CN222617602U - 模块化高温管式加热组件及管式加热炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块化高温管式加热组件及管式加热炉。其包括炉管、环状加热体以及接触电极；当模块化高温管式加热组件组合时，环状加热体套设于炉管外，并能够沿炉管的轴向滑动，接触电极沿轴向设置，以使环状加热体在轴向滑动时所处的多个位置均能够与接触电极导电接触。本实用新型提出了一种全新的管式炉设计，通过采用模块化环状加热体，能够套设于炉管外周并沿炉管径向进行滑动，且可灵活设置环状加热体的位置及数目，沿轴向设置的接触电极能够确保在不同位置的环状加热体与接触电极导电接触，从而实现加热面积和位置的灵活调整，模块化设计使得加热元件更易安装和更换克服了传统管式炉的种种局限，极大地提高了其性能和适用性。

Description

模块化高温管式加热组件及管式加热炉

技术领域

本实用新型涉及热处理技术领域，尤其涉及一种模块化高温管式加热组件及管式加热炉。

背景技术

管式炉作为热处理和实验室领域中广泛应用的加热设备，虽然在许多方面取得了显著进展，但在特殊需求和技术挑战面前仍然存在一些局限性。传统的管式炉设计在某些方面表现出一些不足之处，需要更创新的解决方案以满足日益复杂的工业和实验室需求。

传统管式炉的缺点具体表现在：

传统管式炉的加热温区细致化设置困难的问题：由于传统管式炉的加热元件已经被固定于炉膛内，导致其不容易实现模块化加热，且加热区域的面积及位置调整极其困难；传统管式炉升温速度受限问题：传统管式炉在需要达到超高的温度时，升温速度表现不佳，限制了其在一些特殊实验和工艺中的应用。传统管式炉能耗相对较高问题：传统管式炉无法在短时间内达到目标加热温度，需要很长时间预热才能够达到目标温度，导致能耗较大，特别是在对快速加热要求较高的场景中，其表现相对不利。温度范围受限：传统管式炉无法有效地加热到3000摄氏度以上，迫使在高温实验和工艺中需要转向其他加热仪器，如石墨炉，但这也引入了新的问题，如石墨炉的体积大、升温速度慢等。维护成本较高：传统管式炉采用电阻丝作为加热元件并将其嵌入管式炉内，当电阻丝损坏时维修成本大大提高。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种模块化高温管式加热组件及管式加热炉。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

第一方面，本实用新型提供一种模块化高温管式加热组件，包括炉管、环状加热体以及接触电极；当所述模块化高温管式加热组件组合时，所述环状加热体套设于所述炉管外，并能够沿所述炉管的轴向滑动，所述接触电极沿所述轴向设置，以使所述环状加热体在所述轴向滑动时所处的多个位置均能够与所述接触电极导电接触。

第二方面，本实用新型还提供一种模块化高温管式加热炉，包括温控组件以及上述模块化高温管式加热组件；所述温控组件与所述模块化高温管式加热组件中的接触电极导通。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

本实用新型提出了一种全新的管式炉设计，通过采用模块化环状加热体，能够套设于炉管外周并沿炉管径向进行滑动，且可灵活设置环状加热体的位置及数目，沿轴向设置的接触电极能够确保在不同位置的环状加热体与接触电极导电接触，从而实现加热面积和位置的灵活调整，模块化设计使得加热元件更易安装和更换克服了传统管式炉的种种局限，极大地提高了其性能和适用性。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施案例提供的模块化高温管式加热炉的结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施案例提供的模块化高温管式加热组件中的部分结构示意图；

图3是本实用新型一典型实施案例提供的模块化高温管式加热组件中的部分结构示意图；

图4是本实用新型一典型实施案例提供的模块化高温管式加热组件中的部分结构示意图；

图5是本实用新型一典型实施案例提供的模块化高温管式加热组件中的环状加热体的结构示意图；

图6是本实用新型一典型实施案例提供的模块化高温管式加热组件中的环状隔热配件的结构示意图。

附图标记说明：

1、温度调节器；2、时间调节器；3、频率调节器；4、温控组件；5、第一保温体；6、第一电极；7、第二电极；8、第二保温体；9、炉管；10、环状加热体；11、环状隔热配件；12、陶瓷内壁；13、碳材料加热元件；14、陶瓷外壁；15、导通电极；16、导通电极。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本实用新型在研发时，发现用于制备例如碳纳米管等材料的管式CVD炉体具有诸多劣势，具体表现包括但不限于：

1.无法进行脉冲加热：传统管式炉在脉冲加热方面性能受限，限制了其在一些特殊工艺中的应用，如纳米材料领域。

2.不容易进行模块化加热：由于传统管式炉的加热元件已经被固定于炉膛内，导致其不容易实现模块化加热，加热区大小及位置调整困难，无法实现温度场分布的细致调控。

3.升温速度受限：传统管式炉在升温速度上存在限制，尤其在需要达到高温时表现不佳，限制了其在一些特殊实验和工艺中的应用。

4.能耗相对较高：传统管式炉无法在短时间达到目标加热温度，需要很长时间预热才能够达到目标温度，这导致其能耗较大，且在对快速加热要求较高的场景中，其表现相对不利。

5.温度范围受限：传统管式炉无法有效地加热到3000摄氏度以上，导致在高温实验和工艺中需要转向其他加热仪器如石墨炉，但这也引入了新的问题，如石墨炉的体积大、升温速度慢等。

6.维护成本较高：传统管式炉采用电阻丝作为加热元件并将其嵌入管式炉内，当电阻丝损坏时维修成本大大提高。

应对上述劣势，本实用新型旨在设计一种模块化加热组件，使加热部分能够轻松安装和更换，提高炉体的灵活性和维护便捷性。本实用新型旨在提供一种具有卓越升温速度的管式炉，尤其在高温度要求的场景下能够更快速、更高效地达到目标温度，且能更为细致地调控炉中温度场分布。

由此参见图1，本实用新型实施例整体上提供了一种模块化高温管式加热炉，其包括温控组件4以及下述任一实施方式所提供的模块化高温管式加热组件；所述温控组件4与所述模块化高温管式加热组件中的接触电极导通。

进一步参见图2-图6，本实用新型实施例提供一种模块化高温管式加热组件，其包括炉管9、环状加热体10以及接触电极；当所述模块化高温管式加热组件组合时，所述环状加热体10套设于所述炉管9外，并能够沿所述炉管9的轴向滑动，所述接触电极沿所述轴向设置，以使所述环状加热体10在所述轴向滑动时所处的多个位置均能够与所述接触电极导电接触。

上述技术方案中，环状加热体10可以对应地设置不同的宽度和数量，且滑动套设在炉管9外，从而实现了便于调整组合的模块化温区调控。

更进一步地，为了实现更为精细化的温度场调控，本实用新型还提供了环状加热体10与环状隔热配件11相配合设置的技术方案。具体的，该模块化高温管式加热组件还包括环状隔热配件11，其用于与所述环状加热体10组合以调节所述炉管9中的温度场。

而所述环状隔热配件11的设置方式包括多种，其中一种方式是直接套设于所述炉管9外，与所述环状加热体10沿所述轴向并列设置，这样，形成了对于环状加热体10的间隔定位以及对于炉管9的区域化保温，调整了其中的温度场分布情况；或者是，一些环状隔热配件11套设于所述环状加热体10外，包裹所述环状加热体10，形成对环状加热体10的额外保温，也能够减少其热量散失，从而提高其热量作用于炉管9的对应区域的比例，精细化调控温度分布。或者具有多种环状隔热配件11，一部分起到第一种作用，另一部分起到第二种作用。

而关于环状隔热配件11的材质，可以由绝缘、保温的无机多孔泡沫等材料制成。

而关于具体的导通方式，在一些实施方案中，所述环状加热体10包括环形的碳材料加热元件13以及与所述碳材料加热元件13电接触的导通电极15、16；当所述模块化高温管式加热组件组合时，所述接触电极抵触所述导通电极15、16。

当然，若未设置所述导通电极15、16，而是直接使得接触电极与其中的碳材料加热元件13直接抵触，也可以实现等同的导通效果，但这种方式不利于碳材料加热元件13的密封保护，可能较适合于较低温度下的加热场景。

其中，碳材料加热元件13的材质优选为石墨烯或碳纳米管等，石墨烯的优异性能则赋予炉体卓越的脉冲加热能力、模块化加热的便利性、卓越的升温速度、更为节能的运行以及扩展了温度范围，使其能够胜任更广泛的实验和工艺需求。

而关于导通电极15、16的空间分布，在一些实施方案中，所述导通电极15、16设置于所述环状加热体10的外周面，且所述导通电极15、16的数量为多个，多个所述导通电极15、16在所述环形加热体上相互远离分散设置。由此使得电极距离较远，便于布置线路，且安全性较高。

而关于接触电极的具体设置，在一些实施方案中，所述接触电极包括多个条状电极，所述条状电极的长度方向与所述轴向平行，且空间排列对应于多个所述导通电极15、16的空间位置。由此，一个或多个环状加热体10的位置可以沿轴向无极调整，非常灵活。但本实用新型的可行实施方式并不仅限于此，若在轴向的大致方向上设置线性排列的多个触点，使得在固定的多个位置之间能够进行位置调整，亦可实现同样的模块化效果，同样属于本实用新型的保护范围之内。

而在更优一些实施方案中，所述环状加热体10可选择地设置为一个或多个组合，其位置能够灵活调整；所述导通电极15、16与所述条状电极的接触面设置有嵌合结构，以使所述导通电极15、16与所述条状电极抵触后的相对位置被固定。

所述的嵌合结构例如是条状电极表面有一些凸起的导轨，导通电极15、16的触点处具有对应的凹槽，两者相互嵌合，使得相对位置被固定，提高导通稳定性和装配便利性，并具有良好的接触性。

而为了在高温下充分保护碳材料，在一些实施方案中，所述环状加热体10还可以包括完全封闭所述碳材料加热元件13的环状壳体，所述导通电极15、16自所述碳材料加热元件13处沿径向穿越所述环状壳体，并暴露于所述环状壳体外。

更具体的，在一些实施方案中，所述环状壳体包括设置于所述环状加热体10的内周面的陶瓷内壁12、设置于外周面的陶瓷外壁14以及设置于两端面的陶瓷端壁，所述陶瓷内壁12、陶瓷外壁14以及陶瓷端壁熔融焊接形成整体密闭空间，所述导通电极15、16与所述陶瓷外壁14熔融焊接密封；且所述整体密闭空间中为抽真空状态。

此外，在一些实施方案中，所述模块化高温管式加热组件还包括保温固定结构，用于固定所述炉管9、环状加热体10以及接触电极、环状隔热配件11的相对位置，并进行保温。

具体的，继续参见图2-图4所示，在一些实施方案中，所述保温固定结构包括第一保温体5和第二保温体8，所述第一保温体5和第二保温体8组合后形成容置腔室，且所述容置腔室两端具有通孔，以使所述炉管9能够穿越所述容置腔室；所述环状加热体10和接触电极设置于所述容置腔室内，所述接触电极包括第一电极6和第二电极7，所述第一电极6固设于所述第一保温体5表面，所述第二电极7固设于所述第二保温体8表面。

结合上述技术方案，本实用新型实施例所提供的一种管式炉及其采用的加热组件的一些关键特点在于：

石墨烯保护措施：选择高质量的石墨烯、碳纳米管等等碳材料，确保其导热性能和高温稳定性。采用环形双层石英管，两层石英壁之间填充石墨烯，形成石墨烯屏障。在填充石墨烯后，对管内进行保护气抽真空处理并对石英管进行密封，确保石墨烯在加热时的稳定性。

电极设计与密封：在石英管的外表面嵌入钨材料作为电极，确保良好的电流导通和高温下的稳定性。通过烧焊密封，将钨电极与陶瓷紧密结合，确保加热元件的密封性。优化电极形状，增加与石墨烯的接触面积，提高导电效率。

模块化结构设计：将环状加热体10设计为模块化结构，每个模块包含石墨烯、石英管、电极等元件。每个模块可以独立控制，便于调整加热面积和温度分布，提高加热的灵活性。模。

接触式电极设计：在上第二保温体8内设上下接触式电极，使其与加热模块的上下电极接触后进行导电，确保电极与石墨烯之间有良好的物理接触，降低接触电阻。电极表面进行特殊处理，增加耐高温、耐腐蚀性能。

电源设计：在一些实施案例中设计了一种新的电源控制系统，支持脉冲加热和恒温加热的切换。引入先进的电流调节技术，确保在脉冲模式下能够精准控制电流的强度和频率。实现脉冲加热时的快速升温和恒温加热时的稳定温度维持。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本实用新型的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本实用新型，而不限制本实用新型的范围。

实施例1

本实施例提供了一种管式炉，包括以下几个部件：第一保温体5、第二保温体8、石英炉管9、模块化环状加热体10、环状隔热配件11、温控组件4。

第一保温体5、第二保温体8采用铰链进行开合式连接，其中的保温层由陶瓷纤维或岩棉等耐高温材料制作，中间预留加热元件和石英管的空间，条状的第一电极6和第二电极7采用耐高温的导电材料镶嵌于保温层内部，分别处于第一保温体5和第二保温体8上。采用如图模块化的加热元件，通过增添模块调节加热面积。

模块化环状加热体10为石墨烯加热模块，采用圆筒式密封封装，外层材料采用耐高温的石英，如果要加热到3000摄氏度以上则需采用其他耐高温材料，圆筒上的电极直接于石墨烯接触连接，电极可采用钨，钼等耐高温材料。

将适量的环状加热体10与环状隔热配件11在石英炉管9的选定位置后，将其放入加热台内，凸出的导通电极15、16与保温体内的接触电极对齐抵触，再放入被加热材料，然后在主控面板利用温度调节器1、时间调节器2、频率调节器3进行温度、时间、频率的设定。

而关于环状加热体10的具体结构，本实施例采用如图5所示的环形装置对石墨烯进行密封，该装置可以使石墨烯在超过300度时依旧保持其理化特性。根据所需加热温度选择电极材料，2600℃以下可选择钼，3400℃以下可选择钨，若加热温度在1000℃以下，亦可选择铜、银等电极。

而关于温控组件4，本实施例可以采用脉冲电流，通过调节频率旋钮可达到脉冲加热和恒温加热目的。

相较于现有技术带来了多项显著的优点和积极效果，这些优势主要源于创新的模块化环状加热体10、环状隔热配件11以及模块化设计的引入。本实施例中，模块化加热实现灵活性和维护便捷性：模块化设计使得环状加热体10更易于安装和更换。这种灵活性不仅提高了管式炉的实用性，同时降低了维护成本，减少了因元件损坏而导致的停工时间。

以及，升温速度显著提高：通过结构优化和合理的发热材料选择，本实用新型实现了管式炉升温速度的显著提高。快速的升温速度使得管式炉能够更加高效地应对实验和工艺中的加热需求，提高了生产效率。

以及，节能设计降低能耗：利用石墨烯的优异性能，本实用新型有效降低了管式炉的能耗。能够在短时间内快速达到目标温度，减少了预热时间，提高了能源利用效率，符合可持续发展的节能理念。

以及可以实现超高的加热温度：通过采用环状加热体10，本实用新型成功扩展了管式炉的温度范围，能够有效地加热到3000摄氏度以上。

不同于本实施例，基于本实用新型提供的基本技术构思，加热材料可由其他种类加热材料替代，如石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、印刷和喷涂碳加热材料等，视不同加热需求而定。电极材料可选为钼、钨等高熔点金属；石墨；也可替换为铜，可用于1000度以下加热，等等。加热模块以及对应的炉管9可采用其他形状的，如长方体形、三角柱形等。本实施例实现了脉冲加热，同过采用脉冲电源和石墨烯发热材料，实现了在纳米材料研究中所需的脉冲加热条件，当然，除脉冲加热外，选择持续加热亦可。

上述不同的实施方式都能够实现模块化加热元件的可更换性：降低了更换元件的难度和费用，减少了维护成本，提高了设备的可维护性和使用寿命。

由此，可以明确，本实用新型实施例提出了一种全新的管式炉设计，通过采用模块化环状加热体10与环状隔热配件11，能够套设于炉管9外周并沿炉管9径向进行滑动，且可灵活设置环状加热体10与环状隔热配件11的位置及数目，沿轴向设置的接触电极能够确保在不同位置的环状加热体10与接触电极导电接触，从而实现加热面积和位置的灵活调整，更为细致地调整加热温度场分布，模块化设计使得加热元件更易安装和更换克服了传统管式炉的种种局限，极大地提高了其性能和适用性。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化高温管式加热组件，其特征在于，包括炉管、环状加热体以及接触电极；

当所述模块化高温管式加热组件组合时，所述环状加热体套设于所述炉管外，并能够沿所述炉管的轴向滑动，所述接触电极沿所述轴向设置，以使所述环状加热体在所述轴向滑动时所处的多个位置均能够与所述接触电极导电接触。

2.根据权利要求1所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，还包括环状隔热配件，用于与所述环状加热体组合以调节所述炉管中的温度场；

所述环状隔热配件套设于所述炉管外，与所述环状加热体沿所述轴向并列设置，和/或套设于所述环状加热体外，包裹所述环状加热体。

3.根据权利要求1所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述环状加热体包括环形的碳材料加热元件以及与所述碳材料加热元件电接触的导通电极；

当所述模块化高温管式加热组件组合时，所述接触电极抵触所述导通电极。

4.根据权利要求3所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述导通电极设置于所述环状加热体的外周面，且所述导通电极的数量为多个，多个所述导通电极在所述环形加热体上相互远离分散设置。

5.根据权利要求4所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述接触电极包括多个条状电极，所述条状电极的长度方向与所述轴向平行，且空间排列对应于多个所述导通电极的空间位置。

6.根据权利要求5所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述环状加热体可选择地设置为一个或多个；

所述导通电极与所述条状电极的接触面设置有嵌合结构，以使所述导通电极与所述条状电极抵触后的相对位置被固定。

7.根据权利要求3所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述环状加热体还包括完全封闭所述碳材料加热元件的环状壳体，所述导通电极自所述碳材料加热元件处沿径向穿越所述环状壳体，并暴露于所述环状壳体外。

8.根据权利要求7所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述环状壳体包括设置于所述环状加热体的内周面的陶瓷内壁、设置于外周面的陶瓷外壁以及设置于两端面的陶瓷端壁，所述陶瓷内壁、陶瓷外壁以及陶瓷端壁熔融焊接形成整体密闭空间，所述导通电极与所述陶瓷外壁熔融焊接密封；

且所述整体密闭空间中为抽真空状态。

9.根据权利要求3所述的模块化高温管式加热组件，其特征在于，所述模块化高温管式加热组件还包括保温固定结构，用于固定所述炉管、环状加热体以及接触电极的相对位置，并进行保温；

所述保温固定结构包括第一保温体和第二保温体，所述第一保温体和第二保温体组合后形成容置腔室，且所述容置腔室两端具有通孔，以使所述炉管能够穿越所述容置腔室；

所述环状加热体和接触电极设置于所述容置腔室内，所述接触电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极固设于所述第一保温体表面，所述第二电极固设于所述第二保温体表面。

10.一种模块化高温管式加热炉，其特征在于，包括温控组件以及权利要求1-9中任意一项所述的模块化高温管式加热组件；

所述温控组件与所述模块化高温管式加热组件中的接触电极导通。