CN112654106B - 大功率碳-陶复材电热管及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本公开提出了大功率碳‑陶复材电热管，包括：电热体、金属电极片、金属杆电极、金属杆电极密封套；所述电热体由碳‑陶复材胚胎及包裹胚胎的碳纤维编织电热层构成，所述电热体为条状对称结构，每一端依次连接金属电极片及金属杆电极；所述电热体位于外壳体构成的腔体内，所述金属杆电极穿过壳体的一端且与壳体的接触部位穿过金属杆电极密封套；所述金属杆电极与金属电极片相连接的一端为Z字型弧状弯曲结构，以使其在通过大电流的情况下避免所述电热体受热造成膨胀变形和断裂。

Description

大功率碳-陶复材电热管及其加工工艺

技术领域

本公开属于加热技术领域，尤其涉及大功率碳-陶复材电热管及其加工工艺。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

碳纤维电热管作为加热元件，得到了广泛的应用，包括供热系统中的加热元件等，但是现有的碳纤维电热管适用于小功率的加热需求，当具体的应用场合中需要大功率的加热需求时，目前的碳纤维电热管由于其结构本身的限制无法实现。

发明人在研究中发现，目前的碳纤维电热管存在以下技术问题：

1、多数碳纤维电热管内部电热体均是螺旋式的结构，热辐射面积和热交换面积小，热交换的效率不高。

2、由于制作发热螺旋体的原材料是碳纤维丝，其产生远红外的强度是固定的。

3、螺旋结构的电热体在制作过程中易产生毛刺，在通电后毛刺易产生打火导致碳纤维螺旋电热体损坏从而影响其使用寿命。

4、现有的外接电源电极电热管大都采用碳纤维螺旋电热体-先压接在钼片或镍片上，然后点焊在钼杆上，之后钼杆再点焊在钼片上-再次点焊在钼杆上形成：(1)碳纤维电热体-(2)钼片压接-(3)钼杆点焊-(4)钼片连接-(5)点焊钼杆再对外壳石英材料的加热封装的出口方式，由于钼片太薄，断面截面面积小允许可通过电流小，若在大功率的大电流工作状态下，则钼片无法承载易导致钼片烧毁，该结构限制了不能制作大功率的碳纤维电热管，使其应用范围得到限制。

5、碳纤维电热管的密封端采用的是石英玻璃热压密封，同时将内外通电电极钼片和钼杆一并热压封在其内，由于大功率工作状态下通过电流大，钼片电极截面小，极易产生高温烧毁爆裂造成端部密封损坏。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了大功率碳-陶复材加热装置，能够实现增大热辐射面积，工作状态不存在打火现象，没有冲击电流，使用寿命增加。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例子提供了如下技术方案：

第一方面，公开了大功率碳-陶复材电热管，包括：

电热体、金属电极片、金属杆电极、金属杆电极密封套及外壳体；

所述电热体由碳-陶复合材料胚胎及包裹胚胎的碳纤维电热层构成，所述电热体为条状对称结构，每一端依次连接金属电极片及金属杆电极；

所述电热体位于外壳体构成的腔体内，所述金属杆电极穿过外壳体的一端且与外壳体的接触部位穿过金属杆电极密封套；

所述金属杆电极与金属电极片相连接的一端为Z字型弧状弯曲结构，以使其在通过大电流的情况下避免电热体受热膨胀变形时有退让性。

进一步的技术方案，所述电热体与外壳体之间还设置有径向支撑架。

优选的，所述径向支撑架制作材料采用金属弹丝、石英或陶瓷。

进一步的技术方案，所述金属杆电极Z字型弧状弯曲结构位于轴向支撑套内，所述轴向支撑套位于壳体构成的一端腔体内。

优选的，所述轴向支撑套制作材料采用石英或陶瓷。

进一步的技术方案，所述金属电极片与电热体之间采用固定铆管进行固定。

进一步的技术方案，所述金属电极片为钼、镍或耐高温不锈钢金属电极片，所述金属杆电极为钼、镍或耐高温不锈钢金属杆电极。

优选的，所述金属杆电极为Z字型弧状弯曲结构形状。

优选的，所述金属电极片及金属杆电极采用点焊连接。

进一步的技术方案，所述金属杆电极密封套为中部开孔的圆柱体结构，该圆柱体结构的外表面开设有若干凹槽，中部开孔结构为凹槽迷宫密封结构。

进一步的技术方案，所述金属杆电极在与金属杆电极密封套接触部位有多处环槽，用于加热粘合后与金属杆电极密封套粘合牢固。

进一步的技术方案，所述电热体为含有无机纤维编织+无机粘结剂材料构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成；或

含有无机纤维+无机粘结剂材料及非金属红外材料构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成；或

含有无机纤维+树脂碳构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成；或

含有无机纤维+树脂碳及非金属红外材料构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成；或

含有碳纤维编织层+树脂碳形成；或

含有碳纤维编织层+树脂碳及非金属红外材料形成。

第二方面，公开了大功率碳-陶复材电热管的加工工艺，包括：

加工电热体：石英纤维或玄武岩纤维涂覆定型材料同时交叉绕制、圆形交叉编织或直挤拉冷挤压低温定型成为条形碳-陶复合材料胎胚；

碳纤维涂覆定型材料交叉绕制、圆形交叉编织或直挤拉二次复合同时采用高压力低温定型；

在高压力冷态定型的过程中清除毛刺，然后高温除污以及高温二次定型，制成成品；

将电热体与电极铆接完成的电热体组件放入内外表面处理好的石英管外壳内，两头高温高压压封、进行真空排气及充入保护气体而后对内腔排气管加热封口，完成大功率碳-陶复材电热管的制作。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案电热管内部电加热体结构为条状，能够实现增大热辐射面积；条状电热体生产过程中消除了毛刺，避免了打火现象，因此提高了使用寿命。

本公开技术方案电热体在制作过程中可以复合不同材料，制作出满足不同要求的电热管。

本公开技术方案在电极处理上，去掉了截面积较小的钼片，直接采用直径与电加热功率相匹配的钼、镍或耐高温不锈钢金属杆电极，可以实现大电流、大功率、工作启动无冲击电流和热辐射强度更高的新型碳-陶复材电热体。

本公开技术方案通过采用石英、玻璃或陶瓷做成密封套，解决了金属电极杆出口封装的密封问题。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例大功率碳-陶复材电热管结构示意图；

图2为本公开实施例石英、陶瓷材料的轴向支撑套结构示意图；

图3为本公开实施例大功率碳-陶复材电热体结构示意图；

图4(a)-图4(b)为本公开实施例金属弹丝径向支撑架；石英、陶瓷径向支撑架；

图5为本公开实施例点焊结构示意图；

图6为本公开实施例石英、玻璃、陶瓷金属杆电极密封套结构示意图；

图7为本公开实施例金属片电极与电热体固定铆管结构示意图；

图8为本公开实施例大功率碳陶远红外复合材料电热体加热元件生产工艺流程图；

图中，1、外壳体，2、轴向支撑套，3、电热体，4、径向支撑架，5、金属电极片，6、金属杆电极，7、金属杆电极密封套，8、固定铆管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见附图1所示，本实施例公开了一种混编大功率碳—陶复材电热管，包括：石英管或陶瓷管外壳体1，轴向支撑套2，电热体3，径向支撑架4，金属电极片5，金属杆电极6，金属杆电极密封套7，固定铆管8。

石英管或陶瓷管外壳构成的腔体内设置有大功率碳-陶复材电热体，碳-陶复材电热体的两端分别设置有金属片电极，金属片电极分别与各自对应的金属杆电极相连，金属杆电极自外壳内部向外伸出且在伸出端与外壳之间设置有金属杆电极密封套，金属杆穿过金属杆电极密封套，金属片电极与碳-陶复材电热体之间通过固定铆管固连，固定铆管参见附图7所示。

轴向支撑套为石英、陶瓷材料制成，参见附图2所示。

径向支撑架可以选用金属弹丝径向支撑架或者石英、陶瓷径向支撑架，参见附图4(a)-附图4(b)所示。

参见附图5所示，具体实施例子中，金属片电极与金属杆电极之间通过点焊焊接在一起。

具体的，金属杆电极与金属电极片相连接的一端为Z字型弧状弯曲结构，以使其在通过大电流的情况下电热体受热膨胀变形时具有退让性。

为了适用于大功率电加热的需求，利用金属杆电极通电，在使用的过程中，为了避免大电加热功率对碳-陶复材电热体受热膨胀导致其断裂或变形，金属杆电极一端做成Z字型弧状弯曲结构，使碳-陶复材电热体具有受热膨胀的退让功效，减缓大功率加热对碳-陶复材电热体受热膨胀的影响。

另外，参见附图6所示，本公开技术方案中的金属杆电极密封套为中部开孔的圆柱体，圆柱体的外表面开设有若干对称或者不对称布置的凹槽，凹槽用于与石英管外壳加热融合。

大功率碳-陶复材电热体结构参见附图3所示，其中：碳-陶复材电热体包含四种规格：

(1)碳纤维编织+树脂碳(无机粘结剂材料)复材电热体；

(2)碳纤维编织+树脂碳(无机粘结剂材料)+非金属红外材料复材电热体；

(3)碳纤维+非金属纤维编织+树脂碳(无机粘结剂材料)复材电热体；

(4)碳纤维+非金属纤维编织+非金属红外材料+树脂碳(无机粘结剂材料)复材电热体。

涂覆定型材料里有：(a)高分子材料；(b)高分子材料+非金属红外材料；(c)无机粘结剂材料；(d)无机粘结剂材料+非金属红外材料。

参见附图8所示，在一实施例子中还公开了四种规格碳-陶复材电热体的制作方法：

碳纤维编织+树脂碳复合材料电热体：碳纤维经电阻匹配编织后浸渍酚醛、或脲醛、或环氧树脂、或水玻璃、或磷酸制作成复合材料，经高温定型固化焙烧处理制作成碳-陶复材电热体。

碳纤维编织+树脂碳+非金属红外材料复合材料电热体：碳纤维经电阻匹配编织后浸渍酚醛、或脲醛、或环氧树脂、或水玻璃、或磷酸与非金属红外材料混合涂覆制成复合材料，经高温定型固化焙烧制作成碳-陶复材电热体。

碳纤维编织+非金属纤维编织+树脂碳复合材料电热体：碳纤维经电阻匹配与玻璃纤维、或玄武岩纤维、或陶瓷纤维编织后浸渍酚醛、或脲醛、或环氧树脂、或水玻璃、或磷酸制作成复合材料，经高温定型固化焙烧制作成碳-陶复材电热体。

碳纤维编织+非金属纤维编织+非金属红外材料+树脂碳复合材料电热体：碳纤维经电阻匹配与玻璃纤维、或玄武岩纤维、或陶瓷纤维编织后涂覆非金属红外材料，再浸渍酚醛、或脲醛、或环氧树脂、或水玻璃、或磷酸制作成复合材料，经高温定型固化焙烧制作成碳-陶复材电热体。

为了解决大功率碳纤维电热管在工作状态下得到可靠的应用，在碳纤维电热管端部采用热压密封，具体方式(1)碳纤维电热体-(2)金属电极片铆接-(3)点焊金属杆电极(4)穿封金属杆电极密封套(5)外壳石英材料加热封装的出口方式。

在一实施例子中，公开了电热体与电极的连接方法：

钼、镍或耐高温不锈钢金属片电极5结合产品要求，按照该图形状制造，电极材料可采用钼、或镍、或耐热不锈钢材质。该电极片与金属杆电极6采用多点点焊焊接。

钼、镍或耐高温不锈钢金属杆电极6，该杆状电极Z字弧状弯曲结构是为电热体受热膨胀时电极杆有退让性，避免了电热体受热后的损坏。金属杆电极可采用钼、或镍、或耐热不锈钢。该金属杆电极在与石英、玻璃、陶瓷制作的金属杆电极密封套7接触部位有多处环槽，用于加热粘合后与金属杆电极密封套7粘合牢固，完成与金属杆电极密封套7件的粘合后再与金属片电极5件点焊。

石英、玻璃、陶瓷制作的金属杆电极密封套7与钼、镍或耐高温不锈钢金属杆电极6通过高温加热粘合固定。

金属杆电极6和金属片电极5点焊组合后，再与碳-陶复材电热体铆接固定。

在另一实施例子中，公开了大功率碳-陶复材电热管的制作。

将轴向支撑套2预先放入内外表面处理好的石英管或陶瓷管外壳体一端内，将适量个数的径向支撑架4套在碳-陶复材电热体与金属电极铆接完成的碳-陶复材电热体组件上，再一并放入内外表面处理好的石英管或陶瓷管外壳体内，两端高温压封、真空排气、充入保护气体及排气管封口，完成大功率碳-陶复材电热管的制作。

在另一实施例子中，本实施例的目的是提供大功率碳-陶复材电热管的应用，上述大功率碳-陶复材电热管作为加热单元可以应用于粮食、医药、化工领域原材物料烘干，或液体加热领域加热，或塑料行业粘合加工领域热压加热，或航天等领域的干燥和烤漆，本申请中的大功率具体指10KW以上的功率。

以上实施例应用领域中涉及的各步骤与方法与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (15)

1.大功率碳-陶复材电热管，大功率具体指10KW以上的功率，其特征是，包括：

电热体、金属电极片、金属杆电极、金属杆电极密封套及外壳体；

所述电热体由碳-陶复合材料胚胎及包裹胚胎的碳纤维电热层构成，所述电热体为条状对称结构，每一端依次连接金属电极片及金属杆电极；

所述电热体位于外壳体构成的腔体内，所述金属杆电极穿过外壳体的一端且与外壳体的接触部位穿过金属杆电极密封套；

所述金属杆电极与金属电极片相连接的一端为Z字型弧状弯曲结构，以使其在通过大电流的情况下避免电热体受热膨胀变形时有退让性；

所述电热体与外壳体之间还设置有径向支撑架；

所述金属杆电极Z字型弧状弯曲结构位于轴向支撑套内，所述轴向支撑套位于外壳体构成的一端腔体内。

2.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述径向支撑架制作材料采用金属弹丝、石英或陶瓷。

3.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述轴向支撑套制作材料采用石英或陶瓷。

4.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述金属电极片与电热体之间采用固定铆管进行固定。

5.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述金属电极片为钼、镍或耐高温不锈钢金属电极片，所述金属杆电极为钼、镍或耐高温不锈钢金属杆电极。

6.如权利要求5所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述金属电极片及金属杆电极采用点焊连接。

7.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述金属杆电极密封套为中部开孔的圆柱体结构，该圆柱体结构的外表面开设有若干凹槽，中部开孔结构为迷宫结构。

8.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述金属杆电极在与金属杆电极密封套接触部位有多处环槽，用于加热粘合后与金属杆电极密封套粘合牢固。

9.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述电热体为含有无机纤维编织+无机粘结剂材料构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成。

10.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述电热体为含有无机纤维+无机粘结剂材料及非金属红外材料构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成。

11.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述电热体为含有无机纤维+树脂碳构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成。

12.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述电热体为含有无机纤维+树脂碳及非金属红外材料构成胚胎，碳纤维+树脂碳编织层包覆在胚胎外部形成。

13.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述电热体为含有碳纤维编织层+树脂碳形成。

14.如权利要求1所述的大功率碳-陶复材电热管，其特征是，所述电热体为含有碳纤维编织层+树脂碳及非金属红外材料形成。

15.加工权利要求1-14任一项所述的大功率碳-陶复材电热管的方法，其特征是，包括：

加工电热体：石英纤维或玄武岩纤维涂覆定型材料同时交叉绕制、圆形交叉编织或直挤拉冷挤压定型成为条形碳-陶复合材料胚胎；

碳纤维编织纤维涂覆定型材料交叉绕制、或圆形交叉编织、或直挤拉二次复合同时采用高压冷态定型；

在高压冷态定型的过程中清除毛刺，然后高温除污以及高温定型，制成成品；

将电热体与电极铆接完成的碳-陶复材电热体组件一并放入内外表面处理好的石英管或陶瓷管外壳体内，两头高温高压压封，进行真空排气，及充入保护气体而后对内腔排气管加热封口，完成大功率碳-陶复材电热管的制作。

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