感应式气相沉积炉

一.化学气相沉积炉主要用途：

化学气相沉积炉是利用感应加热原理，额定温度为1200℃。广范应用于C/C复合材料沉积热解碳处理。

二．化学气相沉积炉工作原理：

1、主电路工作原理：

使用串联谐振方式，采用全波不控整流，IGBT逆变技术，安全可靠，功率因素高；

具有恒电流、恒功率、恒频率等多种控制方式，可始终保持控制器处于最有效功率输出模式；具有频率自动跟踪能力，以保证工件频率与谐振频率的一致（工件在加热过程中尤其是过了材料的居里点温度后产生剧烈变化，因而谐振频率亦发生改变，电源的频率能及时的反应和调整，使输入电源得以更充分利用）；

采用串联谐振方式，起振方式简单可靠，适用于需要频繁起动或长时间运行的工作场合，可用于中小工件的断续加热或变化负载的连续加热；

具有完善的保护功能，防止负载短路、散热不良或其他故障损坏电源；

本装置负载是由感应线圈(包括加热工件石墨坩埚)及中频电热电容器组成的LC串联振荡电路，该电路对负载的适用性较强，运行稳定可靠。

化学气相沉积炉是利用中频感应加热的高温烧结设备，炉体内部设有一只螺旋型管式线圈，当线圈通过中频电流时，则产生交变磁场，石墨材料在交变磁场作用下，感应出电势，产生环形电流，这种电流在本身的磁场作用下集中在石墨料的表面（即所谓的趋肤效应），使外层石墨料具有很高的电流密度，从而产生集中而强大的热效应，已辐射致把坩埚内物料加热至1200℃高温。

三．化学气相沉积炉组成结构

化学气相沉积炉为立式真空感应加热炉，它由炉体、炉盖、真空系统、电气系统、加气系统、和水冷系统等部分组成。炉身采用水冷夹层结构。炉内装有感应线圈，发热体也是石墨材料制成石墨坩埚。发热体外围是由碳毡组成的保温装置和由刚玉组成的隔热绝缘装置。测温元件采用热电偶，半自动/手动控制炉温，采用智能型温度表控温。真空系统是由机械泵及真空阀等组成。真空的测量采用机械式真空表、薄膜式绝对压力真空计。成套设备由电源（配电柜、控温仪表、报警系统等）无功补偿装置（电器电容，变压器）炉体（炉壳、感应器、内部支撑、装料坩埚、保温层、绝缘层等）测温控温系统（日本岛电FP93、热电偶等）真空系统（管道，机械泵、破空阀、安全阀、真空表等）水冷系统（分水器，管道，阀门，压力表等）气体系统（质量流量计，混合罐，管道，阀门）等组成。温度测控系统可通过PLC与上位机实现无缝连接，实时监视、控制并显示整套设备的运行情况。实现电源、炉体、冷却水、保护气体等装置的顺序控制和连锁保护，同时具有预警、报警等功能。

1.炉体：一般为碳钢或不锈钢双层腔体，其中通冷却水冷却。由外而内依次为炉体，感应线圈，隔热材料，保温材料，坩埚和被加热物。可抽负压并在惰性气体保护下工作。隔热材料一般为氧化铝材料，可耐温度为1700度。感应炉体与炉盖可设计一转轴，方便开启炉盖。穿过双层腔体之侧盖设有温度检测孔。

1.1感应器：由优质矩型紫铜管60*30*4mm绕制经过3道工序绕制而成内通冷却水，外设接管联接装置。

1.2发热体材质：高功率电极石墨材料（石墨坩埚）。

石墨具有良好的热传导性能，同时石墨也基本接近理论的黑体材料，能有效吸收高温下的红外热辐射，使整个炉膛高温区横截面形成很小温度差，预计温度均匀性≤±25度。

1.3外保温材料：柔性碳毡及硬质碳毡及刚玉砂绝缘层等。

柔性碳毡与硬质碳毡按严格的条件购买与选配，能够保证在重复修炉时保温材料的一致性。

保温材料属炉膛较贵重材料，具有多孔性，长期的连续使用会使碳毡有一定量的损失，主要以内层高温部分损失较严重，达到预定使用寿命时，需要打开炉门，抽出发热腔将做更换。保温层各连接处以台阶形式连接，以防止炉内高温区的热量泄露。

1.4水冷电极。

由电源控制柜经补偿电容柜后的交流能量信号能过水冷电缆进入经水冷却电极到达交流感应线圈。

水冷却电极由不锈钢法兰与绝缘用环氧法兰等基本组成。    

2.真空系统：其作用是抽取炉内空气。其组成是采用两台2X-100T机械泵真空压差阀及高真空碟阀，真空管道等组成。

真空测量采用上海振太电容薄膜式绝对压力变送器（0-Kpa）测量真空，真空信号并输入到PLC，触摸屏可以实时显示纪录真空度。

3. 电控系统主要由整流器，IGBT模块，触发模块等组成。电控柜装有触摸屏、可编程序控制器、并精选新型按钮旋钮、自动开关、继电器、因此电控系统性能可靠。逆变器与电容、炉内感应器共同谐振，从而达到加热目的。化学气相沉积炉电控系统能实现手动和半自动操作，方便用户。

3.电源柜采用IGBT中频电源，串联联谐振方式。全密封机柜，逆变系统电气控制系统采用PLC可编程控制器。PLC可编程控制器可靠性高，故障率极低。电源柜采用全密封防尘结构，防止导电炭纤维和导电尘土，机柜自带水冷散热器，不与室内空气发生热交换，全部水冷却管道、阀门等都采用不锈钢件或铜铸件。

4.测温控温系统

温度测量及控制：采用热电偶做测温传感器，光电信号通过光纤电缆送入变送模块转换成4～20mA的线性电流信号，送到温度控制器进行处理。以电流形式传送信息的最大特点是：传输误差小，抗干扰能力强，适用于远距离，高精度测量。

温控器将测温信号与给定信号进行比较，将差值放大处理后，转换成对应的PID输出信号送至IGBT主板，达到自动调节功率和温度的目的。

控温仪表使用岛电公司产智能程序调节仪，该仪表具有0.3级高精确度，可编程控制升温速度和保温时间，具备有通讯端口,可实现准确控温。

手动状态下：功率调整由手动功率电位器调整，本仪表仅作温度显示之用.

自动状态下：功率调整分为仪表自动控制和仪表手动控制，及温度显示之用.

5.无功补偿装置

补偿电容器：感应加热炉负载功率低，需要串联电容谐振，提高功率因素。

6.水冷系统

一般采用闭式逆流冷却塔。闭式冷却塔（也叫蒸发式空冷器或密闭式冷却塔）是将管式换热器置于塔内，通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。由于是闭式循环，其能够保证水质不受污染，很好的保护了主设备的高效运行，提高了使用寿命。外界气温较低时，可以停掉喷淋水系统，起到节水效果。其作用是给炉体，炉盖，感应线圈通水，保证其温度不会太高而烧坏。

7.气体系统

气体系统由质量流量计，混合罐，管道，阀门等组成。质量流量计采用七星华创质量流量计，通过PLC与上位机实现无缝连接，实时监视、控制并显示每一种气体的流量，并且可在触摸屏上设置。          

五、主要技术参数及性能：

1、炉体部分：

(1)、最高使用温度：1400℃，工作温度：1200℃；

(2)、工作气氛：氩气 氮气

(3)、冷却水流量：约20m³/h。

(4)、测温方式：热电偶+红外光学测温

(5)、额定输入电压：单相375V/1.5kHz

2、测温、控温及智能化部分：

控制方式：①手动控制:电位器；②智能化PID程控:4-20mA。

3、电源参数：

进线电源：三相380V±10%，50Hz

整流方式：采用全波不控整流

频    率： 1500Hz。

额定输出： PFM 输出 单相 375V

额定总功率： 150kW。

4、控制回路：

           4.1 IGBT逆变技术

4.2 恒电流控制方式

当次级阻抗变化±15%时，输出电流变化≤2%

4.3恒功率（超音频或中频感应加热电源使用模式、AC=1）

当控制器设置为恒功率模式时，规范中的目标值或主画面上的设定值即为控制器输入的总功率值.

4.4、保护方式：

1、电流异常；

2、负载电流超过控制器最大允许值；

3、过电流

4.过电压

5.欠电压

6.负载电流太大

7.电压不足

8.三相不平衡

关键词：

石墨化炉 气氛沉积炉