Резистивный цилиндрический прямонакальный нагреватель из листового материала для высокотемпературных малоинерционных электропечей

 

Изобретение относится к термическому оборудованию, а именно к резистивным нагревателям высокотемпературных печей. Резистивный цилиндрический прямонакальный нагреватель содержит три секции, подключаемые к индивидуальным источникам питания. Секции электрически изолированы друг от друга и снабжены радиально установленными токоподводами. Длина центральной секции выполнена равной и более 1,3 D, а длина концевых секций в пределах - 0,3D≅l≅0,5D, где D - внутренний диаметр нагревателя. Конструкция обеспечивает выравнивание температуры по длине вне зависимости от массы и геометрии нагреваемого изделия в нагревателях, работающих от 700 до 2500^oС. 4 ил.

Изобретение относится к термическому оборудованию для обработки изделий электронной техники или иного назначения с повышенным требованием к равномерности температурного поля. Для уменьшения влияния торцовых потерь тепла улучшают теплоизоляцию, в том числе контактирующую с нагревателем [1] или устанавливают по торцам дополнительные нагреватели [2] Этим повышается равномерность в рабочем пространстве. Применяется и повышение равномерности температурного поля путем изменения электросопротивления нагревателя вдоль его оси. Например, выполняют нагреватели с прорезями по концам или с переменной толщиной стенки по длине [3, 4] Известны также однофазные нагреватели, выполненные в виде коаксиальных цилиндров, у которых в наружном цилиндре на концевых участках выполнены ряды отверстий для повышения равномерности температуры по длине [5] Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является цилиндрический резистивный нагреватель для электропечи с подогреваемыми от специальных регулируемых источников питания токоподводами, описанный в (1) на стр. 76 и показанный на рис. 3б со ссылкой на (6).

Этот подогреватель состоит из трех секций (центральной и двух концевых), имеющих независимые, порознь регулируемые (управляемые) источники питания.

Существенным недостатком этого нагревателя является недостаточное выравнивание температурного поля в широком диапазоне температур, особенно, когда потери тепла за счет излучения многократно превышают потери тепла за счет конвекции и теплопроводности (область высоких температур). Связано это с тем, что дополнительный подогрев сравнительно небольших по высоте концевых секций (токоподводов) не может полностью компенсировать торцевые потери тепла за счет излучения.

Кроме того, определенным недостатком этого нагревателя является наличие гальванической связи между секциями нагревателя и соответственно между источниками питания центральной и концевых секций, что приводит к необходимости серьезного усложнения системы питания (источник постоянного тока для центральной секции нагревателя и источники переменного тока для дополнительного подогрева концевых секций, токоподводов нагревателя).

Технический результат, получаемый в предлагаемом изобретении, заключается в выравнивании температурного поля нагревателя в диапазоне температур 700-2500^оС независимо от массы садки и ее геометрической формы.

Этот технический результат достигается тем, что в резистивном цилиндрическом прямонакальном нагревателе из листового материала для высокотемпературных малоинерционных электропечей, состоящем из трех секций с независимыми силовыми источниками питания, секции нагревателя выполнены в виде электрически изолированных цилиндров с радиальными токоподводами, причем длина центральной секции нагревателя выполнена равной или более 1,3 D, а длины концевых секций в пределах 0,3D≅l≅0,5D, где D внутренний диаметр нагревателя, l длина концевых секций нагревателя.

Наличие трех электрически изолированных секций позволяет упростить конструкцию источников питания и создать любые плотности тока, что в сочетании с предлагаемыми разрезами секций нагревателя компенсирует торцовые потери тепла и обеспечивает практически одинаковую температуру во всем внутреннем объеме нагревателя в осевом и радиальном направлениях. Наличие радиальных токоподводов позволяет конструктивное исполнение всех секций сделать подобным и тем самым упростить конструкцию нагревателя в целом.

Необходимая равномерность температурного поля в азимутальном направлении достигается благодаря определенной длине радиальных токоподводов, что компенсирует потери тепла в радиальном направлении вдоль токоподводов.

Центральная секция нагревателя является основной, во внутреннем объеме этой секции нагревателя размещается обрабатываемая продукция. Длина центральной секции нагревателя должна несколько превышать ее диаметр, чтобы обеспечить равномерность температурного поля в радиальном направлении. Практически при длине центральной секции нагревателя, равной или большей 1,3 его диаметра, обеспечивается равномерность температурного поля, достаточная практически для всех областей использования малоинерционных высокотемпературных печей. Концевые секции нагревателя должны компенсировать торцовые потери тепла из центральной секции нагревателя. Как показывают расчеты и опыт, торцовые потери тепла из центральной секции нагревателя практически полностью компенсируются при длине концевых секций нагревателя, равной или большей 0,3 внутреннего диаметра нагревателя, а увеличение длины концевых частей нагревателя больше 0,5 его диаметра уже не оказывает заметного влияния на равномерность температурного поля в центральной части нагревателя.

Таким образом, указанные выше признаки (наличие трех соосных электрически изолированных секций и определенные соотношения размера этих секций) заявляемого нагревателя отличают его от известных, обеспечивают высокую равномерность температурного поля по внутреннему объему нагревателя.

Известных технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого нагревателя и указаны соотношения размеров, обеспечивающих указанные выше его характеристики; на фиг. 2-4 показаны примеры исполнения предлагаемого нагревателя, отличающиеся расположением токоподводов, а именно на фиг. 2 изображен нагреватель с однофазным питанием и симметричным расположением токоподводов; на фиг. 3 изображен нагреватель с трехфазным питанием и симметричным расположением токоподводов; на фиг. 4 изображен нагреватель с однофазным питанием и асимметричным расположением токоподводов.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 центральная секция нагревателя; 2 и 3 периферийные секции; 4 токоподводы.

Необходимая равномерность температурного поля в тангенциальном направлении обеспечивается за счет снижения теплоотвода от цилиндрической секции нагревателя к токоподводам, имеющим значительную длину в радиальном направлении. С целью компенсации торцовых тепловых потерь каждая секция нагревателя имеет независимые системы нагрева, управляемые сигналами трех термопар, горячие спаи которых расположены соответственно в центре и в периферийных зонах нагревателя (на чертежах не показаны).

Нагреватель работает следующим образом.

При нагреве благодаря наличию указанных секций нагревателя с независимыми источниками питания торцовые потери тепла будут автоматически компенсироваться путем повышения плотности тока в этих секциях за счет работы систем регулирования, управляемых термопарами крайних секций нагревателя.

Для проверки эффективности предлагаемого технического решения были изготовлены нагреватели из листового молибдена, который имеет наибольшую рабочую температуру 1700^оС. Экспериментальные нагреватели имели внутренние диаметры от 150 до 250 мм и указанные соотношения размеров.

Экспериментальные исследования показали, что при длине центральной секции нагревателя, равной или более 1,3Д где D внутренний диаметр нагревателя, и длинах l концевых секций нагревателя в пределах 0,5D≥l≥0,3D обеспечивается необходимая равномерность поля температур во внутреннем объеме нагревателя на длине не менее 82% от его общей длины при изменении температуры нагрева, массы и конфигурации садки в самых широких пределах.

Экспериментальная проверка проводилась в диапазоне температур от 600 до 1550^оС в газовой среде (водороде) и в вакууме. Масса садки менялась от 0,5 до 10 кг, геометрическая форма садки также изменялась. Проведенные испытания макетов показали, что равномерность температурного поля обеспечивается в 82% внутреннего объема нагревателя.

Формула изобретения

Резистивный цилиндрический прямоканальный нагреватель из листового материала для высокотемпературных малоинерционных электропечей, состоящий из трех секций с независимыми силовыми источниками питания, отличающийся тем, что секции нагревателя выполнены в виде электрически изолированных цилиндров с радиальными токоподводами, причем длина центральной секции нагревателя выполнена равной или более 1,3D, а длины l концевых секций в пределах 0,3D ≅ l ≅ 0,5D, где D внутренний диаметр нагревателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4