Электрическое нагревательное устройство

Изобретение относится к электрическому нагревательному устройству, содержащему излучающую трубу (2) и электрический нагревательный элемент, размещенный в излучающей трубе, а также защитную вставку (10) из электропроводящего материала. Защитная вставка (10) размещается между излучающей трубой и электрическим нагревательным элементом. Устройство позволяет использовать элемент более высокой мощности.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: САНДВИК ИНТЕЛЛЕКЧУАЛ ПРОПЕРТИ АБ (SE) 016479 Область техники Настоящее изобретение, в общем, относится к электрическому нагревательному устройству, содержащему излучающую трубу, а также к нагревательному элементу, содержащему нагревательный провод. Предшествующий уровень техники В патенте US 5473141 описывается пример электрического нагревательного устройства, которое содержит излучающую трубу, а также элемент с множеством ветвей нагревательного провода, проходящих вперед и назад в трубе. Элемент удерживается в излучающей трубе посредством керамических пластин с отверстиями, через которые проходят ветви элемента. Другой пример электрического нагревательного устройства этого вида описывается в публикацииWO 2005/006812. Даже в этом случае электрическое нагревательное устройство содержит излучающую трубу и электрический нагревательный элемент с множеством ветвей, проходящих вперед и назад в трубе, и элемент удерживается в трубе посредством керамических пластин с отверстиями, через которые проходят ветви элемента. Дополнительный пример электрического нагревательного устройства описывается в US 4236139. В этом случае электрическое нагревательное устройство содержит излучающую трубу, а также нагревательный элемент в форме спирали, который удерживается в трубе сердечником. В этом типе электрического нагревательного устройства электрические нагревательные элементы подвержены большим нагрузкам, что может приводить к повреждению элемента после определенного периода использования. Повреждение элемента может возникать вследствие сил растяжения и сжатия,которым элемент подвержен из-за теплового расширения нагревательного провода. Другим примером причин повреждения элемента является старение и перегрузка в виде выходной мощности и/или рабочей температуры. В ходе повреждения элемента возникает обрыв провода. Этот обрыв провода сопровождается электрической дугой между разрушением поверхности и близлежащим нагревательным проводом, что, в свою очередь, может приводить к плавлению металла в нагревательном проводе. Образуемый расплавленный металл падает и плотно приваривается к внутренней поверхности излучающей трубы. Может даже сформироваться электрическая дуга между проводом и/или разрушением поверхности провода и внутренней поверхностью излучающей трубы. Это приводит к плавлению посредством электрической дуги нагревательного провода и/или внутренней поверхности излучающей трубы. В худшем случае электрическая дуга может приводить к прожиганию излучающей трубы. Риск повреждения элемента означает, что электрические нагревательные устройства этого типа зачастую используются при более низкой мощности, чем фактически возможно. Краткое описание сущности изобретения Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы задать максимально возможно более высокую выходную мощность для электрического нагревательного устройства. Дополнительная задача изобретения заключается в том, чтобы не допускать ненужного повреждения излучающей трубы вследствие повреждения элемента, т.е. минимизировать последствия. Вышеуказанные задачи достигаются посредством электрического нагревательного устройства, содержащего излучающую трубу и электрический нагревательный элемент, размещенный в излучающей трубе, при этом электрический нагревательный элемент содержит нагревательный провод, проходящий в излучающей трубе, соединяется с токопроводящими выводами на одном конце излучающей трубы и удерживается в излучающей трубе с помощью опоры. Электрическое нагревательное устройство дополнительно содержит защитную вставку из токопроводящего материала, которая размещается между излучающей трубой и электрическим нагревательным элементом. Основное назначение защитной вставки состоит в том, чтобы выступать в качестве защиты для излучающей трубы от расплавленного металла в случае повреждения элемента. Вставка также предотвращает потенциальное формирование электрической дуги между разрушением поверхности нагревательного провода и излучающей трубой, где размещается защитная вставка, поскольку электрическая дуга вместо этого образуется между разрушением поверхности нагревательного провода и защитной вставкой. Последствия потенциального повреждения элемента тем самым уменьшаются. Таким образом, гарантируется использование нагревательного устройства при более высокой мощности, поскольку запас прочности по сравнению с предшествующим уровнем техники может быть снижен. В случае повреждения элемента элемент и защитная вставка могут легко извлекаться из излучающей трубы и заменяться. Защита от повреждений и возможных расплавленных отходов выполняется посредством защитной вставки. Согласно одному варианту осуществления защитная вставка действует даже в качестве проводника тока и, следовательно, заземлена, предпочтительно при соединении с фланцем излучающей трубы.-1 016479 Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1a изображает электрическое нагревательное устройство согласно предшествующему уровню техники, когда нагревательный элемент извлечен из излучающей трубы; фиг. 1b показывает электрическое нагревательное устройство согласно предшествующему уровню техники; фиг. 2 показывает электрическое нагревательное устройство, содержащее защитную вставку, согласно изобретению; фиг. 3 показывает поперечное сечение электрического нагревательного устройства, содержащего защитную вставку, согласно изобретению. Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения На фиг. 1 а и 1b показано электрическое нагревательное устройство 1 согласно предшествующему уровню техники. На фиг. 1 а нагревательный элемент отделен от излучающей трубы, чтобы понятнее проиллюстрировать их структуру, на фиг. 1b показано, что нагревательный элемент размещен в излучающей трубе в ходе использования. Электрическое нагревательное устройство содержит излучающую трубу 2 с закрытым концом 2b и открытым концом 2 а. Открытый конец 2 а излучающей трубы предназначен для того, чтобы располагаться рядом со стенкой печи. Электрический нагревательный элемент 3 размещается в излучающей трубе 2 через открытый конец 2 а. На фиг. 1 а и 1b электрический нагревательный элемент 3 состоит из ряда ветвей 4 нагревательного провода, которые проходят вперед и назад в излучающей трубе 2 и соединяются друг с другом через секции 5, предусмотренные в непосредственной близости от закрытого конца излучающей трубы 2. Электрический нагревательный элемент также может иметь другие формы. Это может быть, например, спиральный элемент, который окружает гофрированный или гладкий керамический сердечник, либо с хорошей конформностью, либо в котором керамика располагается только в верхней части замкнутого пространства спирали, т.е. в спирали на керамической несущей трубе. Токопроводящие выводы 8 (только первый показан на чертежах), через которые электрический элемент 3 обеспечивается электрическим током, размещаются в открытом конце 2 а излучающей трубы. Нагревательный элемент надлежащим образом поддерживается в излучающей трубе 2 с помощью керамических дисков 6 с отверстиями, в которые проходят ветви 4 элемента. Нагревательный элемент 3 дополнительно может удерживаться в излучающей трубе 2 с помощью центрального стержня 7, который проходит по центру в излучающей трубе 2 и через центральные отверстия в керамических дисках 6. Излучающая труба дополнительно содержит фланец 9 трубы, предусмотренный главным образом для того,чтобы удерживать излучающую трубу 2 на месте в печи, но зачастую также предусмотренный для того,чтобы составлять уплотнение между атмосферой печи и стандартной атмосферой/воздухом вне печи. Фланец зачастую размещается напротив стенки печи посредством болтового соединения и может заземляться через него. В некоторых случаях фланец трубы может соединяться через кабель со стенкой печи,которая сама заземлена, и тем самым труба заземляется. Нагревательное устройство согласно настоящему изобретению содержит излучающую трубу, а также нагревательный элемент, содержащий нагревательный провод. Защитная вставка размещается между излучающей трубой и нагревательным элементом таким образом, что в случае повреждения элемента потенциальные остатки элемента и расплавленный металл падают на защитную вставку за счет силы тяжести. На фиг. 2 показано нагревательное устройство согласно варианту осуществления изобретения. Нагревательное устройство содержит электрический нагревательный элемент с ветвями нагревательного провода 4, проходящими вперед и назад в излучающей трубе 2. Электрический нагревательный элемент соединяется с токопроводящим выводом (не показан) на первом конце 2 излучающей трубы, и нагревательный элемент удерживается в излучающей трубе посредством опоры, показанной на чертеже в форме керамических дисков 6 с отверстиями, через которые проходят ветви элемента. Нагревательное устройство на фиг. 2 также имеет центральный стержень 7. Нагревательный элемент согласно этому варианту осуществления предназначен для горизонтальной установки в печи. Следует отметить, что нагревательный элемент может иметь форму, отличную от формы, показанной на чертежах, поскольку изобретение также является подходящим для других типов нагревательных элементов, содержащих нагревательный провод, где существует риск контакта между нагревательным проводом и излучающей трубой. Защитная вставка 10 размещается между излучающей трубой и электрическим нагревательным элементом таким образом, что она является съемной относительно излучающей трубы. Защитная вставка 10 также может быть съемной относительно электрического нагревательного элемента. Защитная вставка 10 имеет функцию сбора остатков расплавленного металла в ходе потенциального повреждения элемента и, следовательно, размещена в излучающей трубе таким образом, что расплавленный металл из нагревательного провода и/или излучающей трубы падает на защитную вставку 10 под действием силы тяжести. Защитная вставка 10 также имеет функцию сбора возможных частей нагревательного провода, которые отделились от электрического нагревательного элемента вследствие повреждения элемента.-2 016479 В случае повреждения элемента электрический нагревательный элемент может легко отсоединяться от излучающей трубы и заменяться вместе с защитной вставкой. Защитная вставка выполняет защиту от повреждений, к примеру, частей нагревательного провода, которые отделились от электрического нагревательного элемента, и возможных расплавленных остатков. Даже в случае возможного прожигания защитной вставки проще удалять расплавленные остатки вместе с защитной вставкой. Благодаря тепловой массе защитной вставки область, которая подвержена поверхностному свариванию, имеет меньшее удлинение расширения по сравнению с ранее известными нагревательными элементами без защитной вставки. Дополнительно, легко захватывать защитную вставку, что позволяет отламывать или даже вытаскивать материал, который приваривается к излучающей трубе. Защитная вставка должна иметь хорошую удельную теплопроводность, т.е. быть электрически проводящей, чтобы не влиять на теплопередачу от электрического нагревательного элемента к излучающей трубе. Также предпочтительно формировать защитную вставку из материала, который имеет высокий коэффициент излучения, такой как по меньшей мере 0,6. Один предпочтительный вариант осуществления изображен на фиг. 3, где показано поперечное сечение излучающей трубы 2 и защитной вставки 10. Электрический нагревательный элемент (не показан) предусмотрен в излучающей трубе аналогичным вышеописанном способом. Согласно этому варианту осуществления защитная вставка 10 может быть сконфигурирована таким образом, что при просмотре в поперечном сечении осевой длины электрического нагревательного устройства, т.е. осевой длины излучающей трубы 2, в общем, имеет форму дуги окружности с центральным углом до 45, при этом средняя точка М для защитной вставки располагается вдоль центральной оси для излучающей трубы. Угол должен быть задан максимально возможно небольшим, чтобы как можно меньше препятствовать испусканию тепла от электрического нагревательного элемента к излучающей трубе, хотя он должен быть достаточно большим с тем, чтобы защитная вставка могла выполнять свою функцию. Согласно предпочтительному варианту осуществления защитная вставка, следовательно, формируется таким образом, что она составляет дугу окружности с центральным углом 20-40, типично около 30. В простейшем виде защитная вставка может быть пластиной. Пластина надлежащим образом округлена таким образом, что она соответствует кривизне внутренней части излучающей трубы 11, как, к примеру, проиллюстрировано на фиг. 3. Подходящая толщина пластины может составлять 1-5 мм. Согласно предпочтительному варианту осуществления защитная вставка размещается так, чтобы прямая проводимость тепла возникала между защитной вставкой и излучающей трубой. Зазор между защитной вставкой и излучающей трубой означает, что излучение возникает между защитной вставкой и излучающей трубой, что приводит к ненужному возрастанию температуры в нагревательном элементе. Посредством минимизации расстояния между защитной вставкой и излучающей трубой таким образом,что возникает прямая теплопередача, рабочая температура нагревательного элемента, следовательно,может быть ниже, что в таком случае приводит к уменьшенному риску повреждения элемента. Прямая теплопередача может быть достигнута, когда защитная вставка находится в плотном контакте с внутренней частью излучающей трубы, предпочтительно, в общем, по всей длине защитной вставки в излучающей трубе. Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления защитная вставка дополнительно действует в качестве проводника тока в случае повреждения элемента. Чтобы достигать этого,защитная вставка заземлена надлежащим образом при соединении с фланцем излучающей трубы. Это может достигаться либо через плотный контакт защитной вставки с фланцем трубы и/или излучающей трубой, либо, альтернативно, через отдельное соединение между защитной вставкой и стенкой печи, которая сама заземлена. Размеры защитной вставки такие, что расплавление защитной вставки не возникает до того, как плавкий предохранитель нагревательного элемента перегорает. Нагревательный элемент согласно изобретению, следовательно, обеспечивает возможность использования более высокой мощности, поскольку потенциальное повреждение элемента не вызывает такие разрушительные последствия. Таким образом, меньшие запасы прочности могут быть использованы при выборе штепсельной розетки, и производительность систем, которые используют нагревательное устройство, следовательно, повышается. Изобретение дополнительно упрощает замену электрического нагревательного элемента и имеет возможность сохранять излучающую трубу при замене элемента. Следовательно, это увеличивает срок использования нагревательного устройства, при этом одновременно оно может использоваться при более высоких температурах. Защитная вставка может надлежащим образом быть изготовлена из сплава на основе трехвалентного железа, содержащего хром и алюминий, такого как сплав на основе железа, содержащий до 0,1 вес.% C, до 0,8 вес.% Si, до 0,5 вес.% Mn, 20-25 вес.% Cr, 4-7 вес.% Al и возможно до 5 вес.% присадок для увеличения механического сопротивления. Примеры таких сплавов известны под торговыми марками Kanthal A-1, Kanthal AF och Kanthal АРМ. Эти виды железохромоалюминиевых сплавов являются предпочтительными, поскольку они имеют хорошую стойкость к окислению и подходящую температуру плавления. Вышеуказанные материалы также имеют высокий коэффициент излучения. Также можно изготовить защитную вставку из других типов материала, таких как никелехромовые сплавы или керамические материалы с хорошей удельной проводимостью и коэффициентом излучения предпочти-3 016479 тельно по меньшей мере 0,6. Примером подходящего керамического материала является карбид кремния. Изобретение не ограничено вышеуказанными вариантами осуществления, а может варьироваться в рамках параметров независимого п.1 формулы изобретения. Например, защитная вставка может состоять из перфорированной пластины, в которой передача тепла в форме излучения к излучающей трубе возрастает. Дополнительно, нагревательный элемент может иметь формы, отличные от приведенных выше,например иметь спиральную форму. Изобретение применимо во всех типах нагревательных устройств, в которых носитель тока и/или нагревательный элемент могут соприкасаться с излучающей трубой. Например, электрический нагревательный элемент может иметь большее или меньшее число ветвей, и опора может предусматриваться другим способом. Также возможно, что электрический нагревательный элемент извивается, при этом ветви нагревательных элементов размещаются поперечно, например к керамическим дискам, которые выступают в качестве опор. Кроме того, можно иметь множество электрических нагревательных элементов, размещенных в излучающей трубе, например, способом, описанным вWO 2005/006812. Электрическое нагревательное устройство для горизонтальной установки в печи описано выше. Тем не менее также можно использовать изобретение для электрических нагревательных элементов, которые предназначены для того, чтобы устанавливаться вертикально в печи. Очевидно, даже в этом случае защитная вставка размещена в излучающей трубе так, что в случае повреждения элемента потенциальные части нагревательного провода и расплавленного металла падают за счет силы тяжести вниз на защитную вставку. Таким образом, искрение между нагревательным проводом и излучающей трубой предотвращается, и риск плавления или прожога уменьшается. Защитная вставка в этом случае предпочтительно формируется таким образом, что она даже покрывает 360 внутренней окружности излучающей трубы, т.е. защитная вставка имеет форму трубы в излучающей трубе. В этом случае внутренняя часть трубы также выступает в качестве вертикального ограждения от разбрызгивания расплавленного металла. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрическое нагревательное устройство, содержащее излучающую трубу и электрический нагревательный элемент, размещенный в излучающей трубе, при этом электрический нагревательный элемент состоит из нагревательного провода, соединен с токопроводящими выводами на одном конце излучающей трубы и удерживается в излучающей трубе с помощью опоры, отличающееся тем, что устройство содержит защитную вставку из электропроводящего материала, размещенную между излучающей трубой и электрическим нагревательным элементом. 2. Устройство по п.1, в котором защитная вставка не находится в прямом контакте с нагревательным проводом нагревательного элемента. 3. Устройство по любому из пп.1 или 2, в котором защитная вставка размещена в нагревательном устройстве таким образом, что расплавленный металл и/или части нагревательного провода падают на защитную вставку под действием силы тяжести в случае повреждения элемента. 4. Устройство по любому из предшествующих пп.1-3, в котором защитная вставка размещается съемным образом относительно излучающей трубы. 5. Устройство по любому из предшествующих пп.1-4, в котором защитная вставка размещается съемным образом относительно электрического нагревательного элемента. 6. Устройство по любому из предшествующих пп.1-5, в котором защитная вставка размещается по всей осевой длине нагревательного элемента через излучающую трубу. 7. Устройство по любому из предшествующих пп.1-6, в котором защитная вставка заземлена вблизи одного конца излучающей трубы. 8. Устройство по любому из предшествующих пп.1-7, в котором защитной вставкой является закругленная пластина с внешней поверхностью, которая имеет кривизну, в общем соответствующую кривизне внутренней поверхности излучающей трубы. 9. Устройство по любому из предшествующих пп.1-8, в котором защитная вставка является перфорированной пластиной. 10. Устройство по любому из предшествующих пп.1-9, в котором защитная вставка (10) размещается таким образом, что при просмотре в поперечном сечении по осевой длине нагревательного элемента она имеет выступ в форме дуги окружности с центральным углом до 45, и средняя точка М для дуги окружности совпадает с центральной осью излучающей трубы (2). 11. Устройство по п.10, в котором центральный уголсоставляет 20-40. 12. Устройство по любому из предшествующих пп.1-11, в котором защитная вставка размещена таким образом, что возникает прямая теплопередача между защитной вставкой и излучающей трубой. 13. Устройство по любому из предшествующих пп.1-12, в котором защитная вставка изготовлена из устойчивого к окислению сплава на основе трехвалентного железа, содержащего хром и алюминий. 14. Устройство по любому из пп.1-12, в котором защитная вставка изготовлена из керамического материала. 15. Устройство по любому из предшествующих пп.1-14, в котором электрический нагревательный-4 016479 элемент имеет ветви нагревательного провода, проходящие вперед и назад в излучающей трубе. 16. Устройство по п.15, в котором опора содержит по меньшей мере один керамический диск с отверстиями, через которые проходят ветви элемента. 17. Устройство по любому из пп.1-14, в котором электрический нагревательный элемент имеет спиральную форму. 18. Устройство по любому из предшествующих пп.1-17, выполненное с возможностью горизонтальной установки в печи. 19. Устройство по любому из пп.1-17, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью вертикальной установки в печи. 20. Устройство по п.19, в котором защитная вставка покрывает 360 внутренней окружности излучающей трубы.