PL175410B1 - Urządzenie do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem - Google Patents

Abstract

1. Urządzenie do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokiej temperaturze 1 pod wysokim ciśnieniem, składające się z komory ciśnieniowej, umieszczonego w niej trzystrefowego pieca rurowego i z układów zasilania gazem aktywnym, gazem obojętnym 1 prądem elektrycznym, oraz z układu kontroli temperatury i układu chłodzenia, znamienne tym, ze wewnątrz pieca (3) rurowego, znajdującego się w cylindrycznej stalowej komorze (1) ciśnieniowej, jest umieszczony hermetyczny tygiel (8) reakcyjny, którego objętość jest ponad dziesięciokrotnie mniejsza od objętości komory ciśnieniowej (1).

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokiej temperaturze (do około 1500°C) i pod wysokim ciśnieniem (do około 3000 atm.),

175 410 przeznaczone do otrzymywania materiałów o wysokiej czystości, zwłaszcza do syntezy i otrzymywania monokryształów.

Znane są urządzenia do przeprowadzania procesów technologicznych pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, składające się z komory ciśnieniowej i pieca rurowego, wyposażone w układ zasilania gazem aktywnym i gazem obojętnym. Ich rozwiązania konstrukcyjne zależą od konkretnego zastosowania.

Znane są szeroko komory ciśnieniowe z piecem zewnętrznym firmy Morris do przeprowadzania procesów technologicznych pod ciśnieniem 700 atm. i w temperaturze 870°C (lub 200 atm. i 1000°C). W tym rozwiązaniu komora ciśnieniowa ze znajdującym się bezpośrednio wewnątrz niej, materiałem reakcyjnym (próbką), jest umieszczona w piecu rurowym. Ścianki komory podgrzewane są zatem do wysokiej temperatury, co powoduje obniżenie własności wytrzymałościowych komory oraz zanieczyszczenie atmosfery wokół materiału reakcyjnego.

Z polskich opisów patentowych 146 938 i 146 939 znane są reaktory do syntezy związków rtęci z metalami. Reaktor zastosowany w rozwiązaniu ujawnionym w opisie patentowym nr 146 938 składa się z autoklawu, usytuowanego w nim pieca rurowego, w którym znajduje się pojemnik reakcyjny, i z układów zasilania gazem obojętnym, czynnikiem chłodzącym i energią elektryczną. Pojemnik reakcyjny, umieszczony jest w metalowej rurze, której średnicajest nieco większa od średnicy pojemnika reakcyjnego, a mniejsza od średnicy wewnętrznej pieca. W rozwiązaniu tym, podobnie jak w rozwiązaniu firmy Morris, bezpośrednie podgrzewanie ścianek autoklawem powoduje obniżenie jego własności wytrzymałościowych.

Reaktor opisany w patencie nr 146 939 składa się z trój strefowego pieca elektrycznego, który jest wyposażony w 4 do 9 autoklawów, z umieszczonymi w nich pojemnikami reakcyjnymi. Autoklawy te są otoczone stalowym kanałem. Reaktor taki nie w pełni gwarantuje uzyskanie wysokiej czystości otrzymywanych związków, a ponadto wadą jego jest brak możliwości bezpośredniego pomiaru i kontroli ciśnienia wewnątrz pojemników. System ten nadaje się do pracy przy ciśnieniu około '100 bar.

Z publikacji pt. High pressure vapor growth of GaN - J. Karpińskiego, S. Porowskiego i S. Miatkowskiej, która ukazała się w JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH 56 (1982 r.) str. 77-82, znana jest komora ciśnieniowa z piecem znajdującym się wewnątrz tej komory, w której jest również umieszczony materiał reakcyjny. Zarówno próbka, jak i piec znajdują się we wspólnej atmosferze, co może prowadzić do zanieczyszczenia próbek zanieczyszczeniami z pieca. Zastosowanie gazu aktywnego (np. tlenu lub wodoru) może zagrażać wybuchem, ponieważ objętość tego gazu, wypełniającego całą komorę, jest znaczna.

Urządzenia do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem w atmosferze gazu, takich jak otrzymywanie monokryształów o wysokiej czystości, muszą spełniać szczególne warunki. Powinny zapewniać czystość atmosfery wokół materiału reakcyjnego. Ścianki komory muszą być zabezpieczone przed reakcją z gazem, a kontrola temperatury w strefie reakcji winna być prowadzona w sposób bardzo dokładny i niezawodny.

Poza tym muszą być zapewnione warunki bezpieczeństwa osobom pracującym przy obsłudze tych urządzeń.

Urządzenie, według wynalazku, składa się: z komory ciśnieniowej, umieszczonego w niej trzystrefowego pieca rurowego, z układów zasilania gazem aktywnym, gazem obojętnym i prądem elektrycznym oraz z układu kontroli temperatury i układu chłodzenia.

Urządzenie, według wynalazku, jest charakterystyczne tym, że wewnątrz pieca rurowego, znajdującego się w cylindrycznej stalowej komorze ciśnieniowej , jest umieszczony hermetyczny ceramiczny, lub z metalu odpornego na utlenianie, tygiel reakcyjny, którego objętość jest ponad 10 razy mniejsza od objętości całej komory.

Komora jest zamknięta szczelnie z dwu stron korkami. Tygiel jest połączony, poprzez łącznik i uszczelkę teflonową oraz 'korek komory, z wlotem zewnętrznym doprowadzającym aktywny gaz, np. tlen. W tym samym korku znajduje się też drugi wlot doprowadzający gaz obojętny, np. argon, do komory. Korki w komorze są uszczelnione uszczelkami. W drugim korku komory, znajdującym się na jejdrugim końcu są umieszczone cztery przepusty prądowe

175 410 i jeden przepust termoparowy. Wewnątrz pieca, w równomiernych odstępach, umieszczonych jest sześć termopar pieca, a na powierzchni komory trzy termopary komory ciśnieniowej. ,

Układ zasilania gazem obojętnym i gazem aktywnym zawiera dwie butle, jedna z gazem aktywnym, a druga z gazem obojętnym, z których każda jest dołączona poprzez zawór ręczny, odpowiednio drugi i czternasty, do kompresora gazowego. Jedno wyjście kompresora, poprzez piętnasty zawór ręczny, elektroniczny zawór siedemnasty i szesnasty zawór ręczny, jest dołączone do otworu wlotowego, doprowadzającego gaz obojętny do komory.

Drugie wyjście kompresora, poprzez piąty zawór ręczny, elektroniczny zawór dziesiąty i ręczny zawór jedenasty doprowadzone jest do otworu wlotowego wprowadzającego gaz aktywny do tygla reakcyjnego. Między zaworami piątym i dziesiątym są włączone, poprzez ręczne zawory szósty i siódmy dwa rezerwuary gazu aktywnego. Do tych rezerwuarów, do kompresora i do obu otworów wlotowych dołączone są mierniki ciśnienia. Za zaworami ręcznymi, szesnastym i jedenastym, znajdującymi się przy otworach wlotowych gazów, są włączone także awaryjne zawory elektroniczne, odpowiednio osiemnasty i dziewiętnasty, służące do wypuszczania nadmiaru gazów na zewnątrz.

Urządzenie do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem jest uwidocznione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny urządzenia, a fig. 2 przedstawia układ zasilania urządzenia gazem aktywnym i gazem obojętnym.

Urządzenie, według wynalazku, składa się z cylindrycznej komory ciśnieniowej 1, wykonanej ze stali o wysokiej wytrzymałości. Dwa korki 2' i 2 zamykają szczelnie komorę z obu stron. Wewnątrz komory 1 umieszczony jest trzystrefowy piec 3 rurowy, pozwalający na utrzymywanie w nim temperatury do 1500°C.

Piec 3 jest zasilany prądem poprzez przepusty prądowe 4, umieszczone w korku 2, w którym znajdują się również przepusty termoparowe 5. Izolacja 6 pieca oraz układ chłodzenia 7 wodą zapobiegają przegrzaniu komory 1. Temperatura wewnętrznej powierzchni komory 1 nie przekracza 1O0°C. Tygiel 8 z próbką 9 materiału reakcyjnego, znajdujący się w piecu 3, jest wykonany z ceramiki alundowej. Jest on połączony, poprzez łącznik 1θ i uszczelkę teflonową 11 do korka 2' komory 1 i do przepustu 12 z wlotem gazu aktywnego np. tlenu. Osobny wlot 13, umieszczony także w korku 2' służy do doprowadzania gazu obojętnego, np. argonu do komory 1.

Tak więc wnętrze tygla 8 reakcyjnego jest wypełnione w czasie procesu technologicznego tlenem, zaś na zewnątrz tygla 8 w komorze 1 znajduje się gaz obojętny-argon pod ciśnieniem równym ciśnieniu tlenu w tyglu 8, aby zapobiec rozsadzeniu tygla. Uszczelki 14 uszczelniają komorę 1. Temperatura powierzchni komory 1 ciśnieniowej jest mierzona poprzez 3 termopary Cu/konstantan 16/, zaś temperatura w piecu 3 jest mierzona przez 6 termopar 15 Pt Rh 6%/ Pt Rh 30%.

W celu wyrównania ciśnień tlenu wewnątrz tygla 8 i argonu na zewnątrz tygla 8 w komorze 1 z piecem 3, zastosowano specjalny układ zasilania tlenem i argonem. Układ ten składa się z dwu butli - B1 z tlenem i butli B2 z argonem, z kompresora membranowego 3, dwu rezerwuarów R8 i R9 na tlen, ośmiu zaworów ręcznych z2, z5, z6, z7, z11, z14, z15 i z16, czterech zaworów sterowanych elektronicznie z10, zl7, z18 i z19 oraz z pięciu mierników ciśnienia M41, M42, M43, M44 i M45.

W układzie tym znajduje się tylko jeden kompresor membranowy 3, który najpierw pompuje tlen z butli B1 do rezerwuarów R8 i R9. W tym czasie zawory z2, z5, z6 i z7 są otwarte, a wszystkie pozostałe są zamknięte. Następnie zamyka się zawory ręczne z2 i z5, otwiera się ręczne zawory z14, z15, z16 i z11 i kompresor pompuje argon. Zawory z10, z17, z18 i z19 są sterowane elektronicznie i służą do utrzymywania ciśnienia argonu w komorze 1 z piecem 3 na poziomie równym ciśnieniu tlenu w tyglu 8 reakcyjnym. Zawór 10 wlotowy tlenu zamyka się automatycznie, gdy ciśnienie tlenu w tyglu 8 reakcyjnym przewyższy ciśnienie argonu w komorze 1. W przypadku, gdy ciśnienie tlenu w tyglu 8 przekroczy znacznie (np. o 20 atm.) ciśnienie argonu w komorze 1, otwiera się zawór z19 awaryjny i wypuszcza nadmiar tlenu na zewnątrz.

W trakcie zwiększania ciśnienia tlenu w tyglu 8 zawór z17 otwiera się automatycznie i wpuszcza do komory 1 argon pompowany przez kompresor 3. W przypadku, gdy ciśnienie

175 410 argonu w komorze 1 przewyższy ciśnienie tlenu w tyglu 8 o określoną wartość, (np. 20 atm.), otwiera się zawór awaryjny 18 i wypuszcza nadmiar argonu na zewnątrz. Mierniki ciśnienia M41, M42, M43, M44 i M45 służą do pomiaru ciśnienia w układzie i do podawania sygnału różnicowego do układu elektronicznego sterującego zaworami z10, z17, z18 i z19.

Dokładność regulacji różnicy ciśnień pomiędzy tyglem 8 i komorą 1 wynosi 0,2%.

Komora 1 ciśnieniowa wraz z układem zasilania w wykonaniu przykładowym pozwala na stosowanie ciśnienia gazu do 300 atm.

Urządzenie do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, według wynalazku, pozwala na odseparowanie atmosfery próbki od atmosfery pieca. Próbka znajduje się w atmosferze gazu aktywnego (np. tlenu lub wodoru), a piec 3 i komora 1 ciśnieniowa w atmosferze gazu obojętnego (np. argonu). Zapobiega to wprowadzaniu zanieczyszczeń z pieca 3 do próbki znajdującej się w tyglu 8, co jest szczególnie ważne w procesach technologicznych syntezy i otrzymywania monokryształów. Objętość niebezpiecznego gazu aktywnego jest niewielka (tylko objętość tygla) w porównaniu do objętości gazu obojętnego znajdującego się w komorze 1.

Przykładowo opisana komora ma średnicę 75 mm, długość 450 mm, a więc jej objętość wynosi 3,5 dcm³. Piec 3 wypełnia około 85% objętości komory 1. Objętość pustej przestrzeni w komorze wynosi około 0,5 dcm3. Objętość wypełniającego ją gazu obojętnego pod ciśnieniem 3000 atm. wynosi więc około 1500 dcm3. Podczas, gdy pusta objętość tygla wynosi 2 do 3 cm3. Objętość gazu aktywnego pod ciśnieniem 3000 atm. wynosi więc maksimum 3 dcm3.

Urządzenie, wykonane zgodnie z wynalazkiem, zapewnia znacznie większe bezpieczeństwo osobom je obsługującym, w porównaniu z innymi znanymi urządzeniami, w których niebezpieczny (aktywny) gaz wypełnia całą komorę.

o.

Ar k3 -

Fig.2

175 410

16

Fig. 1 .ziLi

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do przeprowadzania procesów technologicznych w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, składające się z komory ciśnieniowej, umieszczonego w niej trzystrefowego pieca rurowego i z układów zasilania gazem aktywnym, gazem obojętnym i prądem elektrycznym, oraz z układu kontroli temperatury i układu chłodzenia, znamienne tym, że wewnątrz pieca (3) rurowego, znajdującego się w cylindrycznej stalowej komorze (1) ciśnieniowej, jest umieszczony hermetyczny tygiel (8) reakcyjny, którego objętość jest ponad dziesięciokrotnie mniejsza od objętości komory ciśnieniowej (1).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że cylindryczna komora (1) ciśnieniowa zamknięta jest z obu stron korkami (2' i 2), uszczelnionymi przy pomocy uszczelek (14), przy czym w jednym korku (20 umieszczone są przepusty (12) z wlotem do doprowadzania gazu aktywnegodo tygla (8) i przepust (13) z wlotem do doprowadzania gazu obojętnego do komory (1).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tygiel (8) jest połączony z wlotem (12) gazu aktywnego poprzez łącznik (10) z teflonową uszczelką (11).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w drugim korku (2) komory (1) są umieszczone cztery przepusty prądowe (4) i jeden przepust termoparowy (5).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wewnątrz pieca, w równomiernych odstępach, umieszczonych jest sześć termopar (15) pieca, a na powierzchni komory trzy termopary (16) komory ciśnieniowej.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w układzie zasilania gazem obojętnym i aktywnym znajdują się dwie butle gazowe (B1) z gazem aktywnym i (B13) z gazem obojętnym, które są dołączone, poprzez ręczne zawory odpowiednio drugi (z2) i czternasty (z14), do kompresora gazowego (K3), który z kolei, z jednej strony jest dołączony, poprzez ręczny zawór piętnasty (z15), elektroniczny zawór siedemnasty (z17) i ręczny zawór szesnasty (16) do wlotu (13) gazu obojętnego do komory (1), zaś z drugiej strony kompresor (K3) jest dołączony, poprzez ręczny zawór piąty (z5), elektroniczny zawór dziesiąty (z10) i ręczny zawór jedenasty (z11), do wlotu (12) gazu aktywnego.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że w punkcie połączenia ręcznego zaworu piątego (z5), z elektronicznym zaworem dziesiątym (z10) są dołączone poprzez ręczne zawory szósty (z6) i siódmy (z7), dwa rezerwuary gazu aktywnego, odpowiednio (R8) i (R9) wraz z miernikami ciśnienia, odpowiednio (M42) i (M43).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że do kompresora (K3) wlotu gazu aktywnego (12) i wlotu gazu obojętnego (13) są dołączone mierniki ciśnienia odpowiednio ((M41), (M44) i (M45).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że do punktu połączenia elektronicznego zaworu dziesiątego (z10) z ręcznym zaworem jedenastym (z11) jest dołączony awaryjny elektroniczny zawór dziewiętnasty (z19), wypuszczający nadmiar gazu aktywnego z tygla (8), zaś do punktu połączenia elektronicznego zaworu siedemnastego (z17) i ręcznego zaworu szesnastego (z16), jest dołączony elektroniczny awaryjny zawór osiemnasty (z18), wypuszaczający nadmiar gazu obojętnego z komory (1).