Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii>989754

Союз Советских

Социаиистических

Ресиубиии (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (53)М. Кл; (22)з "8 03.12.80 (21) 3211гйуг -07 с присоединением заявки №вЂ”

Н 05 В 6/46.

Гасударственный кемитет (23) Приоритет— до делам изабретееий и открытий (53) УДК621.365. .5И (088.8) Опубликовано 15.01.83. Бюллетень № г

Дата опубликования описания 15.01.83

Н. И. Солин, А.А.Самохвалов, В.А. Белолуго

А.Я.Афанасьев и Г.И.Гладков (72) Авторы изобретения

Институт физики металлов Уральского науч (73) Заявитель (54 > СПОСОБ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ИЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к сверхвысокочастотному и высокочастотному нагреву диэлектрика (полупроводника) и может быть использовано в отраслях электронной и химической промышлен-.

5 ности, в частности, при синтезе ферритов, нагреве изделий из ферритов или других диэлектриков, электропроводность которых увеличивается в процессе нагрева. î

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 электрических полях за счет явлений поляризации, сопровождающихся поглощением энергии Г 1 1 .

Недостатком высокочастотных методов нагрева диэлектриков является необходимость значительного количества электроэнергии для,нагрева единицы объема диэлектрика, пропорционального проводимости на переменном токе, что ограничивает широкое внедрение в промышленность диэлектрического на" грева.

Наиболее близким к изобретению яв" ляется способ нагрева диэлектрических или полупроводниковых материалов, при котором производят предварительный нагрев материала и затем нагрев высокочастотным электромагнитным полем(2 1, Недостатком данного способа комби" нированного нагрева является то, что при применении обычных источников тепла для предварительного нагрева ас-сивных материалов или значительного количества порошкообразных диэлектри989754 ков (например для ускорения химических реакций при синтезе ферритов или других химических соединений методом смешения порошкообразных компонент) большая часть технологического време- 5 ни тратится на предварительный нагрев.

При этом имеет место неравномерный нагрев материала по объему. Указанные недостатки обусловлены плохой теплопроводностью диэлектриков и плохим 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 электромагнитной

20 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,„ в общем

30 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 частоты

0 6 мЕ у о

Отсюда следует, если сквозная про- 40 водимость мала по сравнению с проводимостью, обусловленной процессами поляризации (6p((@all), то при увеличении частоты эффективность преобразования электромагнитной энергии воз- 45 растает. Если проводимость на переменном токе, в основном, определяется проводимостью на постоянном токе (6 )) Д „), то эффективность преобрао зования электромагнитной энергии от частоты не зависит.

Электропроводность диэлектриков и полупроводников на постоянном токе возрастает при увеличении температуры по экспоненциальному закону 55 о - 6оехр (Хотя в некоторых случаях " также зависит от частоты (например в случае

4J I

Ф LO большинстве -случаев потери, обусловл.

we с процессами поляризации, возраси S тают с увеличением частоты 4 о>, где S=0,8-1,0. Часть проводимости, обусловленная процессами поляризации, или не зависит от температуры, или возрастает пропорционально температуре.

Такие температурная и частотная зависимости двух частей проводимости на переменном токе приводят к тому, что, начиная с некоторой определенной температуры, проводимость на переменном токе определяется значением проводимости на постоянном токе и не зависит от 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 возрастание эффективности 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 металлов

3 10 4Ti 6 iii

Уменьшением глубины проникновения

СВЧ волны при высоких температурах обусловлена неравномерность нагрева шихты в СВЧ камере, наличие областей оплавления шихты в центре тигля и непрореагировавших 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.Щедрина

Редактор А.Долинич Техред И.Надь Корректор А.Дзятко

Заказ 11151/78 Тираж 843 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, NocKBa, Ж-35, Раушская наб:, д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 9897 шается из-за уменьшения глубины проникновения СВЧ волны в диэлектрик.

И температура, в этом объеме быстро увеличивается, достигая температуры плавления шихты. 5

Пример. Допустим, что нужно нагреть диэлектрик с диаметром 90 мм и длиной 90 мм до 1200 С. Электропроводность диэлектрика при разных температурах и частотах меняется °

io

Предлагаемым 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 0,1ИГц. При указанных условиях глубина проникновения в 3 или более раз превышает размеры нагреваемого диэлектрика, обеспечивая равномерный нагрев.

Предлагаемый способ может быть 2В 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. зо

Применение СВЧ нагрева вместо обычных источников тепла позволяет уменьшить время предварительного нагрева и длительность технологического процесса, не менее 100 мин, увеличивает производительность труда более чем в 2 раза, уменьшает расход электро-. энергии-на единицу веса нагреваемого диэлектрика до 29 кВт ч/кг. формула изобретения

Способ нагрева диэлектрического или полупроводникового материала, при котором производят предварительный нагрев материала и затем нагрев высокочастотным электромагнитным -полем, отличающийся 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 информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Высокочастотная электротермия. Под ред. В.Донской, "Машиностроение, 1965, с.194-209.

2. Авторское свидетельство СССР

И 91027, кл. H 05 В 9/00, 1950.