CN110677938A - 一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，包括电磁感应加热系统控制器、分控制箱、电磁感应线圈、高脚架、蠕变试验机、导电陶瓷体、外部水管、吹气管道、喷嘴、水冷装置、敞口水箱、风扇、真空环境箱和空气压缩机。本发明极大地方便了试验准备和操作，能够保证试验试样均匀受热，大大提升了设备的温度极限，可消除试样周围的空气对流，减少热量损失，提高加热效率和保温效率，由控制器程序根据实际温度和温度变化速率的要求智能控制，可连续实时调控，与电磁感应加热同时作用，使得陶瓷的温度变化能满足不同的温度变化要求，通过外接真空箱可以创造真空环境下的控速降温，能够满足大多数热处理实验的要求。

Description

一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统

技术领域

本发明涉及一种加热的系统，具体是一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，属于加热设备应用技术领域。

背景技术

航空航天发动机热端部件的分析研究过程中，为了模拟其复杂的工作环境，需要在高温下进行力学性能试验，有些情况下氧化反应会给试验造成较大影响，故对无氧环境有较高要求，部分与热处理有关的试验不仅需要快速升温，对试件的降温速率也要进行控制；目前主要采用在蠕变试验机上加装一个高温炉，将试件置于高温炉中进行蠕变试验。传统的高温炉由于炉丝为电热合金丝如钨丝、钼丝等，加热的最高温度不超过1400℃，加热速率平均最快不超过5℃/s，已渐渐难以满足更高的试验温度要求。

此外，随着高温合金材料性能的不断提高，为了测试其性能而进行的蠕变试验时间逐渐增加，长时间高温加热会使得炉丝寿命下降，需要经常更换以免在试验中途出现炉丝断裂的情况，这样增加了试验的操作复杂性。目前工程上使用的普通电磁感应设备加热温度最快可达100℃/s，多数将需要加热的物件放在线圈中间加热，物件多为铁或石墨等导电材质，限制了被加热物质的种类，此外，由于被加热件的形状不规则，容易导致加热不均的情况；因为铁加热到700℃以上会进入白热化导致失磁，故而铁最高可加热到700℃，石墨最高可加热到1500摄氏度，加热温度上限较低，难以满足更高的试验要求。因此，针对上述问题提出一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，包括电磁感应加热系统控制器以及外接在电磁感应加热系统控制器一侧的分控制箱，所述分控制箱一侧外接有一个由空心铜管绕成的电磁感应线圈，所述分控制箱放置在位于其底端的高脚架表面，且高脚架一侧设置需要加持高温环境的蠕变试验机，所述电磁感应线圈固定在蠕变试验机顶部，且电磁感应线圈中空部位设置空心圆柱体结构的导电陶瓷体，所述电磁感应线圈一端通过分控制箱连接至外部水管一端，且外部水管与之对应的另一端连接至位于水冷器内部的敞口水箱，所述水冷器顶端设置两个风扇，且风扇的输出端相异设置，所述电磁感应线圈外部安装由耐热陶瓷制成的真空环境箱，且电磁感应线圈底端固定有吹气管道的一端，所述吹气管道与之对应的另一端连接至空气压缩机。

优选的，所述电磁感应线圈呈弹簧状，且电磁感应线圈的几何尺寸依次为直径200mm、高80mm以及螺距3mm，所述电磁感应线圈构成元件铜管的直径为10mm。

优选的，所述导电陶瓷体的几何尺寸依次外径180mm、内径160mm以及高度120mm，且导电陶瓷体的高度大于电磁感应线圈的高度。

优选的，所述吹气管道靠近电磁感应线圈底端一侧末端安装由耐热陶瓷材料制成的喷嘴。

优选的，所述电磁感应加热系统控制器分别电性连接至分控制箱和空气压缩机。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用电磁感应加热技术，加热速度快，最快能达到200℃/s，能达到的极限温度高，最高能达到2500℃；加热过程可进行编程由多程序段控制，能实现复杂的加热方式且过程智能可控，加热部分结构简单占空间小，设备操作简单，极大地方便了试验准备和操作。

2、在电磁感应线圈中放入导电陶瓷作为加热介质，陶瓷在电磁感应的作用下急剧升温成为热源，由于采用了空心圆柱形结构，使得在线圈中的一整段陶瓷柱体各个部位之间的温度一致。高温的陶瓷柱体往空心部分持续辐射热量，使得柱体中间形成了一个一定长度的均温带，能够保证试验试样均匀受热。

3、本发明采用了导电陶瓷氧化钍作为加热介质，其熔点接近3000℃，使用温度可达2600℃，大大提升了设备的温度极限。

4、本发明在铜线圈外部添加了一个由陶瓷材料制成的真空箱，箱内可以抽成真空或者充入惰性气体制造气氛加热环境，可提供稳定无氧的加热环境，防止试样在加热过程中发生氧化反应，也可消除试样周围的空气对流，减少热量损失，提高加热效率和保温效率。

5、在降温阶段，陶瓷在空气中自然冷却的速率是不可控的，难以满足热处理试验的降温速率要求，本发明在线圈及陶瓷下方放置了吹气管道，管道连接空气压缩机与控制器连接，气压是连续均匀的，由控制器程序根据实际温度和温度变化速率的要求智能控制，可连续实时调控，与电磁感应加热同时作用，使得陶瓷的温度变化能满足不同的温度变化要求。

6、通过外接真空箱可以创造真空环境下的控速降温，能够满足大多数热处理实验的要求。

附图说明

图1为本发明线圈及分控制箱示意图；

图2为本发明降温用吹气管道示意图；

图3为本发明空气压缩机示意图；

图4为本发明水冷器示意图；

图5为本发明控制器-分控制箱-水冷器连接示意图；

图6为本发明真空环境箱示意图；

图7为本发明整体装配图；

图8为本发明喷嘴结构示意图图。

图中：1、电磁感应加热系统控制器，2、分控制箱，3、电磁感应线圈，4、高脚架，5、蠕变试验机，6、导电陶瓷体，7、外部水管，8、吹气管道，801、喷嘴，9、水冷器，10、敞口水箱，11、风扇，12、真空环境箱，13、空气压缩机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8所示，一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，包括电磁感应加热系统控制器1以及外接在电磁感应加热系统控制器1一侧的分控制箱2，所述分控制箱2一侧外接有一个由空心铜管绕成的电磁感应线圈3，所述分控制箱2放置在位于其底端的高脚架4表面，且高脚架4一侧设置需要加持高温环境的蠕变试验机5，所述电磁感应线圈3固定在蠕变试验机5顶部，且电磁感应线圈3中空部位设置空心圆柱体结构的导电陶瓷体6，所述电磁感应线圈3一端通过分控制箱2连接至外部水管7一端，且外部水管7与之对应的另一端连接至位于水冷器9内部的敞口水箱10，所述水冷器9顶端设置两个风扇11，且风扇11的输出端相异设置，所述电磁感应线圈3外部安装由耐热陶瓷制成的真空环境箱12，且电磁感应线圈3底端固定有吹气管道8的一端，所述吹气管道8与之对应的另一端连接至空气压缩机13。

作为本发明的一种技术优化方案，所述电磁感应线圈3呈弹簧状，且电磁感应线圈3的几何尺寸依次为直径200mm、高80mm以及螺距3mm，所述电磁感应线圈3构成元件铜管的直径为10mm，实现加热。

作为本发明的一种技术优化方案，所述导电陶瓷体6的几何尺寸依次外径180mm、内径160mm以及高度120mm，且导电陶瓷体6的高度大于电磁感应线圈3的高度，能够保证试验试样均匀受热。

作为本发明的一种技术优化方案，所述吹气管道8靠近电磁感应线圈3底端一侧末端安装由耐热陶瓷材料制成的喷嘴801，实现持续性的降温。

作为本发明的一种技术优化方案，所述电磁感应加热系统控制器1分别电性连接至分控制箱2和空气压缩机13，实现自动控制。

本发明在使用时，将试样放置在电磁感应线圈3一侧，电磁感应线圈3中产生电磁感应使得空心圆柱体结构的导电陶瓷体6被加热，由于导电陶瓷体6是一个空心直圆柱，被加热后的圆柱会形成热辐射，中间形成一定长度的均温带；放置与均温带中试样的同时也会反过来加热外面的电磁感应线圈3，使得电磁感应线圈3的温度急剧升高，此时对于电磁感应线圈3进行水冷，敞口水箱10和分控制箱2之间用外部水管7连接，外部水管7接入空心电磁感应线圈3，使得电磁感应线圈3-外部水管7-敞口水箱10形成一个闭合的水循环系统，以此来给电磁感应线圈3降温，保护电磁感应线圈3不被高温熔化，由于电磁感应加热温度很高，水循环冷却过程中冷却水的温度会渐渐升高，导致冷却效果下降，为了提高冷却效率，在敞口水箱10顶部加入两个风扇11，在敞口水箱10内部水面以上部分形成流动的空气流，加快水中热量的散发，从而降低冷却水的温度，在电磁感应线圈3及导电陶瓷体6底端放置了吹气管道8，吹气管道8连着空气压缩机13，空气压缩机13与控制器1连接，工作时与电磁感应线圈3同时作用，确保试验温度以预想的温度曲线变化。

若有真空环境要求，在电磁感应线圈3外部加设一个由耐热陶瓷制成的真空环境箱12，箱中抽成真空，采用进口高真空机组真空度可达10-5Torr，充入惰性气体，制造无氧环境，真空环境箱12与电磁感应线圈3接口处用密封法兰连接；在既有真空度要求，又有降温速率要求的情况下，可以往空气压缩机13中充入惰性气体，通过吹气管道8将冷气吹入电磁感应线圈3及导电陶瓷体6中，解除真空环境箱12的真空状态，使得真空环境箱12内部形成由底端到顶端的冷气流，气流的流速可由空气压缩机13进行调节。

本发明中电磁感应加热系统控制器1是整个系统的核心控制系统，其与分控制箱2和降温用空气压缩机13连接，采用PID方式调节控温，通过编程自动控制温度的升降，最多支持30个程序段；电磁感应加热系统控制器1上带有温度检测系统，用S耦来测量试样温度，并设有超温报警保护，允许无人看守，控温精度可达+/-0.1℃；此外还装有PC控温软件和接口模块，将控温程序和温度曲线导入电脑中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，包括电磁感应加热系统控制器(1)以及外接在电磁感应加热系统控制器(1)一侧的分控制箱(2)，其特征在于：所述分控制箱(2)一侧外接有一个由空心铜管绕成的电磁感应线圈(3)，所述分控制箱(2)放置在位于其底端的高脚架(4)表面，且高脚架(4)一侧设置需要加持高温环境的蠕变试验机(5)，所述电磁感应线圈(3)固定在蠕变试验机(5)顶部，且电磁感应线圈(3)中空部位设置空心圆柱体结构的导电陶瓷体(6)，所述电磁感应线圈(3)一端通过分控制箱(2)连接至外部水管(7)一端，且外部水管(7)与之对应的另一端连接至位于水冷器(9)内部的敞口水箱(10)，所述水冷器(9)顶端设置两个风扇(11)，且风扇(11)的输出端相异设置，所述电磁感应线圈(3)外部安装由耐热陶瓷制成的真空环境箱(12)，且电磁感应线圈(3)底端固定有吹气管道(8)的一端，所述吹气管道(8)与之对应的另一端连接至空气压缩机(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，其特征在于：所述电磁感应线圈(3)呈弹簧状，且电磁感应线圈(3)的几何尺寸依次为直径200mm、高80mm以及螺距3mm，所述电磁感应线圈(3)构成元件铜管的直径为10mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，其特征在于：所述导电陶瓷体(6)的几何尺寸依次外径180mm、内径160mm以及高度120mm，且导电陶瓷体(6)的高度大于电磁感应线圈(3)的高度。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，其特征在于：所述吹气管道(8)靠近电磁感应线圈(3)底端一侧末端安装由耐热陶瓷材料制成的喷嘴(801)。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理利用导电陶瓷进行快速加热的系统，其特征在于：所述电磁感应加热系统控制器(1)分别电性连接至分控制箱(2)和空气压缩机(13)。

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