Экотехнологии для Науки, Промышленности и Сельского хозяйства

*АгроЭкоТех. Свидетельство о Государственной регистрации №1164027068655

Бюджетные генераторы для микроволновых плазмотронов

Тихонов В.Н., Иванов И.А., Крюков А.Е., Тихонов А.В. (Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, Обнинск, Россия). Гладышев В.А., (Окланд, Новая Зеландия)

pic1В настоящее время существует острая необходимость в экономичных, простых и надежных источниках низкотемпературной плазмы для применения в перспективных направлениях развития науки и промышленности, при разработке новых материалов и технологий, а также для интенсификации существующих технологических процессов. На сегодняшний день наибольшее применение получили три вида генераторов плазмы:

  1. электродуговые – на переменном и постоянном токе,
  2. высокочастотные (ВЧ),
  3. сверхвысокочастотные (СВЧ, микроволновые) плазмотроны.

Исторически первыми с этой целью были использованы электродуговые разряды постоянного тока и переменного тока промышленной частоты. В настоящее время они наиболее полно изучены и находят самое широкое применение в промышленности. С появлением ламповых генераторов началось использование индукционного разряда высокой частоты (ВЧ) – от 60 кГц до 60 МГц, что позволило изолировать разряд от электродов и стенок разрядной камеры и получать чистую безэлектродную плазму, не имеющую теплового и электрического контакта с элементами конструкции плазмотрона. В качестве источников энергии высокой частоты в настоящее время все более широко используются твердотельные ВЧ генераторы на мощных полупроводниковых приборах. Использование сверхвысокочастотных (СВЧ) плазмотронов дает возможность сочетать преимущества чистого безэлектродного разряда с удобством подвода электромагнитной энергии по волноводным или коаксиальным фидерным линиям. В разрешенных для промышленного применения диапазонах частот 930 и 2450 МГц в качестве источников энергии для СВЧ плазмотронов практически повсеместно используются мощные генераторы на магнетронах.

Базовую стоимость как ВЧ так и СВЧ генераторов киловаттного уровня мощности можно оценить по их удельной стоимости, которая составляет величину от 50 (на вторичном рынке, б/у источники) до 500 и более рублей за 1 Ватт генерируемой мощности (напр., полупроводниковые ВЧ генераторы компании Comdel, серия CPS). В то же время, цена бытовой микроволновой печи мощностью 1 кВт, куда помимо магнетрона входят: достаточно сложный корпус, высоковольтный трансформатор, системы вентиляции, блокировки и управления, может составлять менее 4 тыс. рублей, т.е. порядка 4 рубля за 1 Ватт полезной мощности. Поэтому представляется разумным, в качестве дешевого источника СВЧ энергии для микроволновых плазмотронов использовать основные компоненты бытовых микроволновых печей. Массовое производство и острая конкуренция ведущих фирм-производителей на мировом рынке, обеспечивают высокую надежность их продукции при низкой стоимости. Потребности ремонта и обслуживания огромного парка СВЧ печей обусловливают дешевизну и доступность запасных частей, а также несложность технологии ремонта – путем простой замены компонентов. Для реализации этих достоинств необходимо было решить несколько задач.

1. Обеспечить непрерывный режим работы магнетрона

Схема питания магнетрона обычной микроволновой печи представляет собой повышающий трансформатор, работающий на однополупериодный выпрямитель с удвоением напряжения. Поэтому огибающая СВЧ сигнала представляет собой импульсы микроволновой энергии длиной порядка 1 мс с периодом повторения 2 мс. При этом поддержание устойчивого горения плазмы в подкритичном плазмотроне на атмосферном давлении практически невозможно.

Преимущества удвоения: вдвое меньшие рабочие напряжения трансформатора и конденсатора – снижение весогабаритных и стоимостных показателей. Недостатки: импульсный режим работы магнетрона – половина периода питающего напряжения приходится на процесс накопления энергии в конденсаторе. Такой режим не подходит для питания плазменных установок, работающих при атмосферном давлении – за время паузы (~ 1 мс) ионы в области разряда успевают рекомбинировать или же сама область разряда выдувается из разрядной камеры потоком рабочего газа.

Известна схема питания магнетрона от двух таких трансформаторов, включенных противофазно в питающую сеть 220В/50 Гц. Она использовалась, в частности, в отечественных СВЧ источниках "Хазар-0.6". Несмотря на очень высокий (до 100%) уровень пульсаций, в некоторых типах плазмотронов при такой запитке нам удавалось поддерживать плазменный разряд на атмосферном давлении при использовании в качестве плазмообразующего газа окиси углерода, аргона и даже воздуха. Однако такой разряд неустойчив и очень критичен к параметрам формируемого потока рабочих газов.

Рис.1 Генератор 1кВт с инверторным питанием.

pic2

Рис.2 Генератор 3кВт непрерывной мощности.

pic3

Нами была разработана схема высоковольтного питания магнетрона от трехфазной сети переменного тока. Уровень пульсаций при этом обеспечивается порядка 15% без применения каких-либо дополнительных схемотехнических приемов и средств. Это более чем достаточно для поддержания непрерывного плазменного разряда, который получается устойчивым даже для такого весьма капризного рабочего тела как водяной пар.

2.Управление уровнем мощности

Все без исключения магнетроны для бытовых печей выпускаются на постоянных магнитах, поэтому регулирование мощности у них возможно только путем периодического включения и выключения, т.е. изменением соотношения времени работы на полную мощность и продолжительности паузы до следующего включения.

Рис.3 Источники питания магнетронов с переключаемым уровнем мощности.

pic4

Эта задача была решена нами за счет дискретного изменения соотношения параметров емкостных накопителей в удвоителях напряжения по каждой фазе.

3.Повышение эффективности системы охлаждения

При работе в истинно-непрерывном режиме нами достигнуто более чем двухкратное увеличение выходной мощности магнетрона по сравнению с паспортным квази-непрерывным режимом. Но в той же пропорции возрастает и тепловая нагрузка на все его конструктивные элементы. В этих условиях штатное воздушное охлаждение оказывается недостаточным. Срок службы магнетрона при этом становится неприемлемо мал. Для работы при повышенных уровнях мощности нами была разработана технология модификации охлаждения серийных СВЧ магнетронов, используемых в бытовых и промышленных микроволновых печах, − с воздушного на водяное.

Для сравнения: Компания LG выпускает, например, магнетроны типа 2М278 с выходной мощностью 2 кВт, причем в варианте воздушного охлаждения на нашем внутреннем рынке они предлагаются по цене 14 тыс. руб., а в варианте с водяным охлаждением - по цене 37 тыс. руб. за штуку. Та же фирма выпускает магнетроны 2M285 с воздушным охлаждением на 3 кВт рабочей мощности по цене 21 тыс. руб. Следует заметить, что для этих магнетронов необходимы специальные трансформаторы, которые на нашем отечественном рынке отсутствуют.

Наши первые модификации магнетрона с воздушного на водяное охлаждение были выполнены с использованием навивки тонкостенной медной трубки непосредственно на корпус прибора (Рис.4(слева) – отечественный магнетрон М-105, переделанный под водяное охлаждение). Для улучшения теплового контакта трубки с корпусом использовались термопасты КПТ-8, Thermaltake и др. Однако такая конструкция не обеспечивала достаточного охлаждения постоянных магнитов, которые оказались наиболее критичны к перегреву при повышенных уровнях мощности.

Рис.4 Магнетроны с водяным охлаждением.

pic5

Ввиду вышесказанного, была разработана и испытана конструкция водяного радиатора в виде разрезного моноблока из алюминиевого сплава. Такой радиатор имеет достаточно хороший тепловой контакт с обоими магнитами (за счет большой площади контакта) и плотную посадку на корпус магнетрона за счет силовой стяжки разрезной конструкции. На рис. 4(справа) представлен магнетрон фирмы Samsung типа ОМ-75Р(31) с номинальной выходной мощностью 1000 Вт, оснащенный моноблочным водяным радиатором. В ходе испытаний он развивал мощность 2.5 кВт на протяжении более 8 часов непрерывной работы на согласованную нагрузку.

В результате наших исследований и разработок удалось обеспечить возможность осуществления истинно-непрерывного режима работы общедоступных и недорогих магнетронов при питании от трехфазной сети переменного тока. Трансформаторы, диоды и конденсаторы также используются штатные, общедоступные и недорогие. При этом нами было достигнуто повышение выходной мощности магнетрона более чем в два раза по сравнению с паспортным значением, а тепловая нагрузка на каждый из трансформаторов при этом понижается до величины порядка 0.7 от штатного режима. Последнее обстоятельство дает возможность осуществлять непрерывные технологические процессы в течение многих суток без остановки. Всё это позволило нам разработать простые, надёжные, недорогие и высокоэффективные СВЧ генераторы для питания микроволновых плазмотронов и других промышленных и исследовательских микроволновых установок различного назначения.

Рис.5 Волноводная система плазмотрона.

pic6

Рис.6 Блок СВЧ в двух рабочих положениях.

pic7

Рис.7 СВЧ плазмотрон в действии. Рабочий газ – воздух, 80 л/мин.

pic8

Рис.8 Испытания новой конструкции плазмотрона – с удаленной диэлектрической стенкой.

pic9

Подробнее на сайте: https://swplasm.biz