DK163788B - Arrangement til kontaktloes opvarmning af tynde filamenter - Google Patents

Description

i

DK 163788 B

Opfindelsen angår opvarmning af tynde filamenter og navnlig opvarmning af tynde, elektrisk ledende filamenter, til eksempelvis kemisk damppåføring eller zo-nerafinering, med henblik på opnåelse af forbedrede 5 egenskaber.

Ved kemisk damppåføring kan der dannes ildfaste høj styrkefilamenter ved overtrækning af fine ildfaste filamenter med højstyrkematerialer såsom bor- og sili-ciumkarbid. Sådanne sammensatte filamenter udviser et 10 højt styrke/vægt-forhold og er nyttige som forstærkningsmaterialer i plast, metaller eller keramik.

Den sædvanlige kemiske damppåføring går ud på at opvarme substrat filamentet til en tilstrækkelig høj temperatur til at bevirke reaktion og påføring af råma-15 terialer i dampfase. Et problem, man støder på ved modstandsopvarmning af substratfilamentet, er opretholdelsen af god elektrisk kontakt med filamentet for at undgå variationer i resistansen under den elektriske opvarmningsproces. Man kan holde korte længder af fila-20 ment mellem carbonelektroder, men det er yderst vanskeligt at opretholde god elektrisk forbindelse med et filament, der er i bevægelse.

Der opstår vanskeligheder, når man anvender messing, carbon eller andre materialer til dannelse af 25 kontakt med wolframfilamenter i bevægelse, når overtræk af f.eks. siliciumkarbid begynder at dannes. Dette skyldes tildels mangel på konduktivitet hos overtrækket af siliciumkarbid. Man har tidligere anvendt kviksølv, men der er stadigvæk vanskeligheder, når overtræk be-30 gynder at dannes, og ydermere den vanskelighed, der ligger i, at man skal arbejde med et stof, der afgiver toksiske dampe. Brugen af kviksølvkontakter har også den ulempe, at filamentet forurenes af kviksølvet. Normalt spoles filamentet fra et spolelegeme over til et 35 andet spolelegeme og forsøg på af skabe elektrisk kontakt ved spolelegemerne i stedet for ved to punkter af

DK 163788 B

2 det i bevægelse værende filament har resulteret i temperaturfluktuationer på grund af de forekommende ændringer i filamentresistans.

Ifølge den gældende teori kan man ikke anvende 5 induktionsopvarmning med f.eks. kobberspoler i en induktionsovn til opvarmning af tynde filamenter, idet skineffekten begrænser det opvarmede volumen til et tyndt lag rundt om tråden. Dette lags tykkelse er omvendt proportional med induktionsovnens frekvens og er 1 o større end filamentdiameteren for 60 μ-filamenter til HF-induktionsovne. Dette betyder, at der rundt om tråden ikke kan være netto-hvirvelstrøm til opvarmning af tråden. For induktionsovne med frekvenser på f.eks. 450 kHz, 13,5 MHz eller 430 MHz og for en wolframtråd på 15 1200°C vil der være tale om skindybde på hhv. ca. 0,05 cm, 0,01 cm og 0,0016 cm. For at opvarmningen kan lykkes, må tråddiameteren derfor være væsentlig større end skindybden. Dette udelukker derfor muligheden for at anvende de første to frekvenser til opvarmning af et 60 20 μ-wolframfilament. Et andet væsentligt problem er, at for en effektiv opvarmning, må mellemrummet mellem overfladen på filamentet og kobber-induktionsspolen være lille, men dette mellemrum er naturligvis meget stort mellem et tyndt filament og selv den mindste dia-25 meter af en vandkølet kobberspole. Dertil kommer, at i det tilfælde, hvor der er tale om kemisk damppåføring i et reaktionskammer, der indeholder en reaktant i dampfase, er der behov for et stort mellemrum mellem filamentet og kobber spolen. Fra US-A-3 754 112 og US-A-3 30 811 940 er det kendt at anvende flere koaksiale, af stemte induktionskredse, der er fordelt over længden af en tråd eller et filament. Sådanne arrangementer er indviklede og kræver separat afstemning af de enkelte induktionskredse, sædvanligvis kvartbølgeafstemning, og 35 beror på vekselvirkningen mellem de frembragte elektriske felter til at skabe cirkulerende opvarmningsstrøm.

DK 163788 B

3

Opfindelsen giver anvisning på et arrangement til kontaktløs opvarmning af tynde filamenter, hvor de ovenfor nævnte vanskeligheder afhjælpes. Opfindelsen kan finde vidt forskellige anvendelser og dækker et 5 bredt spektrum af områder såsom kemisk damppåføring, keramiksintring, opvarmning af ledende og halvledende, filamentformede ekstrusionsprodukter.

Opfindelsen giver anvisning på et arrangement til kontaktløs opvarmning af tynde filamenter, og om-1 o fattende: midler til understøttelse af en længde filament i lineær udstrækning, en nær ved filamentet beliggende induktionsspole, hvis akse er parallel med denne filamentlængde, 15 en med spolen forbundet kilde for HF-, VHF- el ler UHF-vekselstrøm, samt et ledende induktionselement, der er tilsluttet en ikke-j ordsluttet ende af induktionsspolen, og er opstillet i hovedsagen parallel med filamentlængden, 20 hvorhos arrangementet er således indrettet, at opvarmningen af filamentet finder sted i nærheden af det ledende induktionselement.

I henhold til opfindelsen og til forskel fra de kendte arrangementer er det filament, der skal opvar-25 mes, placeret uden for spolen, og det tilhørende induktionselement, der kan være udformet som en stav, der lige som spolen fortrinsvis består af kobber, er placeret i passende afstand fra filamentet, typisk ca. 2 cm, og længden af staven bestemmer længden af opvarmnings-30 zonen. Typisk placeres staven parallelt med filamentet for i opvarmningszonen at opnå en ensartet opvarmning (op til det rødglødende temperaturinterval eller mere).

Det har været uventet at kunne foretage opvarmning på denne måde og den præcise mekanisme, hvormed energien 35 overføres fra staven til filamentet er ikke klarlagt.

Staven er fortrinsvis tilsluttet den sidste vinding af

DK 163788 B

4 spolen, men den kan også være tilsluttet en hosliggende vinding ved enden af spolen.

Hensigtsmæssigt har spolen en ikke-konstant diameter, idet diameteren er større ved den ende, hvor 5 staven er fastgjort. Det er hensigtsmæssigt at jordslutte den nederste ende af filamentet et sted fjernt fra spolen, hvorved den fornødne effekt til opvarmning af filamentet reduceres og opvarmningszonen gøres længere. Hensigtsmæssigt udgøres spolen af udgangsspolen i 10 en induktionsovn, og den afstemmes, og vekselspændingen øges op til den fornødne effekt til "brænding", dvs. tråden opvarmes. Når denne værdi er kendt kan ovnen slukkes og tændes til næsten øjeblikkelig opvarmning. Temperaturer op over det rødglødende temperaturområde 15 kan ændres ved ændring af effekten. X lavtemperaturområdet har opvarmningen karakter af en vibrerende, aflang, dråbeformet zone. Hvis temperaturen nedsættes yderligere er der slukning. Ved modsat at øge temperaturen får man en mere ensartet opvarmning. Oxydering 20 eller overtrækning af tråden fører også til mere ensartet opvarmning. Ved at ændre lidt på positionen af staven eller på stavens form kan man også styre temperaturvariationerne langs det tynde filament (rødglødende eller varmere). For staven kan der anvendes andre mate-25 rialer end kobber. Staven kan også udgøres af et rør.

Typisk er spolen lavet af et kobberrør i diameter på 0,63 cm, med ni vindinger med inderdiameter på 3,5 cm, voksende op til 5,2 cm ved den ikke-jordsluttede ende (dette er dog ikke kritisk), og spolen har en længde på 30 8 cm. Hensigtsmæssigt udgøres effektkilden af et klasse C-oscillatorrør i induktionsovnen. Denne oscillatortype har mange harmoniske, der forventes at bidrage til den konstaterede opvarmning. På én spole kan der opstilles flere ledende stave til opvarmning af flere filamenter.

35 Opfindelsen forklares nærmere i det følgende un der henvisning til den skematiske tegning, hvor

DK 163788B

5 fig. 1 illustrerer princippet for opfindelsen, fig. 2 er et sidebillede af en del af et arrangement i henhold til opfindelsen, og fig. 3 viser en induktionsovns udgangstrin til 5 forsyning af spolen i henhold til opfindelsen.

Fig. 1 viser et vertikalt opstillet filament 10, der skal opvarmes og som eksempelvis består af wolfram. En induktionsspole 11 af kobber er placeret nær ved filamentet 10, med i hovedsagen vertikal 10 spoleakse. Spolen 11 er således udformet, at dens øverste tre vindinger har voksende diameter og indbyrdes afstand, hvilket dog ikke er kritisk. Den ende 12, hvor spolediameteren er mindst, er jordsluttet ved 13, medens den ende 14, hvor den har større diameter, er 15 tilsluttet en resonansoscillator 15, der arbejder i HF- til UHF-båndet. En klemme 17 holder en kobberstav 16 fast på den sidste, brede vinding ved spolens ende 14. Kobberstaven 16 er udformet med en retliniet part AB, der er parallel med filamentet 10, og en buet part 20 BC i indgreb med klemmen 17. Den lige part AB af kobberstaven bestemmer den længde af filamentet, dvs. den zone 18 heraf, der opvarmes, når spolen 11 får tilført vekselstrøm. Kobberstaven 16 kan typisk være placeret ca. 2 cm fra filamentet 10.

25 Fig· 2 viser et sidebillede af en del af et praktisk arrangement, hvori et tyndt filament 20 kan føres igennem et cylindrisk rør 21, der indeholder en reducerende gasblanding af argon og hydrogen under atmosfærisk tryk. Når man ønsker kemisk damppåføring, 30 bringes de passende gasarter til at cirkulere gennem det cylindriske rør 21. I dette arrangement anvendes der kobberrør både for spolen 11 og den lige stavpart 16. Filamentet 20 ledes opad gennem det cylindriske rør 21 fra et spolelegeme og det behandlede filament 35 opspoles på et oven over røret placeret spolelegeme af træ. På de steder hvor filamentet træder ind i røret

DK 163788 B

6 21 og forlader dette rør er det hensigtsmæssigt at anvende gastætninger, som holder reaktionsgassen tilbage i røret 21, men tillader friktionsløs bevægelse af filamentet og forhindrer gasser og dampe i udefra at 5 trænge ind i røret. Hensigtsmæssigt kan afspolingslegemet være jordforbundet, medens opspolingslegemet består af træ (eller andet ikke-ledende materiale) for herved at undgå jordforbindelse eller kapacitiv jordtilslutning, som kunne bevirke en uønsket RF-opvarmning af 1 o tråden, når den kommer ud i luften mellem glasapparaturet og opspolingslegemet.

Fig. 3 viser et konventionelt udgangstrin på en klasse C-oscillator til en induktionsovn, til tilførsel af RF-vekselstrøm til terminaler 31, 32 på opvarm-15 ningsspolen 11. En højspændingskilde HT er tilsluttet anoden i et rør 33 af typen YD 1162 og en trim-kondensator 34 med kapacitans på 15-45 pF tjener til afstemning. For wolframtråde med diameter på 40 og 60 μ er der behov for en effekt på ca. 500 W på anoden i rø-20 ret til en klasse C-oscillator i induktionsovnen. En klasse C-oscillator afgiver et signal med mange harmoniske, som forventes at bidrage til opvarmningseffekten. Når ovnen er afstemt og den fornødne effekt til "brænding" (firing) af filamentet fundet konstaterer 25 man, at brænding af filamentet næsten øjeblikkeligt kan aktiveres ON/OFF ved ON/OFF-aktivering af forsyningen.

Der er en minimumstærskel under hvilken brænding ikke forekommer. De bedste resultater fås, når induktionsovnen er lidt forstemt. Under visse forhold kan der være 30 aflang, dråbelignende opvarmningseffekt, som kan minimeres ved forstemning. Der kræves øget effekt for tråde af større diameter. Opvarmningen forventes at starte ved ca. 800eC, uden øvre grænse. Under ca. 900eC er opvarmningen lidt aflang, dråbelignende, og der er sluk-35 ning under ca. 800°C. Af hensyn til beskyttelse mod udstråling bør hele arrangementet være anbragt i et kabinet af fint maskenet, der er jordforbundet.

7

Oscillatoren kan arbejde i HF- til UHF-båndet. Udover opvarmning af ledende filamenter af wolfram, når de f.eks. skal overtrækkes med siliciumkarbid, kan opfindelsen anvendes til opvarmning af sammensatte fila-5 menter bestående af en kore af ledende materiale og et overtræk af halvledermateriale. Den stav eller det rørstykke, der er forbundet med spolen, kan formes således, at der langs filamentet fås en anden given temperaturprofil end den konstante temperatur, man opnår, 10 når staven og filamentet er parallelle med hinanden. Det har vist sig, at filamentet kun opvarmes effektivt overfor staven, hvorfor opvarmningszonen er veldefineret. Til afstemning af induktionsovnen er det nødvendigt at have i det mindste nogle få vindinger til reso-15 nans. Medens der kun er vist én enkelt opvarmningsstav, kan det være ønskeligt at have flere stave, der er fordelt rundt om filamentet. Staven kan være forbundet med en spolevinding nær ved endevindingen, men dette er dog ikke den foretrukne udførelsesform. Forsøgene har de-20 monstreret, at opfindelsen virker for tråde med diameter på 40 til 500 μ. Hvis man med denne metode opvarmer carbonfibergarn viser det sig, at de mange, meget fine fiberender - diameter på ca. 5 μ - der findes på et sådant garn, hurtigt bliver hvidglødende under lav ef-25 fekt, medens resten af garnet ikke når at blive rødglødende. Dette beviser, at metoden også virker yderst effektivt til opvarmning af fine filamenter med meget lille diameter på f.eks. 5 μ.

Det meste af arbejdet med opfindelsen har fundet 30 sted under anvendelse af en 6 kW induktionsovn på ar-bejdsfrekvensen på 13,5 MHz (godkendt standardfrekvens) med et udgangsrør af typen YD 1162. Når der blev anvendt en induktionsovn med arbejdsfrekvens på ca. 500 kHz har det vist sig, at der under HF-båndets nedre 35 grænse ikke forekom opvarmning af filamenter. Tilførsen af RF-energi til spolen og staven sker gennem ledende

Claims (11)

1. Arrangement til kontaktløs opvarmning af tynde filamenter (10) og af den art, der indbefatter midler til understøttelse af en længde filament i lineær 35 udstrækning, kendetegnet ved, - at der nær ved filamentet findes en induktionsspole (11), hvis akse er parallel med denne filamentlængde, - at der findes en med spolen forbundet kilde (15) for vekselstrøm i HF- til UHF-frekvensbåndet, og - at et ledende induktionselement (16) er tilsluttet en ikke-jordsluttet ende (14) af induktionsspo- 5 len og opstillet i hovedsagen parallelt med filamentlængden, hvorhos arrangementet er således indrettet, at opvarmningen af filamentet finder sted i nærheden af det ledende induktionselement.

2. Arrangement ifølge krav 1, kendeteg- 10 net ved, at elementet (16) er forbundet med den sidste vinding af induktionsspolen.

3. Arrangement ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at spolen (11) ikke har konstant diameter, idet dens diameter er større ved den ende 15 (14), som induktionselementet (16) er forbundet med.

4. Arrangement ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at den ende (12) af spolen, der vender bort fra den ende heraf, der bærer induktionselementet, er jordforbundet.

5. Arrangement ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at filamentet (10) og spolen (11) befinder sig i en induktionsovn.

6. Arrangement ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at induktionselemen- 25 tet (11) er således udformet, at der er varierende adskillelse mellem induktionselementet og filamentet over induktionselementets længde, hvorved temperaturprofilen langs den opvarmede del af filamentet kan ændres.

7. Arrangement ifølge ethvert af de foregående 30 krav, kendetegnet ved, at induktionselementet (11) udgøres af en metalstav eller -tråd.

8. Arrangement ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at spolen (11) og induktionselementet (li) udgøres af kobberrør.

9. Arrangement ifølge ethvert af kravene 4-7, kendetegnet ved, at vekselstrømkilden (15) er en klasse C-røroscillator anbragt i induktionsovnen. DK 163788B

10. Arrangement ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at frekvensen i hovedsagen er på 13,6 MHz.

11. Arrangement ifølge ethvert af de foregående 5 krav, kendetegnet ved, at filamentet (20) befinder sig i et cylindrisk kammer, der indeholder reducerende atmosfære, og at spolen (11) og induktionselementet (16) befinder sig nær ved kammeret.