ТОКОПОДВОД К НАГРЕВАТЕЛЮ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к технике получения высоких температур в системах с резистивным нагревом, а именно к испытаниям высокотемпературных композиционных материалов и высокотемпературных покрытий на композиционные материалы для теплонапряженных конструкций.
Известен токоподвод нагревателя высокотемпературной электрической печи сопротивления, включающий металлический водоохлаждаемый корпус, натяжную втулку и электропроводную набивку, выполненную из гибкого проволочного жгута (а.с. СССР №237296, Н05В 03/06, опубл. 12.11.79 г.).
Недостатком такого токовода является то, что при нагреве происходит спекание гибкого проволочного жгута и для повторного включения печи требуется его замена из-за нарушения контакта после остывания печи.
Известен токоподвод к графитовому нагревателю для электропечей в виде токопроводящей водоохлаждаемой трубы с графитовым башмаком, имеющим форму сектора, с конусной внутренней поверхностью, соответствующей конусной поверхности контактной части нагревателя.
Такой токоподвод имеет малую площадь касания графитового башмака с нагревателем, а плотность контакта обеспечивается только за счет собственного веса, в результате чего данная конструкция рассчитана на токи небольшой величины, (а.с. СССР №222573 Н05В 03/06, опубл. 22.07.68 г.).
Известен токоподвод к графитовому нагревателю для высокотемпературных электропечей, содержащий токопроводящую водоохлаждаемую трубу с наконечником, внутренняя полость которого сопряжена с выступом графитового башмака, соединенного с нагревателем, наконечник выполнен в виде скобы, а внутренняя полость наконечника и выступ выполнены сужающимися в направлении продольной оси нагревателя. Токоподвод снабжен фиксирующим клином, установленным между поверхностями сопряжения наконечника и выступа (а.с. СССР №936464 Н05В 03/06, опубл. 15.06.82 г.).
Недостатком такого токоподвода является малая площадь касания графитового башмака с нагревателем, что ограничивает величину электрического тока для питания нагревателя, а исполнение контакта в форме ласточкина хвоста связано со сложностью изготовления.
Известен токоподвод к графитовому нагревателю для высокотемпературных электропечей; содержащий токоподводящую водоохлаждаемую трубу, и графитовый башмак, сопряженный с трубой и нагревателем, отличающийся тем, что труба выполнена в форме кольца, охватывающего башмак и с зазором часть нагревателя, башмак выполнен в форме набора кольцевых секторов с наклонными к торцевым поверхностям боковыми поверхностями, размещен на торцевой поверхности нагревателя с образованием клиновых пазов, расширяющихся от нагревателя, и поджат подпружиненными клиньями, взаимодействующими с клиновидными пазами (патент РФ №2147798 от 20.04.2000 г.).
Данный токоподвод к графитовому нагревателю для высокотемпературных электропечей наиболее близок к заявляемой полезной модели. Однако он содержит большое количество конструктивных элементов из хрупкого материала, требующих тщательного изготовления и подгонки друг к другу, а также перемещающихся относительно друг друга и нагревателя. Нагреватель по всей длине поджат токоподводом, что вызывает сжимающие нагрузки в нагревателе в процессе работы, связанные с его тепловым расширением. Из-за большого количества конструктивных элементов, в том числе пружин, обуславливающих необходимость их тщательного подбора для обеспечения равномерного по окружности поджатия нагревателя, изготовление и сборка такого токоподвода являются трудоемкими, кроме того, необходим постоянный контроль за состоянием элементов токоподвода для обеспечения его надежной работы.
Предлагаемой полезной моделью решается задача создания токоподвода, обеспечивающего подвод токов большой величины с высоким темпом их нарастания, упрощение изготовления и монтажа, многократность включения. Технические результаты, достигаемые полезной моделью, состоят в:
- повышении надежности электрического контакта за счет увеличения площади контакта между токоподводящей водоохлаждаемой трубой и нагревателем;
- разгрузке рабочей зоны нагревателя от сжимающих осевых усилий в процессе его работы, связанных с тепловым расширением нагревателя;
- обеспечении низких температур в зоне контакта токоподвода и нагревателя.
Для достижения этого технического результата токоподвод к нагревателю для высокотемпературных электронагревательных установок выполнен следующим образом. Токоподвод содержит токоподводящую водоохлаждаемую трубу, состоящую из двух водоохлаждаемых полуколец, и графитовые упоры, сопряженные с полукольцами, разделенными зазором. Полукольца имеют внутреннюю боковую коническую поверхность, в зазор между этими полукольцами вставлена распорная электроизолирующая пластина, которая также входит в диаметральную сквозную, прорезь нагревателя в зоне его контакта с полукольцами по их боковой конической поверхности и фиксирует положение нагревателя в полукольцах. Часть нагревателя, входящая в полукольца, имеет внешнее кольцевое утолщение стенки с образованием кольцевой площадки, перпендикулярной оси нагревателя. Внешняя боковая поверхность этой части нагревателя выполнена конической и сопряжена с внутренней боковой конической поверхностью полуколец. Графитовые упоры охватывают с зазором боковую поверхность нагревателя, выполнены с опорой на кольцевые утолщения на внешней боковой стенке нагревателя и снабжены поджимным механизмом. Поджимные механизмы могут состоять, например, из шпильки, шайб, пружины и гайки. При навинчивании на шпильку, ввернутую в полукольцо, гайка сжимает пружину, которая через шайбу поджимает графитовый упор, охватывающий боковую поверхность нагревателя, к кольцевой площадке в зоне кольцевого утолщения стенки нагревателя, что обеспечивает плотный контакт нагревателя с полукольцами. Нагреватель выполнен из термостойкого, высокотемпературного и высокопрочного материала, например, углерод-углеродного композиционного материала. Диаметральный сквозной разрез в нагревателе со стороны его участка, вставленного в полукольца, выполнен на часть его длины, обеспечивающей необходимое сопротивление нагревателя, определяемое уровнем температуры, до которой должен быть нагрет нагреватель, с учетом габаритов нагревателя для конкретной электронагревательной установки и электрической мощности подключенного к электронагревательной установке источника питания.
Предлагаемый токоподвод к нагревателю для высокотемпературных электронагревательных установок иллюстрируется в разрезе чертежом, представленным на фигуре.
Токоподвод к нагревателю для высокотемпературных электронагревательных установок содержит токоподводящую водоохлаждаемую трубу, выполненную в виде двух водоохлаждаемых полуколец 1, разделенных зазором, в который вставлена распорная электроизолирующая пластина 2. Полукольца 1 имеют внутреннюю боковую коническую поверхность, по которой с ними контактирует концевая часть нагревателя 3, имеющая кольцевое утолщение по наружной стенке. В зоне кольцевого утолщения стенки нагревателя 3 ее внешняя поверхность выполнена конической соответственно конической боковой поверхности полуколец 1, что обеспечивает плотное прилегание концевой части нагревателя 3 к конической поверхности полуколец 1. Электроизолирующая пластина 2 одновременно входит в зазор между полукольцами и в диаметральную сквозную прорезь нагревателя 3 в зоне его контакта с полукольцами 1.
На верхнем торце полуколец 1 размещены графитовые упоры 4, которые опираются на кольцевую площадку 5, образованную утолщением стенки на внешней боковой поверхности нагревателя 3 в зоне его контакта с полукольцами 1. Над графитовыми упорами 4 расположены поджимные механизмы, поджимающие упоры 4 к кольцевой площадке 5 нагревателя. Поджимной механизм может состоять, например, из шпильки 6, шайб 7 и пружины 8, поджимаемой гайкой 9, наворачиваемой на шпильку 6.
Работа токоподвода осуществляется следующим образом. Ток подается от источника по гибким шинам (на фигуре не показаны) к полукольцам 1, от которых передается двум частям нагревателя, разделенным прорезью. Распорная электроизолирующая пластина 2 фиксирует положение частей нагревателя, предотвращая их смыкание, поворот нагревателя по оси в полукольцах и, тем самым, возможность возникновения короткого замыкания. Надежность прилегания части нагревателя 3 в зоне контакта с полукольцами 1 обеспечивается графитовыми упорами 4, прижимаемыми к кольцевой площадке 5 нагревателя поджимными механизмами. Поджатие нагревателя к полукольцам может проводиться с использованием тарированного ключа. При этом вся рабочая часть нагревателя полностью разгружена от каких-либо сжимающих его в продольном направлении усилий, и он может свободно расширяться при подъеме температуры. Тепловое состояние токоподвода контролируется путем измерения термопарой температуры воды в рубашке охлаждения полуколец 1.
Предлагаемый токоподвод был изготовлен и внедрен в конструкцию высокотемпературной электронагревательной установки для исследования поведения образцов материалов при высоких температурах и темпах нагрева. Эксплуатация установки при нагреве образцов материалов до 2100К с темпом нагрева до 30 град/с подтвердила высокую надежность работы токоподвода.