ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при высокотемпературных испытаниях реакторных материалов.

Известны различные виды электрических нагревателей, отличающихся между собой конструкцией, размерами, материалом и использование которых связано с методами нагрева, средой и условиями эксплуатации. Температура нагревателя определяет применение жаропрочных материалов, таких, как тугоплавкие металлы, например вольфрам и молибден [1]
В качестве ближайшего аналога выбран резистивный нагреватель, содержащий рабочую часть (нагревательный элемент) в виде трубы из вольфрама с радиальной столбчатой структурой частиц и контактные хвостовики из вольфрама с чешуйчатой формой частиц. Хвостовики нагревателя закрепляют в медных водоохлаждаемых токоподводах [2] В результате прохождения электрического тока через нагреватель он нагревается. Максимальная температура до 2400^oC достигается на центральном участке трубы с плавным уменьшением ее до 6000.900^oC к контактным хвостовиком за счет теплоотвода (водяного охлаждения) в этой зоне. Разброс по температуре ограничивает использование такого нагревателя. Задачей авторов является создание такого электрического нагревателя, который бы обеспечил равномерную температуру в пределах 2400.2500 К и работал в вакууме, давление которого не выше 6,6•10^-3 Па (5•10^-5 мм рт.ст.) в комбинированном режиме нагреве радиационном и электронном.

Для решения поставленной задачи создан электрический нагреватель, состоящий из нагревательного элемента и токоподводов. Нагревательный элемент по всей длине имеет поперечные прорези по две в каждом сечении, расположенные напротив друг друга, и перемычки, которые в соседних сечениях смещены на 90^o. Внутренний и наружный токоподводы установлены коаксиально и центрированы между собой. Внутренний токоподвод выполнен составным из двух стержневых участков:первый выполнен из вольфрама, размещен внутри нагревательного элемента и соединен с ним наконечником, второй из молибдена, коаксиально установлен в наружном токоподводе, который непосредственно соединен с нагревательным элементом, при этом токоподводы в верхней части имеют цилиндрические поверхности для присоединения источника питания, разделены между собой изоляционными керамическими дистанционаторами и механически зафиксированы друг с другом керамическим штифтом. Наружный токоподвод также выполнен из молибдена. Отношение длины нагревателя к его диаметру составляет более 50, что обусловлено его установкой в исследуемый объем (канал). Предлагаемая конструкция нагревательного элемента обеспечивает его деформацию в осевом направлении и позволяет компенсировать разность температурного изменения длины внутреннего токоподвода и нагревательного элемента в процессе работы и создает равномерный нагрев на нагревательном элементе. Прорези, расположенные напротив друг друга, являются достаточно глубокими, и длина прорези может соотноситься с шириной прорези как 27.30, длина перемычки не превышает 0,4 длины прорези, что обеспечивает достаточную прочность нагревательного элемента и позволяет повысить сопротивление нагревательного элемента. Использование жаропрочных материалов в нагревателе обеспечивает его работу при высоких температурах. Нагреватель устанавливается в исследуемый канал (внутренняя полость эмиттера термоэмиссионного преобразователя), где тепло нагревательного элемента используется для радиационного нагрева эмиттера. Для получения более высоких температур конструкция нагревателя позволяет использовать комбинированный нагрев, т.е.радиационный и электронный. Электронный нагрев осуществляется подачей ускоряющего напряжения постоянного тока до 120 В от автономного источника питания между нагретым нагревательным элементом ("-") и эмиттером ("+"). Нагреватель обеспечивает получение равномерной температуры 2400.2500 К в вакууме при давлении 6,6•10^-3.

На чертеже приведена конструкция электрического нагревателя.

Нагреватель имеет следующие элементы: внутренний токоподвод 1, наружный токоподвод 2, нагревательный элемент 3, первый стержневой участок внутреннего токоподвода 4, керамический штифт 5 для механической фиксации токоподводов, выполненный из лейкосапфира, наконечник 6 для соединения первого стержневого участка внутреннего токоподвода с нагревательным элементом (материал наконечника тантал), дистанционаторы 7 для центрирования токоподводов, такие же дистанционаторы 7 и дистанционирующие кольца 8 и 9 для установки нагревателя в исследуемом канале, изоляционный элемент 10, выполненный в виде кольца, служит для изоляции внутреннего и наружного токоподводов.

Материал элементов 7, 8, 9, 10 оксид алюминия.

С нагревательным элементом токоподводы соединены электронно-лучевой сваркой. Ток от источника питания (не показан) через токоподводы 1 и 2 попадает на нагревательный элемент 3, где происходит превращение электрической энергии в тепловую. Тепло нагревательного элемента используется для радиационного нагрева при испытаниях реакторных материалов, в конкретном случае для нагрева эмиттера термоэмиссионного преобразователя. Рабочее положение нагревателя вертикальное. Работу нагревателя начинать только с резистивного нагрева. Нагреватель проработал в лабораторных условиях в течение 500 ч при температуре нагревательного элемента 2400.2500 К в вакууме при давлении 6,6•10^-3 Па.

Электрический нагреватель относится к электротехнике и может быть использован при высокотемпературных испытаниях реакторных материалов в вакуумных установках, требующих нагрев до температур порядка 2000 К. Нагреватель состоит из нагревательного элемента, выполненного из вольфрама, и токоподводов - внутреннего и наружного. Нагревательный элемент по всей длине имеет поперечные прорези по две в каждом сечении и перемычки, которые в соседних сечениях смещены на 90^o. Внутренний токоподвод выполнен составным. Одна часть - стержень из вольфрама - размещена внутри нагревательного элемента и соединена с ним танталовым наконечником, другая часть - стержень из молибдена- расположена в наружном токоподводе, который непосредственно соединен с нагревательным элементом. Внутренний и наружный токоподводы между собой установлены коаксиально, центрированы керамическими дистанционаторами и жестко соединены керамическим штифтом. Токоподводы в верхней части имеют цилиндрические поверхности для присоединения источника питания. Изобретение обеспечивает повышение равномерности температуры нагрева изделия. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрический нагреватель из тугоплавких металлов, содержащий цилиндрический нагревательный элемент из вольфрама и токоподводы, отличающийся тем, что нагревательный элемент имеет по длине поперечные прорези по две в каждом сечении, расположенные напротив друг друга, и перемычки, смещенные по отношению соседних по длине на 90^o, токоподводы центрированы между собой, при этом внутренний токоподвод выполнен составным из стержневых участков, один из которых расположен внутри нагревательного элемента и соединен с ним наконечником, а второй установлен внутри наружного токоподвода, непосредственно соединенного с нагревательным элементом. 2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что токоподводы разделены изоляционными керамическими дистанционаторами и механически зафиксированы друг с другом керамическим штифтом. 3. Нагреватель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что первый стержневой участок внутреннего токоподвода выполнен из вольфрама, второй участок из молибдена, наружный токоподвод из молибдена. 4. Нагреватель по пп.1-3, отличающийся тем, что он выполнен с отношением длины к диаметру более 50.