Электрический нагреватель Советский патент 1993 года по МПК H05B3/14 H05B3/42 

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано для печей сопротивления в окислительной, восстановительной и нейтральной атмосферах.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей электрического нагревателя путем обеспечения автономного его включения без стартового разогрева, а также путем обеспечения способности его работать без разрушения на постоянном токе.

На фиг.1 показан электрический нагреватель в разрезе; на фиг.2 - распределение температуры вдоль нагревателя в масштабе фиг.1; фиг.З и 4 - варианты выполнения нагревателя; фиг.5 - габаритная схема нагревателя; фиг.6 - разрез А-А на фиг.5; фиг.7 - схема размещения волокнистого материала в полости нагревателя; фиг.8 - габаритная схема спирального варианта нагревателя; фиг.9- разрез Б-Б на фиг.8. фиг. 10- разрез В-В на фиг 8.

Электрический нагреватель выполнен в форме стержня 1 из оксидной керамики с токовыводящими участками 2, 3. Стержень включает сердцевину 4, проходящую по всей длине стержня между его торцами 5, 6 и имеющую постоянное по длине сечение на .центральном участке 7 стержня. Сердцевина покрыта наружным слоем 8, имеющим торцы 9, 10 на границе с токовыводящими участками. Между токовыводящими участками 2, 3 и центральным участком 7 расположены участки 11, 12 переходного сопротивления. Наружный слой содержит оксид циркония. В сердцевину кроме того введен оксид индия с концентрацией 0,2-0,9 моль. Содержание оксида индия на единицу длины стержня выполнено на переходных участках увеличивающимся к ближайшим торцам стержня. На центральном участке 7 стержня, между его границами 13, 14с участками переходного сопротивления, содержание оксида индия на единицу длины постоянно вдоль стержня.

сл

с

со го со

ел

«а чм зе: н кницах стержня утл,пения 5 1C tciie гпги, что переход- f,M ч по то год Ч/ т.эт два слоя ни-t i i то.1 17 одп р тцн ли no длине crop) и « , |1ий слон U; лиоо 19. нано- / ч вулщ чо ( они,;) стержня из iai Н 1 о к1 При лен укгчзиное увеличение годер чнич оксида И( к торцу пер:кнп выполнено в верхнем слое за счет постепенного УЮЛЩ гия этою слоя на участке переходного сопро иаления.

Ор.ич-ринл мгжвген ь- подложку 20, пыгюлнс пнум с гр, 1 Иэ оксидной кг-п I i и н irxro с сло°м и ( и оЬрчзуст ктжцемтпичсткие слои /3 ,- О 14 одян ,1, I1 у I к F I пи рьпы

НЛПрПМ j HUGI1 rpO lHTtV iV И Ь 26

металла

В другом варианте jne TpHHecKOi о на гревате/ я (сп |пч 3 В) на центральном участки 2 Г ск ржчч рдц звинэ 2В выполнена н форме спирпи 24, витки 30 которой за ключины матрицу 31 из оксидной керамики ti опт- in 12 м ирицы расположенные между витками поеден оксид индия с кок центрациеч менылсн, ием в нитках Концы 33 34 с ли оз л и соединены с труЬчятыми ча Т и гррдцовины Места их соединс кия покрыт ннру гч11ым слоем 37 матрицы г г , р ил концах .терхня 39 на гро-1. ч- LI г.ип т-- тг нень однород i; iiu, индия,

,, ,к (, ,HL 14 ч но однородный

CJlOI /V -чр. П, ( f, u Ov ЕП( М |i .1f 4)

i1pi jti fioi ( i I n| ; м -ч слп 4 r мрталш чи .ЯР моьрьпия 3 располо М1Ы так VL i- и и ос toi ном еариа - то (см фш 1) 3 Ti.iiL-Ti- 1) rt)/ jKn21 1 аг ;ева1ьля r(i,er ()ыть p.IT v t- П лочнис ыи керэми ЧС ий с VTT ы г; препятствующий раз- витмю конвекции (см фиг 7) В частности, проОки из волоки : тю мптеризпа 45 могут быть усгтч чпонл в пплости 44 HO концах ня репатнлч (i (1 1)

Kppaf/vHijPCKne элементы эпектрическо 0 НЭГрР ЗГРЛЯ ИПЧЮТ СЛЕДУЮЩИЙ СОСТЭВ

моль однородный слой 17 от 0,21паОз +О.В/ГО, до 0 6 п;0зл 0,4ZrU2 со смешанной проводимс стью, электронной n-типа и ионной например 0,25lniO i-+ 0,75Zi02 с элек- тропроэоднос.гью на постоянном токе 40 См/м лрм 10U К и 871 См/м при 200U К, с температурой плавления выше 2700 К, верхние слои 18, 19 -0,9ln2C)3 + 0,1Zr02C электронном проводимостью 4 4 10 См/мпри 300 К и 80 10 См/м при 1700 К, трубка 21 и наружный слчй 8 - вдкуум плотная керз- мика О -1 0,.тс ионной проводи- мостьп, О Г ( 1/h- п(ги ) К и ГЧ) f v/м при

2000 К. межвитковые области 32 матрицы 31

-О 88Zr02 0.07У20з 0 051п20з материал 45 вата из керамики 0 88Zr02 + 0,12У20з

Размеры элементов нагревателя диаметр полости 44 5-10 мм толщина слоев 22, 23, 24 0,5-3 мм, длина токоотводящих участков 2, 3 50-100 мм, длина утолщений 15, 16 100-200 мм, длина центрального участка 7 100-500 мм, наружный диаметр центрального участка 10-25 мм

Например, у нагревателя с диаметром полости 10 мм, наружным диаметром центрального участка 20 мм, толщиной слоев 22, 24 по 1,5 мм и толщиной слоя 23-2 мм при

5 составе этого слоя 0,251п20з 0,75Zr02 сопротивление на единицу длины центрального участка составляет 2,65 Ом/см при 300 К и 0,122 Ом/см при 2000 К Мощность, выделяемая на единице длины центрального уча0 стка, и нагрузка на наружную поверхность этого участка составляют соответственно, при 300 К (начало нагрева) и токе 3 А 23,85 Вт /см и 3 79 Вт/см2 при 2000 К и токе 15 А

-27 45 Вт/см и 4,37 Вт/см2

5Электрический нагреватель может быть

изготовлен например послойным осаждением тонкодисперсных порошков из шликера на заготовку в виде трубки из керамики на основе оксида циркония Если трубка

0 имеет открытую пористость, на нее наносят дополнительное покрытие для получения вакуум-плотной подлохки 20 Затем наносят слои 17 18, 19. наружный слой 8. который, как и подложка, является вакуум-плотным,

5 что обеспечивают использованием порошков керамики достаточно тонкого помола

Возможны другие способы изготовления нагревателя, в частности, с применением прессования керамики на основе

0 оксидов индия и циркония, а также плазменного напыления герметизирующих покрытий из керамики на основе оксида циркония. Металлизацию токоотводящих участков 2, 3 проводят путем электроосаждения никеля,

5 меди либо других металлов из растворов их солей, что аозможно благодаря достаточной электронной проводимости керамики на основе оксида индия в утолщениях 15, 16 Электрический нагреватель подключа0 ют к источнику переменного либо, постоянного тока, соединяя выход источника с металлизированной поверхностью токоотводящих участков 2, 3 Ток проходит по сердцевине 4, постепенно повышая температуру

5 стержня 1 Нагрев центрального участка стержня производят со скоростью порядка 100 К/ч По мере повышения температуры центрально: о участка силу тока увеличивают - в приведенном примере от 3 А при 300 К до 15 А при 2000 К

Тепловая мощногть. выделяемая на единицу длины стержня 1 пписглг- и- тся содержанием оксида мидия ма е.пи;:мц . длины, Мощность максимален- . ;. цен очг-ы-юм участке стержня, Зоклд чинном м -;;-хду границами 13, 14, и убывает : KOHii. глпр;:;н.я на участках 11, 12 пг:ряходно о со оотичлеНИЯ С РОСТОМ С О Д.Л) HI ОК ЛМЦ.Ч .1НДИЯ.

Такое распределение оксида иыр.чр- нивает сопротивленкг; с rep. - .- j.-. u-i.V: при снижении удельного сопротивления ин- диеоой керамики с ростом температуры, наи более интенсиопым ма рд;|-,.;ом участке. Утолщения 15, 16 снижают сопротивление холодных концом стержня и уменьшают непроизиодст йен ими расход энергии.

Содержащийся ч сордцеомне оксид мн-- дия участвует в ряг ноигнл и

которое С РОСЛО - - ;OMI:. JV; .(.;, --.г,.;.; . ,..;.;

вправо. В части ндтепз1. ол$;. р ;-... .;, ;г:

НОЙ МеЖДу ТСКОП -.;;: .liUil.1. , ,Г, V : .. , ..,Г- дце:тнп 4 л а к (у ч о : , . ;-

ОООЛОЧКу ИЗ КГ-p.ii Нм,;; :- ; ..; . ,;(.

кония. включаю ну:0 г р у ; гл;п i подложку 20. BnvipL- : ОООЛОЧ П.; - -: : . ;;/: ..: МОЛеЙ И О/. ОД1 .1 v-1 М О ;1-

но, одинаков,1 их Пс;оциа 1:-я;- -. .- iTi;:....;t-i.r. n. С увеличйние - T -f-iii Mjr j, уры альное давлений о в о,-s и чел ае i: O.j7 О 12атпри ЮОО К; 0, 1 - if) 1300K: 2.04 10 ат при 2000 К 0,1П pv npi; 200 К; 0.48 ат пои 300 К. Н., ооплг;ч :у со с.мро- ны сердм.евиньг дои.-/, пуо i ;, г;о доппение И ГЬ. 2f f i Y - i-jr lHHOMi

диапазоне тпг ;;ер vi .:- ., ; -1жс атмосферно /i: rii..,::;-.;(; :.. : .-;i.-.-:-1 ..,-: без ее разрух ,..-. i.- ; - : :: : -;-.:r .

мах наружного f . : : И .ч : . A/si ;; 3H;J обОЛСЧК - ;.-г -;:-pi : ..:(:. j

прочное: -- по ;. . .- ,::.,.- .

ОбоЛОЧКИ. В jiliv yC l-J iii5i. r..Cli-. -J.-loI-IOS

механическое наполз- .:; ;.° п пГ-сп:- Пп: .з-- ко к суммарному .i,i;io 2p оит нзгся в несколько рлл н.-1.-;:. ,-.:- ппг.ч.-гт;.-; керамики дяжг; iifj - :л;.:,;.,: т i- .;ibi io; i i-j - i pHTy1 ре указанного ди,п;1:я П -. K iOO--/ ПО К

Горцам ;J, I ij H- -jiv ;.Hf; r..;i(- I ; :: irrjf Y- 01 BVei ТОЧК/1 4rt P. м, }|-.п:-п;,1 .),-: ri:/f)Typa

Т }.зсстояни.; .-, и/.-,11. :i. .::....: i. i f; то-it ,в

F (CM. фиг. . i. i i -Vii::,-1 ;. -;;:-: Г. П

стаиионарн т-- . г-.;-- -; ; :-:::; ,-л-, гег-.ик-;- lavypa E 3Ti:-i i ;oi-;. -..-i-..-.-. : :. -;iLie 000 К. ЧЮ rip;ir ч- 1- -.; : :.f : ..:,.--- ;.: .:пенкг.- 1П; 0 с -n;-. :.;;; t : : , , , :-,:. -.-., чип 2: 3 и ппедотяращает утечку ln-;(T n:t под пор хного спой 8 г.я (-го тооцаму Р ;(V

И экстремальных условиях зксплуата- fu-ni, например при пропускании .ока яыше оирс-деленнога предела и быстром повыше ни;-; п-:мпбратуры стержня J, эо можнг: времен |;оч Hfcpy:ii«nne равномерного распределение пост;-- гокл по соченмю сердцевины 4 из

:r--ri . кТрГ ЛОР.ЭНИЯ ВДОЛЬ СГврЖИЯ НЧИЙО/.ее НП of j кзн-ола с наименьшим по селению сопротивлением керамики Спиральная форма сердцевины (см фиг.З, 8) п)я:1-ятслнует образованию такого г-Тйимлизирует работу нагренагеля, расти о : .;.« диапазон условий его использования. Licr-;uent-i3 оксида индия в межяитковып iipri -ip .. 7к:т 32 создает утечку постоянного Иг.1 гру щце фзз -- гп гтка 30 и матрицы 31 - з;- и ч,- г -угг ктронягн 1: м c.riCLuaHt-iOii про- ::. : - ТО f .- Г .: Г .КОЧОК ПО ТОН

: и :-.-. . : г пн -иг- . и ; i -I - п. (т п рэ ща с-т

I: 1..... ,; ;- /Г -: :и : ;U) OCTOU3 : :V ; : --и; : .-. п.: ,к. | ;н и .,-L t-:J; НЧеН i-HI раЗ

-.. : .; : -.i.M-ivi; г ;.-.;; ;; --содм: -ика ::,; . .- / л :i ,-. riop .:: .осимая :;; : -: - i - ,.;и;;и П i иг...ijio/ i.i .oi-i 2P C -ie 1 :. .. .д;1мостц. не.: / ч|ггелы а.

if-Oi iV l..-in ег ьз члгрователь. л- .: -лол. Г)ЛНН1. п:1 ,пеп; разны- - ii:-v. ;оп:;о; - г.ос пл сердцевины 4, :.-. ;-K-- ; слом 0, пп;ои();лк 1 20 и практн- 41 -f.. ь пересекает этих границ благодаря м;::, -.;. :) электропроводности зтих фаз и / ;;с-тйонанию скнчка нотеоцинлов между . который i.: случае керамики на основе jKuiv; ;;-;ркскПл Mij xer достигать 2 В спно- .. Vs ,ii..J рйвногзеснО о кис/юродмсго элек -., -,.. --гГ.ДЛО COjMONCiOirii. ИСПОЛЬЗОВЯТ..

:, -jv V-; ;;. i.,:::м: : , г:iк;;;.-; и I .осмеянный

; - -:: ;. :: . ;-.ч.::: л io;-. с DO .,: -V- i-:f;oii COг t , ; i ... .(. .:

1 :- р : , i -; С С р :.: Г О н П :

. -: ......1.-:-, ;.:,: .Г Г . О фОр

. .. :::;::: :., ; -:; . : . i : : ог.;;М И С м.е. -i .: ,,::..... . им v-к H- rirui . - ,-...; . ..,,;1 т v мгл;л-,; ;I;.;MM )С i -..ч ми

J...I .,. -)i-.i..:ii Г-ОГр .. -Т-; . О i . : -; С .{ ji; ч ;. ч,. :о )Hr его ;: ij.in-.. :-:,:;:i, г;о:-м :к::осн:м. г r,JO;:-:PH. .-}г..С|Т с.ордцепипу и iippy.va; .- ::гюп :;-:1. Ccn/ U- Л -м;- / -:а :.;:,;ОМ М

Г ..; ;.. - /..и:./ учгглг ;.- ; ; ;; ., у мосче::

Н мГ Г K Oi4;i(.;i Т j .,;. Г; : / ). ;.-4.-..(;: ;.. К0 . -- ::: :../. :;. :м ,:. ,11 :;-i :Ц (.,/..:: н.-, ;;; пере,чО:.:;,н;-; уи С 1 . у И ни-н-,)Ю :1Г1Г.Я :; .1: -;;5П ;. . М ( .. ;:. р :.;:.

( :.:./ - П-. if; i i т Л -.,. ..;.: LU i-1 й- С : ii;r-i. Cep/H ;/i наП;/г .: : ОД- гу :з см.. i -1 И -1 ;жг .;.7Л.-г.1 i-... - Kt.3. Нагреватель по п 1, отличающий

4. Нагреватель по пп 1 и 2. о т л и ч а юbj , flOlb/«jOC lvri i v « - - - -- - -

с я тем что переходные участки по толщинещийся тем. что на центральном участсодержат два слоя, причем указанное увели-ке сердцевина выполнена в форме спичивающееся содержание оксида индия вы-рали

полнено в верхнем слое5

4. Нагреватель по пп 1 и 2. о т л и ч а ю

Сущность изобретения: электронагреватель в форме стержня из оксидной керамики выполнен по длине с центральным, токовыводящими участками и участками переходного сопротивления. Стержень содержит сердцевину и наружный слой, покрывающий сердцевину на центральном и переходных участках. В материал сердцевины введен оксид индия. На переходных участках его содержание увеличивается в направлении торцов стержня. Возможно выполнение сердцевины на подложке в виде трубки изокисной керамики,выполнение покрытия переходных участков двуслойными. Сердцевина на центральном участке может быть выполнена в форме спирали. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

SS

IS

18

Фиг. 1

i

23

Фиг.З

Z&XXtfQV

Ш

J9v v - х v v v уу. ЧаУ

а 7 v

гооок

и

1000 К

42

40

JS

7 ff /г 10 /9 J 16

./. --r-/ ЧчЧхх чхл-У