CN1287634C - 加热器 - Google Patents

Abstract

一种可在比以往高的温度下使用的加热器，其含有铬和铝的金属发热体(2)与将该发热体(2)密闭的壳体(3，5，6)之间充填有由氧化物构成的电绝缘材料，发热体(2)的导线(7，8)贯穿壳体(3，5，6)中的电绝缘体部分(5，6)，其特征在于，所述发热体(2)的表面形成有由氧化铝构成的氧化膜。上述壳体(3，5，6)中电绝缘体部分(5，6)以外的部分为含有镍和铬的套管用金属管(3)，其表面形成有氧化膜。该加热器可用于塑性成形的金属模等。

Description

加热器

                          技术领域

本发明涉及套管式加热器、筒式加热器等，具体地说，涉及使套管式加热器、筒式加热器等能在比以往高的温度使用的技术。

                          背景技术

套管式加热器、筒式加热器的使用由来已久。这些加热器具有金属线状的发热体和将该发热体密闭的壳体以及充填在发热体与壳体之间的由氧化镁等氧化物构成的电绝缘材料。壳体由金属部分和电绝缘体部分构成，上述发热体的导线贯穿于电绝缘体部分中。用上述导线使发热体通电，发热体就会产生焦耳热。

通常，由于上述发热体和壳体的金属部分使用了一部分镍、铬和铁，因此，当发热体和壳体金属部分在850℃以上的高温下长时间使用时，发热体和壳体金属部分会发生氧化，使得密封的加热器内的残留空气中的氧和上述电绝缘材料的氧被夺去，其结果，密封的壳体内部减压。并由此加速发热体和壳体金属部分中的镍、铬和铁成分蒸发和飞散。

此时，镍铬铁系发热体和上述壳体金属部分由于在高温下使用，其表面会形成氧化铬，该氧化铬和铬、镍、铁会蒸发，在上述电绝缘材料中扩散。

由此，上述电绝缘材料会发生还原反应且由于从上述发热体和壳体金属部分蒸发、游离出来的具有导电性的铬、氧化铬、镍和铁向上述电绝缘材料飞散而会发生称作黑化的现象，加速上述电绝缘材料的绝缘电阻劣化。

其结果，会有下述问题：使用套管式加热器、筒式加热器时，在局部地有大的漏泄电流从发热体通过电绝缘材料在壳体金属部分流动的情况下，发热体会局部地产生大的焦耳热，导致局部形成异常高的温度，从而会有因上述铬、镍和铁成分游离而变细的发热体断线之虞且有上述壳体溶断、破裂之虞。

鉴于上述问题，本发明的课题是，减小充填在发热体与壳体之间的电绝缘材料的绝缘电阻劣化，使套管式加热器、筒式加热器等加热器可在比以往高的温度下使用。

                          发明内容

本发明是这样一种加热器，其含有铬和铝的金属发热体与将该发热体密闭的壳体之间充填有氧化物电绝缘材料，发热体的导线贯穿壳体的电绝缘体部分，发热体表面形成有由氧化铝构成的氧化膜，由于该氧化膜，发热体表面被电绝缘且在发热体处于发热状态时铬等从发热体的蒸发减少。由此，因从发热体蒸发、游离的具有导电性的铬等向电绝缘材料的蒸发而引起的电绝缘材料的称作黑化的现象减少且因铬等的蒸发而导致的作为发热体与壳体之间的电绝缘材料的氧化物中的氧被夺去的情况减少。其结果，电绝缘材料出现绝缘电阻劣化的情况减少。

此外，由于壳体中电绝缘体以外的部分为含有镍和铬的金属部分，使得壳体具有良好的导热性，同时，由于壳体金属部分的表面形成有氧化膜，使得发热体发热时因壳体金属部分温度上升而从该部分蒸发的镍和铬减少。由此，从壳体金属部分蒸发、游离的具有导电性的铬和镍向电绝缘材料飞散所导致的电绝缘材料黑化的现象减少且因镍和铬的蒸气而引起的作为充填在发热体与壳体之间的电绝缘材料的氧化物中的氧被夺去的情况减少。其结果，电绝缘材料的绝缘电阻劣化的情况减少。

还有，由于发热体表面形成有电绝缘性氧化膜，因此，线状发热体卷绕成螺旋状时，发热体的卷绕间距变得狭小。其结果，在发热体电阻值不变的情况下，增大发热体的直径，并相应地增大发热体的长度，可减少发热体的断线。

再有，由于增大发热体的直径可使发热体表面的单位面积发热量减小，这样，热就容易从发热体传到壳体，其结果，由于发热体中心相对于发热体表面的温度上升减小，发热体的断线得以减少。

此时，可使发热体的电流密度和发热体表面的单位面积的发热量(发热体的表面负荷密度)分别降低至原先的约一半。

另外，上述壳体中电绝缘体以外的部分为含有镍和铬的套管用筒状金属部分，如筒状金属部分的表面形成有氧化膜，则在发热体与该套管用筒状金属部分之间充填电绝缘材料就变得容易。

还有，若上述套管用筒状金属部分为圆筒状，则就更容易在发热体与该套管用筒状金属部分之间充填电绝缘材料、确保发热体与该套管用筒状金属部分之间电绝缘。

                           附图说明

图1是本发明的第1实施方式的套管式加热器的切去部分正面的主视图。

图2是图1的加热器的左视图。

图3是本发明的第2实施方式的筒式加热器的将导线侧放大了的侧视图。

图4是将图3的IV-IV截面结构作了若干缩小的截面图。

图5是将图4的V-V截面结构扩大了的截面图。

图6是将图4的VI-VI截面结构扩大了的截面图。

图7是将使用筒式加热器的金属模缩小了的正面图。

图8说明测定筒式加热器特性的方法。

                        具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的第1实施方式的套管式加热器的切去部分正面的主视图。

图2是图1的加热器的左视图。

在图1中，加热器1具有含有铬和铝的呈螺旋状等线状的金属发热体2、覆盖发热体2的含有镍和铬的套管用金属管3、使发热体2与管3之间电绝缘的电绝缘材料4、连接在发热体2的图示左端的第1导线7、连接在发热体2的图示右端的第2导线8、将管3的图示左端部分密封的第1铅玻璃5和将管3的图示右端部分密封的第2铅玻璃6。管3和第1、第2铅玻璃5、6构成壳体。

第1导线7贯穿第1铅玻璃5，第2导线8贯穿第2铅玻璃6。发热体2的表面形成有电绝缘性氧化铝膜。管3的表面形成有氧化铬等的氧化膜。套管式加热器1的直径D例如为6.5mm，长度L例如为1000mm。

如图2所示，管3为圆筒状。

下面是第1实施方式的套管式加热器的制造方法。

首先，准备好套管用金属性管3。管3的材质例如是Incoloy 800(商品名)。Incoloy 800是含量以重量计，镍和钴之和为30-35％、铬为19-213％、铁在39.5％以上、碳在0.1％以下、锰在1.5％以下、硫在0.015％以下、硅在1.0％以下、铜在0.75％以下、铝为0.15-0.6％、钛为0.15-0.6％的合金。管3的尺寸例如为，外径7.5mm，长1000mm。

将管3在1100℃电炉中加热1.5小时，在其表面形成氧化膜。形成的氧化膜含有氧化铬等。

接着，准备好线状发热体2。发热体2例如是铁铬铝系合金。具体地说，发热体2的材质例如是JISFCH-1的NTK No.30(商品名)。NTK No.30是含量以重量计，铬为23-26％、铝为4-6％、碳在0.10％以下、硅在1.5％以下、锰在1.0％以下、其余为铁的合金。发热体2例如是，直径0.8mm，长6400mm。

将发热体2在直径1.2mm的卷芯上卷绕成线圈状后，洗涤、干燥，在1100℃电炉中加热3小时，在发热体2表面形成氧化膜。由于该氧化膜的材质为氧化铝，因此，该氧化膜为电绝缘体。这样，将线状发热体2卷成线圈状时，可使卷绕间距比以往的窄小，从而能够使一定范围内可卷绕的发热体2的长度增加，并可增大发热体2的直径。此外，电阻值与发热体2的长度成正比，与发热体2的截面积成反比。这样，就能够减少一定范围内可卷绕的一定电阻值的发热体2断线。

然后，将形成有氧化膜的发热体2放入形成有氧化膜的管3内，在管3与发热体2之间的空隙充填作为电绝缘材料4的氧化镁粉。接着，常温下将管3用轧压机等进行轧压，将管3的直径减小至6.5mm，制成套管式加热器1的半成品。由于通过轧压使管3的直径减小，可提高电绝缘材料4的密度，从而可提高电绝缘材料4的导热度。这样，就可防止发热体2的温度变得比管3的温度异常地高，从而可减少发热体2因发热体2的温度升高而断线。

将该套管式加热器1的半成品在850℃的大气中热处理4小时，减少电绝缘材料4中的水分后，将管3的两端部分用第1和第2铅玻璃5、6完全封口，并使第1和第2导线7、8分别贯穿铅玻璃5、6。这样，套管式加热器1被作为壳体的管3和第1和第2铅玻璃5、6密封。由此制成了长度1000mm的套管式加热器1。

在第1导线7与第2导线8之间施加电压，对发热体2通电，让发热体2发热，使管3的表面温度达到950℃，充分稳定后(约1小时后)，测定第1导线7(或第2导线8)与管3之间的绝缘电阻。

然后，停止对发热体2的通电，待管3的表面温度恢复至常温后，测定第1导线7(或第2导线8)与管3之间的耐电压。为了比较，也对现有产品(用不进行氧化膜处理的管子和线状发热体制成的套管式加热器)进行了测定，结果见表1。

                                 表1

	管3的表面温度为950℃时的绝缘电阻(MΩ)	常温下的耐电压(V)
			本发明产品	3.5	3500
现有产品	0.5	2700

改变管3的表面温度，测定其时的绝缘电阻，结果见表2。

                          表2

管3的表面温度(℃)	本发明产品(MΩ)	现有产品(MΩ)
			950	3.5	0.5
975	2.5	发热体断线
			1000	1.7
1050	0.8
			1100	0.6

由于如上所述，预先于大气中在管3的表面和发热体2的表面形成了氧化膜，因此，电绝缘材料4的绝缘劣化减少，其结果，使得套管式加热器1可在超高温区域(900-1100℃)使用，使用寿命显著提高。上述表1和表2所示的效果对于后述的筒式加热器11也是同样的。

图3是本发明的第2实施方式的筒式加热器的将导线侧放大了的侧视图。图4是将图3的IV-IV截面结构作了若干缩小的截面图。图5是将图4的V-V截面结构扩大了的截面图。图6是将图4的VI-VI截面结构扩大了的截面图。

如图3所示，在筒式加热器11中，第1导线19贯穿口形绝缘子18的通孔18a，第2导线20贯穿口形绝缘子18的通孔18b。第1导线19和第2导线20为金属棒状体，是后述的发热体12的导线。

如图4所示，筒式加热器11的结构是：发热体12以螺旋状卷绕于陶瓷芯13上，呈线圈状，第1和第2导线19、20与发热体2连接(参见图3)，它们被放入套管用金属管14(焊接着底板14a)中，管14内充填有电绝缘材料15，管14的导线19、20的出口部分被铅玻璃16密封。

图4显示的是图3的沿第1导线19的截面图，沿第2导线20的截面图中的符号示于图4的括号内。

如图6所示，4个通孔13a、13b、13c、13d在陶瓷芯13内平行形成。股线19a贯穿通孔13a，股线19b贯穿通孔13b。股线20a贯穿通孔13c，股线20b贯穿通孔13d。股线19a、19b、19c、19d具有导电性，用于电连接。

如图4所示，股线19a、19b的图示左端部分焊接在第1导线19的图示右端部分19x上，股线20a、20b的图示左端部分焊接在第2导线20的图示右端部分20x上(参见图5)。

股线19a的图示右端部分和股线19b的图示右端部分在通孔13a、13b的右侧连接，并与发热体12的图示右端部分12a连接。

股线20a和股线20b在通孔13c、13d的右侧连接，并在通孔13c、13d的左侧与发热体12的左端部分12b连接。

将与管14同样材质的底板14a焊接，包覆管14的右端部分。管14的左端部分被铅玻璃16封口，口形绝缘子18通过陶瓷粘合剂17固定于铅玻璃16和管14上。

下面是第2实施方式的筒式加热器11的制造方法。

首先，准备好管14。管14例如是，材质为Incoloy 800，外径12mm，长120mm。在该管14的图4所示的右端部分焊接与管14同样材质的底板14a，在1100℃电炉中加热1.5小时，在管14和底板14a的表面形成氧化膜。

然后，准备好发热体12。发热体12的具体材质例如是Kanthal AF线(商品名)。Kanthal AF是含22重量％的铬、5.3重量％的铝、其余为铁的合金。

在陶瓷芯(例如，直径5-6mm，长60mm)的外周以例如间距0.4mm卷绕线状发热体12(外径例如为0.3mm)，洗涤、干燥后，在1150℃电炉中加热3小时，在发热体12表面形成氧化膜。此时的氧化膜由于其材质为氧化铝，因此是电绝缘体。此外，用股线19a、19b、20a、20b将第1和第2导线19、20与发热体12连接。

接着，将卷绕有发热体12的陶瓷芯13插入上述管14的中心部，在陶瓷芯13和发热体12与管14之间的空隙处充填作为电绝缘材料15的氧化膜，然后用轧压机轧压管14，使其直径减小至10.2mm，再用研磨机将管14研磨成直径9.95-10mm。

然后，在850℃电炉中干燥4小时，减少电绝缘材料15中的水分后，用铅玻璃16将管14的第1和第2导线19、20的出口部分封口。之后，用陶瓷粘合剂17将口形绝缘子18固定于铅玻璃16的图示左侧(参见图4)，由于口形绝缘子18上形成有通孔18a、18b，因此，第1导线19贯穿通孔18a，第2导线20贯穿通孔18b(参见图3)。

这样，就制得筒式加热器11(例如，直径M为10mm，长度N为120mm，额度电压为120V，额度功率为400W)。

图7是将使用筒式加热器的金属模缩小了的正面图，图8说明测定筒式加热器特性的方法。

在图7和图8中，金属模21的尺寸是，内径T(金属模21的中心的通孔22的直径)为50mm，外径为110mm(参见图7)，长度P为90mm(参见图8)。如图7所示，在金属模21的直径80mm的圆周(与通孔22同心的圆周)上形成20个孔径10.1mm的通孔23。

在各通孔23中插入一根筒式加热器11。将串联成2行的额度电压120V、功率400W的筒式加热器11作为1组，将10组筒式加热器11并联，连接于位相控制电路31的输出端子(U-V间)。在图8中，为简便起见，只示出了1组筒式加热器11。

位相控制电路31对施加在其输入端子(R-S间)的输入交流电压(有效值200V)进行位相控制，向其输出端子(U-V间)输出比输入交流电压低的输出电压(有效值)。可变电阻36调节该输出电压的大小。此时，将输出电压(有效值)设定为输入电压(有效值)的70％。

温度传感器34测定金属模21的温度，例如可以是热电偶。温度调节计35将设定温度设定在例如1000℃。温度调节计35求出该设定温度与温度传感器34测出的金属模21的温度之间的温度差，并对位相控制电路31进行PID控制，使上述温度差为0。这里，“PID控制”是指将比例控制(P)、积分控制(I)和微分控制(D)进行组合、使上述温度差为0的控制。

在筒式加热器11通电后的约45分钟的时间内，金属模21的温度会稳定在1000℃。即使在该状态下进行连续720小时的耐久试验，发热体12也不会出现断线等异常。

此时，若施加在每根筒式加热器11的电压为70V的话，则每根筒式加热器11上的电流为1.94A，消耗功率为136W。这样，20根筒式加热器11的消耗功率就约为2.7kW。

在上述实施方式中，壳体的套管用金属部分的截面为圆形，本发明但不限于此，例如可以是六角形、八角形等多角形，椭圆形等。此外，在上述实施方式中，在套管用金属部分的内部设置了一个加热器，但本发明也不限于此，也可以并列设置多个发热体。

如上所述，本发明的加热器由于可在比以往高的1100℃使用，从而，不仅可以用于加热至比以往高的温度的用途，而且还有助于提高加热器的寿命。

因此，本发明的加热器可用于塑性成形的金属模、半导体晶片制造工序、钛板成形等热尺寸加工成形工序、塑料成形工序、金属淬火和回火用电炉、对液晶板的玻璃板进行热处理的焙烧炉、带加热器的高频、复印机等。

Claims (4)

1.加热器，其含有铬和铝的金属发热体(2，12)与将该发热体(2，12)密闭的壳体(3，5，6，14，14a、16)之间充填有由氧化物构成的电绝缘材料(4，15)，发热体(2，12)的导线(7，8，19，20)贯穿壳体(3，5，6，14，14a，16)中的电绝缘体部分(5，6，16)，其特征在于，所述发热体(2，12)的表面形成有由氧化铝构成的氧化膜，

所述壳体(3，5，6，14，14a，16)中电绝缘体部分(5，6，16)以外的部分(3，14，14a)为含有镍和铬的部分，该金属部分的表面形成有包含氧化铬的氧化膜。

2.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述发热体(2，12)为螺旋状卷绕的线状。

3.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述壳体(3，5，6，14，14a，16)中电绝缘体部分(5，6，16)以外的部分(3，14，14a)为筒状，该筒状部分的表面形成有氧化膜。

4.如权利要求3所述的加热器，其特征在于，所述筒状为圆筒状。

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