Электронагревательный элемент, выполненный из карбида кремния

005792 Настоящее изобретение относится к керамическим электронагревательным сопротивлением элементам и особенно, но не исключительно, относится к электронагревательным элементам из карбида кремния. Электронагрев сопротивлением является общеизвестным процессом. Электрический ток проходит через резистивный элемент, который создает тепло в соответствии с известными законами электротехники. Одна группа электронагревательных сопротивлением элементов включает стержни из карбида кремния, электрическое сопротивление которых изменяется по их длине. В этих элементах большая часть тепла создается на участках с высоким сопротивлением, упоминаемых как горячие зоны, причем участки с меньшим сопротивлением, где создается меньше тепла, упоминаются как холодные концы. Стержнями обычно являются сплошные стержни, трубчатые стержни или трубчатые стержни со спиральной прорезью. Назначением спиральной нарезки трубчатого стержня является увеличение длины электрического пути через горячую зону, уменьшение площади поперечного сечения проводящей дорожки и, таким образом, увеличение электрического сопротивления. Типичными стержнями этого типа являются элементы Crusilite типа X и стержни Globar SG. Трубчатые стержни со спиральной прорезью этого типа были известны в течение по меньшей мере сорока лет. В таком трубчатом стержне по обеим сторонам горячей зоны на холодных концах выполняется электрическое подключение. Для некоторых применений желательно иметь электрические выводы с одного торца. В течение по меньшей мере 30 лет, следовательно, было известно создание трубчатого стержня с двойной спиралью, причем один конец стержня был разделен для получения электрических выводов холодного конца, а другой конец обеспечивал соединение между двумя спиралями. Типичными элементами этого типа являются элементы Crusilite DS и элементы Globar SGR или SR. Текущей технологией для элементов Crusilite (X, MF, DS и DM) является вырезание спиральной прорези на трубке из карбида кремния с использованием алмазного режущего диска. Шаг спирали зависит от сопротивления трубки из карбида кремния и требуемого сопротивления элемента Crusilite. Чем меньше шаг, тем больше сопротивление, получаемое от данной трубки. Для элемента (DS или DM) с двойной спиралью выполняются две спиральные прорези, начинающиеся со смещением 180 друг относительно друга, причем вторая спираль располагается посередине между витками первой спирали. Спираль затем на одном конце удлиняется посредством разрезания алмазной пилой, причем разрезанный конец становится концом с выводами для электрических подключений. Для производства спирального элемента Globar (SG, SGR) спираль нарезается в трубке с использованием алмазного сверла перед обжигом. Для элемента (SGR) с двойной спиралью используются две прорези под углом 180 друг относительно друга. После нарезания спиралей материал обжигается двухэтапным процессом, в течение которого контролируется окончательное сопротивление. Все эти элементы (Crusilite X, MF, DS, DM, Globar SG, SGR) являются однофазными элементами и используются как в промышленных, так и в лабораторных печах широкого диапазона, работающих,например, при температурах от 1000 до 1600 С. Где требуется высокая степень нагрева и количество блоков нагревателя кратно трем, часто бывает так, что используется трехфазный источник питания. Желательно, чтобы мощность в каждой из трех фаз была одинаковой, и по этой причине количество однофазных элементов обычно устанавливается кратное трем. Альтернативно могут быть использованы трехфазные элементы из карбида кремния, обеспечивающие сбалансированную трехфазную нагрузку в тех случаях, когда количество устанавливаемых элементов не является кратным трем. Обычные трехфазные электрические элементы из карбида кремния состоят из трех отрезков, соединенных общей перемычкой. Отрезки обычно либо расположены в плоскости (так что элемент имеет вид столбика крикетной калитки), либо расположены треугольником (по форме, иногда упоминаемом как форма молочной скамеечки или в виде трех U). Расположение в виде столбика крикетной калитки было известно по меньшей мере с 1957 г. (см. патент Великобритании 845496), а расположение в виде трех U - по меньшей мере с 1969 г. Производство таких элементов обычно требует отдельного изготовления отрезков элементов, а затем соединения с перемычкой. В прошлом было предложено производство таких элементов посредством цельной отливки, но цельные элементы не являются распространенными на рынке. Также было предложено объединение элементов с тремя спиральными прорезями общей перемычкой с расположением в виде столбика крикетной калитки (см. патент Великобритании 1279478). Общеизвестно объединение пар элементов по существу в U-образную конфигурацию, так что выводы элементов находятся на одном торце. Типичным таким элементом является элемент Kanthal типа U.(Для других U-образных элементов см., например, патент Великобритании 838917 и патент США 3964943). Несколько этих элементов может потребоваться для данного случая применения для нагревания. Для применений, где существуют ограниченные пространства, может быть очень сложным обеспечение соответствующих устройств для подключения элементов к электропитанию. Далее необходимо выполнить много отверстий для подачи питания на эти элементы. Эти отверстия могут отрицательно воздействовать на конструктивную целостность тепловой изоляции нагревательного прибора и, кроме того, являются вредными для теплового КПД, так как тепло может выходить из печи через отверстия или по проводникам. В патенте Великобритании 1123606 было предложено устройство, в котором описыва-1 005792 ется так называемое устройство беличьей клетки, состоящее из планочных элементов, установленных в и разнесенных при помощи огнеупорных колец и связанных винтовым соединением с перемыкающими проводниками. Это устройство сложное и содержит много электрических соединений. Изобретатели поняли, что эти недостатки могут быть значительно уменьшены созданием нагревательных элементов, содержащих три и более отрезков, количество выводных частей которых меньше,чем количество отрезков, и перемыкающие части, обеспечивающие электрическую соединяемость между отрезками. Фактический объем изобретения очевиден из прилагаемой формулы изобретения со ссылкой на нижеприведенное описание со ссылкой на следующие чертежи, на которых на фиг. 1 представлен вид спереди обычного U-образного элемента; на фиг. 2 - вид спереди обычного трехфазного электронагревательного элемента типа столбика крикетной калитки; на фиг. 3 - вид с торца обычного трехфазного электронагревательного элемента типа молочной скамеечки; на фиг. 4 - вид сбоку обычного электронагревательного элемента с одной спиральной прорезью; на фиг. 5 - вид сбоку плоского электронагревательного элемента с четырьмя отрезками в соответствии с принципами настоящего изобретения; на фиг. 6 - вид сбоку электронагревательного элемента с четырьмя отрезками, размещенными по форме квадрата в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 7 - вид с торца элемента по фиг. 6; на фиг. 8 - вид сверху другого электронагревательного элемента с четырьмя отрезками, размещенными по форме квадрата в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 9 - вид сверху элемента по фиг. 5; на фиг. 10 - вид сверху электронагревательного элемента с четырьмя отрезками, размещенными по кривой, в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 11 - вид сверху трехфазного электронагревательного элемента с шестью отрезками в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 1 показан обычный U-образный элемент 1. Такие элементы обычно выполняются из карбида кремния и содержат два отрезка 2, расположенных в плоскости и соединенных перемычкой 3. Отрезки 2 имеют части 4, определяющие горячую зону элементов, и части 5, определяющие холодные концы. Электрическое подключение выполняется на концах 6, удаленных от перемычки 3. Создание горячих зон 4 и холодных концов 5 обычно выполняется посредством изменения электрического удельного сопротивления стержней из карбида кремния (например, пропитыванием кремниевым сплавом для понижения сопротивления). Альтернативно к или в дополнение к изменению электрического удельного сопротивления аналогичный эффект может быть достигнут посредством изменения площади поперечного сечения отрезков. На фиг. 2 изображен обычный трехфазный элемент 7 типа столбика крикетной калитки, который выполнен аналогично U-образному элементу на фиг. 1. На фиг. 3 представлен вид с торца обычного трехфазного элемента 8 в виде трех U или молочной скамеечки. Такой элемент выполняется по той же самой технологии, что и обычный элемент, в виде столбика крикетной калитки, но три отрезка 2 расположены рядом в виде треугольника и соединяются перемычкой 9. Такое устройство более компактное, чем устройство в виде столбика крикетной калитки. На фиг. 4 представлен вид сбоку обычного однофазного элемента 10 с одной спиральной прорезью. Этот элемент 10 содержит трубку из карбида кремния, имеющую часть 11 со спиральной прорезью, определяющую горячую зону элемента, и части 12 без прорезей, определяющие холодные концы. Спиральная прорезь означает, что горячая зона 11 имеет меньшее поперечное сечение для прохождения электрического тока, чем трубка без прорези, и также имеет большую эффективную длину и поэтому имеет более высокое сопротивление, чем трубка без прорези той же самой длины. Материал холодных концов обычно идентичен материалу горячей зоны, но его удельное сопротивление может быть снижено, например, посредством пропитывания кремниевым сплавом или соединением с материалом с более низким удельным сопротивлением, чтобы дополнительно увеличить отношение сопротивлений горячей зоны и холодных концов. На фиг. 5 и 9 изображен по существу плоский нагревательный элемент 13 в соответствии с настоящим изобретением. Предусмотрены четыре отрезка 14, 15, причем отрезки 14 длиннее, чем отрезки 15, и включают горячую зону 16 и холодный конец 17, а концы 18 холодных концов 17 предназначены для подключения к электропитанию. Отрезки 15 полностью являются горячей зоной. Отрезки 14 и 15 соединены последовательно перемычками 19. Это устройство позволяет встроить четыре горячие зоны в печь или другое нагревательное устройство, причем требуется только два вывода. Перемычки 19 могут быть целиком внутри изолированной части печи или другого нагревательного устройства. Посредством этого изоляция нарушается только двумя холодными концами 17, тогда как обычная печь, содержащая четыре одинарных стержня, имела бы нарушение изоляции восемью холодными концами, а печь, содержащая два U-образных элемента, имела бы нарушения четырьмя холодными концами. На фиг. 6 и 7 изображен элемент 20, предназначенный для горизонтальной установки, особенно, но-2 005792 не исключительно, для применения во втулке 21. Втулкой 21 может быть трубка. Элемент 20 содержит четыре отрезка 14, 15, аналогичные показанным на фиг. 5 и 9. Отрезки 14, 15 расположены по существу параллельно и в основном в виде квадрата. Перемычки 19 расположены так, что два более длинных отрезка 14 размещены рядом по одной стороне квадратного расположения. Это размещение делает горизонтальную установку элемента более легкой, чем другие размещения. Блоки 22, 23 поддерживают перемычки 19 во втулке 21, при этом блок 23 также поддерживает отрезки 14. Хотя было показано квадратное расположение отрезков, понятно, что может быть использовано прямоугольное расположение или другое четырехугольное расположение в зависимости от применения, для которого предназначен элемент. Фиксированное расположение четырех отрезков элемента устраняет опасность, которая присутствует у обычных элементов, опускания верхнего ряда элементов на нижний ряд и вызова короткого замыкания. Из-за этой опасности при таких горизонтальных установках обычно используют только один Uобразный элемент. На фиг. 8 показано альтернативное размещение перемычек 19, при котором одна из перемычек расположена по диагонали. Это означает, что отрезки 14, к которым выполняется электрическое подключение, размещены диагонально. Это устройство является предпочтительным относительно устройства, показанного на фиг. 7, для тех случаев, когда отрезки предназначены для вертикального размещения. На фиг. 10 показан элемент 24, содержащий четыре отрезка, размещенные параллельно и по кривой. Множество таких расположенных по кривой элементов может быть использовано в конструкции изогнутого нагревательного узла (показанного схематически линией 26), например, для соответствия кривизне трубчатой печи. На фиг. 11 показан трехфазный элемент 27. Элемент 27 содержит 6 отрезков 14, 15, причем отрезки 14 длиннее отрезков 15, отрезки расположены в основном в виде шестиугольника. Перемычки 19 соединяют отрезки вместе парами, состоящими из длинного отрезка 14 и короткого отрезка 15. Перемычка 28 соединяет эти пары вместе. Во время использования трехфазное питание подается на выводные части отрезков 14 и подается через отрезки 14, перемычки 19 и отрезки 15 на перемычку 28, которая образует соединение звездой для трехфазного устройства. Это устройство имеет преимущества перед обычным устройством в виде трех U (фиг. 3), которое может потребовать низкие напряжения и большие токи и следовательно требует дорогостоящий источник питания, особенно тогда, когда короткая горячая зона и/или большой диаметр отрезка. В результате соединения шести отрезков последовательными парами напряжение будет выше, так как аналогично нагруженный элемент в виде трех U имел бы три отрезка с удвоенным диаметром. Например, элемент в виде трех U с диаметром отрезка 40 мм и длиной горячей зоны 500 мм может иметь сопротивление фазы 0,4 Ом и требует источник питания с номинальным напряжением 50 В (напряжение фазы) и током 125 А. В противоположность этому 3-фазный элемент с 6 отрезками, показанный на фиг. 11, может иметь сопротивление фазы 1,6 Ом и требует источник питания с номинальным напряжением 100 В (напряжение фазы) и током 62,5 А. Вкратце, работая на примерно удвоенном напряжении и с половинным током по сравнению с эквивалентным элементом в виде трех U. Во всех устройствах по фиг. 5-11 количество необходимых выводов меньше количества отрезков элемента. Это позволяет использовать меньшее количество соединений, чем в обычном устройстве, и уменьшает количество отверстий, которые необходимо предусмотреть в футеровке или изоляции печи. Кроме того, посредством создания фиксированного расположения отрезков элемента можно расположить отрезки элемента ближе друг к другу, чем в обычной печи, так как исключается опасность смещения элемента и последующего короткого замыкания. Это близкое расположение позволяет достигать более высоких плотностей мощности, чем с обычными устройствами. Соединение отрезков с перемычками выполняется любым подходящим способом, которое выдерживает требуемые температуры эксплуатации. Во всех устройствах по фиг. 5-11 используется четное количество отрезков элемента. Это удобно,так как это позволяет располагать выводы на одной стороне элемента, однако, изобретение также предполагает нечетное количество отрезков элемента с выводами, расположенными другим образом. Необходимо заметить, что характеристики теплового расширения отрезков желательно согласовать,чтобы минимизировать перемещение перемыкающих частей при нагреве элементов. Например, ссылаясь на фиг. 6, если отрезки 14 расширяются больше отрезков 15, то тогда перемычка 19 может быть вырвана из блока 23. Посредством согласования характеристик теплового расширения отрезков 14 и 15 (например, при помощи выбора длины горячей зоны 16 или использования материалов с различным коэффициентом теплового расширения) можно уменьшить эту опасность. Альтернативно, существуют применения, где было бы желательно иметь длинные горячие зоны на некоторых отрезках для получения фонового уровня нагревания, причем другие отрезки короче упомянутых горячих зон, тем самым обеспечивая дополнительный местный нагрев. Например, на фиг. 5, если горячие зоны 16 отрезков 14 длиннее отрезков 15, то тогда общий уровень нагрева обеспечивался бы горячими зонами 16 с дополнительным местным нагревом, обеспечиваемым отрезками 15. В качестве применения, где была бы полезной такая неодинаковая длина горячих зон, стандартной практикой в керамических обжиговых печах является установка более мощных элементов ближе к основанию с целью получения большей температурной неравномерности.-3 005792 Другие применения, где используется этот тип неодинакового распределения мощности, включают электрические ковшовые нагреватели, где в типичной конструкции 2/3 мощности может приходиться на нижнюю половину и 1/3 - на верхнюю половину. В вышеописанном ссылка делается на использование карбида кремния в качестве материала для электронагревательных элементов. Для читателя должно быть очевидным, что изобретение применимо для использования любого электропроводящего керамического материала. В этом описании изобретения термин электропроводящая керамика должен интерпретироваться как означающий любой неметаллический неорганический материал, который в достаточной степени проводит электрический ток и имеет соответствующие тепловые свойства, чтобы он мог использоваться в качестве электронагревательного элемента. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Керамический электронагревательный резистивный элемент, содержащий по меньшей мере один керамический отрезок с высоким удельным сопротивлением и по меньшей мере два керамических отрезка, каждый из которых имеет участок с высоким удельным сопротивлением и участок с низким удельным сопротивлением, при этом участки отрезков с низким удельным сопротивлением снабжены выводами для подключения к источнику питания, а смежные с ними участки с высоким удельным сопротивлением соединены между собой по меньшей мере через один керамический отрезок с высоким удельным сопротивлением с использованием керамических перемычек. 2. Керамический элемент по п.1, в котором характеристики теплового расширения керамических отрезков согласуются для минимизирования перемещения перемычек при нагреве элементов. 3. Керамический элемент по п.1 или 2, содержащий четыре отрезка, два вывода и три перемычки. 4. Керамический элемент по п.3, в котором отрезки являются по существу прямыми и параллельными и размещены в основном с прямоугольным расположением. 5. Керамический элемент по п.4, в котором выводы расположены по диагонали. 6. Керамический элемент по п.4, в котором выводы размещены рядом по одной стороне прямоугольного расположения. 7. Керамический элемент по любому из пп.4-6, в котором отрезки размещены в основном с квадратным расположением. 8. Керамический элемент по п.1, в котором отрезки являются по существу прямыми и параллельными и размещены по дуге, посредством чего множество таких элементов может быть использовано для образования кривой. 9. Керамический элемент по п.1, содержащий перемычку, соединяющую по меньшей мере три отрезка и выполняющую функцию соединителя звездой для источника питания с тремя или более фазами. 10. Керамический элемент по п.9, в котором имеется шесть отрезков, три вывода и четыре перемычки, причем одна из перемычек выполняет функцию соединителя звездой для трехфазного источника питания. 11. Керамический элемент по любому из предыдущих пунктов, в котором участки с высоким сопротивлением первой части отрезков длиннее участков с высоким сопротивлением второй части отрезков, посредством чего во время использования первая часть упомянутых отрезков обеспечивает фоновый уровень нагрева, при этом вторая часть отрезков обеспечивает дополнительный местный нагрев.