Высокочастотный электрод для ВЧ-дугового плазмотрона Российский патент 2025 года по МПК H05H1/34 

Изобретение относится к устройствам для получения и управления плазмой при нагреве газовых струй в плазмохимических, металлургических и других процессах и направлено на увеличение срока службы ВЧД-плазмотронов, повышение их теплового КПД и возможности работы с химически агрессивными газами.

Классификация дуговых плазмотронов постоянного тока наиболее подробно изложена в [1]. В них при атмосферном давлении реализуется в основном термическая, квазиравновесная плазма и Т≈6000-12000 К. Особенностью плазмотронов данного типа является использование электродов - катода и анода. При проведении плазмохимических процессов с использованием агрессивных химических компонентов электроды подвергаются сильной коррозии, вследствие чего дуговой плазмотрон постоянного тока имеет небольшой временной ресурс работы. С целью его увеличения применяются различные дополнительные устройства.

Известен дуговой плазмотрон, применяющийся для напыления металлических и керамических покрытий [1]. Данный плазмотрон оснащен межэлектродными вставками, что позволяет менять и стабилизировать электрическую дугу и в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы плазмотрона.

Известны дуговые плазмотроны постоянного тока [2, 3], в которых применялись специальные графитовые вставки, обеспечивающие осаждение наноуглеродного покрытия на катод и анод в процессе его работы. Ресурс плазмотрона мощностью до 200 кВт составляет не менее 1000 ч.

Известен дуговой плазмотрон [4], на котором был получен поликристаллический кремний разложением SiHCl₃ при Т> T_пл.Si (10% в Ar). Выбор температуры реактора и скорости газового потока позволяет получать смесь гранулированного монокристаллического кремния (1-3 мм) и порошкообразного (~1 мкм) аморфного кремния (~30%). Экспериментально определенная величина энергозатрат составила 25-30 кВт⋅ч/кг кремния (вместо 100-110 кВт⋅ч/кг по стандартному Сименс процессу). Однако данный плазмотрон не позволяет получать высокочистый полупроводниковый кремний из-за эрозии катода. Во всех случаях в плазмотронах постоянного тока наблюдается эффект выгорания электродов вследствие постоянной стабилизации электрической дуги в определенной области электрода.

Наиболее оптимальным решением может быть применение в качестве источника питания плазмотрона высокочастотного генератора с частотой 13-40 МГц. Это исключит фиксацию электрической дуги в точечной области электрода, а также распределит воздействие электрической дуги на оба электрода и, соответственно, позволит снизить тепловую нагрузку на электроды, что поможет продлить срок их эксплуатации и увеличить временной ресурс плазмотрона.

Известен высокочастотный дуговой плазмотрон [5], в котором в качестве источника питания используется ВЧ-генератор на частоте 13,56 МГц. Плазмотрон используется для получения трихлорсилана из тетрахлорида кремния. Временной ресурс плазмотрона составляет не более 50 часов в силу того, что в результате нарастания поликристаллического кремния на электродах происходит их смыкание. В результате смыкания электродов происходит короткое замыкание, и разряд гаснет, что приводит к остановке процесса. Кроме того, в данном плазмотроне невозможно подводить к электродам мощность свыше 500 Вт колебательной мощности в силу отсутствия их эффективного охлаждения. В [6] подобный плазмотрон используется для получения карбида бора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является модернизация электрода в высокочастотном дуговом плазмотроне для получения карбидов, а именно проектирование электрода с возможностью регулировки межэлектродного расстояния, а также с возможностью теплоотвода с помощью жидкого теплоносителя. Реализация перечисленных инженерных решений позволит повысить временной ресурс работы плазмотрона, увеличить производительность метода и получать карбиды с более высокой химической чистотой.

Поставленная задача решается тем, что в электроде, представленном в графическом изображении, состоящем из формирователя газового потока и держателя вольфрамового наконечника, данные узлы имеют следующие особенности:

- формирователь газового потока представляет собой центральный коаксиальный канал для подачи плазмообразующего газа в плазмотрон, имеющий холодильник с водяным охлаждением в виде внешней и внутренней рубашки. В начале формирователя газового потока имеется внутренняя конусная поверхность, играющая роль радиатора для отвода тепла жидким хладагентом. Внешняя поверхность формирователя газового потока имеет полированную поверхность, что позволяет двигаться формирователю в обойме с сохранением герметичности плазмотрона;

- держатель вольфрамового наконечника выполнен из меди в виде цангового зажима, который обеспечивает плотный механический и тепловой контакт между вольфрамовым наконечником, на котором стабилизируется газовый разряд, и конусной поверхностью формирователя газового потока. Конструкция держателя также обеспечивает функцию сопла за счет имеющихся в нем газовых каналов.

Одна из возможных конструкций предлагаемого устройства изображена на фиг. 1. Высокочастотный электрод содержит формирователь газового потока (1), в котором имеется центральный коаксиальный канал (2) для подачи плазмообразующего газа. Канал охлаждается водяным холодильником (3). В передней части электрода расположен держатель вольфрамового наконечника (4), который вместе с вольфрамовым наконечником (5) прижимается к электроду прижимной гайкой (6).

Высокочастотный электрод работает следующим образом:

В водоохлаждаемый холодильник подается вода. Плазмообразующий газ подается в плазмотрон через центральные каналы электродов, направленных соосно навстречу друг другу. На электроды от ВЧ-генератора подается напряжение, в результате чего происходит электрический пробой газа между электродами и формируется плазменный токопроводящий канал, что приводит к нагреву вольфрамовых наконечников. В результате нагрева тепло передается на держатели, выполненные из меди в виде цанговых зажимов, и далее отводится с помощью водоохлаждаемого холодильника. Это позволяет проводить процесс при подводимой мощности до 1,5 кВт и диаметре наконечников до 10 мм. Отверстия, имеющиеся в держателях, направляют газовый поток в центральную область газового разряда, что способствует максимальному попаданию реагентов в реакционную зону плазмы. При нарастании на концах вольфрамовых наконечников целевого продукта - карбида бора, происходит раздвижение электродов. Это позволяет формировать слитки достаточной массы для того, чтобы под действием силы тяжести они отсоединялись от электродов. При нарастании на концах вольфрамовых наконечников достаточной для отсоединения массы целевого продукта - карбида бора, происходит его отрыв от электрода, в результате чего он попадает в специальный сборник, расположенный в плазмотроне. При этом технологический процесс синтеза не прерывается.

Технико-экономический эффект при использовании устройства заключается в расширении технологических возможностей в технологических процессах получения карбида бора за счет увеличения срока службы и временного ресурса работы плазмотрона, повышения его тепловой эффективности, производительности и облегчения процесса зажигания разряда.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения

[1] Дрисвин, С.В. Физика плазмы / С.В. Дрисвин, Д.В. Иванов. - С.Петербург: Изд-во политехнического университета, 2013. - 544 с.

[2] Голыш, В.И. Высокоресурсный электродуговой плазмотрон / В.И. Голыш, Е.И. Карпенко, В.Г. Лукьященко, В.Е. Мессерле, А.Б. Устименко, В.Ж. Ушанов // Химия высоких энергий. - 2009. - Т.43. - №4. - С. 371-376.

[3] Мессерле, А.В. Плазменная термохимическая подготовка к сжиганию пылеугольного топлива / А.В. Мессерле, В.Е. Мессерле, А.Б. Устименко // Теплофизика высоких температур. - 2017. - Т. 55. - № 3. - С. 366-374.

[4] Демин, В.Н. Получение поликристаллического кремния разложением силана в плазме электродугового плазмотрона / В.Н. Демин, С.П. Ващенко, А.И. Сапрыкин, Б.А. Поздняков // Сборник тезисов конференции. Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния. «Кремний-2002». - Новосибирск: Институт физики полупроводников СО РАН. - 2002. - С.184.

[5] Патент RU. Способ получения высокочистого трихлорсилана и устройство для его осуществления/ Гусев А.В., Девятых Г.Г., Суханов А.Ю., Дианов Е.М., Прохоров А.М. - Регистрационный номер № 2142909. Заявка 98114964 от 30.07.1998, опубл. 20.12.1999. - 6 с.

[6] Патент RU. Способ получения карбида бора плазмохимическим методом/ Корнев Р.А., Конычев Д.А., Сенников П.Г., Зырянов С.М. - Регистрационный номер № 2648421. Заявка 2016127322 от 06.07.2016, опубл. 26.03.2018. - 7 с.

Изобретение относится к устройствам для получения и управления плазмой при нагреве газовых струй в плазмохимических, металлургических и других процессах. Технический результат - увеличение срока службы плазмотрона, повышение его тепловой эффективности, производительности и облегчение процесса зажигания разряда, обеспечение возможности работы с химически агрессивными газами. В электроде, состоящем из формирователя газового потока и держателя вольфрамового наконечника, формирователь газового потока представляет собой центральный коаксиальный канал для подачи плазмообразующего газа в плазмотрон, имеющий холодильник с водяным охлаждением. В начале формирователя газового потока имеется внутренняя конусная поверхность, играющая роль радиатора для отвода тепла жидким хладагентом. Внешняя поверхность формирователя газового потока имеет полированную поверхность, что позволяет двигаться формирователю в обойме с сохранением герметичности плазмотрона. Держатель вольфрамового наконечника выполнен из меди в виде цангового зажима, который обеспечивает плотный механический и тепловой контакт между вольфрамовым наконечником, на котором стабилизируется газовый разряд, и конусной поверхностью формирователя газового потока. Конструкция держателя также обеспечивает функцию сопла за счет имеющихся в нем газовых каналов. 1 ил.

Высокочастотный электрод для ВЧ-дугового плазмотрона, подключаемый к источнику ВЧ-колебаний, оснащенный формирователем газового потока, отличающийся тем, что формирователь газового потока выполнен в виде водоохлаждаемых коаксиальных трубок в виде внешней и внутренней рубашки с внутренней конусной поверхностью для отвода тепла жидким хладагентом, в которую вставлен держатель вольфрамового наконечника из высокотеплопроводного материала, выполненного в виде цангового зажима и в виде сопла, при этом внешняя поверхность формирователя газового потока отполирована.