Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Осаждение распылением — Sputter deposition

Осаждение распылением — Sputter deposition

Осаждение напылением — это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD), заключающийся в нанесении тонких пленок распылением . Это включает выброс материала из «мишени», которая является источником, на «подложку», такую ​​как кремниевая пластина . Повторное испарение — это повторное испускание осажденного материала во время процесса осаждения ионной или атомной бомбардировкой. Распыленные атомы, выброшенные из мишени, имеют широкое распределение энергии, обычно до десятков эВ (100000 К ). Распыленные ионы (обычно ионизируется лишь небольшая часть выброшенных частиц — порядка 1 процента) могут баллистически лететь от мишени по прямым линиям и энергично воздействовать на подложки или вакуумную камеру (вызывая повторное распыление). В качестве альтернативы, при более высоких давлениях газа ионы сталкиваются с атомами газа, которые действуют как замедлитель, и движутся диффузно, достигая подложек или стенки вакуумной камеры и конденсируясь после случайного блуждания . Весь диапазон от баллистического удара высокой энергии до термализованного движения с низкой энергией доступен за счет изменения фонового давления газа. Газ для распыления часто представляет собой инертный газ, например аргон . Для эффективной передачи импульса атомный вес распыляющего газа должен быть близок к атомному весу мишени, поэтому для распыления легких элементов предпочтительнее неон , а для тяжелых элементов используется криптон или ксенон . Реактивные газы также могут использоваться для распыления компаундов. Состав может быть сформирован на поверхности мишени, в полете или на подложке в зависимости от параметров процесса. Наличие многих параметров, управляющих напылением, делает этот процесс сложным, но также позволяет специалистам в значительной степени контролировать рост и микроструктуру пленки.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Использование
    • 1.1 Покрытие напылением
  • 2 Сравнение с другими методами осаждения
  • 3 Типы напыления
    • 3.1 Ионно-лучевое распыление
    • 3.2 Реактивное распыление
    • 3.3 Ионное осаждение
    • 3.4 Распыление с высокой степенью использования мишени (HiTUS)
    • 3.5 Мощное импульсное магнетронное распыление (HiPIMS)
    • 3.6 Распыление газовым потоком
  • 4 Структура и морфология
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дальнейшее чтение
  • 8 Внешние ссылки

Использует

Одним из первых широко распространенных коммерческих применений напыления, которое до сих пор является одним из наиболее важных приложений, является производство компьютерных жестких дисков . Распыление широко используется в полупроводниковой промышленности для нанесения тонких пленок из различных материалов при обработке интегральных схем . Тонкие просветляющие покрытия на стекле для оптики также наносятся распылением. Из-за низких температур подложки распыление является идеальным методом нанесения контактных металлов для тонкопленочных транзисторов . Еще одно известное применение распыления — это покрытия на стекле с низким коэффициентом излучения , используемые в оконных конструкциях с двойным остеклением . Покрытие представляет собой многослойное , содержащее серебро и металлические оксиды , такие как оксид цинка , окись олова , или диоксид титана . Крупная промышленность получила развитие в области покрытия долота инструмента с использованием распыленных нитридов, таких как нитрид титана , создавая знакомое твердое покрытие золотого цвета. Распыление также используется как процесс нанесения металлического (например, алюминиевого) слоя во время изготовления компакт-дисков и DVD-дисков.

Поверхности жесткого диска используют распыленный CrO x и другие распыленные материалы. Распыление — один из основных процессов производства оптических волноводов и еще один способ создания эффективных фотоэлектрических солнечных элементов.

Покрытие напылением

Покрытие распылением в сканирующей электронной микроскопии — это процесс напыления для покрытия образца тонким слоем проводящего материала, обычно металла, такого как сплав золото / палладий (Au / Pd). Проводящее покрытие необходимо для предотвращения зарядки образца электронным пучком в обычном режиме SEM (высокий вакуум, высокое напряжение). Хотя металлические покрытия также полезны для увеличения отношения сигнал / шум (тяжелые металлы являются хорошими вторичными эмиттерами электронов), они имеют худшее качество при использовании рентгеновской спектроскопии . По этой причине при использовании рентгеновской спектроскопии предпочтительнее углеродное покрытие.

Сравнение с другими методами осаждения

Важным преимуществом напыления является то, что даже материалы с очень высокими температурами плавления легко распыляются, в то время как испарение этих материалов в испарителе сопротивления или ячейке Кнудсена проблематично или невозможно. Пленки, осажденные напылением, имеют состав, близкий к составу исходного материала. Разница возникает из-за того, что разные элементы распространяются по-разному из-за их разной массы (легкие элементы легче отклоняются газом), но эта разница постоянна. Напыленные пленки обычно имеют лучшую адгезию к подложке, чем напыленные пленки. Мишень содержит большое количество материала и не требует обслуживания, что делает методику пригодной для применения в сверхвысоком вакууме. Источники распыления не содержат горячих частей (во избежание нагрева они обычно охлаждаются водой) и совместимы с химически активными газами, такими как кислород. Распыление можно выполнять сверху вниз, а испарение — снизу вверх. Возможны продвинутые процессы, такие как эпитаксиальный рост.

Некоторые недостатки процесса напыления заключаются в том, что этот процесс труднее сочетать с отрывом для структурирования пленки. Это связано с тем, что характерный для распыления диффузный перенос делает полную тень невозможной. Таким образом, невозможно полностью ограничить направление атомов, что может привести к проблемам загрязнения. Кроме того, активный контроль послойного роста затруднен по сравнению с импульсным лазерным осаждением, и инертные газы для распыления встраиваются в растущую пленку как примеси. Импульсное лазерное напыление представляет собой вариант метода напыления, в котором для напыления используется лазерный луч. Роль распыленных и повторно распыленных ионов и фонового газа полностью исследована в процессе импульсного лазерного осаждения.

Типы напыления

Источники для распыления часто используют магнетроны, которые используют сильные электрические и магнитные поля для удержания заряженных частиц плазмы близко к поверхности мишени для распыления. В магнитном поле электроны движутся по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, претерпевая больше ионизирующих столкновений с газообразными нейтралами вблизи поверхности мишени, чем могло бы произойти в противном случае. (По мере того, как материал мишени истощается, на поверхности мишени может появиться эрозионный профиль «беговой дорожки».) Газ для распыления обычно представляет собой инертный газ, такой как аргон. Дополнительные ионы аргона, образующиеся в результате этих столкновений, приводят к более высокой скорости осаждения. Таким образом, плазма также может поддерживаться при более низком давлении. Распыленные атомы нейтрально заряжены, поэтому на них не действует магнитная ловушка. Накопления заряда на изолирующих мишенях можно избежать с помощью высокочастотного распыления, при котором знак смещения анод-катод изменяется с высокой скоростью (обычно 13,56 МГц ). Радиочастотное напыление хорошо работает для получения оксидных пленок с высокой изоляцией, но требует дополнительных затрат на источники высокочастотного питания и схемы согласования импеданса . Рассеянные магнитные поля, исходящие от ферромагнитных мишеней, также нарушают процесс распыления. Для компенсации часто приходится использовать специально разработанные распылительные пистолеты с необычно сильными постоянными магнитами.

Ионно-лучевое распыление

Ионно-лучевое распыление (IBS) — это метод, при котором мишень находится вне ионного источника . Источник может работать без какого-либо магнитного поля, как в датчике ионизации с горячей нитью . В источнике Кауфмана ионы генерируются в результате столкновений с электронами, которые удерживаются магнитным полем, как в магнетроне. Затем они ускоряются электрическим полем, исходящим от сетки по направлению к цели. Когда ионы покидают источник, они нейтрализуются электронами из второй внешней нити. IBS имеет преимущество в том, что энергия и поток ионов могут регулироваться независимо. Поскольку поток, падающий на мишень, состоит из нейтральных атомов, можно распылять как изолирующие, так и проводящие мишени. IBS нашла применение при изготовлении тонкопленочных головок для дисководов . Градиент давления между источником ионов и камерой для образца создается путем размещения впускного отверстия для газа в источнике и выстрела через трубку в камеру для образца. Это экономит газ и снижает загрязнение в сверхвысоковольтных системах. Главный недостаток IBS — большой объем технического обслуживания, необходимого для поддержания работы ионного источника.

Читать еще:  Автоматические видеорегистраторы при запуске двигателя

Реактивное распыление

При реактивном распылении распыленные частицы из материала мишени подвергаются химической реакции, направленной на осаждение пленки различного состава на определенной подложке. Химическая реакция, которую претерпевают частицы, происходит с химически активным газом, вводимым в камеру распыления, таким как кислород или азот, что позволяет получать оксидные и нитридные пленки соответственно. Введение в процесс дополнительного элемента, то есть реактивного газа, оказывает значительное влияние на желаемые отложения, что затрудняет поиск идеальных рабочих точек. Таким образом, подавляющее большинство процессов распыления, основанных на реакциях, характеризуются поведением, подобным гистерезису, что требует надлежащего контроля задействованных параметров, например парциального давления рабочего (или инертного) и реактивного газов, чтобы его подорвать. Berg et al. предложила важную модель, например, модель Берга, для оценки влияния добавления химически активного газа в процессах распыления. Как правило, влияние относительного давления и потока химически активного газа оценивалось в соответствии с эрозией мишени и скоростью осаждения пленки на желаемой подложке. Состав пленки можно контролировать, изменяя относительное давление инертных и реактивных газов. Стехиометрия пленки является важным параметром для оптимизации функциональных свойств, таких как напряжение в SiN x и показатель преломления SiO x .

Ионное осаждение

При ионном осаждении (IAD) подложка подвергается воздействию вторичного ионного пучка, работающего с меньшей мощностью, чем распылительная пушка. Обычно вторичный пучок подается от источника Кауфмана, подобного тому, который используется в IBS. IAD можно использовать для осаждения углерода в алмазоподобной форме на подложке. Любые атомы углерода, попадающие на подложку, которые не могут должным образом соединиться в кристаллической решетке алмаза, будут отброшены вторичным лучом. НАСА использовало эту технику для экспериментов с нанесением алмазных пленок на лопатки турбин в 1980-х годах. IAD используется в других важных промышленных приложениях, таких как создание тетраэдрических покрытий из аморфного углерода на пластинах жестких дисков и покрытий из твердых нитридов переходных металлов на медицинских имплантатах.

Распыление с высоким коэффициентом использования мишени (HiTUS)

Распыление также может производиться путем удаленной генерации плазмы высокой плотности. Плазма генерируется в сторону камеры отверстие в основной технологической камере, содержащий мишень и подложка должна быть покрыта. Поскольку плазма генерируется удаленно, а не от самой мишени (как при обычном магнетронном распылении), ионный ток к мишени не зависит от напряжения, приложенного к мишени.

Мощное импульсное магнетронное напыление (HiPIMS)

HiPIMS — это метод физического осаждения тонких пленок из паровой фазы, основанный на магнетронном напылении. HiPIMS использует чрезвычайно высокую плотность мощности порядка кВт / см 2 в коротких импульсах (импульсы) длительностью в десятки микросекунд при низком рабочем цикле Распыление газовым потоком

Распыление газовым потоком использует эффект полого катода , тот же эффект, с которым работают лампы с полым катодом . При распылении газового потока рабочий газ, такой как аргон, проходит через отверстие в металле, подвергающемся отрицательному электрическому потенциалу. Повышенная плотность плазмы возникает в полом катоде, если давление в камере p и характерный размер L полого катода подчиняются закону Пашена 0,5 Па · м Структура и морфология

В 1974 г. Дж. А. Торнтон применил модель структурной зоны для описания морфологии тонких пленок при напылении. В исследовании металлических слоев, полученных методом распыления на постоянном токе, он расширил концепцию структурных зон, первоначально введенную Мовчаном и Демчишиным для напыленных пленок . Торнтон ввел дополнительную структурную зону Т, которая наблюдалась при низких давлениях аргона и характеризовалась плотно упакованными волокнистыми зернами. Самым важным моментом этого расширения было подчеркнуть давление p как решающий параметр процесса. В частности, если для сублимации исходных атомов используются гипертермические методы, такие как распыление и т. Д. , Давление через длину свободного пробега определяет распределение энергии, с которым они сталкиваются с поверхностью растущей пленки. Таким образом, наряду с температурой осаждения T d при рассмотрении процесса осаждения всегда следует указывать давление в камере или длину свободного пробега.

Поскольку напыление относится к группе процессов с использованием плазмы, наряду с нейтральными атомами также заряженные частицы (например, ионы аргона) попадают на поверхность растущей пленки, и этот компонент может оказывать большое влияние. Обозначив потоки поступающих ионов и атомов J i и J a , оказалось, что величина отношения J i / J a играет решающую роль в микроструктуре и морфологии пленки. Эффект ионной бомбардировки может быть количественно выведен из структурных параметров, таких как предпочтительная ориентация кристаллитов или текстуры, и из состояния остаточного напряжения . Было показано , что в последнее время текстуры и остаточные напряжения могут возникать в газе поток распыленных слоев Ti , которые сравнивают с результатами , полученными в макроскопических заготовках Ti , подвергнутых сильную пластическую деформацию путем дробеструйной обработки .

Израильские вкладыши King

Предлагаем вкладыши двигателя производителя King. Вкладыши отличаются высоким качеством, разнообразием размеров и большим выбором по маркам авто.

Компания King была основана в 1960 году с одной целью: производить и поставлять на рынки запчастей вкладыши для двигателей самого высокого качества.

Вкладыши двигателя King отличаются высокой точностью и качеством.

Специализирующаяся на подшипниках двигателя, компания King создала обширное предложение продукта, которое включает в себя широкий спектр вкладышей двигателей для автомобилей ― малотоннажных и грузовых большой грузоподъемности, морских, авиационных и многих других типов двигателей внутреннего сгорания. King использует для производства вкладышей самые качественные материалы и самые передовые проекты, чтобы обеспечить полное удовлетворение потребителей.

От концепции до конечного продукта ― все делается под одной крышей. Это позволяет компании King более эффективно и с большей точностью производить подшипники для того, чтобы идти в ногу с потребностями клиентов. Все вкладыши проходят контрольно-пропускные пункты строгого контроля качества на протяжении всего производственного процесса. Несколько поэтапных проверок качества гарантируют, что вкладыши только самого высокого качества попадут в руки конечного потребителя.

King является первым выбором в крайне сложных и точных авиационной и гоночной промышленностях из-за углубленного понимания конкретных потребностей этих отраслей.

Для достижения цели ― поставки самых высококачественных подшипников ― компании King пришлось изобретать весь производственный процесс от начала до конца, что делает King пионером в развитии фирменного оборудования для производства и многофункциональных, высокоскоростных производственных линий.

Как поставщик OE для авиационно-космической промышленности , весь подход к качеству компании King основывается на стратегии нулевых ошибок . Тот же принцип относится и к автомобильным вкладышам . Производство качественного продукта является главной задачей .
Для того, чтобы достичь этого, компания контролирует всю цепочку поставок продукта со своего завода . Производственный процесс начинается с основного сырья и заканчивается упаковкой и доставкой конечного продукта . Это гарантирует полное качество и материально-техническую сохранность на протяжении всего процесса .

Выгоды:
— высочайшее к ачество продукции
— высочайший у ровень точности
— высокая эффективность
Производство от А до Я:
сплавы , литье, склеивание , спекание, резка и формирование , обработка, п осадка , упаковка и логистика.

Читать еще:  Что такое управления двигателем ecm

С каждым годом двигатели становятся все более требовательны к нагрузкам.

Улучшенные материалы и технология изготовления вкладышей двигателя компании King отвечают самым жестким требованиям всех сегментов рынка: легкового, грузового, промышленного, авиационного, водного транспорта и двигателей, рассчитанных на высокие обороты.

Улучшенные материалы для повышения производительности:

AM ― стандартный материал на алюминиевой основе, эквивалентный SAE-783, для низко- и средне-нагруженных двигателей.

SI/HP ― материал на алюминиевой основе, усиленный 2,5-3% кремния, для средне-нагруженных двигателей или коленчатых валов из чугуна с шаровидным графитом.

SM ― самый прочный материал на алюминиевой основе. Сплав усилен добавлением марганца и хрома (Mn, Cr), для применения в двигателях с высокой нагрузкой.

CP/CA ― стандартный материал на медной основе, эквивалентный SAE-794, для средне-нагруженных двигателей.

SX/XA ― усиленный материал на медной основе, с более высоким содержанием олова, для средне- и высоко-нагруженных двигателей.

XP (pMax Black(TM)) ― три-металлический материал с уникальной структурой для гоночных двигателей. Рабочий слой имеет наноразмерное упрочнение (разработка King) для обеспечения высокой максимальной нагрузки.

SV ― бессвинцовый материал на основе серебра, содержащий твердые смазочные добавки, распределенные в серебряной матрице. Для экстремально нагруженных двигателей. Может использоваться в качестве замены материала типа Sputter.

SP ― бессвинцовый или содержащий свинец материал с напыленным рабочим слоем (Sputter) ― покрытие, нанесенное осаждением из пара в вакууме для экстремально нагруженных двигателей.

В октябре 2019 года компания King представляла свой новый ассортимент вкладышей с покрытием на выставке SEMA в Лас-Вегасе.

Появление технологии упрочняющего покрытия

Появление технологии упрочняющего покрытия.

Установка «Булат»

Технология упрочняющего покрытия возникла в пятидесятых годах прошлого века с создания установки «Булат» в Харькове. С тех пор было произведено тысячи «Булатов», и эта установка знакома многим инструментальщикам еще с советских времен. Принцип ее работы прост и надежен. Электрическая дуга, создаваемая высоким напряжением (как при электросварке), воздействует на твердый материал, расплавляет и испаряет (плазменный процесс) частицы титана в среде азота, и нитрид титана осаждается на подготовленную поверхность режущего инструмента. На установке «Булат» процесс не имеет автоматизации и полностью зависит от оператора. Однако инструмент с таким покрытием в целом дает более высокую стойкость, лучшие свойства скольжения (условно на 30-40%) по сравнению с непокрытым инструментом.

Технология Arc (дуговая). Применение ЧПУ

Западные инженеры подхватили технологию, созданную в Советском Союзе, дали ей название «Arc технология покрытия» (arc – дуга), добавили возможность более точно управлять процессом за счет ЧПУ, усовершенствовали процессы эмиссии, осаждения и подготовки поверхности, пытаясь отсечь капли и брызги.

Все это дало прирост стойкости режущего инструмента в целом еще условно на 20-25 % по сравнению с «Булатом».

Принцип действия «Булата» сохранился. Основным недостатком технологии покрытия Arc является способ эмиссии наносимого материала. Дело в том, что дугу весьма сложно контролировать, и, как и при сварке, при эрозии материала дугой происходит нагрев материала (хоть и быстрый), потом расплавление и затем испарение или превращение в ионы плазмы. И, как и при сварке, возникают брызги расплавленного материала, также выбиваются и различные частицы твердого материала, и после осаждения гладкость поверхности оставляет желать лучшего.

В настоящее время по технологии Arc покрытия работают такие компании как Balzers, Eifler, Platid, Guhging.

Кроме того, если для покрытия нужно использовать разные материалы, то необходимо учитывать, что температура плавления и испарения разных материалов (например, алюминия и титана) разная и поэтому, если использовать сплав, то более легкоплавкий материал весь испарится из зоны воздействия дуги, а более тугоплавкий материал — нет. Приходится в качестве материала использовать специальные дорогие кассеты, изготовленные методом спекания зерен из разных материалов. Стоимость загрузки (для одного такого цикла загрузки камеры) покрытия по Arc технологии составляет от 900 евро.

Технология Sputter (бескапельное распыление)

Новая технология получила название Sputter (Спаттер) (от англ. распыление, спрей). Данная технология разработана специалистами Аахенского технического университета. Главную роль в получении ионов наносимого материала здесь играет уже не воздействие на материал дугой, а обстрел мишени (материала) ионами аргона. Дело в том, что ионы аргона имеют очень небольшую массу (соответственно и кинетическую энергию) и поэтому могут выбить из куска твердой мишени лишь очень мелкие частицы материала, измеряемые одним или несколькими атомами. Процесс получения ионов материала хорошо управляется, так как регулируется скоростью движения ионов аргона, кинетическая энергия которых пропорциональна квадрату скорости ионов, а скорость регулируется за счет напряжения на катоде (мишени / материале). В результате бомбардировки мишени частицы материала испаряются, минуя жидкую фазу, что делает процесс очень стабильным (исключены брызги, как при дуговой электросварке).

По данной технологии работает компания CemeCon (Семекон)

За счет отсутствия крупных капель и мелких частиц ионов плазмы, полученной по технологии Sputter, покрытие более равномерно ложится на различные поверхности покрываемой заготовки.

Особенно это выражено на кромках: при этой технологии покрытие (за счет распыления мелких однородных частиц) создает радиус на кромке.

Также ее преимуществом является то, что на одной установке можно наносить все виды покрытия на разные виды режущего инструмента, включая режущие пластины. При использовании, например, Arc технологии нужны разные установки для пластин и осевого инструмента.

На бескапельных Spatter установках CemeCon также можно наносить различные цветные покрытия (золотое, синее, серое красное, черное, серебряное), так как за одну загрузку можно устанавливать 4-6 мишеней, а технология испарения материала за счет ионов аргона принципиально такая же.

Стоимость покрытия одной загрузки камеры установки при использовании технологии CemeCon составляет 130 евро, так как используются простые в изготовлении катоды.

Технология Sputter обеспечивает также меньшее остаточное напряжение покрытия.

Другие статьи

  • 9 июля 2020

«Последние обновления программного обеспечения правки шлифовальных кругов в ToolRoom позволяют сократить время цикла правки и повысить производительно.

Промышленная автоматизация меняет методы работы производителей режущего инструмента. Станки выполняют большинство сложных задач на каждом этапе произв.

Подготовка заготовок перед шлифованием на шлифовальном станке является важным этапом в производстве режущего инструмента. Изготовление прецизионных за.

Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Читать еще:  Что такое консервант для двигателя

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.


Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].


Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:


Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Так же, я разрабатываю собственный термоакустический двигатель, подробнее о котором можно узнать в этой статье:«Создание и запуск термоакустического двигателя»

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector