устройство для плавления и кристаллизации материалов

Формула изобретения

1. Устройство для плавления и кристаллизации материалов, содержащее герметичный корпус, нагревательный блок с нагревательными секциями и теплоизоляцией, контур охлаждения, отличающееся тем, что оно снабжено индуктором, аппаратурой управления, механизмом загрузки-разгрузки капсул с исходным материалом, снабженным толкателем с приводом перемещения, магазином для капсул с приводом поворота, устройством распознавания признака капсул, при этом нагревательные секции установлены на плате, соединенной с корпусом, с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль прорезей платы, параллельных продольной оси нагревательного блока, внутри нагревательных секций установлена перфорированная жаровая труба, соединенная с платой, в которой по наружным образующим выполнены каналы с установленными в них термоэлектрическими преобразователями, причем теплоизоляция нагревательных секций выполнена в два слоя, из которых внутренний слой изготовлен из композиционного углерод-углеродного материала, а наружный - из гофрированной никелевой фольги, а электроподводы нагревательных секций установлены с помощью перемычек на плате в низкотемпературной зоне нагревательного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что капсула с исходным материалом снабжена кронштейном с двумя вилками электрического соединителя, установленном на ее хвостовике, а корпус механизма загрузки-разгрузки снабжен опорой с направляющими и ползуном с двумя розетками этого соединителя с возможностью перемещения ползуна по направляющим, причем вилки капсулы и розетки ползуна контактируют друг с другом на заданном расстоянии при перемещении капсулы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплоизоляция нагревательного блока, установленная между индуктором и нагревательными секциями, изготовлена из композиционного углерод-углеродного материала, нейтрального к воздействию магнитного поля.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство распознавания признака капсул выполнено в виде диска с набором накладок, контактирующих при повороте попеременно, в определенном сочетании, с концевыми выключателями привода поворота магазина, установленными на корпусе механизма загрузки-разгрузки.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство распознавания признака капсул выполнено в виде диска с вырезами по периметру окружности, контактирующим при повороте, в определенном сочетании, с щелевыми оптронами, установленными на корпусе механизма загрузки-разгрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области материаловедения, преимущественно к космической технологии, и позволяет проводить процессы плавки для получения материала в условиях минимального воздействия микрогравитации.

Известно "Устройство для плавления и кристаллизации материалов", RU 2061110, М. кл. С 30 В 31/16, 27.05.1996, содержащее герметичный корпус, теплоизоляцию, заготовку исходного материала, размещенную в держателях, по крайней мере, один нагреватель, выполненный в виде блока нагревательных секций, снабженный корпусом с системой охлаждения, при этом нагревательный элемент выполнен из композиционного углерод-углеродного материала.

В известном устройстве может быть проведен только один технологический процесс, после чего необходимо открыть загрузочный люк и переустановить заготовку с исходным материалом. В этом случае каждый раз при повторном вакуумировании устройства теряется часть атмосферы помещения (космической станции, аппарата), где происходит процесс плавки. Кроме того, отсутствуют надежная система контроля температуры на нагревательных секциях и материале, а также воздействие магнитного поля.

Задачей предложенного решения является обеспечение возможности проведения многоразовых экспериментов с постоянным контролем и управлением протекания технологического процесса при обеспечении надежного чередования капсул с исходным материалом в автоматическом режиме работы и снижении металлоемкости конструкции.

В предложенном устройстве для плавления и кристаллизации материалов, содержащем герметичный корпус, нагревательный блок с нагревательными секциями и теплоизоляцией, контур охлаждения, индуктор, аппаратуру управления, механизм загрузки-разгрузки капсул с исходным материалом, снабженный толкателем с приводом перемещения, магазином для капсул с приводом поворота, устройством распознавания признака капсул, нагревательные секции установлены на плате, соединенной с корпусом, с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль прорезей платы, параллельных продольной оси нагревательного блока, при этом внутри нагревательных секций установлена перфорированная жаровая труба, соединенная с платой, в которой по наружным образующим выполнены каналы с установленными в них термоэлектрическими преобразователями, причем теплоизоляция нагревательных секций выполнена в два слоя, из которых внутренний слой изготовлен из композиционного углерод-углеродного материала, а наружный - из гофрированной никелевой фольги, а электроподводы нагревательных секций установлены с помощью перемычек на плате в низкотемпературной зоне нагревательного блока.

Кроме этого, капсула с исходным материалом снабжена кронштейном с двумя вилками электрического соединителя, установленным на ее хвостовике, а корпус механизма загрузки-разгрузки снабжен опорой с направляющими и ползуном с двумя розетками этого соединителя с возможностью перемещения ползуна по направляющим, причем вилки капсулы и розетки ползуна контактируют друг с другом на заданном расстоянии при перемещении капсулы.

Кроме этого, теплоизоляция нагревательного блока, установленная между индуктором и нагревательными секциями, изготовлена из композиционного углерод-углеродного материала, нейтрального к воздействию магнитного поля.

Кроме этого, устройство для распознавания признака капсул выполнено в виде диска с набором накладок, контактирующих при повороте попеременно в определенном сочетании с концевыми выключателями привода поворота магазина для капсул, установленными на корпусе механизма загрузки-разгрузки.

Кроме этого, устройство распознавания признака капсул выполнено в виде диска с вырезами по периметру окружности, контактирующими при повороте в определенном сочетании со щелевыми оптронами, установленными на корпусе механизма загрузки-разгрузки.

На фиг.1 показано устройство в разрезе; на фиг.2 - нагревательный блок; на фиг.3 - сечение А-А фиг.2 (без жаровой трубы); на фиг.4 - плата с нагревательными секциями; на фиг.5 - вид сбоку фиг.4; на фиг.6 - узел Б фиг.5; на фиг. 7 и 8 - ползун; на фиг.9 и 10 - хвостовик капсулы; на фиг.11, 12 и 13 - устройство распознавания признака капсул.

Предлагаемое устройство содержит герметичный корпус 1, нагревательный блок 2 с нагревательными секциями 3 и теплоизоляцией 4. В герметичном корпусе 1 смонтированы контур охлаждения 5 и магнитный индуктор 6. Снаружи устройства имеется аппаратура управления 7 (см. фиг.11). Герметичный корпус 1 соединен с механизмом загрузки-разгрузки 8 капсул с исходным материалом 9, в котором размещаются толкатель 10 с приводом перемещения, магазин 11 для капсул с приводом поворота и устройство 12 распознавания признака капсул. Нагревательные секции 3 установлены на плате 13 (см. фиг.4). Нагревательные секции 3 имеют возможность перемещаться относительно друг друга но прорезям платы 13. Это дает возможность без демонтажа нагревательного блока 2 устанавливать нагревательные секции 3 па оптимальном расстоянии между собой при проведении технологических экспериментов. Сквозь нагревательные секции 3 но оси нагревательного блока 2 установлена перфорированная жаровая труба 14, крепящаяся к плате 13. Жаровая труба 14 находится в непосредственной близости от нагревательного элемента. По наружным образующим жаровой трубы 14 проходят каналы 15 (см. фиг. 6), в которых размещены термоэлектрические преобразователи 16 (термопары). В каждом канале 15 расположены две термопары, установленные с противоположных сторон, соединенные параллельно с целью дублирования, и геометрически расположенные таким образом, чтобы их термочувствительный спай находился под серединой соответствующей секции. Термопары 16 измеряют температуру практически на нагревательном элементе, что весьма важно для управления протекания технологического процесса. Показания термопар 16 поступают в аппаратуру управления 7. Жаровая труба 14, служащая для установки термопар 16 в непосредственной близости от нагревательного элемента, выполнена с перфорацией (со множеством отверстий, перпендикулярных ее оси). Это необходимо для исключения выравнивания температуры в рабочей зоне капсулы и создания необходимого температурного градиента.

Haгревательные секции 3 изготовлены следующим образом. Внутри установлен нагревательный элемент в виде спирали из композиционного углерод-углеродного материала (КУУМ). Снаружи от нагревательного элемента находится теплоизоляция нагревательной секции 3, выполненная в два слоя. Внутренний слой 17 также изготовлен из КУУМа, а наружный слой 18 - из гофрированной никелевой фольги. Это сделано для того, чтобы нагревательный элемент, выполненный также из КУУМа, в меньшей степени окислялся в процессе работы, а значит, имел бы более высокий ресурс работы. Наружный слой 18 изготовлен из гофрированной никелевой фольги для того, чтобы увеличить отражающую способность теплового поля этого слоя внутрь, а значит, уменьшить потери тепловой энергии. Причем, т.к. температура нагревательного элемента более 1200^oС, а значение температуры ферромагнитной точки Кюри для никеля 360^oС, то наружный слой 18 не препятствует воздействию магнитного поля индуктора 6 на капсулу с исходным материалом, которое желательно для получения материала более высокого качества в условиях микрогравитации. Кроме того, кабели электропитания нагревательных секций 3 крепятся к электроподводам 19, и с помощью перемычек 20 подводят электропитание к нагревательным секциям 3. Сами электроподводы 19 расположены при этом в низкотемпературной зоне нагревательного блока 2, что также увеличивает ресурс работы установки.

Между индуктором 6 и нагревательным блоком 2 установлена теплоизоляция 4 в виде цилиндрической трубы. Теплоизоляция 4 выполнена из КУУМа, который нейтрален к воздействию магнитного поля индуктора 6, охлаждаемого при помощи контура охлаждения 5, но предохраняет его от воздействия теплового поля. Механизм загрузки-разгрузки 8 капсул 9 с исходным материалом содержит магазин 11 с приводом поворота, в котором размещены в данном случае 12 капсул. В процессе цикла работы каждая капсула 9 перемещается из механизма загрузки-разгрузки 8 в нагревательный блок 2 (холостой ход) и при рабочем ходе обратно, подвергается плавлению и перекристаллизации. В момент проведения технологического процесса очень важно контролировать температуру различных точек исходного материала. Для этого каждая капсула 9 снабжена кронштейном 21, расположенным на ее хвостовике, на котором установлены две вилки 22 электросоединителя. На корпусе механизма загрузки-разгрузки 8 установлена опора 23 с направляющими, по которым может перемещаться ползун 24. На ползуне 24 расположены две розетки 25 электросоединителя (ответная часть).

Две вилки 22 капсулы 9 контактируют с двумя розетками 25 ползуна 24. Через этот электросоединитель в аппаратуру управления 7 поступают сведения от термопар 16, установленных в капсулах 9. Особенно важно, что эти данные поступают во время технологического процесса при рабочем ходе капсулы 9. По окончании заданного рабочего хода капсулы ползун 24 упирается в опору 23 и контакт вилок 22 и розеток 25 прерывается. Ползун 24 с розетками 25 остается на месте, а капсула 9 с кронштейном 21 и вилками 22 продолжает перемещаться до своего конечного положения в магазине 11. Таким образом, на протяжении всего рабочего хода капсулы 9 поступает информация от термопар о температуре исходного материала в любой ее заданной точке. Эта информация необходима для проведения анализа технологического процесса, а выводы анализа приводят к его оптимизации. В предлагаемой установке в магазине 11 установлены 12 капсул 9, в которых могут быть разные исходные материалы, разного диаметра и длины. Поэтому механизм загрузки-разгрузки 8 содержит устройства 12 распознавания признака капсул.

В предлагаемой конструкции устройство распознавания признака капсул выполнено в виде диска 26 с набором накладок 27. Накладки 27 установлены на диске 26 в определенном количестве и сочетании. При повороте магазина 11 они контактируют с концевыми выключателями 28, с помощью которых происходит "выбор" капсулы (см. фиг.11). По другому варианту устройство 12 распознавания признака капсул (см. фиг.12 и 13) выполнено в виде диска 29 с вырезами по периметру окружности. При повороте магазина 11 вырез или сплошное тело диска 29 проходит в щели оптронов 30 и в зависимости от сочетания вырезов оптроны 30 "выбирают" капсулу.

Работа устройства заключается в следующем.

В механизм 8 загрузки-разгрузки устанавливают капсулы 9, в нагревательном блоке 2 выставляют нагревательные секции 3. Затем из установки откачивают воздух. Потом при помощи толкателя 10 и привода перемещения выбранная капсула 9 перемещается в нагревательный блок 2. Включает нагревательные секции 3, индуктор 6 и привод перемещения капсулы (обратный рабочий ход). Происходит плавление и перекристаллизация материала в капсуле. После этого капсулу перемещают на свое место в магазине 11. Технологический цикл закончен. После этого с помощью устройства 12 распознавания признака капсул и привода поворота "выбирают" следующую капсулу 9 и технологический цикл повторяется. При необходимости изменяют расстановку и температуру нагревательных секций 3 (максимальная температура 1300^oС).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет проводить многоразовые автономные процессы плавки с его постоянным контролем и управлением протекания при надежном чередовании капсул с исходным материалом в автоматическом режиме работы и снижении металлоемкости конструкции.