Индукционный нагреватель текучей среды

 

Использование: в химической, биологической, микроэлектронной промышленности для сохранения высокой химической чистоты нагреваемых сред, высокоагрессивных растворов. Сущность изобретения: индукционный нагреватель содержит корпус, индукционную катушку, теплоотдающий элемент, состоящий из нагревательной трубки, помещенной в защитную оболочку из монокристаллического корунда. Взаимное расположение и закрепление элементов нагревателя позволяют повысить надежность его работы. 2 ил.

Изобретение относится к электротермии, в частности к конструкции и способу изготовления индукционных нагревателей жидких и газообразных сред и может быть использовано в химической, биологической и микроэлектронной промышленности в условиях жестких требований сохранения высокой химической чистоты нагреваемых сред и высокоагрессивных растворов.

Известна конструкция индукционного нагревателя [1] который состоит из стеклянной трубки, внутри которой расположено большое количество металлических труб, соединенных в пучок, через которые протекает жидкость. Снаружи вокруг стеклянной трубки расположены витки высокочастотного индуктора, которые при пропускании тока нагревают пучок металлических труб внутри стеклянной трубы. Жидкость, проходя через металлические трубки, нагревается до необходимой температуры.

Недостатком описанной конструкции является то, что нагреваемая жидкость контактирует с металлическими трубками и при наличии агрессивных агентов в раствор могут попадать ионы металла, из которого изготовлены трубки, а длительная эксплуатация в агрессивных средах (кислоты, щелочи и др.) приводит к сильному растворению металлов.

В качестве прототипа выбрана конструкция индукционного нагревателя текучей среды [2] которая состоит из корпуса, охваченного индукционной катушкой и установленным внутри по оси трубчатым теплоотдающим элементом. Корпус теплоотдающего элемента выполнен из химически стойкого монокристалла, к внутренней поверхности которого с зазором от его торцов прилегает нагревательный узел, выполненный в виде телескопически связанных цилиндров из электропроводного материала с разрезами по образующим. Разрезы цилиндров расположены в диаметрально противоположных направлениях и длина внутреннего цилиндра выбрана на меньше длины наружного.

Недостатком описанной конструкции является то, что применяется в качестве нагревательного узла применяется листовой молибден, который при комнатной температуре имеет упругость, достаточную для получения электрического контакта между вложенных телескопически и разрезанных по образующим цилиндров нагревательными элементами. Однако при длительном нагреве происходят отжиг металла и его рекристаллизация. При этом теряется упругость, ухудшается электрический контакт, что приводит к образованию локальных зон перегрева и изменяет его электрические параметры. Кроме того, при использовании молибдена снижается КПД нагревателя за счет его низкой электропроводности. К этому еще добавляются его высокая стоимость и дефицитность.

Целью изобретения является повышение надежности индукционного нагревателя для высокоагрессивных жидкостей, расплавов и паров (кислоты, щелочи, расплавы щелочных металлов и др.).

Указанная цель достигается тем, что нагревательный элемент выполнен в виде трубки, а защитная оболочка в виде стакана, трубка опирается одним концом по меньшей мере на три металлических упругих пластины, создающих зазор с внутренней поверхностью оболочки, вторым концом трубка соединена с корундовым вкладышем, герметично соединенным с оболочкой стеклоцементом, при этом стакан и вкладыш выполнены из одной заготовки и имеют одинаковую кристаллическую ориентацию.

Описанная конструкция нагревателя изготавливается следующим способом. После того, как изготавливают трубку нагревательного элемента из электропроводного материала, выращивают монокристаллическую трубчатую оболочку из расплава оксида алюминия (корунда) необходимой длины с внутренним диаметром, большим, чем внешний диаметр трубки нагревательного элемента, после чего заращивают дно, переходя от выращивания трубки заданных размеров к сплошному стержню с тем же наружным диаметром, далее выращенную монокристаллическую трубчатую оболочку с утолщенным дном отрывают от расплава, охлаждают, отрезают со стороны дна часть сплошного корундового стержня и изготавливают из него фигурный вкладыш, причем с одной стороны уменьшают его в диаметре и соединяют с нагревательным элементом, а с другой стороны герметично соединяют стеклоцементом с трубчатой частью оболочки, предварительно поместив в нее теплоотдающий элемент с укрепленными на конце пружинными опорами.

На фиг. 1 показан схематический разрез устройства, на фиг. 2 разрез А - А на фиг. 1.

Оболочка 1 из профилированного монокристаллического корунда в виде трубчатой оболочки с дном, в которой размещена металлическая электропроводная трубка 2 с зазором 3 между оболочкой корпуса 1 и трубкой 2, который обеспечивается пружинной опорой 4. Герметичность обеспечивается припаянным стеклоцементом 5 корундовым вкладышем 6, который одновременно соединен с металлической электропроводной трубкой 2 нагревателя. Нагревательное устройство закрепляется в держателе 7 и помещено в трубопровод 8 через который прокачивается агрессивная жидкость 9 для подогрева. Нагрев происходит за счет выделения тепла электропроводной трубкой при ее индукционном разогреве за счет пропускания тока высокой частоты через витки индуктора 10. Вкладыш 6, отрезанный от стержневой части утолщенного дна выросшего монокристалла, будет иметь одинаковую кристаллографическую ориентацию с трубчатой частью оболочки, так как является его продолжением. Поскольку вкладыш будет иметь ту же ориентацию, при пайке не будет возникать напряжения, которые могут разрушить конструкцию. Кроме того, поскольку этот вкладыш имеет тот же диаметр, что и трубчатая часть оболочки, не потребуется механическая обработка вкладыша по наружному диаметру. С одной стороны уменьшают диаметр вкладыша и с помощью завальцовки крепят к нему трубчатый нагреватель. После этого нагреватель вставляют в оболочку, а противоположную сторону вкладыша герметично спаивают стеклоцементом с трубчатой частью оболочки. Пайка протекает в вакууме или среде инертного газа. После расплавления стеклоцемента и его затвердевания внутри оболочки обеспечивается вакуум или инертная атмосфера. На конце, противоположном вкладышу, к нагревателю приваривается, до помещения в оболочку касательной наружной поверхности 3 6 упругих пластин, которые обеспечивают равномерный зазор между нагревателем и корундовой оболочкой. Когда металлическая трубка нагревается, она удлиняется, но поскольку упругие пластины имеют скользящую посадку, напряжения не возникают и обеспечивается высокая долговечность.

Предлагаемая конструкция позволила полностью изолировать нагревательный элемент от протекающей агрессивной среды и избавиться от попадания ионов металлов, из которых изготовлен нагревательный теплоотдающий элемент, в нагреваемую среду, одновременно повысив эффективность и надежность.

Срок службы такого устройства оказался значительно выше ранее используемых. Кроме того, сохраняется высокая степень чистоты среды после ее нагрева.

Устройство описанной конструкции прошло успешное испытание в технологических установках при изготовлении микросхем большой степени интеграции.

Формула изобретения

Индукционный нагреватель текучей среды, содержащий охваченный инерционной катушкой корпус, установленный по его оси теплоотдающий элемент, выполненный в виде нагревательного элемента из электропроводного металла, помещенного в герметичную защитную оболочку из химически стойкого монокристалла, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде трубки, а защитная оболочка в виде стакана, трубка опирается одним концом по меньшей мере на три металлические упругие пластины, создающие зазор с внутренней поверхностью оболочки, вторым концом трубка соединена с корундовым вкладышем, герметично соединенным с оболочкой стеклоцементном, при этом стакан и вкладыш выполнены из одной заготовки и имеют одинаковую кристаллографическую ориентацию.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2