Устройство индукционного нагрева



Устройство индукционного нагрева
Устройство индукционного нагрева
Устройство индукционного нагрева
Устройство индукционного нагрева

Владельцы патента RU 2754313:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВИИЭФ") (RU)

Изобретение относится к области электрических средств воспламенения, а именно к индукционному нагреву, и может быть использовано для нагрева изделий внутри герметичного контейнера, в том числе с целью задействования содержащихся в изделии пиротехнических составов, взрывчатых веществ (ВВ), порохов и других химических веществ. Устройство индукционного нагрева, содержащее контейнер, в котором размещен корпус с нагреваемым веществом, индукционный нагреватель. Контейнер выполнен герметичным из материала, глубина проникновения электромагнитной волны в котором превышает толщину стенки контейнера. Индукционный нагреватель установлен на внешней поверхности контейнера. Корпус выполнен из ферромагнитного материала, при этом удельное сопротивление материала контейнера больше удельного сопротивления материала корпуса, а магнитная проницаемость материала контейнера меньше магнитной проницаемости материала корпуса. Индукционный нагреватель выполнен с магнитопроводом. Внутри контейнера расположены концентраторы магнитного поля. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего устройства, заключается в возможности многократно использовать индукционный нагреватель, в расширении диапазона рабочих параметров (температура, давление) и прочности составных элементов устройства при нагревании вредных и токсичных материалов внутри контейнера, а также исключаются диффузионные утечки нагреваемого вещества, что обеспечивает безопасность устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил, 1 пр.

 

Изобретение относится к области электрических средств воспламенения, а именно к индукционному нагреву, и может быть использовано для нагрева изделий внутри герметичного контейнера, в том числе с целью задействования содержащихся в изделии пиротехнических составов, взрывчатых веществ (ВВ), порохов и других химических веществ, в том числе веществ выделяющих при горении (или нагревании).

При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены аналоги изобретения. Существуют различные электровоспламенители, в которых для задействования навески инициирующего состава используется электрический импульс, подаваемый на мостик накаливания. Например, патент РФ №176158 (МПК F42C 19/12, опубликован 10.01.2018), №178965 (МПК F42B 3/12, опубликован 24.04.2018), №2263871 (МПК F42B 3/12, опубликован 10.11.2005), №2475693 (МПК F42B 3/10, опубликован 20.02.2013).

Известен термостойкий электровоспламенитель (патент РФ №2675001, МПК F42B 3/12, опубликован 14.12.2018), содержащий корпус, гермоввод со встроенными электровводами. Основной воспламенительный заряд выполнен из состава, содержащего оксид меди, алюминий, а инициирующий заряд выполнен из состава высокой плотности, содержащего бор и титан. Инициатор выполнен в виде мостика накаливания. Мостик накаливания выполнен в виде слоя из резистивного материала, нанесенного на диэлектрическую пластину.

Преимуществом данного воспламенителя является высокая скорость инициирования горения различных веществ.

Общими недостатками известных аналогов (электровоспламенителей), является то, что по своей сути они являются изделиями однократного использования, что приводит к удорожанию конструкции, в которой они используются. Наличие гермовводов приводит к снижению несущей способности, прочности и герметичности конструкции, из-за чего увеличиваются диффузионные утечки нагреваемых веществ.

Наиболее близким к заявляемому устройству индукционного нагрева является индукционный воспламенитель (патент РФ №2675000, МПК F42B 3/10, опубликован 14.12.2018). Индукционный воспламенитель состоит из корпуса и вкладыша, который выполнен из диэлектрического материала в форме стакана с глухим дном с разной толщиной стенок. В нижней части вкладыша, выполненной с меньшей толщиной стенки, установлена катушка индуктивности. Во внутреннюю полость вкладыша запрессована воспламенительная навеска, выполненная из взрывчатого материала, который содержит металлические частицы или частицы графита, выполняющие инициирующую функцию при нагреве. Вкладыш и катушка индуктивности установлены внутрь корпуса, выполненного в виде полого цилиндра с дном, имеющим два отверстия под электрические выводы катушки индуктивности. Полости между катушкой индуктивности, вкладышем и корпусом заполнены клеем. Данное устройство выбрано за прототип как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату.

Преимуществом прототипа, также как и аналогов, является высокая скорость задействования навески. По сравнению с аналогом, при использовании индукционного воспламенителя возможно бесконтактное нагревание взрывчатого вещества.

Недостатком прототипа является использование различного рода пластиков в качестве материала вкладыша, следовательно, данное устройство работоспособно при температуре не выше температуры разложения материала вкладыша. Разложение вкладыша исключает многократное использование устройства, так как данный материал обладает низкими прочностными характеристиками, а при его нагреве выделяется большое количество газообразных продуктов. Кроме этого, данная категория материалов имеет низкую стойкость но отношению к химически активным веществам, что может привести к выходу их наружу.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение безопасности при нагреве вещества и расширение функциональных возможностей устройства.

При использовании изобретения достигается следующий технический результат:

- многократное использование индукционного нагревателя;

- расширение диапазона рабочих параметров (температура, давление) и прочности составных элементов устройства при нагревании вредных и токсичных материалов внутри контейнера;

- исключение выхода наружу химически активных веществ, что обеспечивает безопасность устройства.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется устройство индукционного нагрева, содержащее контейнер, в котором размещен корпус с нагреваемым веществом, индукционный нагреватель. Контейнер выполнен герметичным. Индукционный нагреватель установлен на внешней поверхности контейнера. Корпус выполнен из ферромагнитного материала, при этом удельная электрическая проводимость (σ) и относительная магнитная проницаемость (μ) материала контейнера меньше соответствующих характеристик материала корпуса. Индукционный нагреватель может быть выполнен с магнитопроводом. Внутри контейнера могут быть установлены концентраторы магнитного поля.

Многократное использование индукционного нагревателя обеспечивается за счет его расположения на внешней поверхности контейнера, выполненного из прочного материала, что обеспечивает полное отсутствие воздействия на него продуктов горения, детонации и других факторов, возникающих при задействовании пиротехнических составов, ВВ, порохов и прочих химических веществ.

В заявленном устройстве нагрев вещества происходит за счет его разогрева от стенки корпуса, которая в свою очередь разогревается за счет индуцируемых в материале корпуса вихревых токов. Для реализации такой ситуации необходимо, чтобы в процессе воздействия электромагнитного поля индукционного нагревателя глубина проникновения электромагнитной волны (Δ) в материал контейнера была больше, чем толщина стенки контейнера.

Глубина проникновения электромагнитной волны (Δ) зависит от удельного электрического сопротивления (ρ), относительной магнитной проницаемости и частоты тока по следующей формуле:

где с - скорость света в вакууме; электрическая постоянная равная 8,85419⋅10-12 Ф/м.

При подборе материалов контейнера и корпуса с вышеуказанным соотношением σ и μ. частота тока в индукционном нагревателе должна обеспечивать величину Δ в материале контейнера большую, чем его толщина, В таком случае, часть электромагнитного излучения попадает во внутрь контейнера, которая активно поглощается материалом корпуса, обеспечивая эффективный его разогрев за счет вихревых токов.

Расположенное в корпусе вещество нагревается от стенки корпуса. При этом температура разогрева контейнера ниже, чем температура корпуса. Снижение температуры контейнера обеспечивает расширение диапазона рабочих параметров (температура, давление) и прочности составных элементов устройства при задействовании вредных и токсичных материалов внутри контейнера, и сохранение прочностных характеристик материала контейнера на исходном уровне. Исключение выхода наружу химически активных веществ обеспечивается тем, что контейнер выполнен герметичным из металлических материалов, отсутствуют гермовводы, а температура контейнера ниже, чем температура корпуса с нагреваемым веществом.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство индукционного нагрева.

На фиг. 2 представлено устройство индукционного нагрева с магнитопроводом и концентраторами магнитного поля.

На фиг. 3 представлен график зависимости температур от времени: Т1 - герметичный контейнер и Т2 - корпус с нагреваемым веществом.

На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения: 1 - контейнер, 2 -корпус, 3 - нагреваемое вещество, 4 - индукционный нагреватель, 5 -концентраторы магнитного поля, 6 -магнитопровод. Пунктирной линией схематично изображены линии магнитного поля.

Устройство на фиг. 1 содержит герметичный контейнер 1, выполненный из материала с минимальными характеристиками удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости. Внутри контейнера располагается корпус 2 с нагреваемым веществом 3. Корпус 2 выполнен из магнитного материала с высоким значением удельной электрической проводимости. Снаружи контейнера 1 установлен индукционный нагреватель 4. В устройстве на фиг. 2 корпус 2 с нагреваемым веществом 3 располагается между концентраторами магнитного поля 5, а индукционный нагреватель 4 снабжен магнитопроводом 6.

Работает заявляемое устройство следующим образом. При подаче на индукционный нагреватель 4 переменного электрического тока определенной частоты (при которой величина Д больше толщины стенки контейнера) возникает переменное магнитное поле. При этом, энергия переменного магнитного поля частично поглощается материалом контейнера 1. За счет выполнения контейнера 1 из материала с низкими характеристиками удельной электрической проводимости и относительной магнитной проницаемости, которые ниже, чем у материала корпуса, часть энергии электромагнитного поля проникает внутрь контейнера 1. За счет выполнения корпуса из материала с высокими характеристиками удельной электрической проводимости и относительной магнитной проницаемости, энергия электромагнитного поля, попавшая внутрь контейнера, активно поглощается материалом корпуса, что обеспечивает эффективный разогрев корпуса 2 и расположенного в нем вещества 3. При этом, происходит разогрев контейнера 1 и корпуса 2 с нагреваемым веществом 3 за счет индуцируемых вихревых токов таким образом, что рост температуры нагрева корпуса 2 с нагреваемым веществом 3 опережает рост температуры нагрева контейнера 1.

Примером конкретного выполнения является устройство для индукционного нагрева с контейнером, выполненным из жаропрочной нержавеющей стали 12Х18Н10Т (μ=1, ρ=7,25⋅10-7 Ом⋅м). В контейнер устанавливался корпус из стали 30ХГС (μ≈600, ρ=2,1⋅10-7 Ом⋅м) с толщиной стенки 2,5 мм с запрессованной в него навеской пиротехнического состава на основе циркония и тетраоксида свинца с добавкой коллоксилина (температурой воспламенения 200 - 250°С). Корпус с навеской пиротехнического состава располагался между двумя концентраторами магнитного поля из стали 45. Индукционный нагреватель располагался снаружи контейнера в районе геометрического центра корпуса и представлял собой двухслойную катушку из 9 витков медной трубки. Для задействования пиротехнического состава на индукционный нагреватель подавался переменный ток с частотой 500 Гц и амплитудой тока 450 А. При этом, задействование пиротехнического состава осуществлялось через 40 секунд. При задействовании пиротехнического состава температура контейнера составляла 80°С, а температура корпуса с нагреваемым веществом - 220°С. Данное устройство подходит для нагрева и других химических веществ, например, ВВ, пороха и других, в том числе веществ при горении (или нагреве) которых могут выделяться газообразные продукты. На фиг. 3 представлены графики зависимости температуры корпуса (Т2) и температуры контейнера (Т1) от времени, полученные при задействовании навески.

1. Устройство индукционного нагрева, содержащее контейнер, в котором размещен корпус с нагреваемым веществом, индукционный нагреватель, отличающееся тем, что контейнер выполнен герметичным из материала, глубина проникновения электромагнитной волны в котором превышает толщину стенки контейнера, индукционный нагреватель установлен на внешней поверхности контейнера, корпус выполнен из ферромагнитного материала, при этом величина удельной проводимости и относительной магнитной проницаемости материала контейнера меньше, чем материала корпуса.

2. Устройство индукционного нагрева по п. 1, отличающееся тем, что индукционный нагреватель выполнен с магнитопроводом.

3. Устройство индукционного нагрева по п. 1, отличающееся тем, что внутри контейнера расположены концентраторы магнитного поля.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к пищевому оборудованию. Устройство (100) для приготовления и розлива напитков содержит средство (2) подачи для подачи воды, нагреватель (4) для нагревания воды, насос (5) для подачи воды из средства (2) подачи в (4), логический блок (6) для управления нагревателем (4) и насосом (5), устройство (10) для нагревания и/или вспенивания молока, содержащее смесительную камеру (11), оснащенную впуском (11а) пара, гидравлически соединенным с упомянутым нагревателем (4), средство (12) для подачи молока в камеру (11) и средство (13) для ввода воздуха в камеру (11).

Группа изобретений относится к пищевому оборудованию. Устройство (100) для приготовления и розлива напитков содержит средство (2) подачи для подачи воды, нагреватель (4) для нагревания воды, насос (5) для подачи воды из средства (2) подачи в (4), логический блок (6) для управления нагревателем (4) и насосом (5), устройство (10) для нагревания и/или вспенивания молока, содержащее смесительную камеру (11), оснащенную впуском (11а) пара, гидравлически соединенным с упомянутым нагревателем (4), средство (12) для подачи молока в камеру (11) и средство (13) для ввода воздуха в камеру (11).

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении эффективности, надежности и уменьшении габаритов.

Изобретение относится к электрическим нагревательным устройствам и может быть использовано для нагрева преимущественно жидких и газообразных веществ. Изобретение может применяться, в том числе, для создания эффективных устройств и систем отопления жилых и производственных помещений.

Изобретение относится к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и для создания теплообмена, в частности к прямоточным электрическим парогенераторам. В электрическом пароперегревателе, включающем плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, предназначенными для создания замкнутого магнитного поля в них, первичные обмотки, расположенные в виде катушек на стержнях и электрически изолированные от них, трубчатую вторичную обмотку, имеющую подводящий и отводящий патрубки и расположенную в магнитном поле изолированно и охватывающую все стержни ферромагнитного сердечника так, что вокруг каждого стержня образует один или несколько замкнутых витков, трубчатая вторичная обмотка состоит из внутренней рабочей трубы и выполнена многослойной из металлов так, что начиная с внутренней рабочей трубы каждый последующий слой полностью охватывает предыдущий, а по поверхности соприкосновения металлов внутренней рабочей трубы и каждого слоя обеспечено частичное взаимное растворение пограничных металлов.

Изобретение относится к табачной промышленности, более конкретно - к индукционному нагревательному устройству для электронной сигареты. Предложено индукционное нагревательное устройство для использования с устройством для нагрева курительного материала для испарения, по меньшей мере, одного компонента упомянутого курительного материала.

Изобретение относится к технологии термического соединения двух элементов из полимерного материала посредством индукционной сварки. Нагревательное устройство (110) для термического соединения трубы (150), выполненной из первого полимерного материала, с муфтой (160), выполненной из второго полимерного материала, которая охватывает, по меньшей мере, участок трубы (150), при этом между трубой (150) и муфтой (160) и/или встроенный в трубу (150) и/или муфту (160) расположен нагревательный элемент (170), нагреваемый посредством индукции, включает узел обмоток (120), возбуждаемый генератором (140) и содержащий первую обмотку (121), которая в первом поперечном сечении содержит по меньшей мере один виток, и вторую обмотку (122), которая электрически соединена с первой обмоткой (121) и во втором поперечном сечении содержит по меньшей мере один виток, при этом первое и второе поперечные сечения являются различными; устройство включает емкостный элемент, который вместе с узлом обмоток (120) образует резонансный контур.

Изобретение относится к курительным элементам для использования совместно с устройством для нагревания курительного материала. Техническим результатом является быстрое повышение температуры и более равномерное распределение тепла.

Изобретение относится к курительным элементам для использования совместно с устройством для нагревания курительного материала. Техническим результатом является быстрое повышение температуры и более равномерное распределение тепла.

Изобретение относится к средствам для нагревания курительного материала. Технический результат заключается в испарении по меньшей мере одного компонента указанного курительного материала путем нагревания материала, а не его сжигания.

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано при создании взрывателей и неконтактных датчиков цели для зенитных ракет и снарядов. Техническим результатом является повышение помехозащищенности неконтактных датчиков цели ракет и снарядов от воздействия средств радиоподавления сверхзвуковых летательных аппаратов.
Наверх