專利名稱：采用如碳化硅所制成的電加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電阻陶瓷加熱元件，尤其，但卻并不僅僅，適用于碳化硅的電加熱元件。
在這樣的管形棒中，在任一熱區(qū)邊的冷端形成電連接。為符合一些目的，將接線端設(shè)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(jīng)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(jié)點(diǎn)。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硅管中。螺旋的節(jié)距取決于碳化硅管的電阻，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。對于雙螺旋元件(DS或DM)會產(chǎn)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并延伸開，切割末端成為進(jìn)行電連接的接線端末端。
對于GlobarTM螺旋元件(SG，SGR)的制造，在燃燒前使用金剛鉆在電子管中進(jìn)行螺旋線的切割。對于雙螺旋線元件(SGR)將使用相互為180度的雙切割。在切割螺旋線之后，在控制最后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，并廣泛用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)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(shù)情況下，經(jīng)常出現(xiàn)使用三相電源的情況。在三相中的每一相電源都相同的設(shè)置是非常合適的，因此單相元件通常被設(shè)置在3的復(fù)聯(lián)端子中。另一方面，在所安裝的元件數(shù)目并不是被3除盡的情況下可以使用三相碳化硅元件確保一個平衡的三相負(fù)載。碳化硅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(jīng)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。這類元件的制造通常需要單獨(dú)制造元件的各個管腳，之后再連接到一個電橋上。過去也曾提出采用在整件上鑄造來制造這類元件的方法，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并到一個相同電的板球棒型設(shè)置。(見GB1279478)。
眾所周知，以通常U-形配置來合并成對的元件，使得元件的接線端都處在一個末端。一個這樣的典型元件里是坎薩爾(Kanthal)U類型元件。(對其它U-型元件見專利文獻(xiàn)如GB838917和US3964943)。這樣的幾個元件需要一個給定的加熱操作。對于空間受到限制的應(yīng)用，提供元件與電源連接的合適配置非常復(fù)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(shè)備熱隔離的結(jié)構(gòu)完整性，另外由于熱量可以通過空穴或沿著導(dǎo)體傳遞出燃燒室，這對于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。這些元件被安裝并由耐火環(huán)隔開，通過螺旋體連接到橋接導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)互連。這種布置過于復(fù)雜并包含許多電連接。
圖2是一種常規(guī)三相型電加熱元件的前視圖。
圖3是一種常規(guī)三相型電加熱元件的末端視圖。
圖4是一種常規(guī)單切割螺旋線電加熱元件的側(cè)視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一種四管腳扁平的電加熱的側(cè)視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一種四管腳，矩形排列的電加熱的側(cè)視圖。
圖7是圖6中元件的末端視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)明的一種六管腳，電加熱元件的平面圖。
圖2顯示一種常規(guī)的三相板球棒型三相元件7，它與圖1的U-型元件的制造方式相同。
圖3是一種常規(guī)的Tri-U或牛奶管型三相元件8的末端視圖。這樣的元件采用與常規(guī)的板球棒型元件相同的技術(shù)制成，但三個管腳2按三角形列陣肩并肩地排列，并由電橋9聯(lián)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(guī)的單相螺旋形單切割元件10的側(cè)視圖。元件10包括具有螺旋形切割部分11和未切割部分12的一個碳化硅的電子管，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(qū)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(qū)的材料相同，但它的電阻率(例如采用浸漬硅合金的方法)可以變得更低，或連接到具有低電阻率的材料以進(jìn)一步增加熱區(qū)與冷端之間的電阻比。
圖5和圖9顯示本發(fā)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，并包括一個熱區(qū)16和冷端17，冷端17的末端18實(shí)現(xiàn)與電源的連接。管腳15完全是熱區(qū)。管腳14和15由電橋19串行地連接。這種配置使四個熱區(qū)被引入到燃燒室中，或使得其它加熱設(shè)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(nèi)或其它加熱設(shè)備內(nèi)。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中顯示為用于水平固定設(shè)計(jì)的元件20，但并不排除應(yīng)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大體平行并通常正方形陣列來排列，設(shè)置電橋19是為了兩個較長管腳14可以肩并肩地設(shè)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(shè)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，這取決于所要安置元件的設(shè)備。該元件四個管腳的固定關(guān)系消除了現(xiàn)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，并產(chǎn)生短路的情況。由于會出現(xiàn)這種危險情況，通常在這樣的水平設(shè)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(shè)置，其中的一個電橋以對角線穿過陣列的方式設(shè)置。這意味著進(jìn)行連接的管腳14要以對角線的方式排列。這種配置要優(yōu)于圖7的配置，在這樣的環(huán)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(shè)置并設(shè)置在曲線陣列上的四個管腳。多個這樣的曲線元件可以應(yīng)用在曲線加熱裝置(線26所示)的構(gòu)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(shè)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，并經(jīng)過管腳14，電橋19，和到電橋28的管腳15連接，其中電橋28構(gòu)成三相配置的星形連接。這種配置比通常Tri-U的配置更優(yōu)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(yīng)，特別是在熱區(qū)出現(xiàn)短路時，和/或大的管腳直徑情況下。由于一個類似負(fù)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(lián)的六個管腳的電壓將會更高。例如，一個具有熱區(qū)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?？傊谕萒ri-U的大約兩倍電壓和一半電流的情況下就可以運(yùn)行。
圖5-11的所有配置中，所需接線端的數(shù)量比元件管腳的數(shù)量要少。這比通常配置中使用連接的數(shù)量要少，并減少需要提供在燃燒室內(nèi)或絕熱材料中的空穴的數(shù)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?yàn)橐呀?jīng)消除元件移動的擔(dān)心和隨之發(fā)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(jìn)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(shù)數(shù)字的元件管腳。這是非常方便的，因?yàn)樗菇泳€端位于元件的一邊，但本發(fā)明在配置接線端的另一面使用奇數(shù)數(shù)字的元件管腳。
我們將意識到管腳的熱擴(kuò)張?zhí)匦阅芾硐氲仄ヅ湟詼p小元件受熱時電橋部分的運(yùn)動。例如參照圖6，如果管腳14比管腳15的擴(kuò)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(kuò)張?zhí)匦?例如選擇熱區(qū)16的長度，或使用不同熱擴(kuò)張系數(shù)的材料)，就能減少這種危險。
另一種方式，很多應(yīng)用中使一些管腳中具有長的熱區(qū)，以提供加熱的背景級別，使其它管腳比聽述的熱區(qū)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(qū)16比管腳15長，則由具有管腳15產(chǎn)生的額外定位加熱的熱區(qū)16將會提供一個通用化的加熱級別。
作為一個應(yīng)用，其中這樣的不均勻熱區(qū)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，目標(biāo)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(yīng)用中，包括電鑄加熱器，其中典型的設(shè)計(jì)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硅作為電加熱元件的材料進(jìn)行敘述。但很顯然本發(fā)明應(yīng)用在任何電導(dǎo)體陶瓷材料中。在這個說明書中，術(shù)語“電傳導(dǎo)陶瓷”將解釋為任何非金屬無機(jī)材料的含義，這些材料將能充分程度的導(dǎo)電，并具有合適的熱性能，能夠作為電加熱元件來使用。
權(quán)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(chǎn)生大部分電加熱(熱區(qū))的元件區(qū)域，至少一個管腳是完全有效的熱區(qū)的管腳，以及至少兩個管腳，每個管腳包括一個熱區(qū)和一個冷區(qū)；b)少于管腳數(shù)目并且鄰近冷區(qū)設(shè)置的多個管腳接線端部分，用于提供電源連接；以及c)在管腳之間提供電連接的陶瓷橋接部分。
2.如權(quán)利要求1所述的電阻陶瓷加熱元件，其特征在于所述管腳的熱擴(kuò)張?zhí)匦韵嗷テヅ?，以減少所述元件受熱時該橋接部分的移動。
3.如權(quán)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(quán)利要求3所述的電阻陶瓷加熱元件，其特征在于所述管腳充分直立和平行，設(shè)置成大致矩形排列。
5.如權(quán)利要求4所述的電阻陶瓷加熱元件，其特征在于所述接線端為對角的設(shè)置。
6.如權(quán)利要求4所述的電阻陶瓷加熱元件，其特征在于所述接線端肩并肩的沿矩形排列的一邊來設(shè)置。
7.如權(quán)利要求4到6中任一所述的電阻陶瓷加熱元件，其特征在于所述管腳以大致正方形的排列來設(shè)置。
8.如權(quán)利要求1所述的電加熱元件，其特征在于所述管腳充分直立和平行，并設(shè)置成弧形，借此多個這樣的元件就可以構(gòu)成一個曲線。
9.如權(quán)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(quán)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，其特征在于一個橋接部分作為一個三相電源的星形連接。
11.如前面權(quán)利要求中任一所述的電阻陶瓷加熱元件，其特征在于一些所述管腳中的熱區(qū)比其它所述管腳中的熱區(qū)長，借此在所述一些管腳中的熱區(qū)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(chǎn)生大部分電加熱(熱區(qū))的元件區(qū)域至少一個管腳是完全有效的熱區(qū)的管腳，以及至少兩個管腳，每個管腳各包括一個熱區(qū)和一個冷區(qū)；b)少于管腳數(shù)目的多個管腳接線端部分，用于提供電源連接；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(yōu)先權(quán)日1999年12月6日
發(fā)明者J·G·貝特森 申請人:坎塔爾有限公司