УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ В ВАКУУМЕ Российский патент 1995 года по МПК H05B7/08 

Изобретение относится к области обработки изделий в вакууме, в частности, может быть использовано для вакуумного обжига изделий в реактивной газовой среде, а также для проведения процесса химико-термической обработки.

В металлургических процессах при вакуумной плавке металлов широко используются устройства (печи), в которых применяется вакуумно-дуговой разряд. В этих печах в качестве катода используется расплавляемый металл, а анодом является охлаждаемый тигель, в который стекает расплавляемый металл. Между катодом и анодом в вакууме возбуждается вакуумно-дуговой разряд, в котором средой, проводящей электрический ток в междуэлектродном промежутке, являются ионизированные пары металла [1]
Недостатком известных печей является то, что, как правило, они работают при токах в сотни и тысячи ампер. В связи с этим сопротивление столба плазмы с ростом тока пропорционально падает. Поэтому мощность, выделяемая в разряде, пропорциональна току разряда. Таким образом, чтобы повысить мощность печи, необходимо увеличивать ток разряда, что усложняет конструкцию печи из-за большого сечения токоподводящих цепей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обработки изделий в вакууме (вакуумная печь), прогреваемое джоулевым теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока по проводнику из тугоплавкого металла (W, Mo, Ta, Nb) [2]
К недостаткам такого устройства следует отнести высокую стоимость и дефицитность нагревателей из тугоплавких металлов, постепенное разрушение материала нагревателя из-за реакций металла, находящегося при высокой температуре, с остаточной газовой атмосферой или реактивной газовой средой, если таковая имеется и служит для проведения необходимого технологического процесса. Указанные причины повышают эксплуатационные затраты.

Цель изобретения повысить надежность и долговечность нагревательного устройства преимущественно при его работе в реактивной газовой среде.

Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными в науке и технике соответствует критериям патентоспособности, поскольку совокупность заявленных признаков, отраженная в формуле изобретения, не обнаружена в данной и смежных областях науки и техники для решения поставленной задачи. Необходимо также отметить, что достигаемый результат может быть реализован лишь всей совокупностью заявленных в формуле признаков, так как указанный результат не является простым суммированием свойств отдельных признаков, поскольку не проявляется при использовании любого из них в отдельности в известных решениях, а также не может быть достигнут при изъятии любого из признаков из общей совокупности признаков.

На чертеже изображено устройство для обработки изделий в вакууме, продольный разрез.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой по периферии установлены обрабатываемые изделия 2. По оси вакуумной камеры 1 установлен нагреватель, который состоит из интегрально-холодного катода 3 вакуумно-дугового разряда, изолированного от вакуумной камеры 1 изолятором 4, непроницаемого для ионов металла средства 5, трубы из электроизоляционного термостойкого материала с рабочим участком 6 и установочным участком 7 и анода 8. Средство 5 установлено между катодом 3 и рабочим участком 6 трубы. В полости установочного участка 7 трубы установлен анод 8.

Площадь поперечного сечения установочного участка 7 трубы, а также площадь рабочей поверхности анода 8 больше площади поперечного сечения рабочего участка 6 трубы.

Подача рабочего газа в вакуумную камеру 1 производится через средство 9 в полость установочного участка 7 трубы. Электропитание нагревателя производится от средства электропитания, состоящего из источника 10 электропитания постоянного тока, регулировочного источника 11 электропитания, диода 12. Стабилизация тока вакуумно-дугового разряда производится источником 13 электропитания, напряжение холостого хода которого примерно в 2-2,5 раза превышает напряжение на электродах разряда.

На чертеже также показаны положительный столб 14 металлогазовой плазмы и столб 15 газовой плазмы. Откачка вакуумной камеры производится через патрубок 16.

Работает устройство для обработки изделий в вакууме следующим образом.

Вакуумная камера 1 откачивается системой откачки через патрубок 16 и затем с помощью средства 9 производится подача рабочего газа в полость трубы и вакуумной камеры 1. Зажигается вакуумно-дуговой разряд между катодом 3 и вакуумной камерой 1. Объем вакуумной камеры, заключенный между катодом 3 и средством 5, непроницаемым для ионов металла, заполнен металлогазовой плазмой.

Затем включается стабилизирующий источник 13. При этом внутри трубы возбуждается разряд между катодом 3 и анодом 8. Сила тока разряда от источника 13 невелика и не превышает 2-3А. Поскольку средство 5 непроницаемо для ионов металла, распространяющихся по прямолинейным траекториям с поверхности катода, то под влиянием электрического поля анода ионизируется газ внутри трубы, и внутренне пространство трубы заполнено только газовой плазмой.

При включении источника 11 электропитания сквозь трубу проходит основной ток разряда, величина которого может достигать нескольких сотен ампер при напряжении 100-380 В. Источники 11 и 13 электропитания могут представлять собой регулируемые выпрямители (можно применять регулируемый трехфазный тиристорный выпрямитель). Наличие стабилизи- рующего источника 13 позволяет производить глубокую регулировку тока разряда.

Рассмотрим баланс энергии в нагревателе. Электрическая энергия, подводимая к нагревателю, распределяется между I и II ступенями двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

Потери энергии Р₁ в первой ступени разряда постоянны по абсолютной величине и равны Р₁=I_р ˙ U_1ст. U_1ст является величиной постоянной, определяемой материалом катода. Как правило U_1ст=20 В.

Во второй (газовой) ступени разряда энергия распределяется следующим образом. Часть энергии тратится на ионизацию газа внутри средства 5, непроницаемого для ионов металла, еще одна часть расходуется у поверхности анода и передается ему в так называемом анодном падении потенциала. Величина анодного падения потенциала в положительном столбе плазмы определяется площадью анода.

Для уменьшения анодного падения потенциала площадь анода должна быть больше площади поперечного сечения трубы. Поэтому площадь поперечного сечения установочного участка трубы, а также площадь анода выбираются большими, чем площадь сечения трубы.

Определение работоспособности нагревательного устройства проводилось на модели. В вакуумной камере устанавливалась кварцевая труба диаметром 40 мм и длиной 1 м. Установочный диаметр трубы 100 мм, диаметр охлаждаемого анода 80 мм. Напряжение на электродах нагревателя 240 В, ток нагревателя 100 А. Стабилизирующий источник имел напряжение 450 В, а силу тока 1 А. Регулирование тока осуществлялось тиристорным регулятором тока в пределах 30-100 А. Калориметрированием определена полезная мощность нагревателя. Она составила 65-70%

Сущность изобретения: нагреватель вакуумной камеры 1 содержит интегрально-холодный катод 3 вакуумно-дугового разряда и анод 8, соединенные со средством электропитания. Нагреватель также содержит трубу из термостойкого электроизоляционного материала и непроницаемое для ионов металла средство 5. Анод 8 размещен в полости установочного участка 7 трубы, а средство 5 между незакрепленным концом трубы и катодом 3. Установочный участок 7 трубы, ее рабочий участок 6 и рабочая поверхность анода выполнены с определенным соотношением их площадей поперечного сечения. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ В ВАКУУМЕ, содержащее вакуумную камеру и расположенный внутри камеры нагреватель со средством электропитания, отличающееся тем, что оно снабжено средством подачи рабочего газа, нагреватель содержит соединенные со средством электропитания интегрально-холодный катод вакуумно-дугового разряда, анод, закрепленную на камере расположенным со стороны анода концом трубу из термостойкого электроизоляционного материала с рабочим и установочным участками и не проницаемое для ионов металла средство, расположенное между катодом и незакрепленным концом трубы, анод размещен в полости установочного участка трубы, расположенного со стороны закрепленного конца последней, при этом площадь поперечного сечения установочного участка трубы, а также площадь рабочей поверхности анода больше площади поперечного сечения рабочего участка трубы.