СПОСОБ НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ИЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА
Изобретение относится к сверхвысокочастотному и высокочастотному нагреву диэлектрика (полупроводника) и может быть использовано в отраслях электронной и химической промышленности, в частности, при синтезе ферритов, нагреве изделий из ферритов или других диэлектриков, электропроводность которых увеличивается в процессе нагрева.
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 диэлектрического нагрева относится нагрев объектов из плохо электропроводящих материалов в высокочастотных электрических полях за счет явлений поляризации, сопровождающихся поглощением энергии С 1 3 .
Недостатком высокочастотных ме- тодов 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- ,
10 грева.
Наиболее близким к изобретению является способ нагрева диэлектрических или полупроводниковых материалов, при
15 котором производят предварительный нагрев материала и затем нагрев высокочастотным электромагнитным полемС2 1, Недостатком данного способа комбинированного нагрева является то, что
° при применении обычных источников тепла для предварительного нагрева 1массивных материалов или значительного . количества порошкообразных диэлектри39ков (например для ускорения химических реакций при синтезе ферритов или других химических соединений методом смешений порошкообразных компонент) большая часть технологического време ни тратится на предварительный нагре 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 глу бину проникновения электромагнитной волны при обоих видах нагрева выбираю 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 (jj в общем случае определяется не .зависящей от частоты величиной сквозной проводиМОСТИ на постоянном токе бо и величиной диэлектрических потерь обусловленной процессами поляризации и.зависящими от частоты юе . (jo o- TJ-- O SОтсюда следует, если сквозная проводимость мала по сравнению с проводимостью, обусловленной процессами поляризации (ep«(g.ii), то при увеличении частоты эффективность преобразования электромагнитной энергии возр)астает. Если проводимость на переменном токе, в основном, определяется проводимостью на постоянном токе {йо(р||), то эффективность преобра зования электромагнитной энергии от частоты не зависит. Электропроводность диэлектриков и полупроводников на постоянном токе возрастает при увеличении температуры по экспоненциальному закону (-E/kT). Хотя в некоторых случаях § также зависит от частоты (например в случа . рч дебаевских потерь . большинстве случаев потери, обусловлс ные с процессами поляризации, возрастают с увеличением частоты eg где ,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 рт 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 дли металлов )T() 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 , 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 умень59шается из-за уменьшения глубины проникновения СВЧ волны в диэлектрик. И температура, в этом объеме быстро увеличивается, достигая температуры плавления шихты. 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. Предлагаемым способом нужно нагрет диэлектрик до 250-&00°С энергией СВЧ 2,1 ГГц, а от 250-600°С до энергией электромагнитных колебаний с частотой 0,1МГц. При указанных условиях глубина проникновения а 3 или более раз превышает размеры нагреваемого диэлектрика, обеспечивая равномерный нагрев. Предлагаемый способ может быть осуществлен на установке, состоящей из СВЧ и высокочастотной печей и уст ройства (например конвейерной линии) для перемещения нагреваемого диэлект рика из СВЧ печи в высокочастотную печь. В качестве СВЧ печи может быть использована, например, печь типа Электроника, в качестве высокочастотной печи - установки индукционног или диэлектрического нагрева. Применение СВЧ нагрева вместо обы ных источников тепла позволяет умень ить время предварительного нагрева и длительность технологического процесса, не менее 100 мин, увеличивает производительность труда более чем в 2 раза, уменьшает расход электроэнергии -на единицу веса нагреваемого диэлектрика до 29 . Формуле 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 нагреваемого материала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Высокочастотная электротермия. Под ред. В.Донской, Машиностроение М965, C.19V209. 2.Авторское свидетельство СССР № 91027. кл. Н 05 В 9/00, 1950.
