи. Основным недостатком таких печей является то, что их конструктивные особенности таковы, что они не являются энергоэффективными и как правило, недостаточно надежны для применения в промышленности если необходим нагрев материала свыше 1900ºС.
Вышеизложенное привело к тому, что были предприняты попытки к созданию нового типа устройств для высокотемпературного нагрева свыше 2000°С, обладающие большей энергоэффективностью и способные к длительной бесперебойной работе в условиях промышленного производства. Наиболее перспективными устройствами являются устройства имеющие плазмотрон и воздействующие на нагреваемый материал потоком плазмы.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство описанное в [1]. Описываемое устройство имеет камеру нагрева, через которую протягивают углеволокно. В камеру для предотвращения попадания оксислительной атмосферы (воздуха) подается инертный газ азот или аргон. Нагрев углеволокна осуществляется с помощью СВЧ плазмы генерируемой СВЧ плазматронами состоящими из магнетрона, волновода и резонатора в котором происходит непосредственная генерация плазмы.
Недостатком устройства [1], является недостаточная эффективность передачи тепловой энергии струи плазмы к нагреваемому углеволокну. Это объясняется тем, что углеволокно протягивают сквозь поток плазменной струи. Поскольку в этом случае невозможно равномерно распределить поток плазмы вокруг поверхности углеволокна, большая часть энергии плазмы затрачивается неэффективно.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в том, что в предлагаемом устройстве плазма генерируется непосредственно вокруг нитевидного электропроводного материала подлежащего нагреву (пример такого материала - углеродное волокно), что обеспечивает ее равномерное распределение, а значит и повышение эффективности использования тепловой энергии плазмы.
Технический результат достигается за счет того, что камера нагрева находится внутри резонатора, имеет цилиндрическую форму и выполнена из материала прозрачного для СВЧ электромагнитного излучения, при этом в камеру нагрева предусмотрен тангециальный ввод инертного газа, а конструкция устройства предусматривает электрический контакт между корпусом резонатора и нитевидным электропроводным материалом, подлежащему нагреву, и находящемуся в центре камеры нагрева.
На рисунке 1 приведена принципиальная схема патентуемого устройства для высокотемпературного нагрева токопроводного нитевидного материала с помощью СВЧ плазмы. На рисунке 2 приведена фотография изготовленного в соответствие с заявляемыми техническими решениями устройства для высокотемпературного нагрева токопроводного нитевидного материала с помощью СВЧ плазмы.
Предлагаемое устройство состоит из магнетрона 1 соединенного посредством волновода 2 с резонатором 3, внутри которого размещается камера нагрева 4, имеющая цилиндрическую форму и выполненная из материала прозрачного для СВЧ электромагнитного излучения. Камера нагрева 4 соединена с устройствами герметичного ввода 5 и вывода 6 нитевидного электропроводного материала 10, вокруг которого происходит образование устойчивого плазмоида 11. Устройства герметичного ввода 5 и вывода 6 имеют отверстия для тангенциального ввода в камеру нагрева инертного газа 7 и его вывода 8. Конструкция устройства предусматривает электрический контакт между корпусом резонатора 3 и нитевидным электропроводным материалом 10. Технически это осуществляется с помощью скользящего электрического контакта 9, как это показано на схеме для наглядности, или с помощью металлических устройств герметичного ввода 5 и вывода 6 нитевидного электропроводного материала 10.
Принцип работы патентуемого устройства заключается в следующем. Внутри объема резонатора 3 посредством соединенного с ним волноводом 2 магнетроном 1 создается сильное СВЧ электромагнитное поле. В нитевидном электропроводном материале 10, имеющего электрический контакт 9 с корпусом резонатора 3 и протягиваемого сквозь камеру нагрева, выполненную из прозрачного для СВЧ излучения материала, наводится ток высокого напряжения. Мощность магнетрона и параметры резонатора подбираются таким образом, что бы не происходило самопроизвольного пробоя газа внутри резонатора, а наводимый ток в нитевидном электропроводном материале 10, имел достаточную напряженность для возникновения вокруг нагреваемого нитевидного электропроводного материала 10 коронного разряда. Коронный разряд вызывает ионизацию молекул инертного газа вокруг нагреваемого материала 10, что делает его восприимчивым к поглощению СВЧ излучению. Вследствие поглощения энергии СВЧ излучения происходит разогрев газа вокруг нагреваемого материала 10 с образованием СВЧ плазмы. Образующийся плазмоид равномерно распределен вокруг нагреваемого материала 10 по всей его длине находящейся внутри камеры нагрева 4. Для его пространственной стабилизации, а также для предотвращения избыточного разогрева стенок камеры нагрева 4, в последнею предусмотрена тангенциальная подача инертного газа. Подача инертного газа, одновременно предохраняет нагреваемый нитевидный электропроводный материал от окисления кислородом воздуха. Ввод и вывод инертного газа осуществляется через отверстия 7 и 10 в устройствах герметичного ввода 5 и вывода 6 нагреваемого нитевидного электропроводного материала 10 Конструкция устройств герметичного ввода 5 и вывода 6 имеет отверстия близкие по размеру диаметра размеру диаметра протягиваемого сквозь них нагреваемого нитевидного электропроводного материала 10, и могут использоваться в качестве скользящего контакта для электрической связи материала 10 и резонатора 3.
На основе предлагаемых решений было изготовлено экспериментальное устройство (см. рисунок 2) подтверждающее достоверность заявленного технического результата.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки на полезную модель
1. Материалы презентации «Microwave-Assisted Plasma Carbon Fiber Manufacturing» Oak Ridge National Laboratory, 2001 г. (прототип).