Трубчатая печь Советский патент 1993 года по МПК F27B5/06 

Изобретение относится к печам с высокоточным регулированием распределения температуры в рабочей камере, предназначенным для выращивания кристаллов, синтеза химических соединений, термообработки материалов и т.п.

Целью изобретения является повышение устойчивости регулирования температуры при уменьшенном энергопотреблении.

На фиг.1 показана схематическая проекция предложенной печи с частичным сечением рабочей камеры и среднего модуля; на фиг.2 - нагревательный модуль без внутреннего линейного теплопровода в поперечном сечении печи, взятом вдоль линии А-А; на фиг.З - нагревательный модуль без внутреннего линейного теплопровода в поперечном сечении,, взятом вдоль линии Б-Б и С-С; на фиг.4 - блок-схема управления печью с обратной связью от термодатчиков нагревателей: на фиг.5 - блок-схема управления печью с обратной связью от термодатчиков нагревателей и рабочей камеры.

Предлагаемая печь в предпочтительном воплощении содержит последовательный ряд нагревательных модулей 1-10 (фиг.1), расположенных соосно, отдельный модуль 1t, включающий рэдиально протяженную кольцевую теплопроводящую шайбу 12 и изоляторы 13 и 14, концевые теплоизоляторы 15 и 16. По периметру рабочей камеры 17 осесимметрично ее продольной оси расположены теплопроводы 18 и 19, разделенные теплоизолятором 20. Радиально теплопроводам 18 и 19 « соответственно ряду модулей 1-10 размещен последовательный ряд теплопроводящих втулок 21-30.

Каждый из нагревательных модулей 1- 10 содержит аксиально. расположенные:

fe

00 GJ О

СО Ю

OJ

теплопроводящую втулку, например 25, из указанного ряда втулок 21-30, нагреватель 31 (фиг.2,3) с электрическими выводами 32, теплоизолятор 33, охватывающий нагреватель 31 и теплоизолятор 34, отделяющий нагреватель 31 от нагревателя соседнего в ряду модулей 1-10, при этом теплоизолятор 34 снабжен кольцевым выступом 35, разделяющим теплопроводящую втулку 25 модуля от такой же втулки соседнего модуля.

В канале выполненном в изоляторе 33 диаметрально противоположно электровыводам нагревателя 32, установлен термодатчик, включающий термопару 36, ее электроизолированные электровыводы 37 и охватывающий эти электровыводы трубчатый теплопровод 38. Указанные элементы нагревательного модуля заключены в цилиндрический корпус 39 с осесимметричны- ми фиксирующими фланцами 40 и 41. Указанные фланцы обеспечивают соосную взаимную фиксацию одинаково ориентированных нагревательных модулей. Каждый электровывод 32 нагревателя 31 снабжен изоляторами 42, отделяющим его от корпуса 39 нагревательного модуля. Соосное расположение теплопроводящих втулок 21-30 обеспечивается их совмещением с кольцевым выступом 35 теплоизолятора 34. Соосное с осью рабочей камеры расположение нагревателя 31 обеспечивается гребенчатыми держателями 43 (фиг.2, 3), расположенными по кругу между нагревателем 31 и теплоизолятором 33. Элементы модуля закрепляются в корпусе 39 с помощью шпилек 44 и гаек 45. Термопары 36 фиксируются с помощью держателей 46 электроизоляции их выводов 37. Трубчатый теплопровод 38 термодатчика закрепляется прижимным элементом 47. Обозначенный схематически при этом теплопровод 38 термодатчика выполнен укороченным относительно длины электровыводов термодатчика и установлен так, что термопара 36 и ее электроизоляция выступает из теплопровода. Теплопровод 38 выполнен из карбида кремния, обеспечивающего лучший режим теплоотвода из окрестности термопары, но возможно использование и иного теплопроводящего материала.

Концевые теплоизоляторы 15 и 16 (фиг.1) печи заключены в корпуса 48 и 49. В вертикальном положении печь установлена на основании 50 и не требуется дополнительного крепления модулей между собой. В горизонтальном положении плотное прилегание модулей друг к другу обеспечивается любыми средствами встречного поджатия корпусов концевых теплоизоляторов.

Блок-схема управления печью (фиг.4) включает последовательно соединенные

блок аналого-цифровых преобразователей 51, подключенный к электровыводам 37 термодатчиков, процессор 52 и блок силовых усилителей 53. Блок-схема управления на

фиг.5 отличается от предыдущей тем, что в систему автоматической обратной связи схемы управления включены термодатчики 55 рабочей камеры печи, также подключенные к блоку АЦП, а между выходом процес0 сора 52 и входом терминала 54 оператора включена экспертная ЭВМ 56.

Заявляемая трубчатая печь работает следующим образом. Каждый тепловой модуль печи снабжен одноканальной системой

5 регулирования температуры, которая включает последовательно соединенные термодатчик 37 нагревателя, отдельный аналого-цифровой преобразователь блока 51, процессор 52, отдельный тиристорный уси0 литель блока 53, подключенный к нагревателю. Это позволяет реализовать автономный режим управления термическим состоянием модуля в целом и его рабочего пространства. В таких условиях статические распределения

5 температуры в печи, заданные условиями ведущегося технологического процесса, реализуются подбором температур нагревателей отдельных модулей печи. Аналогично распределения температуры в условиях дина0 мики реализуются подбором скоростей изменения температуры отдельных нагревателей и прилегающей к ним части рабочей камеры печи.

В печах заявляемой конструкции обяза5 тельной рабочей операцией является калибровка распределения температуры в рабочей камере печи. Принципиально возможно два варианта калибровки в печи: макетный и по системе контрольных термопар,

0 введенных в рабочее пространство в каждом модуле печи. В зависимости от варианта выбранной калибровки управление печью заявляемой конструкции реализуемо распределенными системами терморегули5 рования двух разновидностей, представленными на фиг.4, 5.

Первая система (фиг.4) предполагает первый вышеуказанный вариант калибровки печи. При этом контроль за термическим

0 состоянием ее рабочей камеры в ходе технологического процесса осуществляется ограниченным числом контрольных термодатчиков (один, два). В процессе работы сигналы с термодатчиков 37 нагревателей

5 модулей оцифровываются с помощью АЦП

51и сформированные в пакет кодов рабочих температур модулей подаются в процессор

52управления. Процессор 52 обрабатывает пакет в соответствии с заданным законом регулирования температуры и программой

технологического процесса, вырабатывает пакет кодов, управляющих воздействий и отправляет его в блок 53 силовых усилителей. Тиристорные силовые усилители этого блока формируют управляющие воздействия на нагреватели 31 отдельных модулей печи. Через терминал 54 оператор имеет доступ к процессору управления, что позволяет ему осуществлять непосредственное программирование технологического процесса. Выход из процессора управления к системе управления второго уровня позволяет организовать документирование технологического процесса.

Вторая распределенная система терморегулирования (фиг.5) предполагает контроль за термическим состоянием рабочего пространства печи с помощью термопар, введенных через радиальное отверстие в теплоизоляторе 34 и его кольцевом выступе 35 каждого модуля. В этом случае блок АЦП 51 формирует два пакета кодов рабочих температур модулей и контрольных температур рабочего пространства модулей. Первый пакет используется для ведения регулирования температуры, а второй передается в экспертную ЭВМ второго уровня. Экспертная ЭВМ, в соответствии с заложенными в нее программами, анализирует по сигналам термодатчиков термическое состояние рабочего пространства печи, документирует его параметры и осуществляет коррекцию термических режимов работы тепловых модулей печи соответствии с заданием технологического процесса. Оператор вмешивается в работу двухуровневой системы управления только о экстренных ситуациях.

В дополнение к уже приведенным выше достоинствам заявляемой трубчатой печи следует отметить ее технико-экономические преимущества в сравнении с известными решениями, выявленные в ходе испытаний.

Размеры рабочей камеры печи и заданное распределение температуры в ней в соответствии с параметрами технологического процесса и объекта термовоздействия легко варьируются подбором количества нагревательных модулей, модулей с радиальнопро- тяженными теплопроводащими шайбами и их размерами.

Печь некритична к типу закона регулирования температуры и параметрам этого закона во всем диапазоне рабочих температур (60-1150°С), ограниченном лишь применяемыми материалами элементов ее конструкции. При этом одинаковые результаты управления печью получены при использовании пропорционально интегрально дифференциальных (ПИД), изодромных и релейных терморегуляторов. Кроме того

ность регулирования температуры в рябомей камере и на любом нагревателе в этих условиях сохраняется не ниже -4-0,1°С во всем диапазоне рабочих температур как в режи5 ме заданного статического распределения температуры, так и в динамическом режиме терморегулирования независимо от закона изменения температуры.

Предлагаемая печь отличается высокой

0 линейностью перестройки температуры при любых малых ее значениях, превышающих указанную точность регулирования +/-0,1 °С, а также устойчивостью регулирования при переходе от динамического режима терморегу5 лирования к статистическому состоянию и обратно. В частности, для печи с диаметром рабочей камеры 60 мм при скорости изменения температуры 100 град/час тепло- инерционная ошибка остановки разогрева

0 не превышает на нагревателе 0,5°С, а на объекте термовоздействия 0,2-0,3°С. Потребление электроэнергии печью с длиной рабочей камеры 1100 мм. диаметром 60 мм . и температурой технологического процесса 1100°С составляет 2-2,5 квт.

Формула изобретения

1.Трубчатая печь, содержащая рабочую камеру, образованную последовательным

0 рядом соосных нагревательных модулей, каждый из которых включает коаксиально расположенные кольцевой нагреватель и внешнее теплоизолирующее кольцо, и по крайней мере одним промежуточным моду5 лем с теплопроводящей шайбой, установленной соосно с нагревательными модулями, теплоизоляторы, установленные по концам ряда нагревательных модулей, термодатчики с изолированными электровыводами и

0 блок управления присоединением нагревателей к источнику энергии, отличающая- с я тем, что, с целью повышения устойчивости регулирования температуры при уменьшенном энергопотребления, печь снабжена

5 теплопроводами рабочей камеры и термодатчиков, установленных в области нагревателей, при этом теплопроводы имеют контакт с окружающей средой.

2.Печь по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, 0 что теплопроводы рабочей камеры выполнены в виде последовательного ряда втулок, каждая из которых коаксиально установлена в нагревателе каждого нагревательного модуля, и по крайней мере двух линейных

5 элементов, расположенных последовательно и внутри втулок.

3.Печь по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что теплопроводы термодатчиков выполнены трубчатыми, охватывающими изолированные злектровыооды термодатчиков.

4.Печь по п.2, отличающаяся тем, что втулки и линейные элементы разделены между собой теплоизоляторами.

5.Печь по п.2, отличающаяся тем. что линейные элементы выполнены в виде трубок.

6.Печь по п.4. отличающаяся тем, что теплоизоляторы линейных элементов расположены коаксизльно в шайбе.

7.Печь по п..1 .отличающаяся тем, что термодатчики установлены на нагревателях нагревательных модулей в порядке кратного чередования нагревателей в ряду.

Изобретение предназначено для выращивания кристаллов, синтеза химических соединений, термообработки материалов. Трубчатая печь с рабочей камерой, образованной последовательным рядом соосных нагревательных модулей, каждый из которых содержит концентрически расположенные кольцевой нагреватель и внешнее теплоизолирующее кольцо, и по крайней мере один промежуточный модуль, включающее теплопроводящую шайбу, концевые теплоизоляторы ряда модулей, термодатчики с изолированными электровыводами и блок управления нагревателями, печь содержит теплопроводы рабочей камеры и термодатчиков, расположенные в области нагревателей. Теплопроводы соединены с окружающей средой. 6 з.л. ф-лы, 5 ил.

А

Фиг. 1

А-А

Фиг.З

к системе управления второго уробня

Фиг.Ь