Высокочастотный индукционный. Индукционный высокочастотный нагрев. Индуктивный разряд без внешнего магнитного поля

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЧ - индукционный разряд: условия горения, конструкция и область применения

Введение

Одним из важнейших вопросов организации плазменных технологических процессов является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данной технологии, например: высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее перспективными для применения в промышленных технологиях являются высокочастотные (ВЧ) источники плазмы, так как, во-первых, с их помощью можно обрабатывать как проводящие, так и диэлектрические материалы, а во- вторых, в качестве рабочих газов можно использовать не только инертные, но и химически активные газы. Сегодня известны источники плазмы, основанные на емкостном и индуктивном ВЧ-разрядах. Особенностью емкостного ВЧ-разряда, наиболее часто используемой в плазменных технологиях, является существование при электродных слоев объемного заряда, в которых формируется среднее по времени падение потенциала, ускоряющего ионы в направлении электрода. Это позволяет обрабатывать с помощью ускоренных ионов образцы материалов, расположенные на электродах ВЧ-емкостного разряда. Недостатком источников емкостного ВЧ-разряда является относительно низкая концентрация электронов в основном объеме плазмы. Значительно более высокая концентрация электронов при тех же ВЧ-мощностях характерна для индуктивных ВЧ-разрядов.

Индуктивный ВЧ-разряд известен уже более ста лет. Это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника плазмы. Еще в 1891 г. Дж. Томсон высказал предположение о том, что индуктивный разряд вызывается и поддерживается вихревым электрическим полем, которое создается магнитным полем, в свою очередь, индуцируемым током, текущим по антенне. В 1928-1929 гг., полемизируя с Дж. Томсоном, Д. Таунсенд и Р. Дональдсон высказали идею о том, что индуктивный ВЧ-разряд поддерживается не вихревыми электрическими полями, а потенциальными, появляющимися благодаря наличию разности потенциалов между витками индуктора. В 1929 г. К. Мак-Кинтон экспериментально показал возможность существования двух режимов горения разряда. При малых амплитудах ВЧ-напряжения разряд действительно возникал под действием электрического поля между витками катушки и носил характер слабого продольного свечения вдоль всей газоразрядной трубки. С увеличением амплитуды ВЧ-напряжения свечение становилось ярче и наконец возникал яркий кольцевой разряд. Свечение, вызванное продольным электрическим полем, при этом исчезало. Впоследствии эти две формы разряда были названы Е- Н - разрядом соответственно.

Области существования индуктивного разряда можно условно разделить на две большие области : это высокие давления (порядка атмосферного давления), при которых генерируемая плазма близка к равновесной, и низкие давления, при которых генерируемая плазма является неравновесной.

Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов . Виды высокочастотных разрядов

Для возбуждения и поддержания тлеющего разряда постоянного тока необходимо, чтобы два проводящих (металлических) электрода находились в непосредственном контакте с зоной плазмы. С технологической точки зрения такая конструкция плазмохимического реактора является не всегда удобной. Во-первых, при проведении процессов плазменного нанесения диэлектрических покрытий непроводящая пленка может также образовываться и на электродах. Это приведет к увеличению нестабильности разряда и в конечном итоге к его затуханию. Во-вторых, в реакторах с внутренними электродами всегда существует проблема загрязнений целевого процесса материалами, удаляемыми с поверхности электрода в ходе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать этих проблем, в том числе и полностью, отказаться от использования внутренних электродов, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых не постоянным, а переменным электрическим полем.

Основные эффекты, имеющие место в периодических разрядах, определяются соотношениями между характерными частотами плазменных процессов и частотой приложенного поля. Целесообразно рассмотреть три характерных случая:

Низкие частоты. При частотах внешнего поля до 10 2 - 10 3 Гц ситуация близка к реализуемой в постоянном электрическом поле. Однако если характерная частота гибели зарядов v d меньше частоты поля w(v d ?w), заряды после изменения знака поля успевают исчезнуть раньше, чем величина поля достигнет значения достаточного для поддержания разряда. Тогда разряд будет дважды гаснуть и поджигаться за период изменения поля. Напряжение повторного зажигания разряда должно зависеть от частоты. Чем выше частота, тем меньшая доля электронов успеет исчезнуть за время существования поля, недостаточного для поддержания разряда, тем ниже потенциал повторного зажигания. На низких частотах после пробоя соотношение между током и напряжением горения отвечает статической вольтамперной характеристике разряда (рис. 1, кривая 1). Параметры разряда “отслеживают” изменения напряжения.

Промежуточные частоты. При увеличении частоты, когда характерные частоты плазменных процессов соизмеримы и несколько меньше частоты поля (v d ?w), состояние разряда не успевает “следить” за изменением питающего напряжения. В динамической ВАХ разряда появляется гистерезис (рис. 1, кривая 2).

Высокие частоты. При выполнении условия < v d <

Рис. 1. Вольтамперные характеристики периодических разрядов: 1-статическая ВАХ, 2 - ВАХ в переходной области частот, 3 - установившаяся динамическая ВАХ

Существует множество видов электрических разрядов в газе в зависимости от характера приложенного поля (постоянное электрическое поле, переменное, импульсное, (ВЧ), сверх высоко частотные (СВЧ)), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п.

Для ВЧ-разрядов существуют следующие способы возбуждения: 1) емкостной при частотах менее 10 кГц, 2) индукционный при частотах в диапазоне 100 кГц - 100 Мгц. Данные способы возбуждения подразумевают использование генераторов данных диапазонов. При емкостном способе возбуждения электроды могут быть установлены внутри рабочей камеры или снаружи, если камера изготовлена из диэлектрика (рис.2 а,б). Для индукционного способа применяются специальные катушки, количество витков которых зависит от используемой частоты (рис.2 в).

ВЧ индукционный разряд

Высокочастотны индукционный (безэлектродные) разряд в газах известно еще с конца прошлого столетия. Однако полностью понять его удалось не сразу. Индукционный разряд легко наблюдать, если внутрь соленоида, по которому течет достаточно сильный ток высокой частоты, поместить откачанный сосуд. Под действием вихревого электрического поля, которое индуцируется переменным магнитным потоком, в остаточном газе возникает пробой и зажигается разряд. На поддержание разряда (ионизации) затрачивается Джоулево тепло кольцевых индукционных токов, текущих в ионизованном газе вдоль силовых линий вихревого электрического поля (магнитные силовые линии внутри длинного соленоида параллельны оси; рис. 3).

Рис.3 Схема полей в соленоиде

Среди старых работ по безэлектродному разряду наиболее обстоятельные исследования принадлежат Дж.Томсону 2, который, в частности, экспериментально доказал индукционную природу разряда и вывел теоретические условия зажигания: зависимость порогового для пробоя магнитного поля от давления газа (и частоты). Подобно кривым Пашена для пробоя разрядного промежутка в постоянном электрическом поле кривые зажигания имеют минимум. Для практического диапазона частот (от десятых долей до десятков мегагерц) минимумы лежат в области низких давлений; поэтому разряд обычно и наблюдался только в сильно разреженных газах.

Условия горения ВЧ - индукционного разряда

Индуктивный ВЧ-разряд -- это разряд, возбуждаемый током, текущим по индуктору, расположенному на боковой или торцевой поверхности, как правило, цилиндрического источника плазмы (рис. 4а, б). Центральным вопросом физики индуктивного разряда низкого давления является вопрос о механизмах и эффективности поглощения ВЧ-мощности плазмой. Известно , что при чисто индуктивном возбуждении ВЧ-разряда его эквивалентную схему можно представить в виде, изображенном на рис. 1г. ВЧ- генератор нагружен на трансформатор, первичная обмотка которого состоит из антенны, по которой течет ток, создаваемый генератором, а вторичной обмоткой является ток, индуцированный в плазме. Первичная и вторичная обмотки трансформатора связаны коэффициентом взаимной индукции М. Трансформаторную схему можно легко свести к схеме, представляющей собой последовательно соединенные активное сопротивление и индуктивность антенны, эквивалентные сопротивления и индуктивность плазмы (рис. 4д), так что мощность ВЧ-генератора P gen оказывается связанной с мощностью P an t выделяемой в антенне, и мощностью Р р1 , выделяемой в плазме, выражениями

где I -- ток, текущий через антенну, P ant -- активное сопротивление антенны, R p 1 -- эквивалентное сопротивление плазмы.

Из формул (1) и (2) видно, что когда нагрузка согласована с генератором, активная ВЧ-мощность Pgen, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, распределяется между двумя каналами, а именно: одна часть мощности идет на нагрев антенны, а другая часть поглощается плазмой. Ранее в подавляющем числе работ a priori полагалось, что в условиях экспериментов

R pl > R antvv (3)

и свойства плазмы определяются мощностью ВЧ-гене- ратора, полностью поглощаемой плазмой. В середине 1990-х годов В. Годяк с сотрудниками убедительно показали , что в разрядах низких давлений соотношение (3) может нарушаться. Очевидно, что при условии

R pi ? R ant (4)

поведение индуктивного ВЧ-разряда кардинально меняется.

Рис. 4 . Схемы (а, б) индуктивных источников плазмы и (в) индуктивного источника плазмы с емкостной компонентой, (г, д) эквивалентные схемы чисто индуктивного разряда.

Теперь параметры плазмы зависят не только от мощности ВЧ-генератора, но и от эквивалентного сопротивления плазмы, которое, в свою очередь, зависит от параметров плазмы и условий ее поддержания. Это приводит к появлению новых эффектов, связанных с самосогласованным перераспределением мощности во внешней цепи разряда. Последнее может существенно сказываться на эффективности работы источников плазмы. Очевидно, что ключ к пониманию поведения разряда в режимах, соответствующих неравенству (4), а также к оптимизации работы плазменных устройств лежит в закономерностях изменения эквивалентного сопротивления плазмы при изменении параметров плазмы и условий поддержания разряда.

Конструкция ВЧ - индукционного разряда

Основы для современных исследований и применений безэлектродных разрядов были заложены работами Г. И. Бабата, которые проводилисьперед самой войной на Ленинградском электроламповом заводе?Светлана?. Эти работы были опубликованы в 1942 г. 3 и стали широко известны за рубежом после публикации в Англии в 1947 г. 4. Бабат создал высокочастотные ламповые генераторы с мощностями порядка сотни киловатт, что позволило ему получать мощные безэлектродные разряды в воздухе при давлениях вплоть до атмосферного. Бабат работал в диапазонечастот 3--62 Мгц, индукторы состояли из нескольких витков диаметром порядка 10 см. В разряд высокого давления вводилась огромная по тому времени мощность до нескольких десятков киловатт (впрочем, такие величины являются высокими и для современных установок). ?Пробить? воздух или другой газ при атмосферном давлении, конечно, не удавалось даже при самых больших токах в индукторе, поэтому для зажигания разряда приходилось принимать специальные меры. Проще всего было возбуждать разряд при низком давлении, когда пробивные поля невелики, а затем постепенно повышать давление, доводя его до атмосферного. Бабат отмечал, что при протекании газа через разряд последний может быть погашен, если дутье слишком интенсивно. При больших давлениях был обнаружен эффект контрагирования, ф е. отрыва разряда от стенок разрядной камеры. В 50-х годах появилось несколько статей по безэлектродному разряду 5~7. Кабанн 5 исследовал разряды в инертных газах при низких давлениях от 0,05 до 100 мм рт. ст. и небольших мощностях до 1 кет на частотах 1--3 Мгц, определял кривые зажигания, калориметрическим методом измерял мощность, вводимую в разряд, с помощью зондов измерял электронные концентрации. Кривые зажигания во многих газах были также получены в 7. В работе 6 делалась попытка использовать разряд для ультрафиолетовой спектроскопии. Безэлектродная плазменная горелка, к которой очень близки нынешние установки, была сконструирована Ридом в 1960 г. 8. Схема и фотография ее показаны на рис. 2. Кварцевую трубку диаметром 2,6 см охватывал пятивитковый индуктор, сделанный из медной трубки с расстоянием между витками 0,78 см. Источником питания служил промышленный высокочастотный генератор с максимальной выходной мощностью 10 кет; рабочая частота 4 Мгц. Для поджигания разряда использовался подвижной графитовый стержень. Стержень, вдвинутый в индуктор, разогревается в высокочастотном поле и эмиттирует электроны. Нагревается и расширяется окружающий газ, и в нем происходит пробой. После зажигания стержень удаляется, а разряд продолжает гореть. Наиболее существенным моментом в этой установке было использо- вание тангенциальной подачи газа. Рид указывал, что образовавшаяся плазма должна достаточно быстро распространяться против потока газа, стремящегося ее снести. В противном случае разряд погаснет, как это происходит с нестабилизированными пламенами. При малых скоростях потока поддержание плазмы может обеспечивать обычная теплопроводность. (Роль теплопроводности в разрядах высокого давления отмечал и Кабанн 5).) Однако при больших скоростях подачи газа необходимо принимать меры для рециркуляции части плазмы. Удовлетворительным решением этой задачи явилась примененная Ридом вихревая стабилизация, при которой газ подается в трубку по касательной и протекает через нее, совершая винтовое движение. Вследствие центробежного разбегания газа в приосевой части трубки образуется столб пониженного давления. Осевого течения здесь почти нет, и часть плазмы засасывается вверх по потоку. Чем больше скорость подачи, тем выше против потока проникает светящаяся плазма. Кроме того, при таком способе подачи газ протекает вдоль трубки в основном у ее стенок, отжимает разряд от стенок и изолирует последние от разрушительного действия высоких температур, что дает возможность работать при повышенных мощностях. Эти качественные соображения, кратко высказанные Ридом, очень важны для понимания явлений, хотя они, быть может, и не вполне точно отображают существо дела. К вопросу о поддержании плазмы, который представляется самым серьезным при рассмотрении стационарного стабилизированного разряда в потоке газа, мы еще вернемся ниже, в гл. IV.

Рид работал с аргоном и со смесями аргона с гелием, водородом, кислородом, воздухом. Он отмечал, что легче всего поддерживать разряд в чистом аргоне. Расходы аргона составляли 10--20 л/мин (средниепо сечению трубки скорости газа 30--40 см/сек) при введении в разряд мощностей 1,5--3 кет, составляющих примерно половину мощности, потребляемой генератором. Рид определял баланс энергии в плазмотроне и оптическим методом измерял пространственное распределение температуры в плазме.

Он опубликовал еще несколько статей: о мощных индукционных разрядах при низких давлениях 9, об измерениях теплопередачи к зондам, внесенным в различные точки плазменного факела10, о выращивании кристаллов тугоплавких материалов с помощью индукционной горелки и.

Индукционная плазменная горелка, похожая по своей конструкции на ридовскую, была несколько позднее описана в работах Ребу4 5 " 4 6.Ребу использовал ее для выращивания кристаллов и изготовления сферических частиц тугоплавких материалов.

Начиная примерно с 1963 г., в нашей и зарубежной печати появляется много работ, посвященных экспериментальному исследованию индукционных разрядов высокого давления как в замкнутых сосудах, так и в потоке газа1 2-3 3 ЃE 4 0-4 4-5 3 ЃE 8 0.

Измеряются пространственные распределения температуры в области разряда и в плазменном факеле, распределения электронных концентраций. Здесь, как правило, используются известные оптические, спектральные и зондовые методы, обычно применяемые при исследовании плазмы дуговых разрядов. Измеряются мощности, вкладываемые в разряд, при разных напряжениях на индукторе, разных расходах газа, различные зависимости параметров для разных газов, частот и т. д. Трудно установить какие-то единые зависимости, скажем, температуры плазмы от мощности, вкладываемой в разряд, так как все зависит от конкретных условий: диаметра трубки, геометрии индуктора, скорости подачи газа и т. д. Общим результатом многих работ является вывод о том, что при мощности порядка нескольких или десятка киловатт температура аргоновой плазмы достигает примерно 9000--10 000° К.

Распределение температуры в основном имеет характер?плато? в середине трубки и резко спадает вблизи стенок, однако?плато? не совсем ровное, в центральной части получается небольшой провал величиной обычно в несколько сотен градусов. В других газах температуры также порядка 10 000°, в зависимости от рода газа и других условий. В воздухе температуры получаются более низкими, чем в аргоне при той же мощности, и, наоборот, для достижения тех же температур требуются в несколько раз большие мощности 31. Температура немного растет с ростом мощности и слабо зависит от расхода газа. На рис. 3 и 4 приведены для иллюстрации распределения температуры по радиусу, поле температур (изотермы), распределения электронных концентраций. Опыты27 показали, что при увеличении скорости подачи и расхода газа (при тангенциальной подаче) разряд все больше отжимается от стенок и радиус разряда изменяется примерно от 0,8 до 0,4 радиуса трубки. При увеличении расхода газа несколько уменьшается и вклады- ваемая в разряд мощность, что связано с уменьшением радиуса разряда, т. е. потока или расхода плазмы. При разрядах в замкнутых сосудах, без протока газа, светящаяся область разряда обычно очень близко подступает к боковым стенкам сосуда. Измерения электронных концентраций показали, что состояние плазмы при атмосферном давлении близко к. термодинамически равновесному. Измеренные концентрации и температуры с удовлетворительной точностью укладываются в уравнение Саха.

Индукционный ВЧ - разряд

В настоящее время известны источники плазмы низкого давления, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде, в отсутствие магнитного поля, а также на индуктивном ВЧ-разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией, соответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) и условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа - Голда (ТГ) (далее называемых геликонными источниками).

Известно, что в плазме индуктивного разряда ВЧ-электрические поля скинируются, т.е. нагрев электронов осуществляется в узком пристеночном слое. При приложении к плазме индуктивного ВЧ-разряда внешнего магнитного поля появляются области прозрачности, в которых ВЧ-поля проникают вглубь плазмы и нагрев электронов осуществляется во всем ее объеме. Этот эффект использован в источниках плазмы, принцип действия которых основан на ЭЦР. Такие источники работают главным образом в микроволновом диапазоне (2,45 ГГц) . Микроволновое излучение вводится, как правило, через кварцевое окно в цилиндрическую газоразрядную камеру, в которой с помощью магнитов формируется неоднородное магнитное поле. Магнитное поле характеризуется наличием одной или нескольких резонансных зон, в которых выполняются условия ЭЦР и происходит ввод ВЧ-мощности в плазму. В радиочастотном диапазоне ЭЦР используется в так называемых источниках плазмы с нейтральным контуром . Существенную роль в генерации плазмы и формировании структуры разряда играет нейтральный контур, представляющий собой непрерывную последовательность точек с нулевым магнитным полем. Замкнутый магнитный контур формируется с помощью трех электромагнитов. Токи в обмотках верхней и нижней катушек имеют одинаковое направление. Ток средней катушки течет в обратном направлении. ВЧ-индукционный разряд с нейтральным контуром характеризуется высокой плотностью плазмы (10 11 - 10 12 см~ 3) и низкой температурой электронов (1 -4 эВ).

Индуктивный разряд без внешнего магнитного поля

В качестве независимой переменной по оси абсцисс отложена мощность P pi , поглощенная плазмой. Естественно предположить, что плотность плазмы п е пропорциональна P pi , однако следует отметить, что для различных источников плазмы коэффициенты пропорциональности между P pi и п е будут различаться. Как видно, общей тенденцией поведения эквивалентного сопротивления R pi является его возрастание в области относительно небольших значений вложенной мощности, а затем его насыщение.

Напротив, в области высоких концентраций электронов, где преобладает бесстолкновительное поглощение, т.е. в области аномального скин-эффекта, зависимость R pl (n e) близка к полученной для сред с сильной пространственной дисперсией . В целом, немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от плотности плазмы объясняется конкуренцией двух факторов: с одной стороны, поглощение ВЧ-мощности возрастает с увеличением концентрации электронов, с другой стороны, глубина скин-слоя, определяющая ширину области поглощения ВЧ-мощности, убывает с увеличением п е.

Теоретическая модель источника плазмы , возбуждаемого спиральной антенной, расположенной на его верхней торцевой поверхности, предсказывает отсутствие зависимости эквивалентного сопротивления плазмы от длины источника плазмы при условии, что глубина скин-слоя меньше, чем длина источника плазмы. Физически этот результат очевиден, так как поглощение ВЧ-мощности происходит в пределах скин-слоя. В условиях экспериментов глубина скин-слоя заведомо меньше длины источников плазмы, поэтому неудивительно, что эквивалентное сопротивление плазмы источников, оснащенных верхней торцевой антенной, не зависит от их длины. Напротив, в случае расположения антенны на боковой поверхности источников увеличение длины источника, сопровождающееся одновременным увеличением длины антенны, приводит к увеличению области, в которой происходит поглощение ВЧ-мощности, т.е. к удлинению скин-слоя, поэтому в случае боковой антенны эквивалентное сопротивление возрастает с увеличением длины источника.

Эксперименты и расчеты показали, что при низких давлениях абсолютные значения эквивалентного сопротивления плазмы невелики. Увеличение давления рабочего газа приводит к существенному повышению эквивалентного сопротивления. Этот эффект многократно отмечался как в теоретических, так и в экспериментальных работах . Физическая причина увеличения способности плазмы поглощать ВЧ-мощность при возрастании давления лежит в механизме поглощения ВЧ-мощности. Как видно из рис. 5, при минимальном из рассмотренных давлений, р -- 0,1 мторр, преобладающим является черенковский механизм диссипации. Электрон-атомные столкновения практически не оказывают влияния на величину эквивалентного сопротивления, а электрон-ионные столкновения приводят лишь к незначительному повышению эквивалентного сопротивления при п е > 3 х 10 11 см-- 3 . Увеличение давления, т.е. частоты электрон-атомных столкновений, приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления вследствие повышения роли столкновительного механизма поглощения ВЧ-мощности. Это видно из рис. 5, на котором показано отношение эквивалентного сопротивления, рассчитанного с учетом столкновительного и бесстол- кновительного механизмов поглощения, к эквивалентному сопротивлению, рассчитанному только с учетом столкновений.

Рис. 5 . Зависимость отношения эквивалентного сопротивления Rpi, рассчитанного с учетом столкновительного и бесстолкновительного механизмов поглощения, к эквивалентному сопротивлению Rpi, рассчитанному только с учетом столкновений, от плотности плазмы. Расчет выполнен для плоских дискообразных источников радиусом 10 см при давлении нейтрального газа 0,3 мторр (1), 1 мторр (2), 10 мторр (3), 100 мторр (7), 300 мторр (5).

Индуктивный разряд с внешним магнитным полем

В экспериментах использовались источники плазмы, оснащенные спиральными антеннами, расположенными на боковой и торцевой поверхностях источников, а также антеннами Nagoya III. Для рабочей частоты 13,56 МГц область магнитных полей В « 0,4--1 мТл соответствует условиям ЭЦР, а область В > 1 мТл -- условиям возбуждения геликонов и волн Трайвелписа-Голда .

При низких давлениях рабочего газа (р ^ 5 мторр) эквивалентное сопротивление плазмы без магнитного поля существенно меньше по величине, чем в "геликон- ной" области. Величины R pl , полученные для области ЭЦР, занимают промежуточное положение, причем здесь эквивалентное сопротивление монотонно увеличивается с возрастанием магнитного поля. Для "геликон- ной" области характерна немонотонная зависимость эквивалентного сопротивления от магнитного поля, причем немонотонность R pl (B) в случае торцевой спиральной антенны и антенны Nagoya III выражена значительно сильнее, чем в случае боковой спиральной антенны. Положение и количество локальных максимумов кривой ^pi(B) зависят от вложенной ВЧ-мощности, длины и радиуса источника плазмы, рода газа и его давления.

Увеличение вкладываемой мощности, т.е. концентрации электронов п е, приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления и смещению основного максимума функции ^pi(B) в область больших магнитных полей, а в ряде случаев и к появлению дополнительных локальных максимумов. Сходный эффект наблюдается и при увеличении длины источника плазмы .

Возрастание давления в диапазоне 2-5 мторр, как видно из рис. 4б, не приводит к существенным изменениям характера зависимости ^ pl (B), однако при давлениях, превышающих 10 мторр, немонотонность зависимости эквивалентного сопротивления от магнитного поля исчезает, абсолютные значения эквивалентного сопротивления падают и становятся меньше значений, полученных без магнитного поля.

Анализ физических механизмов поглощения ВЧ- мощности плазмой индуктивного разряда при условиях ЭЦР и условиях возбуждения геликонов и ТГ-волн проводился во многих теоретических работах . Аналитическое рассмотрение задачи о возбуждении геликонов и ТГ-волн в общем случае связано со значительными трудностями, так как необходимо описать две связанные между собой волны. Напомним, что геликон -- это быстрая поперечная волна, а ТГ-волна -- медленная продольная. Геликоны и ТГ-волны оказываются независимыми только в случае пространственно неограниченной плазмы, в которой они представляют собой собственные моды колебаний замагниченной плазмы. В случае ограниченного цилиндрического источника плазмы задачу удается решить лишь численно. Однако основные черты физического механизма поглощения ВЧ-мощности при В > 1 мТл можно проиллюстрировать с помощью развитого в геликонного приближения, описывающего процесс возбуждения волн в плазме при условии выполнения неравенств

Область применения

высокочастотный горение магнитный плазма

Плазменные реакторы и источники ионов, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде низкого давления, уже в течение нескольких десятилетий представляют собой важнейшую составляющую современных земных и космических технологий. Широкому распространению технических применений индуктивного ВЧ-разряда способствуют его основные достоинства возможность получения высокой концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ- мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическими электродами, небольшая температура электронов, а следовательно, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Последнее помимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяет избежать повреждения поверхности образцов при их обработке в разряде ионами высоких энергий.

Типичными примерами источников плазмы, работающих на индуктивном ВЧ-разряде без магнитного поля, являются плазменные реакторы, предназначенные для травления подложек , источники ионов, предназначенные для реализации земных ионно-пучковых технологий и работы в космосе в качестве двигателей коррекции орбиты космических аппаратов , источники света . Общей конструктивной особенностью перечисленных устройств является наличие газоразрядной камеры (ГРК), на внешней поверхности которой или внутри ее расположен индуктор или антенна. С помощью антенны, подключенной к высокочастотному генератору, в объем ГРК вводится ВЧ-мощность и зажигается безэлектродный разряд. Токи, текущие по антенне, индуцируют в плазме вихревое электрическое поле, которое нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего газа. Типичные плотности плазмы в плазменных реакторах составляют величину 10 11 - 3 х 10 12 см~ 3 , а в источниках ионов -- 3 х 10 10 - 3 х 10 11 см~ 3 . Характерное давление нейтрального газа в плазменных реакторах изменяется от 1 до 30 мторр, в источниках ионов составляет величину 0,1 мторр, в источниках света -- 0,1-10 торр.

Плазменные реакторы и источники ионов, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ-разряде низкого давления, уже в течение нескольких десятилетий представляют собой важнейшую составляющую современных земных и космических технологий. Широкому распространению технических применений индуктивного ВЧ-разряда способствуют его основные достоинства -- возможность получения высокой концентрации электронов при относительно невысоком уровне ВЧ- мощности, отсутствие контакта плазмы с металлическими электродами, небольшая температура электронов, а следовательно, невысокий потенциал плазмы относительно стенок, ограничивающих разряд. Последнее помимо минимизации потерь мощности на стенках источника плазмы позволяет избежать повреждения поверхности образцов при их обработке в разряде ионами высоких энергий.

Результаты, полученные в последние годы, как экспериментальные, так и теоретические, показывают, что параметры плазмы индуктивного ВЧ-разряда зависят от потерь мощности во внешней цепи и величин мощности, поступающей в разряд через индуктивный и емкостной каналы. Параметры плазмы, с одной стороны, определяются величинами поглощенной мощности, а с другой стороны, сами определяют как соотношение мощностей, поступающих в разные каналы, так и в конечном счете мощность, поглощаемую плазмой. Это обусловливает самосогласованный характер разряда. Наиболее ярко самосогласованность проявляется в сильной немонотонности зависимости параметров плазмы от магнитного поля и срывах разряда. Значительные потери мощности во внешней цепи и немонотонная зависимость способности плазмы поглощать ВЧ-мощность от плотности плазмы приводят к насыщению плотности плазмы при увеличении мощности ВЧ-генератора и появлению гистерезиса зависимости параметров плазмы от величины мощности ВЧ-генератора и внешнего магнитного поля.

Наличие емкостной составляющей разряда обусловливает изменение доли мощности, вводимой в плазму через индуктивный канал. Это вызывает смещение положения перехода разряда из низкой моды в высокую в область меньших мощностей ВЧ-генератора. При переходе из низкой моды разряда в высокую наличие емкостной составляющей проявляется в более плавном изменении плотности плазмы с возрастанием мощности генератора и в исчезновении гистерезиса. Увеличение за счет вклада мощности через емкостной канал концентрации электронов до значений, превышающих величину, при которой эквивалентное сопротивление достигает максимума, приводит к уменьшению вклада ВЧ-мощности через индуктивный канал. Физически не оправдано сопоставление мод индуктивного ВЧ-разряда с низкой и высокой концентрациями электронов с емкостной и индуктивной модами, так как наличие одного канала ввода мощности в плазму приводит к изменению доли мощности, поступающей в плазму через другой канал.

Уточнение картины физических процессов в индуктивном ВЧ-разряде низкого давления позволяет оптимизировать параметры плазменных устройств, работающих на его основе.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Ионный газоразрядный электровакуумный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения. Принцип действия стабилитрона тлеющего разряда. Основные физические закономерности. Область стабилизации напряжения. Работа параметрического стабилизатора.

контрольная работа , добавлен 28.10.2011


Параметры частичных разрядов и определяющие их зависимости. Основы развития частичных разрядов, диагностика кабельных линий. Разработка аналитической схемы для оценки состояния кабельных линий на основе измерения характеристик частичных разрядов.

дипломная работа , добавлен 05.07.2017


История развития импульсных лазерных систем. Механизм создания инверсии. Характерный признак тлеющего самоподдерживающегося разряда с холодным катодом. Системы газоразрядной предионизации. Основные элементы импульсного лазера и области его применения.

курсовая работа , добавлен 20.03.2016


Увеличение общего количества разрядов при возрастании кратности исправляемой ошибки. Изменение среднего числа искаженных разрядов при линейном изменении квадратического отклонения. Определение частоты потери сообщений. Построение графика функции.

лабораторная работа , добавлен 01.12.2014


Виды высокочастотных конденсаторов. Удельная емкость. Применение конденсаторов большой номинальной емкости. Воздушные конденсаторы переменной емкости. Полупеременные конденсаторы. Конденсаторы специального назначения. Конденсаторы интегральных микросхем.

реферат , добавлен 09.01.2009


Характеристика электромеханических приборов для измерения постоянного, переменного тока и напряжения. Их конструкция, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки. Определение и классификация электронных вольтметров, схемы приборов.

курсовая работа , добавлен 26.03.2010


Характеристика и область применения сигналов в системах цифровой обработки. Специализированный процессор цифровой обработки сигналов СПФ СМ: разработчики и история, структура и характеристики, область применения, алгоритмы и программное обеспечение.

курсовая работа , добавлен 06.12.2010


Тензорезистивный датчик давления. Схема тарировки датчика. Проверка влияния электромагнитной помехи на показания устройства. Принципиальная схема зажигания разряда. Уравнение зависимости давления от напряжения на датчике. влияние разряда на показания.

курсовая работа , добавлен 29.12.2012


Основные типы кабелей сельских телефонных сетей, область их применения, допустимые температуры эксплуатации и прокладки. Технические требования к конструктивным размерам одночетверочных высокочастотных кабелей сельской связи, электрические характеристики.

реферат , добавлен 30.08.2009


Основные параметры и принципы переключения. Схемы подключения ключей. Механические и электронные высокочастотные переключатели. Полевые транзисторы с МОП структурой затвора и монолитные СВЧ интегральные схемы. Исполнительные механизмы микросистем.

Основной особенностью индукционного нагрева является превращение электрической энергии в тепло с помощью переменного магнитного потока, т. е. индуктивным путем. Если по цилиндрической спиральной катушке (индуктору) пропускать переменный электрический ток I, то вокруг катушки образуется переменное магнитное поле Ф м, как это показано на рис. 1-17, в. Наибольшую плотность магнитный поток имеет внутри катушки. При размещении в полости индуктора металлического проводника в материале возникает электродвижущая сила, мгновенное значение которой равно:

Под влиянием э.д.с. в металле, помещенном в быстропеременное магнитное поле, возникает электрический ток, величина которого зависит в первую очередь от величины магнитного потока, пересекающего-контур нагреваемого материала, и частоты тока f, образующего магнитный поток.

Выделение тепла при индукционном нагреве происходит непосредственно в объеме нагреваемого материала, причем большая часть тепла выделяется в поверхностных слоях нагреваемой детали (поверхностный эффект). Толщина слоя, в котором происходит наиболее активное выделение тепла, равна:

где ρ - удельное сопротивление, ом*см; μ - относительная магнитная проницаемость материала; f - частота, гц.

Из приведенной формулы видно, что толщина активного слоя (глубина проникновения) уменьшается для данного металла с увеличением частоты. Выбор частоты зависит главным образом от технологических требований. Например, при плавке металлов потребуется частота 50 - 2500 Гц, при нагреве - до 10000 Гц, при поверхностной закалке - 30000 Гц и более.

При плавке чугуна применяется промышленная частота (50 Гц), что позволяет увеличить общий к.п.д. установки, так как исключаются потери энергии на преобразование частоты.

Индукционный нагрев является скоростным, так как тепло выделяется непосредственно в толще нагреваемого металла, что позволяет производить плавку металла в индукционных электропечах в 2-3 раза быстрее, чем в отражательных пламенных.

Нагрев с помощью токов высокой частоты можно производить в любой атмосфере; индукционные термические установки не требуют времени для разогрева и легко встраиваются в автоматические и поточные линии. С помощью индукционного нагрева можно достигать температур до 3000 °С и более.

Благодаря своим преимуществам высокочастотный нагрев широко применяется в металлургической, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, где используется для плавления металла, при термической обработке деталей, нагреве под штамповку и т. д.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ. ПРИНЦИП ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это - первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла.

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это - второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла.

В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это - третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца-Джоуля.

Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми "печами с внешним источником нагрева").

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.

Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.

По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ — это электрический нагреватель , работающий при изменении потока магнитной индукции в замкнутом проводящем контуре. Это явление носит название электромагнитной индукции. Хотите знать, как работает индукционный нагреватель? ZAVODRR - это торговый информационный портал, где Вы найдете информацию про нагреватели.

Вихревые индукционные нагреватели

Индукционная катушка способна разогреть любой металл, собираются нагреватели на транзисторах и имеют высокий КПД более 95%, они давно заменили ламповые индукционные нагреватели, у которых КПД не выходил за 60%.

Вихревой индукционный нагреватель для бесконтактного нагрева не имеет потерь на настройку резонансного совпадения рабочих параметров установки с параметрами выходного колебательного контура. Нагреватели вихревого типа собранные на транзисторах умеют отлично анализировать и подстраивать выходную частоту в автоматическом режиме.

Индукционные нагреватели металла

Нагреватели для индукционного нагрева металла обладают бесконтактным способом за счет действия вихревого поля. Разные типы нагревателей проникают в металл на определенную глубину от 0,1 до 10 см в зависимости от выбранной частоты:

• высокая частота;
• средняя частота;
• сверхвысокая частота.

Индукционные нагреватели металла позволяют обрабатывать детали не только на открытых площадках, но и размещать нагреваемые объекты в изолированных камерах, в которых можно создать любую среду, а также вакуум.

Электрический индукционный нагреватель

Высокочастотный электрический индукционный нагреватель с каждым днем обретает новые способы применения. Нагреватель работает на переменном электрическом токе. Чаще всего индукционные электронагреватели применяются для доведения металлов до необходимых температур при следующих операциях: ковка, пайка, сварка, гибка, закалка и т.п. Электрические индукционные нагреватели, работают на высокой частоте 30-100 кГц и используются для нагрева различных типов сред и теплоносителей.

Электрический нагреватель применяется во многих областях:

• металлургической (ТВЧ нагреватели, индукционные печи);
• приборостроения (пайка элементов);
• медицинской (производство и обеззараживание инструмента);
• ювелирной (изготовление ювелирных изделий);
• жилищно-коммунальной (индукционные котлы отопления);
• питание (индукционные паровые котлы).

Среднечастотные индукционные нагреватели

Когда требуется более глубокий прогрев, применяют индукционные нагреватели среднечастотного типа, работающие средних частотах от 1 до 20 кГц. Компактный индуктор для всех типов нагревателей бывает самой разной формы, которая подбирается так, чтобы обеспечить равномерный нагрев образцов самой разнообразной формы, при этом можно осуществить и заданный локальный нагрев. Среднечастотный тип обработает материалы для ковки и закалки, а так же сквозного нагрева под штамповку.

Легкие в управлении, с КПД до 100%, индукционные среднечастотные нагреватели, применяются для большого круга технологий в металлургии (также и для плавки различных металлов), машиностроении, приборостроении и других областях.

Высокочастотные индукционные нагреватели

Самая широкая область применения у индукционных нагревателей высокочастотного типа. Нагреватели характеризуются высокой частотой 30-100 кГц и широким диапазоном мощностей 15-160 кВт. Высокочастотный тип обеспечивают небольшой по глубине нагрев, однако этого достаточно, чтобы улучшить химические свойства металла.

Высокочастотные индукционные нагреватели легки в управлении и экономичны, и при этом их КПД может достигать 95%. Все типы работают непрерывно продолжительное время, а двухблочный вариант (когда трансформатор высокой частоты вынесен в отдельный блок) допускает круглосуточную работу. Нагреватель имеет 28 типов защит, каждая из которых отвечает за свою функцию. Пример: контроль напора воды в системе охлаждения.

Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели

Индукционные нагреватели сверхвысокочастотного типа работают на сверх частоте (100-1,5 МГц), и проникают на глубину прогрева (до 1 мм). Сверхвысокочастотный тип незаменим для обработки тонких, мелких, с малым диаметром деталей. Использование таких нагревателей позволяет избежать сопутствующих нагреву нежелательных деформаций.

Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели на JGBT-модулях и MOSFET-транзисторах имеют пределы мощности — 3,5-500 кВт. Применяются в электронике, в производстве высокоточных инструментов, часов, ювелирных изделий, для производства проволоки и для других целей, предусматривающих особую точность и филигранность.

Кузнечные индукционные нагреватели

Основное назначение индукционных нагревателей кузнечного типа (ИКН) — подогрев деталей или их частей, предшествующий последующей ковке. Заготовки могут быть самого разного типа, сплава и формы. Индукционные кузнечные нагреватели позволяют обрабатывать цилиндрические заготовки любым диаметром в автоматическом режиме:

• экономичны, так как тратят на нагрев всего несколько секунд и имеют высокий КПД до 95%;
• просты в использовании, позволяют осуществлять: полный контроль процесса, полуавтоматическую загрузку-выгрузку. Есть варианты с полной автоматикой;
• надежны и могут работать непрерывно долгое время.

Индукционные нагреватели валов

Индукционные нагреватели для закалки валов работают совместно с закалочным комплексом. Обрабатываемая деталь находится в вертикальном положении и вращается внутри неподвижного индуктора. Нагреватель позволяет использовать все типы валов для последовательного локального нагрева, глубина закалки может составлять доли миллиметров по глубине.

В результате индукционного нагрева вала по всей длине с мгновенным охлаждением, многократно повышается его прочность и стойкость.

Индукционные нагреватели труб

Все типы труб можно обрабатывать индукционными нагревателями. Нагреватель для труб может быть с воздушным или водяным типом охлаждения, мощностью от 10-250 кВт, со следующими параметрами:

• Индукционный нагрев трубы с воздушным охлаждением производится при помощи гибкого индуктора и термического одеяла. Температура нагрева до температуры 400 °C, и использовать трубы диаметром 20 - 1250 мм с любой толщиной стенки.
• Индукционный нагрев трубы с водяным охлаждением имеет температуру нагрева 1600 °C и используется для “гибки” трубы диаметром 20 - 1250 мм.

Каждый вариант термообработки применяется для улучшения качества любых стальных труб.

Пирометр для контроля нагрева

Один из важнейших параметров работы индукционных нагревателей — температура. Для более тщательного контроля за ней, помимо встроенных датчиков, часто применяются инфракрасные пирометры. Эти оптические приборы позволяют быстро и без труда определить температуру труднодоступных (из-за высокого нагрева, вероятности воздействия электричества и т.п.) поверхностей.

Если подсоединить пирометр к индукционному нагревателю, можно не только отслеживать температурный режим, но и автоматически поддерживать температуру нагрева в течение заданного времени.

Принцип работы индукционных нагревателей

В индукторе во время работы образуется магнитное поле, в которое помещается деталь. В зависимости от поставленной задачи (глубина нагрева) и детали (состав) выбирается частота, она может быть от 0.5 до 700 кГц.

Принцип работы нагревателя по законам физики гласит: при нахождении проводника в переменном электромагнитном поле, в нем образуется ЭДС (электродвижущая сила). График амплитуды показывает, что она движется пропорционально изменения скорости магнитного потока. Благодаря этому в контуре образуются вихревые токи, величина которых зависит от сопротивления (материала) проводника. По закону Джоуля-Ленца ток приводит к нагреву проводника, у которого имеется сопротивление.

Принцип действия всех типов индукционных нагревателей похож на трансформатор. Токопроводящая заготовка, которая располагается в индукторе, подобна трансформатору (без магнитопровода). Первичная обмотка - это индуктор, вторичная индуктивность детали, а нагрузка это сопротивление металла. При ТВЧ нагреве образуется «скин-эффект», вихревые токи которые образуются внутри заготовки, вытесняют основной ток на поверхность проводника, ведь нагрев металла на поверхности сильнее, чем внутри.

Преимущества индукционных нагревателей

Индукционный нагреватель обладает несомненными преимуществами и является лидером среди всех типов приборов. Это преимущество складывается в следующим:

• Он потребляет меньше электроэнергии и не загрязняет окружающее пространство.
• Удобный в управлении, он обеспечивает высокое качество работы и позволяет контролировать процесс.
• Нагревание через стенки камеры обеспечивает особую чистоту и возможность получить сверхчистые сплавы, при этом плавку можно производить в разной атмосфере, в том числе в инертных газах и в вакууме.
• С его помощью возможен равномерный нагрев деталей любой формы или избирательный нагрев
• Наконец, индукционные нагреватели универсальны, что позволяет их использовать повсеместно, вытесняя устаревшие энергозатратные и неэффективные установки.

Ремонт индукционных нагревателей производится из запасных частей с нашего склада. На данный момент можем отремонтировать все типы нагревателей. Индукционные нагреватели достаточно надежны, если строго следовать инструкциям по эксплуатации и не допускать запредельных режимов работы — в первую очередь следить за температурой и правильным водяным охлаждением.

Тонкости эксплуатации всех типов индукционных нагревателей зачастую не полностью публикуются в документации производителей, их ремонтом должны заниматься квалифицированные специалисты, хорошо знакомые с подробным принципом работы подобной аппаратуры.

Видео работы индукционных среднечастотных нагревателей

Вы можете ознакомиться с видео работы среднечастотного индукционного нагревателя.. Средняя частота используется для глубокого проникновения во все типы металлических изделий. Среднечастотный нагреватель - это надежное и современное оборудование, которое работает круглые сутки на благо вашего предприятия.

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле. Проводники, помещенные в поле, нагреваются вихревыми токами, наводимыми в них по законам электромагнитной индукции.

Интенсивный нагрев можно получить лишь в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами - индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от сети или индивидуальных генераторов токов высокой частоты (рис. 3.1). Индуктор является как бы первичной обмоткой воздушного трансформатора, вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.

В зависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева разделяются следующим образом:

а) низкой (промышленной) частоты (50 Гц);

б) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц);

в) высокой частоты (свыше 10 кГц).

Деление индукционного нагрева по частотным диапазонам диктуется техническими и технологическими соображениями. Физическая сущность и общие количественные закономерности для всех частот одинаковы и основываются на представлениях, о поглощении проводящей средой энергии электромагнитного поля.

Частота оказывает существенное влияние на интенсивность и характер нагрева. При частоте 50 Гц и напряженности магнитного поля 3000-5000 А/м удельная мощность нагрева не превышает 10 Вт/см 2 , а при высокочастотном (ВЧ) нагреве мощность достигает сотен и тысяч Вт/см 2 . При этом развиваются температуры, достаточные для плавления самых тугоплавких металлов.

Вместе с тем, чем выше частота, тем меньше глубина проникновения токов в металл и, следовательно, тоньше нагреваемый слой, и наоборот. На высоких частотах осуществляют поверхностный нагрев. Снижая частоту и увеличивая тем самым глубину проникновения тока, можно осуществить глубинный или даже сквозной нагрев, одинаковый по всему сечению тела. Таким образом, выбирая частоту, можно получить необходимый по технологическим условиям характер нагрева и его интенсивность. Возможность нагрева изделий практически на любую толщину - одно из основных преимуществ индукционного нагрева, который широко используется для поверхностей закалки деталей и инструмента.

Поверхностное упрочнение после индукционного нагрева значительно повышает износостойкость изделий по сравнению с тепловой обработкой в печах. Индукционный нагрев успешно применяется также для плавки, термической обработки, деформации металлов и в других процессах.

Индуктор - это рабочий орган установки индукционного нагрева. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой индуктором электромагнитной волны к форме нагреваемой поверхности. Вид волны (плоская, цилиндрическая и др.) определяется формой индуктора.

Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева. Простейший индуктор представляет собой изолированный проводник, помещенный внутрь металлической трубы, вытянутый или свернутый в спираль. При пропускании по проводнику тока промышленной частоты в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. В сельском хозяйстве предпринимались попытки использовать этот принцип для обогрева почвы в закрытом грунте, насестов для птицы и др.

В индукционных водонагревателях и пастеризаторах молока (работы по ним не вышли пока за рамки экспериментальных образцов) индукторы выполняют по типу статоров трехфазных электродвигателей. Внутрь индуктора помещен металлический сосуд цилиндрической формы. Вращающееся (или пульсирующее при однофазном исполнении) магнитное поле, создаваемое индуктором, наводит в стенках сосуда вихревые токи и нагревает их. От стенок тепло передается находящейся в сосуде жидкости.

При индукционной сушке древесины штабель досок перекладывают металлическими сетками и помещают (закатывают на специальной тележке) внутрь цилиндрического индуктора из проводников большого сечения, намотанных на каркас из изоляционного материала. Доски нагреваются от металлических сеток, в которых индуктируются вихревые токи.

Приведенные примеры поясняют принцип установок косвенного индукционного нагрева. К недостаткам таких установок относятся низкие энергетические показатели и малая интенсивность нагрева. Низкочастотный индукционный нагрев достаточно эффективен при прямом нагреве массивных металлических заготовок и определенном соотношении между их размерами и глубиной проникновения токов (см. далее).

Индукторы высокочастотных установок выполняют неизолированными, они состоят из двух основных частей - индуктирующего провода, при помощи которого создается переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии.

Конструктивное выполнение индуктора может быть весьма разнообразным. Для нагрева плоских поверхностей используются плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы и т. п. (рис. 3.1). Индукторы могут иметь сложную форму (рис. 3.2), обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении, подвода охлаждающей и закалочной воды и пр.

Для создания полей высокой напряженности по индукторам пропускают большие токи, исчисляемые сотнями и тысячами ампер. В целях снижения потерь индукторы изготавливают с возможно малым активным сопротивлением. Несмотря на это, они все же интенсивно нагреваются как собственным током, так и за счет теплопередачи от заготовок, поэтому их оборудуют принудительным охлаждением. Индукторы обычно выполняют из медных трубок круглого или прямоугольного сечения, внутри которых пропускается проточная вода для охлаждения.

Удельная поверхностная мощность. Излучаемая индуктором электромагнитная волна падает на металлическое тело и, поглощаясь в нем, вызывает нагрев. Мощность потока энергии, протекающего через единицу поверхности тела, определяется формулой (11)

с учетом выражения

В практических расчетах пользуются размерностью D Р в Вт/см 2 , тогда

Подставив полученное значение H 0 в формулу (207), получим

.

(3.7)

Таким образом, мощность, выделяемая в изделии, пропорциональна квадрату ампер-витков индуктора и коэффициенту поглощения мощности. При неизменной напряженности магнитного поля интенсивность нагрева тем больше, чем больше удельное сопротивление r , магнитная проницаемость материала m и частота тока f .

Формула (208) справедлива для плоской электромагнитной волны (см. § 2 главы I). При нагреве цилиндрических тел в соленоидных индукторах картина распространения волн усложняется. Отклонения от соотношений для плоской волны тем больше, чем меньше отношения r/z а, где r -радиус цилиндра, z а - глубина проникновения токов.

В практических расчетах все же пользуются простой зависимостью (208), вводя в нее поправочные коэффициенты - функции Берча, зависящие от отношения r/z а (рис. 43). Тогда

Формула (212) справедлива для сплошного индуктора без зазоров между витками. При наличии зазоров потери в индукторе возрастают. При возрастании частоты функции F а (r а, z а) и F и (r и, z а) стремятся к единице (рис. 43), а отношение мощностей- к пределу

Из выражения (3.13) следует, что к. п. д. уменьшается с увеличением воздушного зазора и удельного сопротивления материала индуктора. Поэтому индукторы выполняют из массивных медных трубок или шин. Как следует из выражения (214) и рисунка 43, значение к. п. д. приближается к своему пределу уже при r/z a >5÷10. Это позволяет найти частоту, обеспечивающую достаточно высокий к. п. д. Воспользовавшись приведенным неравенством и формулой (15) для глубины проникновения z a , получим

.

(3.14)

Следует отметить, что простые и наглядные зависимости (3.13) и (3.14) справедливы лишь для ограниченного числа сравнительно простых случаев индукционного нагрева.

Коэффициент мощности индуктора. Коэффициент мощности нагревательного индуктора определяется соотношением активного и индуктивного сопротивлений системы индуктор - изделие. При высокой частоте активное и внутреннее индуктивное сопротивления изделия равны, так как фазовый угол между векторами и составляет 45° и |D Р | = |D Q |. Следовательно, максимальное значение коэффициента мощности

где а - воздушный зазор между индуктором и изделием, м.

Таким образом, коэффициент мощности зависит от электрических свойств материала изделия, воздушного зазора и частоты. С увеличением воздушного зазора возрастает индуктивность рассеяния и коэффициент мощности снижается.

Коэффициент мощности обратно пропорционален корню квадратному из частоты, поэтому необоснованное завышение частоты снижает энергетическиехпоказатели установок. Всегда следует стремиться к уменьшению воздушного зазора, однако здесь существует предел, обусловленный пробивной напряженностью воздуха. В процессе нагрева коэффициент мощности не остается постоянным, так как r и m (для ферромагнитов) изменяются с изменением температуры. В реальных условиях коэффициент мощности установок индукционного нагрева редко превышает значение 0,3, снижаясь до 0,1-0,01. Для разгрузки сетей и генератора от реактивных токов и повышения созф параллельно индуктору обычно включают компенсирующие конденсаторы.

Основными параметрами, характеризующими режимы индукционного нагрева, являются частота тока и к. п. д. В зависимости от применяемых частот условно различают два режима индукционного нагрева: глубинный нагрев и поверхностный.

Глубинный нагрев ("малыми частотами") осуществляется при такой частоте f когда глубина проникновения z а примерно равна толщине нагреваемого (закаливаемого) слоя х к (рис. 3.4, а). Нагрев происходит сразу на всю глубину слоя х к скорость нагрева выбирают такой, чтобы передача тепла теплопроводностью в глубь тела была незначительной.

Поскольку в этом режиме глубина проникновения токов z а сравнительно большая (z а » х к ), то, согласно формуле:

Поверхностный нагрев ("большими частотами") проводят на сравнительно высоких частотах. При этом глубина проникновения токов z а значительно меньше толщины нагреваемого слоя х к (рис. 3.4,6). Прогрев на всю толщину х к происходит за счет теплопроводности металла. При нагреве по этому режиму требуются меньшие мощности генератора (на рисунке 3.4 полезная мощность пропорциональна заштрихованным площадям, имеющим двойную штриховку), но время нагрева и удельный расход электроэнергий возрастают. Последнее связано с прогревом за счет теплопроводности глубинных слоев металла. К.п.д. нагрева, пропорциональный отношению площадей с двойной штриховкой ко всей площади, ограниченной кривой t и осями координат, во втором случае ниже. Вместе с тем следует отметить, что прогрев до определенной температуры слоя металла толщиной b , лежащего за слоем закалки и называемого переходным слоем, совершенно необходим для надежной связи закаленного слоя с основным металлом. При поверхностном нагреве этот слой толще и связь надежнее.

При значительном понижении частоты нагрев становится вообще неосуществимым, так как глубина проникновения будет очень большой и поглощение энергии в изделии незначительным.

Индукционным способом можно осуществлять как глубинный, так и поверхностный нагрев. При внешних источниках тепла (плазменный нагрев, в электропечах сопротивления) глубинный нагрев невозможен.

По принципу работы различают два вида индукционного нагрева: одновременный и непрерывно-последовательный.

При одновременном нагреве площадь индуктирующего провода, обращенная к нагреваемой поверхности изделия, примерно равна площади этой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все ее участки. При непрерывно-последовательном нагреве изделие перемещается относительно индуктирующего провода, и нагрев отдельных его участков происходит по мере прохождения рабочей зоны индуктора.

Выбор частоты. Достаточно высокий к. п. д. может быть получен лишь при определенном соотношении между размерами тела и частотой тока. О выборе оптимальной частоты тока упоминалось выше. В практике индукционного нагрева частоту выбирают по эмпирическим зависимостям.

При нагреве деталей под поверхностную закалку на глубину х к (мм) оптимальную частоту (Гц) находят из следующих зависимостей: для деталей простой формы (плоские поверхности, тела вращения)

При сквозном нагреве стальных цилиндрических заготовок диаметром d (мм) необходимую частоту определяют по формуле

В процессе нагрева удельное сопротивление металлов r возрастает. У ферромагнетиков (железо, никель, кобальт и др.) с повышением температуры снижается значение магнитной проницаемости m . При достижении точки Кюри магнитная проницаемость ферромагнетиков падает до 1, то есть они теряют свои магнитные свойства. Обычная же температура нагрева под закалку 800-1000° С, под обработку давлением 1000 - 1200° С, то есть выше точки Кюри. Изменение физических свойств металлов с изменением температуры приводит к изменению коэффициента поглощения мощности и удельной поверхностной мощности (3.8), поступающей в изделие в процессе нагрева (рис. 3.5). Вначале вследствие возрастания r удельная мощность D Р увеличивается и достигает максимального значения D Р mах = (1,2÷1,5) D Р нач ,а затем вследствие потери сталью магнитных свойств падает до минимального D Р min . Для поддержания нагрева в оптимальном режиме (с достаточно высоким к. п. д.) установки снабжают устройствами согласования параметров генератора и нагрузки, то есть возможностью регулирования режима нагрева.

Если сравнивать сквозной нагрев заготовок под пластическую деформацию индукционным способом и электроконтактным способом (оба относятся к прямому нагреву), то можно сказать, что по расходу электроэнергии электроконтактный нагрев целесообразен для длинных заготовок сравнительно небольшого сечения, а индукционный - для короткомерных заготовок относительно больших диаметров.

Строгий расчет индукторов довольно громоздок и связан с привлечением дополнительных полуэмпирических данных. Мы рассмотрим упрощенный расчет цилиндрических индукторов для поверхностной закалки, основываясь на полученных выше зависимостях.

Тепловой расчет. Из рассмотрения режимов индукционного нагрева следует, что одну и ту же толщину закаленного слоя х к можно получить при различных значениях удельной мощности D Р и длительности нагрева t . Оптимальный режим определяется не только толщиной слоя х к, но и величиной переходной зоны b , связывающей закаленный слой с глубинными слоями металла.

При отсутствии устройств регулирования мощности генератора характер изменения удельной мощности, потребляемой стальным изделием, изображен графиком, приведенным на рисунке 3.5. В процессе нагрева величина рц изменяется и к концу нагрева, после перехода через точку Кюри, резко уменьшается. Происходит как бы самовыключение стального изделия, что обеспечивает высокое качество закалки без пережогов. При наличии регулирующих устройств мощность D Р может быть равной или даже меньше D Р min (рис. 3.5), что позволяет за счет удлинения процесса нагрева уменьшать удельную мощность, требуемую для данной толщины закаливаемого слоя х к.

Графики режимов нагрева под поверхностную закалку для углеродистых и малолегированных сталей при толщине переходной зоны, составляющей 0,3-0,5 от закаливаемого слоя, приведены на рисунках 3.6 и 3.7.

Выбрав значение D Р , нетрудно найти мощность, подводимую к индуктору,

где h тр - к. п. д. высокочастотного (закалочного) трансформатора.

Мощность, потребляемая из сети,

определена по удельному расходу электроэнергии а (кВт-ч/т) и производительности G (т/ч):

для поверхностного нагрева

,

(3.26)

где D i - приращение теплосодержания заготовки в результате нагрева, кДж/кг;

D -плотность материала заготовки, кг/м 3 ;

М 3 - масса заготовки, кг;

S 3 - поверхность закаливаемого слоя, м 2 ;

b - угар металла (при индукционном нагреве 0,5-1,5%);

h тп - к. п. д. передачи тепла за счет теплопроводности внутри заготовки (при поверхностной закалке h тп = 0,50).

Остальные обозначения объяснены выше.

Примерные значения удельного расхода электроэнергии при индукционном нагреве: отпуск-120, закалка - 250, цементация - 300, сквозной нагрев под механическую обработку - 400 кВт-ч/т.

Электрический расчет. В основе электрического расчета лежит зависимость (3.7). Рассмотрим случай, когда глубина проникновения z а значительно меньше размеров индуктора и детали, а расстояние а между индуктором и изделием мало по сравнению с шириной индуктирующего проводника b (рис. 3.1). Для этого случая индуктивность L с системы индуктор - изделие можно выразить по формуле

Подставив значение тока в формулу (3.7) и имея в виду, что

Формула (3.30) дает связь между удельной мощностью, электрическими параметрами и геометрическими размерами индуктора, физическими характеристиками нагреваемого металла. Принимая за функцию размеры индуктора, получим

для нагретого состояния

Коэффициент мощности индуктора

где Р - активная мощность индуктора, Вт;

U и - напряжение на индукторе, В;

f - частота, Гц.

При подключении конденсаторов к первичной цепи высокочастотного трансформатора емкость конденсаторов должна быть увеличена для компенсации реактивности трансформатора и соединяющих проводников.

Пример. Рассчитать индуктор и выбрать высокочастотную установку для поверхностной закалки цилиндрических заготовок из углеродистой стали диаметром d а = 30 мм и высотой h а = 90 мм. Глубина закаливаемого слоя х к = 1мм, напряжение на индукторе U и = 100 В. Находим рекомендуемую частоту по формуле (218):

Гц.

Останавливаемся на ближайшей из применяемых частот f =67 кГц.

Из графика (рис. 3.7) принимаем D Р = 400 Вт/см 2 .

По формуле (3.33) находим аl для холодного состояния:

см 2 .

Принимаем а = 0,5 см, тогда диаметр индуктора

см.

Длина индуктирующего проводника

см

Число витков индуктора

Высота индуктора

Мощность, подводимая к индуктору, по

кВт

где 0,66 - к. п. д. индуктора (рис. 3.8).

Колебательная мощность генератора

кВт.

Выбираем высокочастотную установку ЛПЗ-2-67М, имеющую колебательную мощность 63 кВт и рабочую частоту 67 кГц.

В технике индукционного нагрева используются токи низкой (промышленной) частоты 50 Гц, средней частоты 150-10000 Гц и высокой частоты от 60 кГц до 100 МГц.

Токи средней частоты получают при помощи машинных генераторов или статических преобразователей частоты. В диапазоне 150-500 Гц используются генераторы обычного синхронного типа, а выше (до 10 кГц) - машинные генераторы индукторного типа.

В последнее время машинные генераторы вытесняются более надежными статическими преобразователями частоты, выполняемыми на трансформаторах и тиристорах.

Токи высокой частоты от 60 кГц и выше получают исключительно при помощи ламповых генераторов. Установки с ламповыми генераторами используются для выполнения разнообразных операций термической обработки, поверхностной закалки, плавки металлов и др.

Не затрагивая теории вопроса, излагаемой в других курсах, рассмотрим лишь некоторые особенности генераторов для нагрева.

Нагревательные генераторы выполняются, как правило, с самовозбуждением (автогенераторы). По сравнению с генераторами независимого возбуждения они проще по устройству и имеют лучшие энергетические и экономические показатели.

Схемы ламповых генераторов для нагрева принципиально не отличаются от радиотехнических, но имеют некоторые особенности. От этих схем не требуется строгая стабильность частоты, что заметно их упрощает. Принципиальная схема простейшего генератора для индукционного нагрева приведена на рисунке 3.10.

Основным элементом схемы является генераторная лампа. В нагревательных генераторах чаще всего используются трехэлектродные лампы, которые по сравнению с тетродами и пентодами проще и обеспечивают достаточную надежность и устойчивость генерации. Нагрузкой генераторной лампы служит анодный колебательный контур, параметры которого индуктивность L и емкость С подбираются из условия работы контура в резонансе на рабочей частоте:

где R - приведенное сопротивление потерь контура.

Параметры контура R , L, С определяются с учетом изменений, вносимых электрофизическими свойствами нагреваемых тел.

Питание анодных цепей генераторных ламп осуществляется постоянным током от выпрямителей, собранных на тиратронах или газотронах (рис. 3.10). Питание переменным током по экономическим соображениям применяется только для малых мощностей (до5 кВт). Вторичное напряжение силового (анодного) трансформатора, питающего выпрямитель, составляет 8 - 10 кВ, выпрямленное напряжение 10 - 13 кВ.

Незатухающие колебания в автогенераторе возникают при наличии достаточной положительной обратной связи сетки с контуром и выполнении определенных условий, связывающих параметры лампы и контура.

Коэффициент обратной сеточной связи

где U с , U к , U а -напряжения соответственно на сетке, колебательном контуре и аноде генераторной лампы;

D -проницаемость лампы;

s д - динамическая крутизна анодно-сеточной характеристики лампы.

Обратная сеточная связь в генераторах для индукционного нагрева выполняется чаще всего по трехточечной схеме, когда сеточное напряжение берется от части индуктивности анодного или нагревательного контура. На рисунке 3.10 напряжение на сетку подается от части витков катушки связи L2, которая представляет собой элемент индуктивности нагревательного контура.

Нагревательные генераторы в отличие от радиотехнических чаще всего выполняются двухконтурными (рис. 3.10) или даже одноконтурными. Двухконтурные генераторы легче настраиваются в резонанс и более устойчивы в работе.

В генераторах возбуждаются колебания второго рода. Анодный ток протекает через лампу импульсами, только в течение части (1/2-1/3) периода. Благодаря этому снижается постоянная составляющая анодного тока, уменьшается нагрев анода и повышается к. п. д. генератора. Форму импульсов имеет и сеточный ток. Отсечка анодного тока (в пределах угла отсечки q = 70-90°) осуществляется подачей на сетку постоянного отрицательного смещения, которое создается падением напряжения на сопротивлении гридлика R г при протекании постоянной составляющей сеточного тока.

Генераторы для нагрева имеют изменяющуюся в процессе нагрева нагрузку, вызванную изменением электрофизических свойств нагреваемых материалов. Чтобы обеспечить работу генератора в оптимальном режиме, характеризуемом наибольшими значениями отдаваемой мощности и к. п. д., установки оборудуют устройствами согласования нагрузки. Оптимальный режим достигается подбором соответствующего значения коэффициента обратной сетчатой связи k с и выполнением условия

где Е а - напряжение источника питания;

Е с - постоянное смещение на сетке;

I а1 -первая гармоника анодного тока.

Для согласования нагрузки в схемах предусматривается возможность регулировать резонансное сопротивление контура R а и изменять напряжение на сетке U с. Изменение этих величин достигается введением в контур дополнительных емкостей или индук-тивностей и переключением анодного, катодного и сеточного зажимов (щупов), соединяющих контур с лампой.

Установки индукционного нагрева весьма распространены на ремонтных заводах и предприятиях "Сельхозтехники".

В ремонтном производстве токи средней и высокой частоты применяются для сквозного и поверхностного нагрева деталей из чугуна и стали под закалку, перед горячей деформацией (ковкой, штамповкой), при восстановлении деталей методами наплавки и высокочастотной металлизации, при пайке твердыми припоями и др.

Особое место занимает поверхностная закалка деталей. Возможность концентрации мощности в заданном месте детали позволяет получать сочетание наружного закаленного слоя с пластичностью глубинных слоев, что значительно повышает износостойкость и устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам.

Достоинства поверхностной закалки при помощи индукционного нагрева заключаются в следующем:

1) возможность закаливать детали и инструмент на любую необходимую толщину, при необходимости обрабатывая только рабочие поверхности;

2) значительное ускорение процесса закаливания, что обеспечивает высокую производительность установок и снижает стоимость термообработки;

3) обычно меньший по сравнению с другими способами нагрева удельный расход энергии вследствие избирательности нагрева (только на заданную глубину) и быстротечности процесса;

4) высокое качество закаливания и уменьшение брака;

5) возможность организации поточности производства и автоматизации процессов;

6) высокая культура производства, улучшение санитарно-гигиенических условий труда.

Установки индукционного нагрева выбирают по следующим основным параметрам: назначению, номинальной колебательной мощности, рабочей частоте. Выпускаемые промышленностью установки имеют стандартную шкалу мощностей со следующими ступенями: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 кВт и далее при умножении этих чисел на 10, 100 и 1000.

Установки для индукционного нагрева имеют мощности от 1,0 до 1000 кВт, в том числе с ламповыми генераторами до 250 кВт, а выше - с машинными генераторами. Рабочую частоту, определяемую расчетом, уточняют по шкале частот, разрешенных для применения в электротермии.

Высокочастотные установки для индукционного нагрева имеют единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).

После букв через тире обозначается в числителе колебательная мощность (кВт), в знаменателе - частота (МГц). После цифр пишутся буквы, обозначающие технологическое назначение. Например: ВЧИ-40/0,44-ЗП - высокочастотная установка индукционного нагрева, колебательная мощность 40 кВт, частота 440 кГц; буквы ЗП - для закалки поверхностей (НС - для сквозного нагрева, СТ - сварки труб и т. п.).

1. Объясните принцип индукционного нагрева. Область его применения.

2. Перечислите основные элементы установки индукционного нагрева и укажите их назначение.

3. Как выполняется обмотка нагревателя?

4. Каковы достоинства нагревателя?

5. В чем заключается явление поверхностного эффекта?

6. Где может применяться индукционный воздушный нагреватель?

7. От чего зависит глубина проникновения тока в нагреваемый материал?

8. Чем определяется КПД кольцевого индуктора?

9. Почему для выполнения индукционных нагревателей на промышленной частоте необходимо применять ферромагнитные трубы?

10. Что наиболее существенно влияет на cos индуктора?

11. Как изменяется скорость нагрева с повышением температуры нагреваемого материала?

12. На какие параметры стали влияет измерение температуры?

И устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах:

• Фарадея-Максвелла;
• Джоуля-Ленца.

В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля.

Устройство индукционного нагрева

Все происходит следующим образом. Под действием переменного изменяется электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

ЭДС действует так, что внутри тел протекают вихревые токи, которые и выделяют теплоту в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца. Также ЭДС генерирует переменный ток в металле. При этом происходит выделение тепловой энергии, что и приводит к повышению температуры металла.

Этот вид нагрева самый простой, так как является бесконтактным. Он позволяет достигать очень высоких температур, при которых можно обрабатывать

Чтобы обеспечить индукционный нагрев, требуется создать в электромагнитных полях определенное напряжение и частоту. Сделать это можно в специальном приборе - индукторе. Питание его производится от промышленной сети в 50 Гц. Можно для этого использовать индивидуальные источники питания - преобразователи и генераторы.

Самое простое устройство индуктора небольшой частоты - спираль (проводник изолированный), который может быть помещен внутрь металлической трубы или намотан на нее. Проходящие токи нагревают трубу, которая, в свою очередь, передает тепло в окружающую среду.

Применение индукционного нагрева на малых частотах - достаточно редко. Более распространена обработка металлов на средней и высокой частоте.

Такие устройства отличаются тем, что магнитная волна попадает на поверхность, где происходит ее затухание. Тело преобразует энергию этой волны в тепло. Для достижения максимального эффекта обе составляющие должны быть близки по форме.

Где используются

Применение индукционного нагрева в современном мире широко распространено. Область использования:

• плавка металлов, их пайка бесконтактным способом;
• получение новые сплавов металлов;
• машиностроение;
• ювелирное дело;
• изготовление небольших деталей, которые могут быть повреждены при применении других методов;
• (причем детали могут быть самой сложной конфигурации);
• термообработка (обработка деталей для машин, закаленных поверхностей);
• медицина (дезинфекция приборов и инструментов).

Индукционный нагрев: положительные характеристики

У такого способа немало преимуществ:

• С его помощью можно быстро нагреть и расплавить любой проводящий ток материал.
• Позволяет производить нагрев в любой среде: в вакууме, атмосфере, жидкости, не проводящей ток.
• За счет того что нагревается только проводящий материал, стенки, слабо поглощающие волны, остаются холодными.
• В специализированных областях металлургии получение сверхчистых сплавов. Это занимательный процесс, ведь металлы перемешиваются в в оболочке из защитного газа.

• В сравнении с другими типами, индукционный не загрязняет окружающую среду. Если в случае с газовыми горелками загрязнение присутствует, так же как и в дуговом нагреве, то индукционный это исключает, за счет "чистого" электромагнитного излучения.
• Малые размеры прибора индуктора.
• Возможность изготовления индуктора любой формы, это не приведет к локальному нагреву, а будет способствовать равномерному распределению тепла.
• Незаменим, если необходимо нагреть только определенный участок поверхности.
• Не составляет большого труда настроить такое оборудование на нужный режим и регулировать его.

Недостатки

Система имеет такие минусы:

• Самостоятельно установить и наладить тип нагрева (индукционный) и его оборудование довольно непросто. Лучше обратиться к специалистам.
• Необходимость точно сопоставить индуктор и заготовку, иначе недостаточным будет индукционный нагрев, мощность его может достигать малых величин.

Отопление индукционным оборудованием

Для обустройства индивидуального отопления можно рассмотреть такой вариант, как индукционный нагрев.

В качестве агрегата пойдет трансформатор, состоящий из обмоток двух видов: первичной и вторичной (которая, в свою очередь, коротко замкнута).

Как работает

Принцип работы обычного индуктора: вихревые потоки проходят внутри и направляют электрическое поле на второй корпус.

Чтобы через такой котел проходила вода, к нему подводят два патрубка: для холодной, что поступает, и на выходе теплой воды - второй патрубок. За счет давления вода постоянно циркулирует, что исключает возможность нагрева элемента индуктора. Наличие накипи здесь исключено, так как в индукторе происходят постоянные вибрации.

Такой элемент в обслуживании будет недорогим. Главный плюс в том, что прибор работает бесшумно. Устанавливать его можно в любом помещении.

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

• Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
• Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
• Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
• Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
• Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
• Индукционною катушку можно создать из (она должна быть эмалированной).
• Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Правила изготовления оборудования самостоятельно

Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше).

• Проволока должна быть нарезана на куски не более пяти сантиметров. Это нужно для эффективного нагрева в высокочастотном поле.
• Корпус должен быть по диаметру не меньше, чем подготовленная проволока, и обладать толстыми стенками.
• Для крепления к сети отопления на одну сторону конструкции крепится специальный переходник.
• На дно трубы нужно положить сетку для предотвращения выпадения проволоки.
• Последняя нужна в таком количестве, чтобы она заполнила все внутреннее пространство.
• Конструкция закрывается, ставится переходник.
• Затем сооружают из этой трубы катушку. Для этого обматывают ее уже заготовленной проволокой. Число витков нужно соблюсти: минимум 80, максимум 90.
• После подключения к системе отопления в аппарат заливают воду. Катушку подключают к заготовленному инвертору.
• Устанавливается насос для подачи воды.
• Монтируется регулятор температуры.

Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки. Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора.

Про варочные поверхности

Еще одно применение в домашнем обиходе, кроме системы отопления, данный вид нагрева нашел в варочных панелях плит.

Такая поверхность имеет вид обычного трансформатора. Катушка его спрятана под поверхность панели, которая может быть стеклянной или керамической. По ней проходит ток. Это первая часть катушки. А вот второй является та посуда, в которой будет проходить приготовление пищи. На дне посуды создаются вихревые токи. Они и нагревают сначала посуду, а затем продукты в ней.

Тепло будет выделяться только тогда, когда на поверхность панели поставят посуду.

Если она отсутствует, никакого действия не происходит. Индукционная зона нагрева будет соответствовать диаметру поставленной на нее посуды.

Для таких плит нужна специальная посуда. Большинство ферромагнитных металлов могут взамодействовать с индукционным полем: алюминий, нержавеющая и эмалированная сталь, чугун. Не подходят для таких поверхностей только: медная, керамическая, стеклянная и изготовленная из неферромагнитных металлов посуда.

Естественно, что включится только тогда, когда подходящая посуда будет на ней установлена.

Современные плиты снабжены электронным блоком управления, что позволяет распознавать пустую и непригодную для применения посуду. Основными преимуществами варочных являются: безопасность, легкость уборки, быстрота, эффективность, экономичность. Об поверхность панели никогда нельзя обжечься.

Итак, мы выяснили, где используется данный тип нагрева (индукционный).