RU2324023C2 - Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn - Google Patents
Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn Download PDFInfo
- Publication number
- RU2324023C2 RU2324023C2 RU2006125956/12A RU2006125956A RU2324023C2 RU 2324023 C2 RU2324023 C2 RU 2324023C2 RU 2006125956/12 A RU2006125956/12 A RU 2006125956/12A RU 2006125956 A RU2006125956 A RU 2006125956A RU 2324023 C2 RU2324023 C2 RU 2324023C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- waveguide
- generators
- field
- heating element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
- Treatment Of Fiber Materials (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства высокомодульных волокон и предназначено для высокотемпературной обработки углеродных волокнистых материалов.The invention relates to the production of high modulus fibers and is intended for high temperature processing of carbon fiber materials.
Известна установка для высокотемпературной обработки волокнистых материалов [Авторское свидетельство СССР N 506145, МПК Н05В 3/00, опубликовано 05.03.1976], содержащая водоохлаждаемый корпус с неокислительной средой, токоподводы, выполненные в виде поворотных кулачков и транспортирующее устройство в виде механизма протягивания.A known installation for high-temperature processing of fibrous materials [USSR author's certificate N 506145, IPC Н05В 3/00, published 05.03.1976], containing a water-cooled housing with a non-oxidizing medium, current leads made in the form of rotary cams and a conveying device in the form of a pulling mechanism.
Недостатками данного устройства являются большие энергозатраты на единицу выпускаемой продукции, выгорание графитовых кулачков, изменение температуры обработки в ходе самого процесса, связанные с изменением сопротивления кулачков и перепадами напряжения в сети, что ведет к неоднородным характеристикам обрабатываемого жгута.The disadvantages of this device are the large energy consumption per unit of output, burnout of graphite cams, a change in processing temperature during the process itself, associated with a change in cam resistance and voltage drops in the network, which leads to heterogeneous characteristics of the processed bundle.
Известно устройство-камера для термической обработки движущихся нитей (жгутов) [Авторское свидетельство СССР N 199322, МПК D01d, кл. 29а, 6/06, опубл. 13.07.1967], содержащее охлаждаемый корпус с расположенной внутри него металлической включенной в электрическую цепь трубкой для прохождения нити и теплоизоляцию, устройства для подвода и отвода инертного газа, подающие и приемные валки.A camera device is known for heat treatment of moving threads (tows) [USSR author's certificate N 199322, IPC D01d, class. 29a, 6/06, publ. 07/13/1967], comprising a cooled case with a metal tube inside it that is included in the electric circuit for passing the thread and thermal insulation, devices for supplying and removing inert gas, supply and reception rolls.
Недостатком данной печи, как и в предыдущем случае, являются большие энергозатраты и быстрое выгорание основного узла печи в процессе обработки - трубчатого нагревателя. Увеличение объема выпускаемой продукции в данной печи возможно только за счет увеличения размеров самой печи, что приводит к усилению недостатков, описанных выше.The disadvantage of this furnace, as in the previous case, is the high energy consumption and rapid burnout of the main node of the furnace during processing - a tubular heater. An increase in the volume of products in this furnace is possible only by increasing the size of the furnace itself, which leads to an increase in the shortcomings described above.
Наиболее близким к предложенному является устройство для высокотемпературной обработки волокнистых материалов [патент GB №2053629, Кл. D02J 13/00, 1981], содержащее нагревательный элемент в виде источника поля сверхвысокой частоты и трубку для прохождения углеродного жгута.Closest to the proposed is a device for high-temperature processing of fibrous materials [GB patent No. 2053629, Cl. D02J 13/00, 1981], comprising a heating element in the form of a microwave field source and a tube for passing a carbon tow.
Недостатком прототипа устройства является низкая предельная температура обработки жгута, равная температуре плавления кварцевой трубки (около 1300°С). Другим недостатком устройства является использование резонаторного способа подвода электромагнитного поля сверхвысокой частоты к углеродному жгуту. При интенсивном поглощении энергии жгутом добротность резонатора уменьшается, что делает указанный способ подвода СВЧ-энергии малоэффективным. Учитывая конечный коэффициент связи микроволнового генератора с резонатором, будем иметь низкий КПД работы указанного устройства. Отсутствие в устройстве элементов «заземления» движущего жгута приводит к большой потере СВЧ-энергии через жгут за счет интенсивного излучения вне резонатора.The disadvantage of the prototype device is the low limit temperature of the processing of the bundle, equal to the melting temperature of the quartz tube (about 1300 ° C). Another disadvantage of the device is the use of a resonant method for supplying an electromagnetic field of an ultrahigh frequency to a carbon tow. With intense absorption of energy by a bundle, the quality factor of the resonator decreases, which makes the indicated method of supplying microwave energy ineffective. Given the final coupling coefficient of the microwave generator with the resonator, we will have a low efficiency of the specified device. The absence in the device of the “grounding” elements of the driving harness leads to a large loss of microwave energy through the harness due to intense radiation outside the resonator.
Задачей является создание устройства, обеспечивающего увеличение температуры обработки углеродного жгута до 2500-3000°С с высоким КПД и с конструкцией, которая позволяет использовать недорогие бытовые микроволновые генераторы (магнетроны).The objective is to create a device that provides an increase in the temperature of processing a carbon tow to 2500-3000 ° C with high efficiency and with a design that allows the use of inexpensive household microwave generators (magnetrons).
Поставленная задача достигается за счет того, что в устройстве для непрерывной высокотемпературной обработки углеродных жгутов, содержащем нагревательный элемент в виде источника поля сверхвысокой частоты и трубку для прохождения углеродного жгута, нагревательный элемент включает сверхвысокочастотную ячейку, выполненную в виде волноводно-коаксиальных переходов с общим коаксиальным плечом, на которых установлены прямоугольные волноводы, расположенные в параллельных плоскостях, и развернуты относительно друг друга на равные углы, при этом в качестве источника поля сверхвысокой частоты использованы магнетронные генераторы сверхвысокой частоты, установленные на противоположных концах каждого волновода и снабженные фазосдвигающими устройствами, обеспечивающими периодическую работу каждой пары генераторов.The problem is achieved due to the fact that in the device for continuous high-temperature processing of carbon tows containing a heating element in the form of a microwave field source and a tube for passing a carbon bundle, the heating element includes a microwave cell made in the form of waveguide-coaxial transitions with a common coaxial arm on which rectangular waveguides are installed, located in parallel planes, and are deployed relative to each other at equal angles, p In this case, microwave sources are used as a microwave field source, installed at the opposite ends of each waveguide and equipped with phase-shifting devices that ensure periodic operation of each pair of generators.
Кроме того, в устройстве между сверхвысокочастотной ячейкой и генератором сверхвысокой частоты может быть установлено развязывающее устройство в виде изолятора или циркулятора, а генераторы сверхвысокой частоты могут быть дополнительно снабжены тепловыми предохранителями.In addition, a decoupling device in the form of an insulator or circulator can be installed in the device between the microwave cell and the microwave generator, and the microwave generators can be additionally equipped with thermal fuses.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 изображен разрез А-А устройства для непрерывной обработки жгутов, на фиг.2 - вид сверху.The invention is illustrated by drawings: figure 1 shows a section aa of the device for continuous processing of harnesses, figure 2 is a top view.
Устройство содержит трубку 1 для прохождения углеродных жгутов, которая изготовлена из окиси бериллия и установлена по общей оси симметрии СВЧ-ячейки, выполненной в виде трех волноводно-коаксиальных переходов 2, на которых установлены шесть прямоугольных волноводов 3, рассчитанных на работу с волной Н10, расположенных в параллельных плоскостях и развернутых относительно друг друга на углы 120°. На противоположных сторонах каждого из волноводов 3 с помощью фланцев 4 присоединяются магнетронные генераторы 5 с волноводным выходом, работающие в импульсном режиме со скважностью два и чередованием рабочих интервалов. Для этой цели используются промышленные магнетронные генераторы, которые устанавливаются в микроволновых печах, с дополнительными фазосдвигающими устройствами (на фиг. не показаны) в цепи питания магнетронных генераторов 5, обеспечивающими режим их поочередной работы. В итоге, к нагреваемому жгуту 6, размещенному в центральной части трубки 1, энергия СВЧ-поля будет подводиться «квазинепрерывно»: в первую половину рабочего цикла от левого магнетрона, во вторую - от правого магнетрона. Реализуется своеобразный режим сложения выходных мощностей двух некогерентных СВЧ-генераторов на общей нагрузке, функции которой выполняет углеродный жгут 6, являющийся центральным проводником упомянутого выше симметричного волноводно-коаксиального перехода.The device comprises a
Бериллиевая трубка 1 имеет устройство для подвода 7 и отвода 8 инертного газа (например, аргона) и систему водяного охлаждения 9, подача жгута 6 осуществляется при помощи валиков 10.The
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Обрабатываемый жгут 6 подается в СВЧ-ячейку 2 (протягивается через трубку 1 из окиси бериллия) подающими валиками 10, выполняющими также роль заземления. К магнетронам 5 подводится питание и они начинают поочередно генерировать СВЧ-поле, распространяющееся в виде волн вдоль волновода к нагрузке, функции которой упомянутый выше симметричный волноводно-коаксиальный переход 2 с углеродным жгутом 6 в его коаксиальном плече. Устройства подвода 7 и отвода 8 инертного газа создают нейтральную среду в трубке 1 из окиси бериллия, проходящей через коаксиальные плечи рабочих ячеек. Для охлаждения трубки 1 во время эксплуатации предусмотрено водяное охлаждение 9. При протягивании жгута 1 через коаксиальные плечи трех СВЧ-ячеек 2 он нагревается СВЧ-полем до заданной температуры, достаточной для его термообработки. Прием выходящего из печи жгута 1 осуществляется валиками 10. При эксплуатации данной печи повышается однородность и эффективность термообработки волокнистого длинномерного углеродного материала.The processed bundle 6 is fed into the microwave cell 2 (stretched through a
Конструкция СВЧ-ячейки разработана в таком виде, чтобы она допускала в одном волноводе симметричный режим сложения мощностей от двух идентичных СВЧ-генераторов магнетронного типа, работающих в импульсном режиме со скважностью два и чередованием рабочих интервалов. Такие генераторы используются в микроволновых печах, надежны в эксплуатации, серийно выпускаются электронной промышленностью и продаются по доступным ценам.The design of the microwave cell is designed in such a way that it allows a symmetric mode of power addition from two identical magnetron-type microwave generators operating in a pulsed mode with a duty cycle of two and alternating operating intervals in one waveguide. Such generators are used in microwave ovens, reliable in operation, mass-produced by the electronics industry and sold at affordable prices.
При обработке углеродного жгута в СВЧ-ячейке продольным электрическим полем он нагревается СВЧ-токами до температуры Т≈3000°С в нейтральной атмосфере (аргон, азот) при давлении, равном давлению воздуха вне ячейки. В этих условиях вокруг жгута возникает СВЧ-плазма. Причина возникновения плазмы - неизбежная термоэлектронная эмиссия с нагретой поверхности жгута в присутствии интенсивного СВЧ-поля.When treating a carbon tow in a microwave cell with a longitudinal electric field, it is heated by microwave currents to a temperature of T≈3000 ° C in a neutral atmosphere (argon, nitrogen) at a pressure equal to the air pressure outside the cell. Under these conditions, microwave plasma arises around the bundle. The cause of the plasma is the inevitable thermionic emission from the heated surface of the bundle in the presence of an intense microwave field.
Электронное облако локализовано в непосредственной близости от поверхности жгута и способствует выравниванию ее температуры и практически исключает присутствие там кислорода. Это является важным технологическим условием в процессе высокотемпературной обработки углеродного жгута. Электронное облако является квазиравновесным образованием благодаря непрерывному притоку электронов со стороны нагретой поверхности жгута и непрерывному их возвращению обратно. Равновесная плотность электронного облака определяется температурой эмитирующей поверхности.The electron cloud is localized in close proximity to the surface of the bundle and helps to equalize its temperature and virtually eliminates the presence of oxygen there. This is an important technological condition in the process of high-temperature processing of a carbon tow. The electron cloud is a quasi-equilibrium formation due to the continuous influx of electrons from the side of the heated surface of the bundle and their continuous return. The equilibrium density of the electron cloud is determined by the temperature of the emitting surface.
Количественную оценку интенсивности электронной эмиссии с поверхности углеродного жгута можно сделать, воспользовавшись известным законом Ричардсона - Дешмена. Для углеродной поверхности, нагретой до экстремальной температуры 3273°К, получим величину, равнуюA quantitative assessment of the intensity of electron emission from the surface of a carbon tow can be made using the well-known Richardson-Deshman law. For a carbon surface heated to an extreme temperature of 3273 ° K, we obtain a value equal to
nэ≈2.58·1024 м-2·с-1=2,58·1018 мм-2·с-1.n e ≈2.58 · 10 24 m -2 · s -1 = 2.58 · 10 18 mm -2 · s -1 .
Эта величина столь велика, что возникновение СВЧ-плазмы вокруг нагретого до такой температуры жгута в среде аргона при нормальном давлении будет неизбежным. СВЧ-плазма четко локализована в пространстве вокруг жгута и перемещается по его поверхности со скоростью протяжки жгута через рабочую область СВЧ-нагрева.This value is so large that the appearance of a microwave plasma around a bundle heated to such a temperature in argon at normal pressure will be inevitable. The microwave plasma is clearly localized in the space around the bundle and moves along its surface with the speed of pulling the bundle through the working region of the microwave heating.
Рассмотренный способ подвода СВЧ-энергии к углеродным жгутам можно назвать «волноводным». Он был опробован на макете и оказался весьма эффективным.The considered method of supplying microwave energy to carbon tows can be called “waveguide”. He was tested on the layout and proved to be very effective.
По сравнению с прототипом, этот способ имеет существенные преимущества:Compared with the prototype, this method has significant advantages:
- значительное уменьшение энергозатрат на единицу выпускаемой продукции,- a significant reduction in energy consumption per unit of output,
- уменьшение затрат на расходные материалы (нагревательные элементы),- reducing the cost of consumables (heating elements),
- повышение экологии производства,- improving the ecology of production,
- уменьшение затрат инертного газа,- reduction of inert gas costs,
- использование дешевого источника СВЧ-поля (серийные магнетроны, выпускаемые промышленностью для СВЧ микроволновых печей).- the use of a cheap source of microwave fields (serial magnetrons produced by industry for microwave microwave ovens).
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006125956/12A RU2324023C2 (en) | 2006-07-17 | 2006-07-17 | Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006125956/12A RU2324023C2 (en) | 2006-07-17 | 2006-07-17 | Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006125956A RU2006125956A (en) | 2008-01-27 |
RU2324023C2 true RU2324023C2 (en) | 2008-05-10 |
Family
ID=39109500
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006125956/12A RU2324023C2 (en) | 2006-07-17 | 2006-07-17 | Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2324023C2 (en) |
-
2006
- 2006-07-17 RU RU2006125956/12A patent/RU2324023C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006125956A (en) | 2008-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6870124B2 (en) | Plasma-assisted joining | |
US7189940B2 (en) | Plasma-assisted melting | |
JP4317451B2 (en) | Multi-coil induction plasma torch for solid-state power supply | |
TWI679321B (en) | Carbon fiber and carbon fiber manufacturing method | |
EP3745817A1 (en) | Microwave processing device and carbon fiber production method | |
Al-Shamma'a et al. | Atmospheric microwave plasma jet for material processing | |
RU2324023C2 (en) | Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn | |
JP2024023984A (en) | Microwave processing apparatus and method of manufacturing carbon fiber | |
US3597567A (en) | Microwave applicator for heating continuous web | |
US20020190061A1 (en) | Device for adjusting the distribution of microwave energy density in an applicator and use of this device | |
JPH11260593A (en) | Plasma generating apparatus | |
US20230137733A1 (en) | Microwave treatment apparatus and method for producing carbon fiber | |
WO2018123249A1 (en) | Microwave heating device, and device and method for producing carbon fibers | |
JP3184877B2 (en) | Electromagnetic composite heating furnace | |
CN101431884B (en) | Electromagnetic shielding device matched with radio frequency focusing heating mechanism | |
JP6878095B2 (en) | Heating method and carbon fiber manufacturing method, carbonization equipment and carbon fiber manufacturing equipment | |
CN210529116U (en) | Carbon fiber microwave graphitization equipment capable of continuously processing | |
US20240076808A1 (en) | Apparatus and Method for Close Proximity Carbonization of Polymeric Materials for Carbon Fiber Production | |
CN110257959B (en) | Carbon fiber microwave graphitization equipment capable of continuously processing | |
JP7278569B2 (en) | Microwave processing device and carbon fiber manufacturing method | |
JP2005085743A (en) | Microwave heating apparatus | |
RU156462U1 (en) | DEVICE FOR MICROWAVE HEATING OF DIELECTRIC MATERIALS | |
JP2001357999A (en) | Plasma generation device | |
Motley et al. | ICRF coil for the IDEAL plasma | |
Cheregi et al. | About microwave radiation system with radiant antenna type. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080718 |