一种加热体及多区域控温的真空炉
技术领域
本发明涉及温度控制领域,特别是涉及一种加热体及多区域控温的真空炉。
背景技术
温度分布均匀性是检测真空烧结炉性能的一项非常重要的指标,炉内以及前、中、后、上、下等各区温度偏差越小,处理物烧结后的尺寸和性能控制越好,出炉良率越高,生产成本越低。影响温度分布均匀性通常包括以下几种因素:(1)和设计有关。比如炉体体积的大小,体积越大,均匀性越不好。炉体上联接口位置,比如泵口处热散失较大等;或者某处有冷却器热散失较大等。(2)保温材自身保温的均匀性的出入。进口的比国产的均匀性要好很多,国产的一般不用在像MIM产业尺寸要求较高的生产的炉型上。(3)加热均匀性.加热体本身电阻也有均匀性的出入,石墨件相同材质不一定电阻率相同。(4)不同区域的气流影响。如热气流往上,一般上部温度会比下部温度高。
现有技术中的真空炉较多的为1区加热,当前后或上下温度相差较大时,通过调节加热体的尺寸来调整电阻值,然后通过进口的保温材料进行保温,以减小真空炉的各区温度的差值。因此,现有的真空炉的控温方式温度不易调节,尤其对于炉型较大、加压气氛对流等温度难控制偏差较大的场合中,温度更难以调节,导致真空炉的温度均匀性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种加热体及多区域控温的真空炉,以降低真空炉的温度调节难度,提高真空炉的温度均匀性。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种加热体,包括:第一连接片、第一加热单元、第一角连接片、第二加热单元、第二角连接片、第三加热单元、第二连接片、第一电极棒和第二电极棒;
所述第一加热单元包括多个第一加热片,多个第一加热片的第一端并联连接至所述第一连接片,多个所述第一加热片的第二端并联连接至所述第一角连接片;
所述第二加热单元包括多个第二加热片,多个所述第二加热片的第一端并联连接至所述第一角连接片,多个所述第二加热片的第二端并联连接至所述第二角连接片;
所述第三加热单元包括多个第三加热片,多个所述第三加热片的第一端并联连接至所述第二角连接片,多个所述第三加热片的第二端并联连接至所述第二连接片;
所述第一电极棒固定于所述第一连接片上,所述第一电极棒用于与单相变压器的第一接线端连接;所述第二电极棒固定于所述第二连接片上,所述第二电极棒用于与所述单相变压器的第二接线端连接;所述加热体的径向截面为U型,所述第一连接片与所述第二连接片位于所述U型的不同侧壁。
可选的,所述第一加热片为直条型加热片、板型加热片或框型加热片。
可选的,所述第二加热片为直条型加热片、板型加热片或框型加热片。
可选的,所述第三加热片为直条型加热片、板型加热片或框型加热片。
可选的,多个所述第一加热片的第一端通过螺栓螺母连接至所述第一连接片,多个所述第一加热片的第二端通过螺栓螺母连接至所述第一角连接片;多个所述第二加热片的第一端通过螺栓螺母连接至所述第一角连接片,多个所述第二加热片的第二端通过螺栓螺母连接至所述第二角连接片;多个所述第三加热片的第一端通过螺栓螺母连接至所述第二角连接片,多个所述第三加热片的第二端通过螺栓螺母连接至所述第二连接片;
所述第一电极棒通过螺母固定于所述第一连接片上;所述第二电极棒通过螺母固定于所述第二连接片上。
本发明还提供一种多区域控温的真空炉,所述多区域控温的真空炉采用上述的加热体,所述多区域控温的真空炉包括:密封箱、加热装置和隔热筒,所述加热装置包覆于所述密封箱外侧,所述隔热筒包覆于所述加热装置外侧;
所述加热装置包括多个加热体组,多个所述加热体组沿着所述密封箱轴向均匀分布在所述密封箱外部;每个加热体组包括多个加热体,多个加热体均匀环绕在所述密封箱的外侧;
每个所述加热体分别对应一个功率控制器,通过所述功率控制器调节所述加热体对应的单相变压器的输出功率,进而调节所述加热体对应的密封箱区域的加热温度。
可选的,每个加热体组中加热体的个数为2或4。
可选的,所述加热装置为圆柱形或棱柱形;
当所述加热装置为圆柱形时,所述加热体的第一角连接片、第二角连接片、第一加热片、第二加热片和第三加热片的径向截面均为弧形;
当所述加热装置为棱柱形时,所述加热体的第一角连接片和所述第二角连接片均位于所述密封箱的侧棱;所述第一加热片、所述第二加热片和所述第三加热片均位于所述密封箱的侧面。
可选的,还包括:多个热电偶和多个PID控制器;多个热电偶、多个PID控制器和多个功率控制器均与多个加热体一一对应;对于第k个加热体,所述热电偶与所述PID控制器的PV输入端连接,用于将所述第k个加热体对应的密封箱区域的温度测量值传输至所述PID控制器;所述PID控制器的控制输出端与所述功率控制器的控制输入端连接,所述功率控制器的输出端与所述第k个加热体对应的单相变压器的输入端连接,用于调节所述单相变压器的输出功率,进而调节所述第k个加热体加热的温度。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明真空炉的多区域控温方式,弥补了保温材自身温度偏差的缺陷,降低了保温材的要求。而且温度调整方式简单,容易调节,对于体积较大的炉型都可以实现温度的均匀性;对于同样体积的炉子,不同区域的温度差值也大幅度缩小。此外,提高了真空炉的升温速率,缩短加热工艺时间,节省成本。还提高了满炉良率,降低了成本,解决了之前真空炉部分区域因温度偏差造成的产品尺寸、外观和密度不达标的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明加热体的结构示意图;
图2为本发明加热体的平铺示意图;
图3为本发明真空炉的截面图;
图4为本发明真空炉中加热装置的第一侧视图;
图5为本发明真空炉中加热装置的第二侧视图;
图6为本发明真空炉中加热装置的电路示意图;
图7为加热体的电极棒在不同位置的等效电路对比图;
图8为本发明具体实施例1的加热装置的示意图;
图9为本发明具体实施例1的加热装置中加热体的示意图;
图10为本发明具体实施例1的加热装置中加热体的展开图;
图11为本发明具体实施例2的加热装置的示意图;
图12为本发明具体实施例2的加热装置中加热体的示意图;
图13为本发明具体实施例2的加热装置中加热体的展开图;
图14为本发明具体实施例3的加热装置的示意图;
图15为本发明具体实施例3的加热装置中加热体的示意图;
图16为本发明具体实施例3的加热装置中加热体的展开图;
图17为本发明具体实施例4的加热装置的示意图;
图18为本发明具体实施例4的加热装置中加热体的示意图;
图19为本发明具体实施例4的加热装置中加热体的展开图;
图20为本发明具体实施例5的加热装置的示意图;
图21为本发明具体实施例5的加热装置中加热体的示意图;
图22为本发明具体实施例5的加热装置中加热体的展开图;
图23为本发明加热装置横截面处加热区域的第一示意图;
图24为本发明加热装置横截面处加热区域的第二示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明加热体的结构示意图。如图1所示,本发明加热体包括以下结构:第一连接片1、第一加热单元、第一角连接片3、第二加热单元、第二角连接片5、第三加热单元、第二连接片7、第一电极棒8和第二电极棒9;
所述第一加热单元包括多个第一加热片(图中2-1和2-2为两个第一加热片),多个第一加热片的第一端并联连接至所述第一连接片1,多个所述第一加热片的第二端并联连接至所述第一角连接片3。
所述第二加热单元包括多个第二加热片(图中4-1和4-2为两个第二加热片),多个所述第二加热片的第一端并联连接至所述第一角连接片3,多个所述第二加热片的第二端并联连接至所述第二角连接片5;
所述第三加热单元包括多个第三加热片(图中6-1和6-2为两个第三加热片),多个所述第三加热片的第一端并联连接至所述第二角连接片5,多个所述第三加热片的第二端并联连接至所述第二连接片7;
所述第一电极棒8固定于所述第一连接片1上,所述第一电极棒8用于与单相变压器的第一接线端连接;所述第二电极棒9固定于所述第二连接片7上,所述第二电极棒9用于与所述单相变压器的第二接线端连接。所述加热体的径向截面为U型,所述第一连接片1与所述第二连接片7不共面。本发明的U型是指弧形、半圆形、半个多边形组成的图形等具有凹陷区域的形状。
本发明中第一加热片、第二加热片和第三加热片均可以为直条型加热片、板型加热片或框型加热片。直条型加热片是指加热片为直条的形状,此时直条的两端为加热片的两个连接端,与连接片或角连接片连接。板型加热片是指加热片的形状为板状,例如平板形状或者弧形的板状,此时板状的相互平行的两个直边为加热片的两个连接端。框型加热片是指加热片的形状为中空的框形,此时框形的相互平行的两个直边为加热片的两个连接端,两个直边之间的框边可以为直条型、S型或其他形状。
本发明的上述加热体中,每个第一加热片的第一端通过螺栓螺母连接至所述第一连接片1,每个所述第一加热片的第二端通过螺栓螺母连接至所述第一角连接片3;每个所述第二加热片的第一端通过螺栓螺母连接至所述第一角连接片3,多个所述第二加热片的第二端通过螺栓螺母连接至所述第二角连接片5;多个所述第三加热片的第一端通过螺栓螺母11连接至所述第二角连接片5,多个所述第三加热片的第二端通过螺栓螺母连接至所述第二连接片7。所述第一电极棒8通过对应的螺母10固定于所述第一连接片1上;所述第二电极棒9通过对应的螺母(图中未标示)固定于所述第二连接片7上。
图2为本发明加热体的平铺示意图。如图2所示,本发明的加热体中第一电极棒和第二电极棒分别与变压器的两个接线端连通,这样就构成一个单相回路。电流从A1端进入,流过第一电极棒、第一加热片2-1、第一加热片2-2、角连接片3、第二加热片4-1、第二加热片4-2、角连接片5、第三加热片6-1、第三加热片6-2、第二电极棒9,再回到B1端。整个加热体相当于三个加热单元(第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元)之间串联,每个加热单元由多个电阻并联组成,以第一加热单元包括两个第一加热片为例,第一加热单元由第一加热片2-1和第一加热片2-2两个电阻并联,也可以由两个以上的第一加热片并联。
本发明的每个加热体对应一个加热区域,通过对加热体对应的变压器的输出功率进行调节,进而可以调节加热体对应的加热温度。
基于上述加热体,本发明还提供一种多区域控温的真空炉,图3为本发明真空炉的截面图。如图3所示,本发明的真空炉包括:密封箱31、加热装置32、隔热筒33和密封箱导轨35。所述加热装置32包覆于所述密封箱31外侧,所述隔热筒33包覆于所述加热装置32外侧。本发明的真空炉还包括:多个热电偶34和多个PID控制器。
图4为本发明真空炉中加热装置的第一侧视图,图5为本发明真空炉中加热装置的第二侧视图。结合图4和图5所示,本发明的加热装置32包括多个加热体组,多个加热体组沿着所述密封箱31轴向均匀分布在所述密封箱31外部,图中包括3个加热体组。每个加热体组包括多个图1所示的加热体,多个加热体均匀环绕在所述密封箱31的外侧,形成对密封箱31圆周方向的包覆。图中第一个加热体组包括两个加热体,第一个加热体的两个电极棒分别为A1和B1,第二个加热体的两个电极棒分别为A4和B4;第二个加热体组包括两个加热体,第一个加热体的两个电极棒分别为A2和B2,第二个加热体的两个电极棒分别为A5和B5;第三个加热体组包括两个加热体,第一个加热体的两个电极棒分别为A3和B3,第二个加热体的两个电极棒分别为A6和B6。每个所述加热体分别对应一个功率控制器,通过所述功率控制器调节所述加热体对应的单相变压器的输出功率,进而调节所述加热体对应的密封箱区域的加热温度。
本发明的真空炉中多个热电偶、多个PID控制器和多个功率控制器均与多个加热体一一对应。图6为本发明真空炉中加热装置的电路示意图,如图6所示,对于第k个加热体,所述热电偶与所述PID控制器的PV输入端连接,用于将所述第k个加热体对应的密封箱区域的温度测量值传输至所述PID控制器;所述PID控制器的控制输出端与所述功率控制器的控制输入端连接,所述功率控制器的输出端与所述第k个加热体对应的单相变压器的输入端连接,用于调节所述单相变压器的输出功率,进而调节所述第k个加热体加热的温度。
本发明中加热装置31为圆柱形或棱柱形。当所述加热装置31为圆柱形时,所述加热体的第一角连接片、第二角连接片、第一加热片、第二加热片和第三加热片的径向截面均为弧形;当所述加热装置31为棱柱形时,所述加热体的第一角连接片和所述第二角连接片均位于所述密封箱的侧棱;所述第一加热片、所述第二加热片和所述第三加热片均位于所述密封箱的侧面。
本发明的加热体中,第一电极棒和第二电极棒位于U型的不同侧壁上,即位于不同侧,与第一电极棒和第二电极棒位于同一侧的加热体相比,本发明的加热体具有较大的优势。电极棒在同一侧的加热体存在以下缺陷:
电极棒连接的金属电极棒处通有冷却水,加热体在发热的过程中,电极棒处温度较低,与电极棒连接的一侧的热量会迅速传到电极棒处,造成通水侧温度散热较快,这样会造成与电极棒连接的一侧和与电极棒未连接的一侧温度不同,导致两侧产品尺寸有偏差。而要解决这一问题就需要调节加热体的阻值分布,使电极棒侧加热体阻值大于另一侧,而具体大多少要通过不断地实验才能得出,过程极其复杂繁琐。而加热体在升温和保温的过程中,向电极棒侧散失的热量又不同,这就导致尽管通过调节加热体两侧的电阻值,使保温时两侧温度能够达到比较均匀的情况,但升温时,两侧的温度偏差比较大,这样两侧的产品尺寸也会出现较大的偏差。
而电极棒在两侧的加热体结构存在以下优点:
由于电极棒在两侧,加热体散热的时候,会同时向两侧传导,这样两侧温度较均匀,只需两侧加热体的阻值保持一致即可,很容易实现。而且电极棒在两侧的加热体结构更省材料,更加节省成本。
图7为加热体的电极棒在不同位置的等效电路对比图。结合图7,假设电极棒在两侧和电极棒在同侧两种结构的加热体,每种结构的加热体的每个加热片的电阻值相同。图7中(a)部分为电极棒在两侧的加热体的等效电路,图7中(b)部分为电极棒在同侧的加热体的等效电路。设图7中(b)部分中半片加热片的阻值为20Ω,则一片加热片的阻值为10Ω,那么单区域总的加热体电阻值为10×6=60Ω。
图7中(a)部分所示的加热体,即本发明的加热体,要使单区域总的电阻值也为60Ω,假设半片加热体的阻值为R,则一片加热片的阻值为R/2,那么单区域总阻值=R/2÷2×3=60,得出R=80Ω,即半片加热片的阻值为80Ω,一片加热片的阻值为40Ω。
由此得出,两种结构在保证单区域阻值相同的情况下,电极棒在两侧的加热体结构中单片加热片的电阻值更大。在两种结构的加热片选用同种材料、外形一致的情况下,根据R=ρL/S得出电极棒在两侧的加热体结构的每片加热片的S值更小,S为加热片的横截面积,说明电极棒在两侧的加热体结构的加热片比电极棒在同侧的加热体结构的加热片要薄,即更省材料。
下面提供几个具体实施例来进一步说明本发明的方案。
具体实施例1
图8为本发明具体实施例1的加热装置的示意图,图9为本发明具体实施例1的加热装置中单个加热体的示意图,图10为本发明具体实施例1的加热装置中单个加热体的展开图。结合图8-图10所示,本实施例中加热体的加热片为直条型。第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元中均分别包括4个直条型加热片。本实施例中可以实现6个区域的加热温度控制。
具体实施例2
图11为本发明具体实施例2的加热装置的示意图,图12为本发明具体实施例2的加热装置中单个加热体的示意图,图13为本发明具体实施例2的加热装置中单个加热体的展开图。结合图11-图13所示,本实施例中加热体的加热片为板型,第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元中均分别包括2个板型加热片。本实施例中可以实现6个区域的加热温度控制。
具体实施例3
图14为本发明具体实施例3的加热装置的示意图,图15为本发明具体实施例3的加热装置中单个加热体的示意图,图16为本发明具体实施例3的加热装置中单个加热体的展开图。结合图14-图16所示,本实施例中加热体的加热片为框型,第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元中均分别包括2个框型加热片。本实施例中可以实现6个区域的加热温度控制。
具体实施例4
图17为本发明具体实施例4的加热装置的示意图,图18为本发明具体实施例4的加热装置中单个加热体的示意图,图19为本发明具体实施例4的加热装置中单个加热体的展开图。本实施例中加热体的加热片为框型,第一加热单元、第二加热单元和第三加热单元中均分别包括2个框型加热片,每个框型加热片为三个矩形组合形成的框型结构。本实施例中可以实现6个区域的加热温度控制。相比于具体实施例3中的框型,本实施例中的加热装置加热效果更均匀。
具体实施例5
图20为本发明具体实施例5的加热装置的示意图,图21为本发明具体实施例5的加热装置中单个加热体的示意图,图22为本发明具体实施例5的加热装置中单个加热体的展开图。结合图20-图22所示,本实施例中整个加热装置布置为圆柱形。本实施例中加热体的加热片为框型,与其他实施例不同的是,本实施例中的电极棒位于同一侧,在密封箱轴向包括3组加热体组,在密封箱圆周方向,每个加热体组通过四个加热体环绕包覆密封箱,本实施例中每个加热体控制的区域较小,整个加热装置实现12个区域的加热温度控制。根据实际需求也可以将加热装置布置为其他的形状,例如布置为棱柱形。本实施例所示的加热装置的结构,对于直径较大的炉型进行控温加热效果更佳。
图23为本发明加热装置横截面处加热区域的第一示意图。如图23所示,对于炉型直径比较大,要求温度更均匀的情况下,可以将密封箱横截面上的控温区设计成图23所示的结构,通过左上、左中、左下、右上、右中、右下六个区域来控温,在长度方向上扩展为6、12、18、24……6的倍数的加热区域。
图24为本发明加热装置横截面处加热区域的第二示意图。如图24所示,对于炉型直径更大,要求温度更均匀的情况下,可以将横截面上的控温区设计成图24所示的结构,通过左1、左2、左3、左4、右1、右2、右3、右4八个区域来控温,在长度方向上扩展为8、16、24、32……8的倍数的加热区域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。