НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
HEATING ELEMENT

Изобретение относится к области электротермии, в частности к конструкциям нагревательных элементов для нагрева до температур свыше 2000°C в условиях вакуума или атмосферы защитных газов.
Известен нагревательный элемент РФ №2439862, МПК H05B 3/42 C2, опубликовано 10.01.2012, где рабочая часть нагревательного элемента выполнена в виде трубы, рассеченной поочередно с торца одного до перемычки у торца другого, причем один из пазов рассекает трубу на всю длину. Таким образом, увеличивается токопроводящая длина нагревательного элемента и, следовательно, его мощность, так как протекание тока происходит сначала по одной половине нагревательного элемента, а затем по другой, то вследствие этого усложняется конструкция токоподводов. Надежное соединение рабочей части с токоподводом возможно только посредством сварки, при этом рабочая часть нагревательного элемента должна быть выполнена из тугоплавких металлов: вольфрама, ниобия, тантала.
Недостатком рассматриваемой конструкции является неравномерное распределение теплового потока, излучаемого обеими частями нагревательного элемента, вследствие неизбежной разницы их омического сопротивления, возникающего из-за наличия прорезей, неизбежной неидентичности их размеров при изготовлении.
Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к заявляемому изобретению является конструкция нагревательного элемента согласно патенту RU №2409796, МПК F27 D11/00 H05B 3/42 C2, опубликовано 20.01.2011.
Конструкция содержит рабочую часть и токоподводы, при этом рабочая часть выполнена из последовательно соединенных коаксиально размещенных труб с длиной токоподводов рабочей части, ограниченной осевыми пазами в диаметральной плоскости и кольцевой перемычкой у торцов внутренней и наружной труб.
Фактически нагревательный элемент состоит из 2-х половин, соединенных перемычкой, и электрический ток последовательно обтекает одну половину, а затем вторую. Коаксиальное расположение разделенных труб уменьшает габариты нагревательного элемента при сравнимой мощности, позволяет снизить токовую нагрузку для достижения заданной температуры во внутренней полости нагревательного элемента за счет частичной экранизации внутренней трубы наружными трубами.
Недостатком рассматриваемой конструкции нагревательного элемента является неравномерность теплового потока, излучаемого обеими половинками нагревательного элемента, разделенными сквозной прорезью. Равномерный тепловой поток нагревательным элементом можно обеспечить только при равномерном омическим сопротивлении обеих половин нагревательного элемента, достичь которого технически затруднительно, так как для этого необходима абсолютная идентичность по геометрическим размерам: диаметру, толщине стенки, а также должно быть идентичное взаимное расположение всех составляющих нагревательного элемента. Кроме того, наличие сквозной прорези на большей части нагревательного элемента является причиной больших тепловых потерь, не позволяющей достичь высоких температур нагрева рабочей зоны. Компенсация тепловых потерь за счет повышения плотности тока имеет свои пределы и, в целом, приводит к снижению надежности нагревательного элемента.
Неравномерность теплового потока нагревательных элементов является нежелательным фактором для установок исследовательского характера, например для установок определения диэлектрических свойств материалов, где предъявляются высокие требования к равномерности температурного поля в рабочей зоне.
Задачей изобретения является создание зоны высокой равномерности теплового потока и снижения тепловых потерь для достижения высоких температур нагрева при оптимальной токовой нагрузке в нагревательном элементе, что обеспечивает его высокую надежность.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Нагревательный элемент, содержащий последовательно соединенные коаксиально размещенные нагревательные трубы, соединенные перемычками, и токоподводы, отличается тем, что нагревательный элемент включает четное число, больше двух, неразрезанных труб из графита, выполненных заодно с соединительными перемычками, причем внутренняя труба связана с токоподводом посредством разрезного токопроводящего переходника, с одной стороны неподвижно соединенного с токоподводом, а с другой стороны контактирующего с внутренней трубой по скользящей посадке, при этом внешняя труба неподвижно соединена по скользящей конусной посадке с другим токоподводом.
2. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что последовательное соединение труб нагревательного элемента выполнено посредством резьбы, предусмотренной на концах соединяемых труб.
Заявляемая конструкция нагревательного элемента обеспечивает равномерное поле температуры в рабочей зоне из-за отсутствия прорезей на излучаемой поверхности, вызывающей неравномерность теплового потока.
Нагреваемая часть элемента включает коаксиально расположенные трубы из графита, где каждая охватывающая труба выполняет роль обогреваемого экрана для охватываемой трубы, которая охватывает рабочую зону. Кроме того, нагревательный элемент включает четное число графитовых труб, что дает возможность конструктивно расположить токоподводы с одной стороны и обеспечивает свободное линейное расширение при нагреве труб без деформации. Применение графитовых труб более двух позволяет увеличить интенсивность нагрева в зоне, близкой к свободному от токоподводов концу элемента, и тем самым снизить токовую нагрузку для достижения более высокой температуры. При работе нагревательного элемента внутренняя труба имеет более высокую температуру, чем внешняя и, соответственно, большее удлинение. Компенсация разности удлинений обеспечивается проскальзыванием по цилиндрической посадке внутренней трубы и разрезного переходника с сохранением электрического контакта.
На приложенных чертежах представлено:
Фиг. 1 - общий вид нагревательного элемента в разрезе,
Фиг. 2 - резьбовое соединение нагревательных труб.
Конструкция нагревательного элемента включает нагревательную часть, состоящую из четного числа труб с перемычками, изготовленными механической обработкой заодно из единого блока графита с внешней трубой 1, внутренней трубой 2 и промежуточными трубами 3 и 4, разрезного графитового переходника 5, медных водоохлаждаемых токопододов 6 и 7, нажимного кольца 8, посредством которого внешняя труба 1 по конусной посадке соединена с токоподводом 6, нажимного кольца 9, с помощью которого через разрезной переходник 5 фиксируется внутренняя труба 2 по скользящей цилиндрической посадке в токоподводе 7.
Нагревательный элемент работает следующим образом. Электрический ток подается на токоподводы 7 и 6. Через коническую посадку в токоподводе 6 ток последовательно проходит внешнюю трубу 1, промежуточные трубы 3,4 и через внутреннюю трубу 2, соединенную по скользящей цилиндрической посадке, и разрезной графитовый конус 5 с токоподводом 7. Применение в конструкции нагревательного элемента промежуточных труб 3, 4 значительно повышает выделяемую мощность в рабочей зоне и снижает токовую нагрузку на внутренней и внешней трубах для достижения заданной температуры, концентрируя мощность в зоне свободно расположенных концов нагревателя на противоположной стороне от токоподводов.
Альтернативным вариантом нагревательного элемента, упрощающим его изготовление при использовании большего числа промежуточных труб, может быть конструкция, где трубы соединяются посредством резьбы 10, выполненной на их концах.
Применение заявляемой конструкции в установке для измерения диэлектрической проницаемости в волноводном резонаторе позволило значительно повысить надежность нагревательного элемента, высокую изотермичность в зоне расположения испытуемого образца при температурах измерений выше 2000°C.