ELEMENTOS DE CALENTAMIENTO ELÉCTRICO, POR EJEMPLO FABRICADOS
DE CARBURO DE SILICIO
Breve Descripción de la Invención
Esta invención se refiere a elementos de calentamiento de cerámica de resistencia eléctrica y en particular, aunque
no de forma exclusiva, aplicable a elementos de calentamiento eléctrico de carburo de silicio.
El calentamiento de resistencia eléctrica es un proceso bien conocido. La electricidad se pasa a través de un elemento resistivo que genera calor de acuerdo con las leyes
eléctricas bien conocidas. Un grupo de elementos de
calentamiento de resistencia eléctrica comprende barras de carburo de silicio que tienen una resistencia eléctrica que
varia a lo largo de su longitud. En estos elementos, la mayoría del calor generado está en las partes de resistencia altas referidas como la "zona caliente", las partes de resistencia inferior en donde se genera menos calor que son referidas como "extremos fríos". Convenientemente, las barras son barras sólidas, barras tubulares o barras tubulares de corte helicoidal. El propósito del corte helicoidal de una barra tubular es aumentar la longitud de la ruta eléctrica a través de la zona caliente, y reducir el
área de sección transversal de la ruta conductora, y de esta REF. : 139608 manera aumentar la resistencia eléctrica. Las barras típicas de este tipo son los elementos Crusilite™ Type X y las barras Globar™ SG. Las barras tubulares de corte helicoidal de esta naturaleza se han conocido durante al menos cuarenta años . En tales conexiones eléctricas de barra tubular se hacen en los extremos fríos ambos lados de la zona caliente. Para algunos propósitos, se desea tener las terminales eléctricas en un extremo. Por lo tanto, durante al menos 30 años, se ha conocido proporcionar una barra tubular que tiene una doble hélice, un extremo de la barra se divide para proporcionar terminales eléctricas de extremo frío y el otro extremo proporciona una unión entre las dos hélices. Los elementos típicos de este tipo son los elementos Crusilite™ DS y Globar™SGR o SR. La práctica actual para los elementos Crusilite™ (X, MF, DS & DM) es cortar la hendidura helicoidal en el tubo de carburo de silicio usando una rueda de diamante. El espacio de la hélice depende de la resistencia del tubo de carburo de silicio y la resistencia requerida del elemento de Crusilite™. A mayor espacio, mayor la resistencia obtenida de un tubo dado. Para un elemento helicoidal doble (DS o DM) , se hacen dos cortes helicoidales, comenzando a 180° uno de otro y con la segunda mitad de la hélice entre vueltas de la primera hélice. La hélice después se extiende en un extremo haciendo hendiduras con una sierra de diamante, el extremo de la hendidura llega a ser el extremo terminal para las conexiones eléctricas . Para la manufactura del elemento helicoidal Globar™ (SG, SGR) , la hélice se corta en el tubo usando un taladro de diamante antes del encendido. Para el elemento de doble hélice (SGR) se usan dos cortes a 180° uno de otro. Después de cortar las hélices, el material se enciende en un proceso de 2 etapas, durante el cual se controla la resistencia final . Todos estos elementos (Crusilite™ X, MF, DS, DM, Globar"M SG, SGR) son elementos de fase simple y se usan en un amplio intervalo de la operación de hornos industriales y de laboratorio, por ejemplo, a temperaturas entre 1000°C y 1600°C. Cuando se requieren niveles altos de calentamiento y el número de unidades calentadoras es un múltiplo de tres, es frecuentemente el caso que se use una fuente de energía de tres fases. Es deseable que la fuente en cada una de las tres fases sea la misma y, por ral razón, se instalan normalmente elementos de fase simple en múltiplos de tres. Alternativamente, pueden usarse elementos de carburo de silicio de tres fases, asegurando una carga de tres fases balanceada en los casos donde el número de elementos instalados no es divisible entre tres. Convenientemente, los elementos eléctricos de tres fases de carburo de silicio consisten de tres circuitos derivados enlazados en un uente común. Los circuitos derivados están arreglados normalmente en un plano (de modo que el elemento tenga la apariencia de estacas de cricquet), o se arreglan en un triángulo (en un formato referido algunas veces como formato en forma de banco o como un Tri-U) . El arreglo de estaca de cricquet se ha conocido desde al menos 1957 (ver GB 845496) y el arreglo Tri-U desde al menos 1969. La manufacturación de tales elementos requiere convencionalmente la manufactura separada de los circuitos derivados del elemento y después la unión a un puente. Se ha propuesto en el pasado manufacturar tales elementos por moldeo en una pieza, pero los elementos de una pieza no son comunes en el mercado. También se ha propuesto combinar tres elementos de corte de forma helicoidal a un puente común en el arreglo de tipo estaca de cricquet (ver GB 1279478) . Se conoce combinar pares de elementos en un= configuración en general en forma de U, de modo que las terminales de los elementos estén en un extremo. Un elemento típico es el elemento Kanthal Type U (para otros elementos en forma de U ver por ejemplo, GB 838917 y US 3964943) . Podrían requerirse varios de estos elementos para una aplicación de calentamiento dada. Para las aplicaciones en donde existen espacios confinados puede ser extremadamente complejo proporcionar los arreglos apropiados para conectar los elementos a una fuente eléctrica. Además, necesitan proporcionarse muchos orificios para la fuente de energía a estos elementos. Estos orificios pueden amenazar la integridad estructural del aislamiento térmico de un dispositivo de calentamiento y además son per udiciales para la eficiencia térmica conforme el calor pasa del horno a través de los orificios o a lo largo de los conductores. Un arreglo que se ha propuesto es el de GB 1123606, que describe un arreglo llamado "jaula de ardilla" de los elementos de barras montados y espaciados por anillos refractarios e ir.terconectados por conexión de tornillos a conductores de puente. Este arreglo es complejo e incluye muchas interconexiones eléctricas. Los inventores se han dado cuenta de que estas deficiencias podrían reducirse considerablemente proporcionando elementos de calentamiento que comprenden tres o más circuitos derivados, un número de porciones terminales menor del número de circuitos derivados, y porciones de puente, proporcionando conectividad eléctrica entre los circuitos derivados. El alcance actual de la invención será aparente de las reivindicaciones anexas con referencia a la siguiente descripción con referencia a los siguientes dibujos en los que: La Fig. 1 es una vista frontal de un elemento de tipo U convencional; La Fig. 2 es una vista frontal de un elemento calentador eléctrico de tipo estaca de cricquet de tres fases convencional ; La Fig. 3 es una vista lateral de un elemento calentador eléctrico de tipo banco de tres fases convencional; La Fig. 4 es una vista lateral de un elemento calentador eléctrico de hélice de corte simple convencional; La Fig. 5 es una vista lateral de un elemento calentador eléctrico plano de cuatro circuitos derivados de acuerdo con los principios de la presente invención; La Fig. 6 es una vista lateral de un elemento calentador eléctrico, de arreglo cuadrado, de cuatro circuitos derivados de acuerdo con la presente invención; La Fig. 7 es una vista lateral del elemento de la Fig. 6; La Fig. 8 es una vista en planta de un elemento calentador eléctrico, de arreglo cuadrado, de cuatro circuitos derivados adicional de acuerdo con la presente invención;
La Fig. 9 es una vista en planta del elemento de la Fig.
; La Fig. 10 es una vista en planta de un elemento calentador eléctrico, de arreglo curvado, de cuatro circuitos derivados de acuerdo con la presente invención; La Fig. 11 es una vista en planta de un elemento calentador eléctrico, de tres fases, de seis circuitos derivados de acuerdo con la presente invención. En la Fig. 1 se muestra un elemento en forma de U convencional. Convencionalmente, tales elementos se fabrican de carburo de silicio y comprenden dos circuitos derivados 2 dispuestos en un plano y se unen por un puente 3. Los circuitos derivados 2 tienen porciones 4 que definen la zona caliente de los elementos y las porciones 5 que definen los extremos fríos. Se hace la conexión eléctrica en los extremos 6 remotos del puente 3. La disposición de las zonas calientes 4 y los extremos fríos 5 se hace convenientemente variando la resistividad eléctrica de las barras de carburo de silicio (e.g., impregnando con aleación de silicio a resistencia inferior) . Alternativamente a, o además de, variando la resistividad eléctrica, puede alcanzarse un efecto similar variando el área de sección transversal de los circuitos derivados.
La Fig. 2 muestra un elemento de tres fases de tipo estaca de cricquet trifásico convencional 7, que se hace de manera similar al elemento en forma de U de la Fig. 1. En la Fig. 3 se muestra una vista lateral de un elemento trifásico Tri-U o forma de banco convencional 8. Tal elemento se hace mediante las mismas técnicas que el elemento de estaca de cricquet convencional, pero los tres circuitos derivados 2 se arreglan lado a lado en un arreglo triangular y se unen por un puente 9. Tal arreglo es más compacto que un arreglo de estaca de cricquet. En la Fig. 4 se muestra una vista lateral de un elemento de corte simple en espiral de fase simple convencional 10. Este elemento 10 comprende un tubo de carburo de silicio que tiene una porción de corte de forma helicoidal 11 que define el extremo caliente del elemento, y porciones no cortadas 12 que definen los extremos fríos. El corte en hélice significa que la zona caliente 11 tiene una sección transversal eléctrica más estrecha que un tubo no cortado y también tiene una longitud efectiva mayor y de esta manera, tiene una resistencia superior que la misma longitud del tubo no cortado. El material de los extremos fríos es convencionalmente idéntico al de la zona caliente, pero su resistividad podría disminuirse e.g., por impregnación con aleación de silicio, o unión a un material de resistividad inferior, para aumentar adicionalmente la relación de resistencia entre la zona caliente y los extremos frios. Las Figs . 5 y 9 muestran un elemento calentador en general plano 13 de acuerdo con la presente invención. Se proporcionan cuatro circuitos derivados 14, 15, los circuitos derivados 14 son más grandes que los circuitos derivados 15 y comprenden una zona caliente 16 y un extremo frió 17, los extremos 18 de los extremos frios 17 que se conectan a una fuente eléctrica. Los circuitos derivados 15 son completamente de zona caliente. Los circuitos derivados 14 y 15 se conectan en serie por los puentes 19. Este arreglo permite que se incorporen cuatro zonas calientes en un horno u otro aparato de calentamiento con solo dos terminales siendo requeridas. Los puentes 19 podrían estar completamente dentro de la parte aislada del horno u otro aparato de calentamiento. Mediante este medio, el aislamiento solo se rompería por dos extremos fríos 17, mientras que un horno convencional que comprende cuatro barras simples se rompería por ocho extremos fríos y un horno que contiene dos elementos tipo U se rompería por cuatro extremos fríos. En las Figs. 6 y 7 un elemento 20 se describe diseñado para el montaje horizontal, especialmente, pero no de forma exclusiva para el uso en un manguito 21. El manguito 21 podría ser un tubo. El elemento 20 comprende cuatro circuitos derivados 14, 15 similares a los de las Figs. 5 y 9. Los circuitos derivados 14, 15 se disponen sustancialmente paralelos y en general, en arreglo cuadrado. Los puentes 19 se disponen de modo que los dos circuitos derivados más grandes 14 se dispongan lado a lado en un lado del arreglo cuadrado. Esta disposición hace el montaje horizontal del elemento más fácil que otros arreglos. Los bloques 22, 23 soportan los puentes 19 en el manguito 21, el bloque 23 también soporta los circuitos derivados 14. Aunque un arreglo cuadrado de los circuitos derivados se ha mostrado, se apreciará que un arreglo rectangular u otro arreglo cuadrilateral podría usarse dependiendo de la aplicación a la que el elemento se va a destinar. La relación fijada de los cuatro circuitos derivados del elemento elimina el riesgo que está presente para los elementos convencionales del grupo superior de elementos que caen sobre el grupo inferior, y provocando un corto circuito. Debido a este riesgo, es convencional usar solo un elemento U simple en tales instalaciones horizontales. En la Fig. 8, se muestra un arreglo alternativo de puentes 19, en el que uno de los puentes se dispone diagonalmente a través del arreglo. Esto significa que los circuitos derivados 14, a los que se hace la conexión eléctrica, se disponen diagonalmente . Este arreglo es preferible al de la Fig. 7 para las circunstancias donde los circuitos derivados se pretende que están dispuestos verticalmente . En la Fig. 10 se muestra un elemento 24 que comprende cuatro circuitos derivados, dispuestos en paralelo y un arreglo curvado. Podría usarse una pluralidad de tales elementos curvados en la construcción de un montaje de calentamiento curvado (mostrado esquemáticamente como la línea 26), por ejemplo igualando la curvatura de un horno tubula . En la Fig. 11 se muestra un elemento trifásico 27. El elemento 27 comprende 6 circuitos derivados trifásicos 14, 15, los circuitos derivados 14 son más grandes que los circuitos derivados 15, los circuitos derivados se disponen en un arreglo en general hexagonal. Los puentes 19 enlazan los circuitos derivados juntos en pares del circuito derivado largo 14 y el circuito derivado corto 15. El puente 28 enlaza estos pares juntos. En uso, se conecta una fuente de tres fases a las porciones terminales de los circuitos derivados 14 y se conectan por vía de los circuitos derivados 14, los puentes 19 y los circuitos derivados 15 al puente 28, que forma la conexión estrella para el arreglo de tres fases. Este arreglo tiene ventajas sobre el arreglo Tri-U convencional (Fig. 3) que puede requerir voltajes bajos y corrientes altas y de aquí que requiera una fuente de energía costosa, especialmente cuando la zona caliente es corta, y/o el diámetro del circuito derivado es largo. Teniendo seis circuitos derivados en pares en serie, el voltaje será mayor dado que un elemento Tri-U cargado similarmente tendría tres circuitos derivados de dos veces el diámetro. Por ejemplo, un elemento Tri-U de 40 mm de diámetro del circuito derivado con una longitud de zona caliente de 500 mm, podría tener una resistencia de fase de 0.4 O, y requerir una fuente de energía especificada a 50 V (voltaje de fase) y 125 A. Por el contrario, un elemento de 6 circuitos derivados de 3 fases como se muestra en la Fig. 11 podría tener una resistencia de fase de 1.6 O, y requerir una fuente de energía especificada a 100 V (voltaje de fase) y 62.5 A. En resumen, se opera a aproximadamente dos veces el voltaje y la mitad de la corriente del equivalente Tri-U.
Todos los arreglos de las Figs. 5-11 son arreglos en los que el número de terminales requeridas es menor que el número de circuitos derivados del elemento. Esto permite que un número inferior de conexiones se use que en un arreglo convencional y reduce el número de orificios que necesitan proporcionarse en un recubrimiento o aislante de horno. Adicionalmente, proporcionando un arreglo fijo de los circuitos derivados del elemento, es posible permitir que los circuitos derivados del elemento estén dispuestos más cerca que en un horno convencional, dado que se elimina el temor del desplazamiento del elemento y el consecuente riesgo de corto circuito. Esta disposición cercana permite densidades de potencia mayores a ser logradas que con los arreglos convencionales . La unión entre los circuitos derivados y los puentes es mediante cualquier método apropiado que contrarrestará las temperaturas de operación deseadas . En todos los arreglos de las Figs. 5-11, se usa un número redondo de los circuitos derivados del elemento. Esto es conveniente ya que permite que las terminales permanezcan en un lado del elemento, sin embargo la invención también contempla un número impar de los circuitos derivados del elemento con las terminales dispuestas de otra forma. Deberla observarse que las características de expansión térmica de los circuitos derivados se igualan deseablemente para minimizar el movimiento de las porciones en puente sobre el calentamiento de los elementos. Por ejemplo, con referencia a la Fig. 6, si los circuitos derivados 14 se expanden más que los circuitos derivados 15, entonces el puente 19 podría salirse del bloque 23. Igualando las características de expansión térmica de los circuitos derivados 14 y 15 (por ejemplo mediante la elección de la longitud de la zona caliente 16, o usando materiales de diferente coeficiente de expansión térmica) este riesgo puede reducirse. Alternativamente, existen aplicaciones en donde seria deseable tener zonas calientes largas en algunos de los circuitos derivados, para proporcionar un nivel de calentamiento de fondo, con otros circuitos derivados siendo más cortos que las zonas calientes, proporcionando asi calentamiento localizado adicional. Por ejemplo, en la Fig. 5, si las zonas calientes 16 de los circuitos derivados 14 son más grandes que los circuitos derivados 15, entonces se proporcionarla un nivel generalizado de calentamiento mediante las zonas calientes 16 con calentamiento localizado adicional proporcionado por los circuitos derivados 15. Como una aplicación en donde serian útiles tales longitudes desiguales de la zona caliente, es práctica estándar en los hornos de cerámica instalar elementos de potencia mayor hacia la base, con el objetivo de proporcionar mayor uniformidad de temperatura. Otras aplicaciones en donde este tipo de distribución de potencia desigual se usa incluyen calentadores de cucharón eléctrico, donde los diseños típicos podrían tener 2/3 de potencia en la mitad inferior y 1/3 en la mitad superior.
En la descripción anterior se ha hecho referencia al uso de carburo de silicio como un material para los elementos de calentamiento eléctrico. Debería ser aparente para el lector que la invención es aplicable al uso de cualquier material de cerámica conductor eléctricamente. En esta especificación, el término "cerámica conductor eléctricamente" debería interpretarse como significativo de cualquier material inorgánico no metálico que conducirá electricidad a un grado suficiente, y tendrá propiedades térmicas apropiadas, para usarse como un elemento de calentamiento eléctrico. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de ios objetos a que la misma se refiere.