ИЗОЛЯЦИОННАЯ ЗАЩИТНАЯ ОБОЛОЧКА ДЛЯ РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2003 года по МПК H05B3/10 

Изобретение относится к технике изоляции и защиты резистивных нагревательных элементов, работающих в воздушной среде при температурах до 1500 К, и может быть использовано в электротермии при изготовлении электронагревателей и других токопроводящих элементов, подвергающихся нагреву.

Известна изоляционная оболочка для резистивного нагревательного элемента в виде провода марки ПОЖ-НХ4, состоящая из четырех слоев стекловолокна ВМ-1, пропитанных жаростойким органосиликатным составом Т-11 и покрытых сверху лаком КО-916 [1].

Недостатком такой оболочки является невысокий срок ее эксплуатации при температурах выше 900 К. При этих температурах начинается деструкция пропиточного состава Т11, вследствие чего оболочка теряет свои защитные свойства.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является изоляционная защитная оболочка для резистивного нагревательного элемента инфракрасного излучателя [2], которая выполнена из стекловолокна, часть которого размягчается при эксплуатации.

После включения нагревателя в оболочке из-за низкой теплопроводности стекловолокнистых слоев устанавливается поперечный градиент температуры. При достаточно большой толщине оболочки в ней образуется несколько зон. Вязкость зоны, непосредственно примыкающей к нагревательному элементу, при достижении им температуры эксплуатации не превосходит 10⁸ П, в то время как вязкость наружной зоны превышает 10¹² П. Размягченная стекломасса защищает нагревательный элемент от воздействия агрессивной воздушной среды, придавая ему высокую жаростойкость, а неразмягченная наружная часть оболочки удерживает размягченную стекломассу от растекания при эксплуатации и предотвращает ее отслоение при охлаждении, обеспечивая при этом также достаточную электрическую изоляцию.

Недостатком такого технического решения является то, что выполнение всей оболочки из одного и того же материала не позволяет изготовить оболочку с малой толщиной, так как при уменьшении толщины перепад температуры также уменьшается, неразмягченная наружная часть оболочки утоняется и утрачивает свои удерживающую и изолирующую функции. Однако, даже оболочку значительной толщины невозможно эксплуатировать в условиях, когда поперечный градиент температуры мал (например, когда излучатель находится в камере электрической печи). Кроме того, температура эксплуатации оболочки ограничена температурой, при которой размягчается вся оболочка или начинается взаимодействие размягченной стекломассы с материалом нагревательного элемента.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать изоляционную защитную оболочку резистивного нагревательного элемента путем введения в ее состав дополнительных волокон, чтобы повысить ее электроизолирующую способность, уменьшить ее толщину и обеспечить возможность эксплуатации оболочки при повышенных температурах, а также в условиях малого градиента температур.

Эта задача решается в патентуемой оболочке, которая так же как и известная оболочка выполнена из стекловолокна, размягчающегося при эксплуатации резистивного нагревательного элемента.

Предлагаемая оболочка отличается от известной тем, что она дополнительно содержит электроизоляционные волокна, не размягчающиеся при температуре эксплуатации резистивного нагревательного элемента. При этом вышеупомянутые размягчающиеся и неразмягчающиеся волокна образуют отдельные слои. Каждый из этих слоев выполнен либо из размягчающихся волокон, либо из неразмягчающихся волокон, либо из смеси двух этих видов волокон. Слои чередуются между собой в разных вариантах в зависимости от задачи, которую выполняет та или иная конкретная оболочка.

Наружная так же как и прилегающая к нагревательному элементу часть оболочки могжет быть выполнена из неразмягчающихся волокон.

Дополнительные неразмягчающиеся волокна могут быть выполненными либо из кварца, либо из кремнезема, либо из базальта, либо из их смеси.

Изоляционная защитная оболочка снаружи может покрываться дополнительной оболочкой, которая частично или полностью выполнена из металла.

Введение в предлагаемую оболочку дополнительных волокон дает возможность в отличие от прототипа создать дву- или многофазную гетерогенную систему, составленную из разных материалов. Существенная особенность этой системы состоит в том, что хотя бы один ее компонент в процессе эксплуатации полностью или частично находится в размягченном состоянии. Размягченная стекломасса заполняет промежутки между неразмягчающимися волокнами, образуя сплошной конгломерат, способный защитить нагревательный элемент от воздействия агрессивной воздушной среды. После охлаждения этот же конгломерат обеспечивает оболочке отличную влагостойкость. В то же время дополнительные не размягчающиеся волокна, расположенные определенным образом, дают возможность удерживать за счет капиллярного эффекта размягченную стекломассу в составе оболочки, предотвращать ее отслоение при охлаждении и выполнять электроизолирующую функцию независимо от наличия поперечного градиента температуры и необходимости получения достаточной толщины оболочки.

Выполнение оболочки в виде чередующихся слоев, каждый из которых состоит либо из размягчающихся, либо из неразмягчающихся волокон, позволяет получить слоистую дву- или многофазную систему. Изолирующая способность такой оболочки значительно повышена благодаря тому, что неразмягчающиеся слои, обладающие высокими изоляционными свойствами, отделяют плохо изолирующие размягченные слои друг от друга. Удерживание размягченной стекломассы от растекания и предотвращение отслоения при охлаждении также улучшается, так как к капиллярному эффекту добавляется прямое удерживание стекломассы в своеобразных коконах, образуемых неразмягчаемыми слоями. Преимущество такой слоистой системы состоит также в том, что становится возможным предотвращение контакта размягченной стекломассы с резистивным нагревательным элементом или же с внешними крепежными или несущими элементами. Это достигается благодаря тому, что примыкающие к упомянутым элементам слои целиком выполняют из не размягчающихся при температуре эксплуатации волокон.

При повышенных температурах эксплуатации отдельные слои слоистого композита могут быть выполненными также из волокнистой смеси обоих типов волокон. Такая комбинированная слоистая система благодаря увеличению объемной доли неразмягчающихся волокон лучше электроизолирует нагревательный элемент и удерживает размягченную стекломассу от растекания. Допускается также выполнение всех слоев из вышеупомянутой волокнистой смеси обоих типов волокон. При этом слои могут отличаться процентным соотношением размягчающихся и неразмягчающихся волокон.

На фиг.1 показан вариант оболочки, выполненный из волокнистой смеси волокон с наружным металлическим слоем. Фиг.2 иллюстрирует случай, когда наружная часть оболочки выполнена из не размягчающихся волокон. На фиг.3 изображена оболочка, в которой из неразмягчающихся волокон выполнена примыкающая к нагревательному элементу часть. Фиг.4 показывает схему расположения слоев в оболочке, состоящей из трех слоев, в которой средний слой содержит размягчающиеся волокна, а внешний и примыкающий к нагревательному элементу слои выполнены из не размягчающихся волокон. Наконец, на фиг.5 показана оболочка для спирального резистивного нагревательного элемента.

Возможность осуществления изобретения можно подтвердить на следующих примерах.

Пример 1. Оболочка выполнена из волокнистой смеси (см.фиг.1). Оболочка для резистивного элемента 1 представляет собой смесь из размягчающихся при температуре эксплуатации нитей 2 и расположенных между ними не размягчающихся нитей 3. Она образована совокупной намоткой на нагревательный элемент не размягчающейся кремнеземной и размягчающейся алюмоборосиликатной нитей. Снаружи такая оболочка может быть покрыта металлическим слоем 4 путем ее обмотки металлической проволокой или лентой.

Пример 2. Слоистая оболочка с неразмягчающемся наружным слоем (см.фиг.2)
Основная часть оболочки А, прилегающая к резистивному нагревательному элементу 1, выполнена из смеси размягчающихся алюмоборосиликатных и не размягчающихся кварцевых нитей, либо только из размягчающихся алюмоборосиликатных нитей путем намотки их на нагревательный элемент 1. Наружная часть оболочки Б выполнена только из неразмягчающейся кварцевой нити.

Пример 3. Слоистая оболочка с примыкающим к нагревательному элементу неразмягчающимся слоем (см.фиг.3)
Основная часть оболочки А намотана нитью, составленной из размягчающихся алюмоборосиликатных и неразмягчающихся кремнеземных нитей, либо только размягчающейся алюмоборосиликатной нитью. Между основной частью оболочки А и резистивным нагревательным элементом 1 расположен слой В, намотанный неразмягчающейся кремнеземной нитью.

Пример 4. Слоистая оболочка с наружным и примыкающим к нагревательному элементу не размягчающимися слоями (см. фиг.4)
Средняя часть оболочки А представляет собой намотку, выполненную либо из смеси размягчающихся алюмоборосиликатных и неразмягчающихся базальтовых нитей, либо только из размягчающейся алюмоборосиликатной нити. Наружный слой оболочки Б выполнен из неразмягчающихся кремнеземных нитей, а между основной частью оболочки А и нагревательным элементом 1 находится слой В, намотанный неразмягчающейся кварцевой нитью.

Пример 5. Слоистая оболочка для спирального резистивного нагревательного элемента (см. фиг.5)
Спиральный нагревательный элемент 1 находится внутри основной части оболочки А, выполненной либо из смеси размягчающихся алюмоборосиликатных и неразмягчающихся кварцевых нитей, либо только из размягчающейся алюмоборосиликатной стеклонити. С наружной и внутренней стороны к основной части оболочки А примыкают слои из неразмягчающихся нитей Б (кремнеземная или базальтовая нить) и В (кварцевая нить). При этом слой В намотан на несущий металлический каркас 5.

Кроме представленных здесь примеров возможны и другие варианты расположения в оболочке слоев, составленных из размягчающихся при температуре эксплуатации резистивного нагревательного элемента волокон, из не размягчающихся при этой температуре волокон, а также из их смеси.

Оболочка работает следующим образом. После достижения температуры, при которой работает нагревательный резистивный элемент 1 (см. фиг.1-5), более легкоплавкие волокна 2 размягчаются, образуя сплошной слой стекломассы, которая обволакивает неразмягчающиеся волокна 3. Размягченная стекломасса эффективно защищает резистивный элемент 1 от взаимодействия с агрессивной воздушной средой в разогретом состоянии и превращается в высокоэффективный влагоустойчивый изолятор в холодном состоянии. В то же время неразмягчающаяся часть волокон удерживает стекломассу от растекания и выполняет электроизолирующую функцию, когда оболочка находится в разогретом состоянии. После охлаждения размягченная стекломасса, застывая, не отслаивается от оболочки, так как находится либо в капиллярных промежутках, образуемых неразмягчающимися волокнами, либо под слоем (или между слоями), которые состоят из неразмягчающихся волокон.

Слои Б и В, выполненные из не размягчающихся материалов, предотвращают нежелательное контактирование размягченной стекломассы с резистивным нагревательным элементом 1 (см. фиг.3, 4), с наружными крепежными (см. фиг.2, 4, 5) или несущими элементами (см. фиг.5).

После многократных изгибов оболочка не теряет своих свойств, так как при каждом последующем нагреве размягченная стекломасса восстанавливает свою сплошность.

Для всех перечисленных вариантов осуществления предлагаемого изобретения желательно применять наружную металлическую оболочку, которая улучшает теплоотвод и предохраняет стекловолокнистые слои от механических повреждений.

Таким образом, совокупность существенных признаков, которые приведены в формуле изобретения, позволяет обеспечить решение поставленной задачи - создать хорошо изолирующую защитную оболочку небольшой толщины для резистивного нагревательного элемента, допускающую эксплуатацию при высоких температурах и при незначительных градиентах температур.

Источники информации
1.Технические условия ТУ 16-505.570-74 на провода обмоточные жаростойкие нихромовые с четырехслойной изоляцией.

2. Патент Украины N 5512 ИЗ. МПК 6 Н 05 В 3/54, 23.12.94 г. (Прототип)т

Изобретение относится к защите электронагревателей и других токопроводящих элементов, нагреваемых в воздушной среде до 1500 К. Оболочка, выполненная из стекловолокна, размягчающегося при эксплуатации резистивного нагревательного элемента, дополнительно содержит электроизоляционные волокна, не размягчающиеся при температуре эксплуатации резистивного нагревательного элемента, причем размягчающиеся и неразмягчающиеся волокна образуют чередующиеся слои, каждый из которых выполнен либо из размягчающихся волокон, либо из неразмягчающихся волокон, либо из смеси размягчающихся и неразмягчающихся волокон. Технический результат: улучшение электроизоляционных свойств, уменьшение толщины оболочки, возможность использования при высокой температуре при незначительном ее поперечном градиенте. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Изоляционная защитная оболочка для резистивного нагревательного элемента, выполненная из стекловолокна, размягчающегося при эксплуатации резистивного нагревательного элемента, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит электроизоляционные волокна, не размягчающиеся при температуре эксплуатации резистивного нагревательного элемента, причем вышеупомянутые размягчающиеся и неразмягчающиеся волокна образуют чередующиеся слои, каждый из которых выполнен либо из размягчающихся волокон, либо из неразмягчающихся волокон, либо из смеси размягчающихся и неразмягчающихся волокон. 2. Изоляционная защитная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что наружная часть оболочки выполнена из неразмягчающихся волокон. 3. Изоляционная защитная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что часть оболочки, прилегающая к нагревательному элементу, выполнена из неразмягчающихся волокон. 4. Изоляционная защитная оболочка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что дополнительные неразмягчающиеся волокна выполнены либо из кварца, либо из кремнезема, либо из базальта, либо из их смеси. 5. Изоляционная защитная оболочка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что снаружи ее покрывают дополнительной оболочкой, которая частично или полностью выполнена из металла.