Нагревательный блок и способ его изготовления

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного, нагрева. Нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зону нагрева и токоподвода, которые выполнены плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 весовых % керамической компоненты, при этом напылением из сплава с керамической компонентой выполнена только зона нагрева. Предложен также способ изготовления нагревательного блока, в котором вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева. Снижение электрических потерь в электронагревателе за счет обеспечения равномерного распределения подводимого тока, а также повышение его надежности является техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного нагрева, и может быть использовано при изготовлении нагревательного блока для электрических печей сопротивления.

Известен нагревательный элемент и способ его изготовления (Патент РФ №2369046, опубл. 27.09.2009 г.) [1]. Известный нагревательный элемент содержит резистивный элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления, выполненный из композиционного материала на основе железа и размещенный в электроизоляционном слое, выполненном из стеклокерамики на основе периклаза (MgO), термоизоляционный слой и защитный слой, а также, по меньшей мере, два токосъемных элемента, подключенных к резистивному элементу с шириной d. Способ производства нагревательного элемента включает изготовление резистивного элемента, формирование вокруг него электроизоляционного слоя с последующим прессованием и спеканием полученной многослойной структуры. При этом спекание осуществляют на воздухе при температуре 850-900°С с выдержкой при указанной температуре в течение от 0,5 до 1,5 часов и последующим охлаждением вместе с печью. Кроме того, известный способ, отличается тем, что в состав электроизоляционного слоя дополнительно вводят оксидное стекло, баритовый флинт, бентонитовую глину, микротальк и поливинилацетат и состав периклаза (MgO) из компонентов с различной дисперсностью. Известное техническое решение характеризуется тем, что для локального уменьшения температуры резистивного элемента в месте его соединения с токосъемным элементом выполнена контактная площадка, площадь поперечного сечения которой в n раз больше, чем в среднем по всей длине резистивного элемента. Это приводит к увеличению объема нагревательного элемента и повышенному расходу материала резистивного элемента.

Известен нагревательный блок и его изготовление плазменным напылением (Патент РФ на полезную модель №110174, опубл. 10.11.2011 г.) [2]. Известный блок содержит цилиндрическую трубу из огнеупорного материала, витковый резистивный нагреватель, размещенный на внешней поверхности цилиндрической трубы, выполненный из металлосодержащего материала, и теплоизоляционное покрытие. В известном решении витковый резистивный нагреватель выполнен металлокерамическим, в форме плоской ленты с изоляционными зазорами между ее фрагментами с размером каждого из зазоров не менее толщины ленты, расстояние от которой до внутренней поверхности цилиндрической трубы равно 5-10% от размера ее внутреннего диаметра. Для изготовления нагревательного блока используют порошок электрокорунда (оксида алюминия) и проволоку из нихрома, содержащую 80 мас.% никеля и 20 мас.% хрома. Первоначально напыляют керамическую цилиндрическую трубу, затем монтируют «маску» для формирования резистивного нагревателя в форме плоской ленты с изоляционными зазорами. Далее через «маску» напыляют резистивный нагреватель при одновременном вводе в плазму нихромовой проволоки и порошка оксида алюминия при отношении количества металлической компоненты к керамической от 7:3 до 9:1. После этого производят демонтаж «маски» и зачистку изоляционных зазоров. Затем снаружи резистивного нагревателя монтируют теплоизоляционное покрытие. В последнюю очередь монтируют токоподводы, через которые нагреватель подключают к электросети.

Согласно известному решению [2], зоны нагрева и токоподвода нагревательного блока формируют из одного и того же металлокерамического материала. При плазменном напылении металлокерамического нагревателя образуются многочисленные частицы, состоящие из металлической - токопроводящей, и керамической - диэлектрической, компонент. В результате этого в сечении нагревателя общая площадь, занимаемая диэлектрической компонентой, увеличивается, а площадь металлической компоненты - уменьшается. Это приводит к увеличению сопротивления нагревателя в зоне нагрева, повышению количества выделяющейся в нем теплоты, и тем самым, к увеличению теплового потока в рабочее пространство. Однако то же самое происходит и в зоне токоподвода, поскольку в известном решении [2] зона нагрева и токоподвода сформирована из одного и того же металлокерамического материала. Это приводит к нежелательному нагреву в зоне токоподвода, неоправданным потерям тепла и снижению срока службы нагревательного блока в результате разрушения контактной пары.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении теплоэффективности и надежности нагревательного блока, а также в увеличении срока его службы.

Для решения поставленной задачи нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зону нагрева и токоподвода, нагревательный блок выполнен плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, при этом зона токоподвода напылена металлическим сплавом, а зона нагрева -металлокерамическим материалом, содержащим от 10 до 30 весовых % керамической компоненты.

Способ изготовления нагревательного блока включает плазменное напыление трубы с образованием зон нагрева и токоподвода, напыление ведут с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 весовых % керамической компоненты, при этом вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева.

Сущность заявленного способа заключается в следующем. Создание условий работы нагревателя, при которых зона токоподвода будет иметь пониженную температуру (холодная), а зона нагрева имеет максимальную температуру, позволяет избежать потерь из-за нагрева функциональной зоны и применять недорогие (нетугоплавкие) материалы для подведения электричества к токоподводам. Понижение сопротивления в зоне токоподвода, достигаемое отсутствием керамической компоненты в данной зоне, обеспечивает равномерное распределение подводимого тока, позволяет исключить разогрев в контактной зоне нагревателя и увеличить срок его службы.

Экспериментально установлено, что при содержании в зоне нагрева более 30 весовых % керамической компоненты, нагреватель в большей степени приобретает диэлектрические свойства, электросопротивление нагревателя резко увеличивается, его мощность уменьшается, нагрева не происходит и нагревательный блок не работает. При содержании в зоне нагрева менее 10 весовых % керамической компоненты, нагреватель в большей степени приобретает металлические свойства, сопротивления зон выравниваются и потери возрастают.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении электрических потерь, повышении уровня теплораспределения и надежности работы нагревательного блока.

Приведенный на чертеже заявляемый нагревательный блок содержит трубу (1) из огнеупорного материала, размещенный на внешней поверхности трубы (1) резистивный металлокерамический нагреватель (2), имеющий зону нагрева (3) и зону токоподвода (4). В таблице приведены характеристики заявляемого нагревательного блока и прототипа [2]. Пример 1 - нагревательный блок-прототип; пример 2 - заявляемый нагревательный блок, зона нагрева сформирована керметом с содержанием керамической компоненты 20%; пример 3 - заявляемый нагревательный блок, зона нагрева сформирована керметом с содержанием керамической компоненты 10%.

Для изготовления нагревательного блока плазменным напылением применяют установку плазменного напыления, состоящую из аппарата УМП-6 и камеры-полуавтомата 15 В-Б, снабженных дополнительным устройством подачи металлической проволоки - полуавтоматом сварочным ПДГ-519. Из керамической компоненты, например, оксида алюминия, напыляют трубу нагревательного блока. После этого металлическим жаростойким сплавом, например, нихромом, на трубу напыляют зону токоподвода. Затем к металлическому сплаву добавляют керамическую компоненту, например, оксид алюминия, в количестве от 10 до 30 весовых % и напыляют на трубу зону нагрева. После этого нагреватель закрывают теплоизоляционным керамическим покрытием, например, из оксида алюминия, и монтируют токоподводы. Полученный нагревательный блок устанавливают в корпус печи и включают режим нагрева.

Из приведенной таблицы видно, что затраты электроэнергии на разогрев и поддержание температуры у заявленного нагревательного блока снижаются на 10-15%.

Таблица
№1 №2 №3
Время разогрева до 1000°С, при скорости разогрева 10°С/ мин 110 100 100
Сила тока при температуре 1000°С, напряжение, стабилизированное 50 В, сопротивление нагревателей 1,7 Ом 33,9 30 30,9

1. Нагревательный блок, содержащий трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зоны нагрева и токоподвода, при этом нагревательный блок выполнен плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, отличающийся тем, что зона токоподвода напылена металлическим сплавом, а зона нагрева металлокерамическим материалом, содержащим от 10 до 30 вес.% керамической компоненты.

2. Способ изготовления нагревательного блока, включающий плазменное напыление трубы с образованием зон нагрева и токоподвода, при этом напыление ведут с использованием металлокерамического материала, отличающийся тем, что напыление ведут с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 вес.% керамической компоненты, при этом вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам воспроизведения температурных полей с использованием лучистого нагрева и предназначено для применения в системах нагрева при статических и повторно-статических испытаниях авиационно-космических конструкций.

Изобретение относится к электротехнике, более конкретно к электронагревателям, которые могут быть использованы для нагрева различных сред, например, в различных печах сопротивления для получения высокой температуры или в миксерах для производства сплавов с высокими экономическими показателями.

Изобретение относится к нефте-, газодобывающей промышленности, но может быть использовано в любой другой области, где есть технологическая необходимость в теплообменных аппаратах и где особо остро стоят вопросы тепловой производительности, экономичности, компактности и малого веса аппарата и т.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева различных сред, например воды, в системе отопления. .

Изобретение относится к группе электрических печей, предназначенных для разогрева и приготовления пищи как в стационарных условиях, так для использования на авто, железнодорожных и других видах транспорта.

Изобретение относится к инфракрасным /ИК/ нагревателям, используемым в экспериментальной технике. .

Изобретение относится к области использования радиационного нагрева конструкций летательных аппаратов (ЛА) при стендовых испытаниях на прочность. .

Изобретение относится к области электрического нагрева и может быть использовано при изготовлении толстопленочных резистивных нагревательных элементов для систем электрического обогрева жилых, общественных и промышленных помещений, а также для использования в бытовых, медицинских, сельскохозяйственных и других технических приборах.

Изобретение относится к технике регулирования температуры в прецизионных электронных устройствах и может быть использовано для поддержания постоянства параметров этих устройств в широком диапазоне температур окружающей среды (ТОС).

Изобретение относится к соединению компонентов посредством связующей массы. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам электронного нагрева жидких сред. .

Изобретение относится к области электротехники и медицины и может быть использовано при изготовлении резистивного электронагревателя для медицинских учреждений для активации гуморально-жидкостной среды, метаболизма и стимуляции иммунной системы человека с целью оздоровления организма или его защиты от воздействий различных факторов, неблагоприятно влияющих на процессы саморегуляции и самооздоровления.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении нагревателей резистивного типа, направлено на обеспечение возможности получения негорючего резистивного материала с равномерным тепловым полем и широким диапазоном удельного сопротивления от Rуд=10 Ом/м2 до R уд=10000 Ом/м2.
Изобретение относится к составам для лечебных резистивных пленочных нагревателей, генерирующих ближнее, среднее и далекое инфракрасное излучение и магнитное поле, активирующих метаболизм и стабилизирующее иммунную систему человека, а также обогревающих мягким инфракрасным излучением различные тела, объемы и среды.

Изобретение относится к средствам контроля и управления полем температуры пространственно распределенных объектов и может быть использовано в автоматизированных системах управления тепловыми режимами в ракетно-космической технике. Устройство стабилизации температуры термостатируемого объекта содержит нагреватель, расположенный на подложке, с датчиком температуры и систему управления. Нагреватель дополнен резервным нагревательным элементом, снабженным датчиком температуры. Система управления предназначена для регулирования температуры термостатируемого объекта посредством включения/отключения питания нагревательных элементов. Подложка может представлять собой корпус термостатируемого объекта, выполненный из высокотеплопроводного материала, или тонкостенную высокотеплопроводную металлическую оболочку. Оболочка ограничивает объект термостатирования. Основной и резервный нагревательные элементы имеют идентичные тепловые и геометрические характеристики и расположены на диэлектрическом основании со сдвигом, равным шагу печатного рисунка. На подложке могут быть расположены дополнительные нагреватели с датчиками температуры. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение надежности функционирования, качества стабилизации температуры, в частности пространственно распределенных объектов в широком диапазоне изменения температуры. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного, нагрева. Нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зону нагрева и токоподвода, которые выполнены плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 весовых керамической компоненты, при этом напылением из сплава с керамической компонентой выполнена только зона нагрева. Предложен также способ изготовления нагревательного блока, в котором вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева. Снижение электрических потерь в электронагревателе за счет обеспечения равномерного распределения подводимого тока, а также повышение его надежности является техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Наверх