RU2061302C1

RU2061302C1 - Cylindrical resistive filamentary heater of sheet material for high-temperature, low-inertia electric furnaces

Info

Publication number: RU2061302C1
Application number: RU93049623A
Authority: RU
Inventors: А.А. Гаврилов; А.И. Пипко
Original assignee: Акционерное общество "Плутон"
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: thermal equipment; resistive heaters for high-temperature furnaces. SUBSTANCE: cylindrical resistive filamentary heater has three coils connected to individual power supplies. Coils are electrically isolated and provided with radially arranged current leads. Central coil length is greater than 1.3D and lenght of extreme coils is within the range of 0,3D ≅ l ≅ 0,5D, where D is heater inner diameter. EFFECT: provision for temperature compensation through irrespective of mass and geometry of part being heated in heaters operating at 700 to 2500 C. 4 dwg

Description

Изобретение относится к термическому оборудованию для обработки изделий электронной техники или иного назначения с повышенным требованием к равномерности температурного поля. Для уменьшения влияния торцовых потерь тепла улучшают теплоизоляцию, в том числе контактирующую с нагревателем [1] или устанавливают по торцам дополнительные нагреватели [2] Этим повышается равномерность в рабочем пространстве. Применяется и повышение равномерности температурного поля путем изменения электросопротивления нагревателя вдоль его оси. Например, выполняют нагреватели с прорезями по концам или с переменной толщиной стенки по длине [3, 4]
Известны также однофазные нагреватели, выполненные в виде коаксиальных цилиндров, у которых в наружном цилиндре на концевых участках выполнены ряды отверстий для повышения равномерности температуры по длине [5]
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является цилиндрический резистивный нагреватель для электропечи с подогреваемыми от специальных регулируемых источников питания токоподводами, описанный в (1) на стр. 76 и показанный на рис. 3б со ссылкой на (6).The invention relates to thermal equipment for processing electronic products or other purposes with an increased requirement for uniformity of the temperature field. To reduce the influence of mechanical heat loss, they improve thermal insulation, including contacting with the heater [1] or install additional heaters [2] at the ends, which increases uniformity in the working space. It is also used to increase the uniformity of the temperature field by changing the electrical resistance of the heater along its axis. For example, heaters are made with slots at the ends or with a variable wall thickness along the length [3, 4]
Also known are single-phase heaters made in the form of coaxial cylinders in which rows of holes are made in the outer cylinder at the end sections to increase the uniformity of temperature along the length [5]
The closest technical solution, chosen as the closest analogue, is a cylindrical resistive heater for an electric furnace with current leads heated from special regulated power sources, described in (1) on page 76 and shown in Fig. 3b with reference to (6).

Этот подогреватель состоит из трех секций (центральной и двух концевых), имеющих независимые, порознь регулируемые (управляемые) источники питания. This heater consists of three sections (central and two end), which have independent, separately regulated (controlled) power sources.

Существенным недостатком этого нагревателя является недостаточное выравнивание температурного поля в широком диапазоне температур, особенно, когда потери тепла за счет излучения многократно превышают потери тепла за счет конвекции и теплопроводности (область высоких температур). Связано это с тем, что дополнительный подогрев сравнительно небольших по высоте концевых секций (токоподводов) не может полностью компенсировать торцевые потери тепла за счет излучения. A significant drawback of this heater is the insufficient alignment of the temperature field over a wide temperature range, especially when the heat loss due to radiation is many times higher than the heat loss due to convection and thermal conductivity (high temperature region). This is due to the fact that the additional heating of relatively small height end sections (current leads) cannot fully compensate for end heat losses due to radiation.

Кроме того, определенным недостатком этого нагревателя является наличие гальванической связи между секциями нагревателя и соответственно между источниками питания центральной и концевых секций, что приводит к необходимости серьезного усложнения системы питания (источник постоянного тока для центральной секции нагревателя и источники переменного тока для дополнительного подогрева концевых секций, токоподводов нагревателя). In addition, a certain drawback of this heater is the presence of galvanic communication between the heater sections and, respectively, between the power sources of the central and end sections, which leads to the need for a serious complication of the power system (direct current source for the central section of the heater and alternating current sources for additional heating of the end sections, heater current leads).

Технический результат, получаемый в предлагаемом изобретении, заключается в выравнивании температурного поля нагревателя в диапазоне температур 700-2500^оС независимо от массы садки и ее геометрической формы.The technical result obtained in the present invention is to equalize the temperature field of the heater in the temperature range of 700-2500 ^about With regardless of the mass of the charge and its geometric shape.

Этот технический результат достигается тем, что в резистивном цилиндрическом прямонакальном нагревателе из листового материала для высокотемпературных малоинерционных электропечей, состоящем из трех секций с независимыми силовыми источниками питания, секции нагревателя выполнены в виде электрически изолированных цилиндров с радиальными токоподводами, причем длина центральной секции нагревателя выполнена равной или более 1,3 D, а длины концевых секций в пределах 0,3D≅l≅0,5D, где D внутренний диаметр нагревателя, l длина концевых секций нагревателя. This technical result is achieved in that in a resistance cylindrical straight heater made of sheet material for high-temperature low-inertia electric furnaces, consisting of three sections with independent power sources, the heater sections are made in the form of electrically isolated cylinders with radial current leads, the length of the central section of the heater being equal to or more than 1.3 D, and the lengths of the end sections within 0.3D≅l≅0.5D, where D is the internal diameter of the heater, l the length of the end sections n heat registers.

Наличие трех электрически изолированных секций позволяет упростить конструкцию источников питания и создать любые плотности тока, что в сочетании с предлагаемыми разрезами секций нагревателя компенсирует торцовые потери тепла и обеспечивает практически одинаковую температуру во всем внутреннем объеме нагревателя в осевом и радиальном направлениях. Наличие радиальных токоподводов позволяет конструктивное исполнение всех секций сделать подобным и тем самым упростить конструкцию нагревателя в целом. The presence of three electrically isolated sections allows you to simplify the design of power supplies and create any current densities, which, in combination with the proposed sections of the heater sections, compensates for end heat losses and provides almost the same temperature in the entire internal volume of the heater in axial and radial directions. The presence of radial current leads allows the design of all sections to be made similar and thereby simplify the design of the heater as a whole.

Необходимая равномерность температурного поля в азимутальном направлении достигается благодаря определенной длине радиальных токоподводов, что компенсирует потери тепла в радиальном направлении вдоль токоподводов. The necessary uniformity of the temperature field in the azimuthal direction is achieved due to a certain length of the radial current leads, which compensates for heat loss in the radial direction along the current leads.

Центральная секция нагревателя является основной, во внутреннем объеме этой секции нагревателя размещается обрабатываемая продукция. Длина центральной секции нагревателя должна несколько превышать ее диаметр, чтобы обеспечить равномерность температурного поля в радиальном направлении. Практически при длине центральной секции нагревателя, равной или большей 1,3 его диаметра, обеспечивается равномерность температурного поля, достаточная практически для всех областей использования малоинерционных высокотемпературных печей. Концевые секции нагревателя должны компенсировать торцовые потери тепла из центральной секции нагревателя. Как показывают расчеты и опыт, торцовые потери тепла из центральной секции нагревателя практически полностью компенсируются при длине концевых секций нагревателя, равной или большей 0,3 внутреннего диаметра нагревателя, а увеличение длины концевых частей нагревателя больше 0,5 его диаметра уже не оказывает заметного влияния на равномерность температурного поля в центральной части нагревателя. The central section of the heater is the main one; the processed products are located in the internal volume of this section of the heater. The length of the central section of the heater should slightly exceed its diameter to ensure uniformity of the temperature field in the radial direction. Almost with a length of the central section of the heater equal to or greater than 1.3 of its diameter, uniformity of the temperature field is ensured, which is sufficient for almost all areas of use of low-inertia high-temperature furnaces. The end sections of the heater must compensate for the end heat loss from the central section of the heater. As calculations and experience show, end-to-end heat losses from the central section of the heater are almost completely compensated when the length of the end sections of the heater is equal to or greater than 0.3 of the internal diameter of the heater, and an increase in the length of the end parts of the heater more than 0.5 of its diameter no longer has a noticeable effect uniformity of the temperature field in the central part of the heater.

Таким образом, указанные выше признаки (наличие трех соосных электрически изолированных секций и определенные соотношения размера этих секций) заявляемого нагревателя отличают его от известных, обеспечивают высокую равномерность температурного поля по внутреннему объему нагревателя. Thus, the above features (the presence of three coaxial electrically isolated sections and certain size ratios of these sections) of the inventive heater distinguish it from the known ones, provide high uniformity of the temperature field in the internal volume of the heater.

Известных технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено. Known technical solutions with similar distinctive features were not found.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого нагревателя и указаны соотношения размеров, обеспечивающих указанные выше его характеристики; на фиг. 2-4 показаны примеры исполнения предлагаемого нагревателя, отличающиеся расположением токоподводов, а именно на фиг. 2 изображен нагреватель с однофазным питанием и симметричным расположением токоподводов; на фиг. 3 изображен нагреватель с трехфазным питанием и симметричным расположением токоподводов; на фиг. 4 изображен нагреватель с однофазным питанием и асимметричным расположением токоподводов. In FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed heater and indicates the ratio of sizes that ensure the above characteristics; in FIG. 2-4 show examples of the proposed heater, characterized by the location of the current leads, namely in FIG. 2 shows a heater with a single-phase power supply and a symmetrical arrangement of current leads; in FIG. 3 shows a heater with a three-phase power supply and a symmetrical arrangement of current leads; in FIG. 4 shows a heater with a single-phase power supply and an asymmetric arrangement of current leads.

На чертежах приняты следующие обозначения:
1 центральная секция нагревателя; 2 и 3 периферийные секции; 4 токоподводы.In the drawings, the following notation:
1 central section of the heater; 2 and 3 peripheral sections; 4 current leads.

Необходимая равномерность температурного поля в тангенциальном направлении обеспечивается за счет снижения теплоотвода от цилиндрической секции нагревателя к токоподводам, имеющим значительную длину в радиальном направлении. С целью компенсации торцовых тепловых потерь каждая секция нагревателя имеет независимые системы нагрева, управляемые сигналами трех термопар, горячие спаи которых расположены соответственно в центре и в периферийных зонах нагревателя (на чертежах не показаны). The necessary uniformity of the temperature field in the tangential direction is ensured by reducing the heat sink from the cylindrical section of the heater to the current leads having a significant length in the radial direction. In order to compensate for thermal end losses, each section of the heater has independent heating systems controlled by the signals of three thermocouples, the hot junctions of which are located respectively in the center and in the peripheral zones of the heater (not shown in the drawings).

Нагреватель работает следующим образом. The heater operates as follows.

При нагреве благодаря наличию указанных секций нагревателя с независимыми источниками питания торцовые потери тепла будут автоматически компенсироваться путем повышения плотности тока в этих секциях за счет работы систем регулирования, управляемых термопарами крайних секций нагревателя. During heating, due to the presence of the indicated sections of the heater with independent power sources, the end heat loss will be automatically compensated by increasing the current density in these sections due to the operation of control systems controlled by thermocouples of the extreme sections of the heater.

Для проверки эффективности предлагаемого технического решения были изготовлены нагреватели из листового молибдена, который имеет наибольшую рабочую температуру 1700^оС. Экспериментальные нагреватели имели внутренние диаметры от 150 до 250 мм и указанные соотношения размеров.To test the effectiveness of the proposed technical solutions heaters were manufactured from a sheet of molybdenum, which has the highest operating temperature of ^about 1700 C. Experimental heaters had inner diameters of 150 to 250 mm and a specified aspect ratio.

Экспериментальные исследования показали, что при длине центральной секции нагревателя, равной или более 1,3Д где D внутренний диаметр нагревателя, и длинах l концевых секций нагревателя в пределах 0,5D≥l≥0,3D обеспечивается необходимая равномерность поля температур во внутреннем объеме нагревателя на длине не менее 82% от его общей длины при изменении температуры нагрева, массы и конфигурации садки в самых широких пределах. Experimental studies have shown that with a length of the central section of the heater equal to or more than 1.3 D where D is the internal diameter of the heater and lengths l of the end sections of the heater within 0.5 D≥l≥0.3D, the required uniformity of the temperature field in the internal volume of the heater is ensured by at least 82% of its total length when changing the heating temperature, mass and configuration of the charge in the widest range.

Экспериментальная проверка проводилась в диапазоне температур от 600 до 1550^оС в газовой среде (водороде) и в вакууме. Масса садки менялась от 0,5 до 10 кг, геометрическая форма садки также изменялась. Проведенные испытания макетов показали, что равномерность температурного поля обеспечивается в 82% внутреннего объема нагревателя.Experimental verification carried out in the temperature range from 600 to 1550 ^{° C} in a gas atmosphere (hydrogen) and in vacuo. The weight of the cages varied from 0.5 to 10 kg, the geometric shape of the cages also changed. The tests of the models showed that the uniformity of the temperature field is provided in 82% of the internal volume of the heater.

Claims

A resistive cylindrical direct-channel heater made of sheet material for high-temperature low-inertia electric furnaces, consisting of three sections with independent power sources, characterized in that the heater sections are made in the form of electrically isolated cylinders with radial current leads, the length of the central section of the heater being equal to or more than 1.3 D and the lengths l of the end sections are within 0.3D ≅ l ≅ 0.5D, where D is the internal diameter of the heater.