採用如碳化矽所製成的電加熱元件的製作方法

2024-02-10 03:46:15

專利名稱：採用如碳化矽所製成的電加熱元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及電阻陶瓷加熱元件，尤其，但卻並不僅僅，適用於碳化矽的電加熱元件。
在這樣的管形棒中，在任一熱區邊的冷端形成電連接。為符合一些目的，將接線端設置在一個末端是很合適的。因此人們知道提供一種具有雙螺旋線的螺旋棒已經至少30年，其中棒的一個末端被裂開作為冷端的電接線端，其它末端則提供兩個螺旋線之間的結點。這種類型的典型元件是CrusiliteTM的DS元件和GlobarTM的SGR或SR元件。
對CrusiliteTM元件(X，MF，DS和DM)的通用方法是使用金剛輪將螺旋槽切割在碳化矽管中。螺旋的節距取決於碳化矽管的電阻，和所需CrusiliteTM元件的電阻。越緊密的螺距，就會從所提供電子管中獲得更高的電阻。對於雙螺旋元件(DS或DM)會產生兩個螺旋切割，起初相互為180度，在第一螺旋線彎曲部分之間具有第二螺旋的中間槽。螺旋線在末端由金剛鋸切割並延伸開，切割末端成為進行電連接的接線端末端。
對於GlobarTM螺旋元件(SG，SGR)的製造，在燃燒前使用金剛鑽在電子管中進行螺旋線的切割。對於雙螺旋線元件(SGR)將使用相互為180度的雙切割。在切割螺旋線之後，在控制最後電路的兩階段工序期間完成材料的燃燒。
所有這些元件(CrusiliteTMX，MF，DS，DM GlobarTMSG，SGR)都是單相元件，並廣泛用於工業和實驗室的燃燒室操作中，例如，溫度在1000度到1600度之間的燃燒室中。
在需要高加熱程度和加熱單元的是3的倍數情況下，經常出現使用三相電源的情況。在三相中的每一相電源都相同的設置是非常合適的，因此單相元件通常被設置在3的復聯端子中。另一方面，在所安裝的元件數目並不是被3除盡的情況下可以使用三相碳化矽元件確保一個平衡的三相負載。碳化矽三相電子元件通常包括接合在一個相同電橋中的三個管腳。這些管腳通常布置在一個平面(這樣元件具有板球棒形的外觀)，或布置在一個三角形中(這種形式有時稱為牛奶管形式或Tri-U)。人們至少已經分別從1957年(見GB845496)和1969年就知道這種板球棒型和Tri-U的配置。這類元件的製造通常需要單獨製造元件的各個管腳，之後再連接到一個電橋上。過去也曾提出採用在整件上鑄造來製造這類元件的方法，但整件的元件與市場中的不同。同時，也提出將三個螺旋切割元件合併到一個相同電的板球棒型設置。(見GB1279478)。
眾所周知，以通常U-形配置來合併成對的元件，使得元件的接線端都處在一個末端。一個這樣的典型元件裡是坎薩爾(Kanthal)U類型元件。(對其它U-型元件見專利文獻如GB838917和US3964943)。這樣的幾個元件需要一個給定的加熱操作。對於空間受到限制的應用，提供元件與電源連接的合適配置非常複雜的事情。而且，需要許多給這些元件提供電源的空穴。這些空穴會威脅加熱設備熱隔離的結構完整性，另外由於熱量可以通過空穴或沿著導體傳遞出燃燒室，這對於熱量的有效利用是不利的。GB1123606中提出過一種所謂的「松鼠籠」條狀元件配置。這些元件被安裝並由耐火環隔開，通過螺旋體連接到橋接導體實現互連。這種布置過於複雜並包含許多電連接。
圖2是一種常規三相型電加熱元件的前視圖。
圖3是一種常規三相型電加熱元件的末端視圖。
圖4是一種常規單切割螺旋線電加熱元件的側視圖。
圖5是根據本發明一種四管腳扁平的電加熱的側視圖。
圖6是根據本發明一種四管腳，矩形排列的電加熱的側視圖。
圖7是圖6中元件的末端視圖。
圖8是根據本發明的另外一種四管腳，矩形排列的電加熱元件的平面圖。
圖9是圖5中元件的平面圖。


圖10是根據本發明的一種四管腳，曲線排列的電加熱元件的平面圖。
圖11是根據本發明的一種六管腳，電加熱元件的平面圖。
圖2顯示一種常規的三相板球棒型三相元件7，它與圖1的U-型元件的製造方式相同。
圖3是一種常規的Tri-U或牛奶管型三相元件8的末端視圖。這樣的元件採用與常規的板球棒型元件相同的技術製成，但三個管腳2按三角形列陣肩並肩地排列，並由電橋9聯接。這樣的配置比板球棒型的配置要更緊密。
圖4為一種常規的單相螺旋形單切割元件10的側視圖。元件10包括具有螺旋形切割部分11和未切割部分12的一個碳化矽的電子管，其中螺旋形切割部分11限定元件的熱端，未切割部分12限定冷端。螺旋形切割表示熱區比未切割電子管具有更狹窄的電截面，也具有更長的有效長度，因此比同樣長度的未切割電子管具有更高的電阻。冷端的材料通常與熱區的材料相同，但它的電阻率(例如採用浸漬矽合金的方法)可以變得更低，或連接到具有低電阻率的材料以進一步增加熱區與冷端之間的電阻比。
圖5和圖9顯示本發明一種通常的扁平加熱元件13。它具有四個管腳14，15，管腳14比管腳15長，並包括一個熱區16和冷端17，冷端17的末端18實現與電源的連接。管腳15完全是熱區。管腳14和15由電橋19串行地連接。這種配置使四個熱區被引入到燃燒室中，或使得其它加熱設備只需要兩個接線端就足夠了。電橋19可以完全在燃燒室的絕緣部分內或其它加熱設備內。通過這種方式，絕緣只能由兩個冷端17來打破，雖然一種通常包含四個單棒而燃燒室，將會由八個冷端打破，包含兩個U-型元件的燃燒室將會由四個冷端所打破。
圖6和圖7中顯示為用於水平固定設計的元件20，但並不排除應用在套筒21中。套筒21可以是電子管。元件20包括四個管腳14，15，它們與圖5和圖9中的管腳類似。管腳14，15大體平行並通常正方形陣列來排列，設置電橋19是為了兩個較長管腳14可以肩並肩地設置到正方形陣列的一邊。這個配置使得元件的水平固定要比其它的設置要容易。阻塞22，23支撐套筒21中的電橋19，阻塞23還可以支撐管腳14。雖然只顯示了一個正方形陣列的管腳，但將意識到可以使用矩形陣列或其它四邊形陣列，這取決於所要安置元件的設備。該元件四個管腳的固定關係消除了現有元件存在的潛在危險，即元件的頂部裝置落到底部裝置上，並產生短路的情況。由於會出現這種危險情況，通常在這樣的水平設備中只使用一種單U-型元件。
圖8顯示另外一種電橋19的設置，其中的一個電橋以對角線穿過陣列的方式設置。這意味著進行連接的管腳14要以對角線的方式排列。這種配置要優於圖7的配置，在這樣的環境中管腳能夠垂直地排列。
圖10顯示一個元件24，它包括平行設置並設置在曲線陣列上的四個管腳。多個這樣的曲線元件可以應用在曲線加熱裝置(線26所示)的構造中，例如符合管狀燃燒室的曲度。
圖11顯示一種三相元件27。元件27包括管腳14，15，管腳14比管腳15長。管腳設置在一般為六角列陣中。電橋19將管腳以成對的長管腳14和短管腳15的形式連接在一起。電橋28將這些對連接在一起。在使用中三相電源連接到管腳14的接線端部分，並經過管腳14，電橋19，和到電橋28的管腳15連接，其中電橋28構成三相配置的星形連接。這種配置比通常Tri-U的配置更優越，通常Tri-U配置(圖3)需要低電壓和高電流，因此需要一個昂貴的電源供應，特別是在熱區出現短路時，和/或大的管腳直徑情況下。由於一個類似負載的Tri-U元件將有三個管腳，每個管腳的直徑為一般情況的兩倍。因此串聯的六個管腳的電壓將會更高。例如，一個具有熱區長度500mm，管腳直徑40mm的Tri-U元件，可能具有0.4Ω的相位電阻，需要電源額定值在50V(相位電壓)和125A。相比之下，圖11中所示的三相六管腳元件具有相位電阻1.6Ω，需要電源額定值為100V(相位電壓)和62.5A。總之，在同等Tri-U的大約兩倍電壓和一半電流的情況下就可以運行。
圖5-11的所有配置中，所需接線端的數量比元件管腳的數量要少。這比通常配置中使用連接的數量要少，並減少需要提供在燃燒室內或絕熱材料中的空穴的數量。此外，通過提供元件管腳的固定配置，就有可能使元件管腳的配置比通常燃燒室中的配置更緊密，這是因為已經消除元件移動的擔心和隨之發生的短路危險。這種緊密配置比通常的配置能獲得更高的電源密度。在管腳和電橋之間進行連接是一種合適的方法，它將會保持理想的操作溫度。
在圖5-11的所有配置中使用偶數數字的元件管腳。這是非常方便的，因為它使接線端位於元件的一邊，但本發明在配置接線端的另一面使用奇數數字的元件管腳。
我們將意識到管腳的熱擴張特性能理想地匹配以減小元件受熱時電橋部分的運動。例如參照圖6，如果管腳14比管腳15的擴張大，則電橋19可能會被拉出阻塞23。通過匹配管腳14和管腳15的熱擴張特性(例如選擇熱區16的長度，或使用不同熱擴張係數的材料)，就能減少這種危險。
另一種方式，很多應用中使一些管腳中具有長的熱區，以提供加熱的背景級別，使其它管腳比聽述的熱區要短，以提供額外的定位加熱。例如，圖5中，如果管腳14的熱區16比管腳15長，則由具有管腳15產生的額外定位加熱的熱區16將會提供一個通用化的加熱級別。
作為一個應用，其中這樣的不均勻熱區的長度將會是有用的，這是在陶瓷燃燒室中向基座安裝更高功率元件的標準實踐，目標是提供更大溫度的均勻性。
在其它這種使用不均勻功率分布類型的應用中，包括電鑄加熱器，其中典型的設計為具有下限一半功率的2/3，和上限一半功率的1/3。
在上面敘述中是參照碳化矽作為電加熱元件的材料進行敘述。但很顯然本發明應用在任何電導體陶瓷材料中。在這個說明書中，術語「電傳導陶瓷」將解釋為任何非金屬無機材料的含義，這些材料將能充分程度的導電，並具有合適的熱性能，能夠作為電加熱元件來使用。
權利要求
1.一種電阻陶瓷加熱元件，包括a)三個或以上的陶瓷管腳，這些管腳包括元件中至少產生大部分電加熱(熱區)的元件區域，至少一個管腳是完全有效的熱區的管腳，以及至少兩個管腳，每個管腳包括一個熱區和一個冷區；b)少於管腳數目並且鄰近冷區設置的多個管腳接線端部分，用於提供電源連接；以及c)在管腳之間提供電連接的陶瓷橋接部分。
2.如權利要求1所述的電阻陶瓷加熱元件，其特徵在於所述管腳的熱擴張特性相互匹配，以減少所述元件受熱時該橋接部分的移動。
3.如權利要求1或2所述的電阻陶瓷加熱元件，包括四個管腳，兩個接線端和三個橋接部分。
4.如權利要求3所述的電阻陶瓷加熱元件，其特徵在於所述管腳充分直立和平行，設置成大致矩形排列。
5.如權利要求4所述的電阻陶瓷加熱元件，其特徵在於所述接線端為對角的設置。
6.如權利要求4所述的電阻陶瓷加熱元件，其特徵在於所述接線端肩並肩的沿矩形排列的一邊來設置。
7.如權利要求4到6中任一所述的電阻陶瓷加熱元件，其特徵在於所述管腳以大致正方形的排列來設置。
8.如權利要求1所述的電加熱元件，其特徵在於所述管腳充分直立和平行，並設置成弧形，藉此多個這樣的元件就可以構成一個曲線。
9.如權利要求1所述的電阻陶瓷加熱元件，包括一個至少與三個管腳相連的電橋，該電橋作為三相或更多相的電源的星形連接。
10.如權利要求9所述的電阻陶瓷加熱元件，具有六個管腳，三個接線端和四個橋接部分，其特徵在於一個橋接部分作為一個三相電源的星形連接。
11.如前面權利要求中任一所述的電阻陶瓷加熱元件，其特徵在於一些所述管腳中的熱區比其它所述管腳中的熱區長，藉此在所述一些管腳中的熱區提供加熱的背景級別，而所述的其它管腳則提供定位加熱。
全文摘要
一種電阻陶瓷加熱元件包括a)三個或以上的陶瓷管腳，這些管腳包括元件中至少產生大部分電加熱(熱區)的元件區域至少一個管腳是完全有效的熱區的管腳，以及至少兩個管腳，每個管腳各包括一個熱區和一個冷區；b)少於管腳數目的多個管腳接線端部分，用於提供電源連接；和c)在管腳之間提供電連接的陶瓷橋接部分。
文檔編號H05B3/42GK1408195SQ00816720
公開日2003年4月2日 申請日期2000年5月26日 優先權日1999年12月6日
發明者J·G·貝特森 申請人:坎塔爾有限公司