RU2324023C2 - Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn - Google Patents

Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn Download PDF

Info

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
Application number
RU2006125956/12A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006125956A (en
Inventor
Сергей Федорович Конев (RU)
Сергей Федорович Конев
Александр Иванович Филатов (RU)
Александр Иванович Филатов
Александр Сергеевич Конев (RU)
Александр Сергеевич Конев
Original Assignee
Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ" filed Critical Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ"
Priority to RU2006125956/12A priority Critical patent/RU2324023C2/en
Publication of RU2006125956A publication Critical patent/RU2006125956A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2324023C2 publication Critical patent/RU2324023C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
  • Treatment Of Fiber Materials (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry; production of high-modulus carbon fibers.
SUBSTANCE: device comprises heating element, which is superhigh frequency field source, and tube to run carbon yarn through it. Heating element comprises superhigh frequency cell, which consists of waveguide-to-coaxial adapters with common coaxial leg. On waveguide-to-coaxial adapters, rectangular waveguides are installed. They are located in parallel planes and rolled out equiangularly to each other. Cross-field generators installed at opposite ends of each waveguide are used as superhigh frequency field source. Phase-shifting devices provide for periodic operation of each pair of generators. Between superhigh frequency cell and cross-field generator, a decoupler (isolator or circulator) may be installed. Cross-field generators may be optionally provided with heat coils.
EFFECT: increase of carbon yarn processing temperature.
3 cl, 2 dwg

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 tube 1 for passing carbon tows, which is made of beryllium oxide and is installed along the general axis of symmetry of the microwave cell, made in the form of three waveguide-coaxial transitions 2, on which six rectangular waveguides 3 are installed, designed to work with wave H 10 , located in parallel planes and deployed relative to each other at angles of 120 °. On the opposite sides of each of the waveguides 3, by means of flanges 4, magnetron generators 5 are connected with a waveguide output, operating in a pulsed mode with a duty cycle of two and alternating operating intervals. For this purpose, industrial magnetron generators are used, which are installed in microwave ovens, with additional phase-shifting devices (not shown in FIG.) In the power supply circuit of magnetron generators 5, which ensure their alternating operation. As a result, to the heated bundle 6 located in the central part of the tube 1, the microwave field energy will be supplied “quasi-continuously”: in the first half of the working cycle from the left magnetron, in the second - from the right magnetron. A peculiar mode of adding the output powers of two incoherent microwave generators to a common load is implemented, the functions of which are performed by a carbon tow 6, which is the central conductor of the above-mentioned symmetric waveguide-coaxial transition.

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 beryllium tube 1 has a device for supplying 7 and discharging 8 of inert gas (for example, argon) and a water cooling system 9, the supply of tow 6 is carried out using rollers 10.

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 tube 1 of beryllium oxide) by feed rollers 10, which also perform the role of grounding. Power is supplied to the magnetrons 5 and they begin to alternately generate a microwave field propagating in the form of waves along the waveguide to the load, the functions of which are the above-mentioned symmetric waveguide-coaxial transition 2 with a carbon bundle 6 in its coaxial arm. The inert gas supply 7 and 8 exhaust devices create a neutral medium in the tube 1 of beryllium oxide passing through the coaxial shoulders of the working cells. To cool the tube 1 during operation, water cooling is provided 9. When pulling the bundle 1 through the coaxial shoulders of three microwave cells 2, it is heated by the microwave field to a predetermined temperature sufficient for heat treatment. Reception of the bundle 1 leaving the furnace is carried out by rollers 10. During operation of this furnace, the uniformity and efficiency of heat treatment of a fibrous long carbon material are increased.

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)

1. Устройство для непрерывной высокотемпературной обработки углеродных жгутов, содержащее нагревательный элемент в виде источника поля сверхвысокой частоты и трубку для прохождения углеродного жгута, отличающееся тем, что 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 развернутые 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.1. Device for continuous high-temperature processing of carbon bundles, containing a heating element in the form of a microwave field source and a tube for passing a carbon bundle, characterized in that the heating element includes a microwave cell made in the form of waveguide-coaxial junctions with a common coaxial arm, on which mounted rectangular waveguides located in parallel planes and deployed relative to each other at equal angles, while as a source field of microwave frequency used magnetron ultrahigh frequency generators mounted on the opposite ends of each waveguide and provided with a phase shifter, providing a periodic operation of each pair of generators. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между сверхвысокочастотной ячейкой и генератором сверхвысокой частоты установлено развязывающее устройство в виде изолятора или циркулятора.2. The device according to claim 1, characterized in that a decoupling device in the form of an insulator or circulator is installed between the microwave cell and the microwave generator. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генераторы сверхвысокой частоты дополнительно снабжены тепловыми предохранителями.3. The device according to claim 1, characterized in that the microwave generators are additionally equipped with thermal fuses.
RU2006125956/12A 2006-07-17 2006-07-17 Device for continuous high-temperature processing of carbon yarn RU2324023C2 (en)

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)

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