Застосування ВВКМ для виготовлення високотемпературних нагрівачів теплових вузлів з автоматичним регулюванням температури

Abstract

В статті обґрунтовано використання високотемпературних нагрівачів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу (ВВКМ) для теплового вузла камери ростової установки вирощування великогабаритних монокристалів кремнію. Проведений аналіз підтверджує, що електричні властивості композиційних матеріалів, а саме їх питомий опір, дозволяють створювати нагрівальні елементи для високотемпературних вакуумних печей або печей з інертною атмосферою, які працюють при температурах до 2200 ºС. Застосування нагрівачів з вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу виключає головний недолік графітових нагрівачів - неконтрольоване енерговиділення в процесі резистивного нагрівання за рахунок наявності перехідного електричного опору в місцях з'єднань графітових пластин, і забезпечує більш рівномірне температурне поле за об'ємом камери. Можливості за максимально допустимою температурою такого нагрівача з ВВКМ більш ніж удвічі перевищують робочу, що також позитивно впливає на термін експлуатації. Режими теплових процесів, що протікають при вирощуванні кристалів модифікованим методом із застосуванням погружного обертаючого формоутворювача із розплаву, визначаються технологічним процесом залежно від складу вихідної сировини та вимагають високої рівномірності нагріву робочої зони теплової камери, високої точності та стабільності підтримки температурного режиму нагрівача. Для точного регулювання теплового режиму, запропоновано додатково вимірювати інтегральну температуру в камері непрямим методом, який заснований на вимірюванні сили електричного струму, що протікає через нагрівач, який знаходиться в умовах термодинамічної рівноваги з об'єктом. Таким чином, нагрівач розглядається як деяка система, схильна до різних теплових впливів, які визначають процес теплоперенесення і характер зміни температури всередині камери та в зоні розташування тігля теплового вузла. Запропоновано удосконалену структурну схему екстремальної системи крокового типу для автоматичного регулювання температури високотемпературного нагрівача із застосуванням сучасної силової електроніки, датчиків, мікропроцесорів. Для забезпечення швидкодії та точності регулювання температури був застосований метод імпульсно-фазового керування випрямлячами реалізований на сучасному спеціалізованому термоконтролері з ПІД-регулюванням. Проведені експериментальні випробування на установці "Редмет-30" в заводських умовах підтверджують енергоефективність застосування високотемпературних нагрівачів з ВВКМ.