Тепловой экран Советский патент 1990 года по МПК F16L59/06 

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано в химической промышленности при высокотемпературном синтезе керамических изделий и монокристаллов диэлектрических материалов.

Цель изобретения - получение от нагревателя требуемого осевого температурного градиента в рабочей зоне нагревателя.

Для достижения поставленной цели в конструкции, содержащей коаксиаль- но расположенные отражающие цилиндры, внутренние отражающие цилиндры выполнены составными по оси из нескольких слоев, разделенных плоскими горизонтальными дисками, с числом коаксиальных отражающих элементов в

каждом горизонтальном слое, соответствующим заданному осевому градиенту.

Выполнение тепловых экранов составными по оси из нескольких слоев, разделенных плоскими горизонтальными дисками, позволяет получить требуемый осевой градиент теплового поля за счет различного в каждом слое количества отражающих элементов. Таким образом, формируется требуемый температурный градиент в рабочей зоне

нагревателя.t

На фиг.1 представлен предлагаемый тепловой экранj на фиг.2 - распределение температуры вдоль вертикальной оси нагревателя в статическом тепловом режиме с отражающими предлагаемым (I) и известным (II) экранами.

СП

ЗЭ

со ел

ю

315

Тепловой экран состоит из внутренних отражающих цилиндров 1 и трех внешних неразъемных коаксиальных теп- лоотражающйх цилиндров 2-4 из листового молибдена. Внутренние отражающие цилиндры 1 выполнены составными по оси из четырех слоев, разделенных плоскими горизонтальными дисками 5. При перемещении вдоль оси нагревателя сверху вниз число экранирующих элементов в каждом слое меняется следующим образом: в первом (сверху) слое установлено три экранирующих элемента 6-8, во втором слое - два экранирующих элемента 9 и 10, в .третьем слое - три экранирующих элемента 11-13, в четвертом слое - четыре экранирующих элемента 14-17. Каждый элемент является коаксиальным цилинд- ром. Вся конструкция размещается на керамических опорах 18, Внутри отражающих цилиндров 1 установлен нагреватель 19.

Принцип действия тепловых экранов основан на отражении тепловой лучистой энергии, выделяемой нагревательным элементом. Для установления зависимости температурного градиента вдоль нагревателя от числа экранов в каждом горизонтальном слое применяют расчетно-экспериментальный метод.

Для определения распределения температуры вдоль нагревателя решается краевая задача для уравнения теплопроводности в стационарных условиях. Для ее решения определяется вид функции распределения плотности мощности лучистой энергии вдоль вертикальной оси-нагревателя f(Z) в зависимости от числа экранов в каждом горизонтальном слое системы экранирования. При одинаковом количестве экранов в каждом слое функция f(Z) может быть описана выражением

f(Z) E0(l4.AlCos f|)

де

W Е„

-полудлина нагревателя; л

-константы, определяемые

из подсчета теплового потока от нагревателя к контейнеру при учете действия сплошных экранов с одинако вым числом в каждом горизонтальном слое, отражающих часть рассеиваемой на

Q

5

5

0

5

гревателем энергии обрат- но к контейнеру. ,

Количество энергии излучения, передаваемого от одного экрана к другому и от нагревателя к меньшему по размеру экрану в каждом слое определяется с учетом поглощательных и отражательных характеристик обеих поверхностей, а также с учетом углового коэффициента излучения в системе концентрических сфер,- Коэффициент Af для системы известных экранов может быть принят равным 0,18.

Действие предлагаемого отражающего экрана основано на увеличении количества экранирующих элементов на участках с меньшей темпера-турой до четырех в четвертом слое и трех в первом слое, что приводит к тому, что краевой эффект обнаруживается на более коротких участках. Использование двух отражающих элементов во втором слое и трех в третьем слое приводит к уменьшению градиента температуры в рабочей зоне вдоль вертикальной оси нагревателя. Рабочей зоной нагревателя цри выращивании монокристаллов методом вертикально направленной кристаллизации считывается участок, расположенный на уровне 1/4 - 1/3 его высоты.

При выполнении тепловых экранов составными по оси с разным числом коаксиальных элементов в каждом горизонтальном слое расчет теплового потока ведется для каждого слоя аналогичным методом. Число слоев выбирается с учетом конечной длины нагревателя, составляющей 200 - 300 мм. Чрезмерное их увеличение связано с трудностями технической реализации такой конструкции. Для практических целей достаточно 4-5 слоев, выражение для потока f(Z) при этом может быть аппроксимировано функцией

К (ЈBkcos

кч

ZK

2W

1),

где К достаточно взять равным 3.

При необходимости создания иной формы кривой распределения температуры требуется располагать в каждом слое число экранирующих элементов, соответствующее поставленной цели. Например, для создания в середине по вертикальной оси нагревателя участка с пониженной температурой, следует

э15

применить пятислойную конструкцию тепловых экранов с числом экранирующих элементов в нижних и верхних слоях, первышающим„число экранирующих элементов в центральном слое. Первоначальное число экранирующих элементов в каждом слое выбирают эм- iпирически, руководствуясь принципом: большей температуре на участке нагревателя вдоль его вертикальной оси соответствует большее число экранирующих элементов в слое, соответствующем этому участку, верны при оговорке на пренебрежение краевым эффектом. При выбранном числе экранирующих элементов в каждом слое и расстоянии между этими элементами производятся расчет функции f(Z) с последующим расчетом температурного градиента и проверка его. на соответ6

ствие с заданным. В случае плохого соответствия производят изменение числа экранирующих элементов направленное на согласование расчетного температурного градиента с заданным.

Ф

ормула изобретения Тепловой экран, .содержащий тепло- отражающие коаксиальные цилиндры, отличающийся тем, что, с целью получения при нагревании заданного осевого температурного градиента, внутренние отражающие цилиндры выполнены составными по оси из нескольких слоев, разделенных плоскими горизонтальными дисками, с числом коаксиальных отражающих элементов в каждом горизонтальном слое, соответствующим заданному осевому температурному градиенту.

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано в химической промышленности. Сущность изобретения заключается в получении от нагревателя осевого температурного градиента в рабочей зоне нагревателя с помощью выполнения теплового экрана составным по оси из нескольких слоев, разделенных плоскими горизонтальными дисками, с числом коаксиальных отражающих элементов в каждом горизонтальном слое, соответствующим заданному. 2 ил.

Фиг.1

0.6