RU2199836C2

RU2199836C2 - Insulating jacket for resistive heating element

Info

Publication number: RU2199836C2
Application number: RU99110074A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Томин; Александр Григорьевич Попов; Владимир Иванович Шеремет
Original assignee: Николай Николаевич Томин; Александр Григорьевич Попов; Владимир Иванович Шеремет
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2003-02-27
Also published as: UA51678C2

Abstract

FIELD: overtemperature protection of heating elements and other current-conducting parts. SUBSTANCE: insulating jacket is made of fiberglass that grows soft in the course of heater operation; novelty is introduction of insulating fibers which do not soften at operating temperature of heater; softening and non-softening fibers form alternating layers each being made either of softening or non-softening fibers, or of softening and non-softening ones. Such jacket can be used at temperatures as high as up to 1500 K at negligible transverse gradient. EFFECT: improved insulating properties and reduced thickness of jacket. 5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике изоляции и защиты резистивных нагревательных элементов, работающих в воздушной среде при температурах до 1500 К, и может быть использовано в электротермии при изготовлении электронагревателей и других токопроводящих элементов, подвергающихся нагреву. The invention relates to techniques for the isolation and protection of resistive heating elements operating in air at temperatures up to 1500 K, and can be used in electrothermics in the manufacture of electric heaters and other conductive elements subjected to heating.

Известна изоляционная оболочка для резистивного нагревательного элемента в виде провода марки ПОЖ-НХ4, состоящая из четырех слоев стекловолокна ВМ-1, пропитанных жаростойким органосиликатным составом Т-11 и покрытых сверху лаком КО-916 [1]. Known insulation shell for a resistive heating element in the form of a wire of the brand POZH-HX4, consisting of four layers of fiberglass VM-1, impregnated with heat-resistant organosilicate composition T-11 and coated with varnish KO-916 [1].

Недостатком такой оболочки является невысокий срок ее эксплуатации при температурах выше 900 К. При этих температурах начинается деструкция пропиточного состава Т11, вследствие чего оболочка теряет свои защитные свойства. The disadvantage of such a shell is its short life at temperatures above 900 K. At these temperatures, the destruction of the impregnating composition T11 begins, as a result of which the shell loses its protective properties.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является изоляционная защитная оболочка для резистивного нагревательного элемента инфракрасного излучателя [2], которая выполнена из стекловолокна, часть которого размягчается при эксплуатации. Closest to the proposed technical solution is an insulating protective sheath for a resistive heating element of an infrared emitter [2], which is made of fiberglass, some of which softens during operation.

После включения нагревателя в оболочке из-за низкой теплопроводности стекловолокнистых слоев устанавливается поперечный градиент температуры. При достаточно большой толщине оболочки в ней образуется несколько зон. Вязкость зоны, непосредственно примыкающей к нагревательному элементу, при достижении им температуры эксплуатации не превосходит 10⁸ П, в то время как вязкость наружной зоны превышает 10¹² П. Размягченная стекломасса защищает нагревательный элемент от воздействия агрессивной воздушной среды, придавая ему высокую жаростойкость, а неразмягченная наружная часть оболочки удерживает размягченную стекломассу от растекания при эксплуатации и предотвращает ее отслоение при охлаждении, обеспечивая при этом также достаточную электрическую изоляцию.After turning on the heater in the shell, due to the low thermal conductivity of the fiberglass layers, a transverse temperature gradient is established. With a sufficiently large shell thickness, several zones are formed in it. The viscosity of the zone directly adjacent to the heating element, when it reaches the operating temperature, does not exceed 10 ⁸ P, while the viscosity of the outer zone exceeds 10 ¹² P. Softened glass melt protects the heating element from aggressive air, giving it high heat resistance, and non-softened the outer part of the shell keeps the softened molten glass from spreading during operation and prevents its peeling off during cooling, while also providing sufficient electrical lation.

Недостатком такого технического решения является то, что выполнение всей оболочки из одного и того же материала не позволяет изготовить оболочку с малой толщиной, так как при уменьшении толщины перепад температуры также уменьшается, неразмягченная наружная часть оболочки утоняется и утрачивает свои удерживающую и изолирующую функции. Однако, даже оболочку значительной толщины невозможно эксплуатировать в условиях, когда поперечный градиент температуры мал (например, когда излучатель находится в камере электрической печи). Кроме того, температура эксплуатации оболочки ограничена температурой, при которой размягчается вся оболочка или начинается взаимодействие размягченной стекломассы с материалом нагревательного элемента. The disadvantage of this technical solution is that the implementation of the entire shell from the same material does not allow to produce a shell with a small thickness, since with a decrease in thickness, the temperature difference also decreases, the non-softened outer part of the shell becomes thinner and loses its holding and insulating functions. However, even a shell of considerable thickness cannot be operated under conditions when the transverse temperature gradient is small (for example, when the emitter is in the chamber of an electric furnace). In addition, the operating temperature of the shell is limited by the temperature at which the entire shell softens or the interaction of the softened glass melt with the material of the heating element begins.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать изоляционную защитную оболочку резистивного нагревательного элемента путем введения в ее состав дополнительных волокон, чтобы повысить ее электроизолирующую способность, уменьшить ее толщину и обеспечить возможность эксплуатации оболочки при повышенных температурах, а также в условиях малого градиента температур. The basis of the invention is the task to improve the insulating protective shell of a resistive heating element by introducing additional fibers into its composition in order to increase its electrical insulating ability, reduce its thickness and provide the possibility of operating the shell at elevated temperatures, as well as in conditions of a small temperature gradient.

Эта задача решается в патентуемой оболочке, которая так же как и известная оболочка выполнена из стекловолокна, размягчающегося при эксплуатации резистивного нагревательного элемента. This problem is solved in a patented shell, which, like the known shell, is made of fiberglass, softened during operation of a resistive heating element.

Предлагаемая оболочка отличается от известной тем, что она дополнительно содержит электроизоляционные волокна, не размягчающиеся при температуре эксплуатации резистивного нагревательного элемента. При этом вышеупомянутые размягчающиеся и неразмягчающиеся волокна образуют отдельные слои. Каждый из этих слоев выполнен либо из размягчающихся волокон, либо из неразмягчающихся волокон, либо из смеси двух этих видов волокон. Слои чередуются между собой в разных вариантах в зависимости от задачи, которую выполняет та или иная конкретная оболочка. The proposed shell differs from the known one in that it additionally contains electrical insulating fibers that do not soften at the operating temperature of the resistive heating element. In this case, the aforementioned softening and non-softening fibers form separate layers. Each of these layers is made of either softening fibers, or non-softening fibers, or a mixture of these two types of fibers. Layers alternate with each other in different ways, depending on the task that a particular shell performs.

Наружная так же как и прилегающая к нагревательному элементу часть оболочки могжет быть выполнена из неразмягчающихся волокон. The outer part as well as the part of the shell adjacent to the heating element can be made of non-softening fibers.

Дополнительные неразмягчающиеся волокна могут быть выполненными либо из кварца, либо из кремнезема, либо из базальта, либо из их смеси. Additional non-softening fibers can be made of either quartz, or silica, or basalt, or a mixture thereof.

Изоляционная защитная оболочка снаружи может покрываться дополнительной оболочкой, которая частично или полностью выполнена из металла. The insulating protective shell on the outside can be covered with an additional shell, which is partially or completely made of metal.

Введение в предлагаемую оболочку дополнительных волокон дает возможность в отличие от прототипа создать дву- или многофазную гетерогенную систему, составленную из разных материалов. Существенная особенность этой системы состоит в том, что хотя бы один ее компонент в процессе эксплуатации полностью или частично находится в размягченном состоянии. Размягченная стекломасса заполняет промежутки между неразмягчающимися волокнами, образуя сплошной конгломерат, способный защитить нагревательный элемент от воздействия агрессивной воздушной среды. После охлаждения этот же конгломерат обеспечивает оболочке отличную влагостойкость. В то же время дополнительные не размягчающиеся волокна, расположенные определенным образом, дают возможность удерживать за счет капиллярного эффекта размягченную стекломассу в составе оболочки, предотвращать ее отслоение при охлаждении и выполнять электроизолирующую функцию независимо от наличия поперечного градиента температуры и необходимости получения достаточной толщины оболочки. Introduction to the proposed sheath of additional fibers makes it possible, unlike the prototype, to create a two- or multiphase heterogeneous system composed of different materials. An essential feature of this system is that at least one of its components during operation is fully or partially in a softened state. The softened glass melt fills the gaps between the non-softening fibers, forming a continuous conglomerate that can protect the heating element from the effects of aggressive air. After cooling, the same conglomerate provides excellent moisture resistance to the shell. At the same time, additional non-softening fibers, arranged in a certain way, make it possible to retain softened glass melt as part of the shell due to the capillary effect, to prevent its peeling during cooling and to perform an electrically insulating function regardless of the transverse temperature gradient and the need to obtain a sufficient shell thickness.

Выполнение оболочки в виде чередующихся слоев, каждый из которых состоит либо из размягчающихся, либо из неразмягчающихся волокон, позволяет получить слоистую дву- или многофазную систему. Изолирующая способность такой оболочки значительно повышена благодаря тому, что неразмягчающиеся слои, обладающие высокими изоляционными свойствами, отделяют плохо изолирующие размягченные слои друг от друга. Удерживание размягченной стекломассы от растекания и предотвращение отслоения при охлаждении также улучшается, так как к капиллярному эффекту добавляется прямое удерживание стекломассы в своеобразных коконах, образуемых неразмягчаемыми слоями. Преимущество такой слоистой системы состоит также в том, что становится возможным предотвращение контакта размягченной стекломассы с резистивным нагревательным элементом или же с внешними крепежными или несущими элементами. Это достигается благодаря тому, что примыкающие к упомянутым элементам слои целиком выполняют из не размягчающихся при температуре эксплуатации волокон. The execution of the shell in the form of alternating layers, each of which consists of either softening or non-softening fibers, allows you to get a layered two- or multiphase system. The insulating ability of such a shell is significantly increased due to the fact that non-softening layers with high insulating properties separate poorly insulating soft layers from each other. The retention of the softened glass melt from spreading and the prevention of delamination during cooling is also improved, since the direct retention of the glass melt in peculiar cocoons formed by non-softening layers is added to the capillary effect. The advantage of such a layered system is also that it becomes possible to prevent the contact of softened glass melt with a resistive heating element or with external fastening or supporting elements. This is achieved due to the fact that the layers adjacent to the said elements are entirely made of fibers that are not softened at the operating temperature.

При повышенных температурах эксплуатации отдельные слои слоистого композита могут быть выполненными также из волокнистой смеси обоих типов волокон. Такая комбинированная слоистая система благодаря увеличению объемной доли неразмягчающихся волокон лучше электроизолирует нагревательный элемент и удерживает размягченную стекломассу от растекания. Допускается также выполнение всех слоев из вышеупомянутой волокнистой смеси обоих типов волокон. При этом слои могут отличаться процентным соотношением размягчающихся и неразмягчающихся волокон. At elevated operating temperatures, the individual layers of the layered composite can also be made of a fibrous mixture of both types of fibers. Due to the increase in the volume fraction of non-softening fibers, such a combined layered system better electrically insulates the heating element and keeps the softened glass melt from spreading. All layers of the aforementioned fiber mixture of both types of fibers are also allowed. Moreover, the layers may differ in the percentage of softening and non-softening fibers.

На фиг.1 показан вариант оболочки, выполненный из волокнистой смеси волокон с наружным металлическим слоем. Фиг.2 иллюстрирует случай, когда наружная часть оболочки выполнена из не размягчающихся волокон. На фиг.3 изображена оболочка, в которой из неразмягчающихся волокон выполнена примыкающая к нагревательному элементу часть. Фиг.4 показывает схему расположения слоев в оболочке, состоящей из трех слоев, в которой средний слой содержит размягчающиеся волокна, а внешний и примыкающий к нагревательному элементу слои выполнены из не размягчающихся волокон. Наконец, на фиг.5 показана оболочка для спирального резистивного нагревательного элемента. Figure 1 shows a variant of the shell made of a fibrous mixture of fibers with an outer metal layer. Figure 2 illustrates the case when the outer part of the shell is made of non-softening fibers. Figure 3 shows a shell in which of non-softening fibers is made adjacent to the heating element. Figure 4 shows the layout of the layers in a shell consisting of three layers, in which the middle layer contains softening fibers, and the outer and adjacent to the heating element layers are made of non-softening fibers. Finally, figure 5 shows the shell for a spiral resistive heating element.

Возможность осуществления изобретения можно подтвердить на следующих примерах. The possibility of carrying out the invention can be confirmed by the following examples.

Пример 1. Оболочка выполнена из волокнистой смеси (см.фиг.1). Оболочка для резистивного элемента 1 представляет собой смесь из размягчающихся при температуре эксплуатации нитей 2 и расположенных между ними не размягчающихся нитей 3. Она образована совокупной намоткой на нагревательный элемент не размягчающейся кремнеземной и размягчающейся алюмоборосиликатной нитей. Снаружи такая оболочка может быть покрыта металлическим слоем 4 путем ее обмотки металлической проволокой или лентой. Example 1. The shell is made of a fibrous mixture (see figure 1). The shell for the resistive element 1 is a mixture of threads 2 softening at the operating temperature and non-softening threads 3 located between them. It is formed by the combined winding of a non-softening silica and softening aluminoborosilicate threads on the heating element. Outside, such a shell can be coated with a metal layer 4 by wrapping it with a metal wire or tape.

Пример 2. Слоистая оболочка с неразмягчающемся наружным слоем (см.фиг.2)
Основная часть оболочки А, прилегающая к резистивному нагревательному элементу 1, выполнена из смеси размягчающихся алюмоборосиликатных и не размягчающихся кварцевых нитей, либо только из размягчающихся алюмоборосиликатных нитей путем намотки их на нагревательный элемент 1. Наружная часть оболочки Б выполнена только из неразмягчающейся кварцевой нити.Example 2. Laminate with a non-softening outer layer (see figure 2)
The main part of the shell A adjacent to the resistive heating element 1 is made of a mixture of softening aluminoborosilicate and non-softening quartz threads, or only of softening aluminoborosilicate threads by winding them on heating element 1. The outer part of the shell B is made only of non-softening quartz thread.

Пример 3. Слоистая оболочка с примыкающим к нагревательному элементу неразмягчающимся слоем (см.фиг.3)
Основная часть оболочки А намотана нитью, составленной из размягчающихся алюмоборосиликатных и неразмягчающихся кремнеземных нитей, либо только размягчающейся алюмоборосиликатной нитью. Между основной частью оболочки А и резистивным нагревательным элементом 1 расположен слой В, намотанный неразмягчающейся кремнеземной нитью.Example 3. The layered shell adjacent to the heating element non-softening layer (see figure 3)
The main part of the sheath A is wound with a thread composed of softening aluminoborosilicate and non-softening silica threads, or only softening aluminoborosilicate thread. Between the main part of the shell A and the resistive heating element 1 is a layer B, wound with non-softening silica thread.

Пример 4. Слоистая оболочка с наружным и примыкающим к нагревательному элементу не размягчающимися слоями (см. фиг.4)
Средняя часть оболочки А представляет собой намотку, выполненную либо из смеси размягчающихся алюмоборосиликатных и неразмягчающихся базальтовых нитей, либо только из размягчающейся алюмоборосиликатной нити. Наружный слой оболочки Б выполнен из неразмягчающихся кремнеземных нитей, а между основной частью оболочки А и нагревательным элементом 1 находится слой В, намотанный неразмягчающейся кварцевой нитью.Example 4. The layered shell with the outer and adjacent to the heating element non-softening layers (see figure 4)
The middle part of the shell A is a winding made either from a mixture of softening aluminoborosilicate and non-softening basalt threads, or only from softening aluminoborosilicate yarn. The outer layer of the sheath B is made of non-softening silica threads, and between the main part of the sheath A and the heating element 1 there is a layer B wound with a non-softening silica thread.

Пример 5. Слоистая оболочка для спирального резистивного нагревательного элемента (см. фиг.5)
Спиральный нагревательный элемент 1 находится внутри основной части оболочки А, выполненной либо из смеси размягчающихся алюмоборосиликатных и неразмягчающихся кварцевых нитей, либо только из размягчающейся алюмоборосиликатной стеклонити. С наружной и внутренней стороны к основной части оболочки А примыкают слои из неразмягчающихся нитей Б (кремнеземная или базальтовая нить) и В (кварцевая нить). При этом слой В намотан на несущий металлический каркас 5.Example 5. The layered shell for a spiral resistive heating element (see figure 5)
The spiral heating element 1 is located inside the main part of the shell A, made either from a mixture of softening aluminoborosilicate and non-softening quartz filaments, or only from softening aluminoborosilicate glass fiber. From the outer and inner sides, layers of non-softening threads B (silica or basalt thread) and B (quartz thread) are adjacent to the main part of the shell A. While layer B is wound on a supporting metal frame 5.

Кроме представленных здесь примеров возможны и другие варианты расположения в оболочке слоев, составленных из размягчающихся при температуре эксплуатации резистивного нагревательного элемента волокон, из не размягчающихся при этой температуре волокон, а также из их смеси. In addition to the examples presented here, other variants of arrangement in the shell of layers composed of fibers that soften at the operating temperature of the resistive heating element of fibers, of fibers that do not soften at this temperature, and also of their mixture are possible.

Оболочка работает следующим образом. После достижения температуры, при которой работает нагревательный резистивный элемент 1 (см. фиг.1-5), более легкоплавкие волокна 2 размягчаются, образуя сплошной слой стекломассы, которая обволакивает неразмягчающиеся волокна 3. Размягченная стекломасса эффективно защищает резистивный элемент 1 от взаимодействия с агрессивной воздушной средой в разогретом состоянии и превращается в высокоэффективный влагоустойчивый изолятор в холодном состоянии. В то же время неразмягчающаяся часть волокон удерживает стекломассу от растекания и выполняет электроизолирующую функцию, когда оболочка находится в разогретом состоянии. После охлаждения размягченная стекломасса, застывая, не отслаивается от оболочки, так как находится либо в капиллярных промежутках, образуемых неразмягчающимися волокнами, либо под слоем (или между слоями), которые состоят из неразмягчающихся волокон. The shell works as follows. After reaching the temperature at which the heating resistive element 1 operates (see FIGS. 1-5), the more fusible fibers 2 soften, forming a continuous layer of glass melt that envelops non-softening fibers 3. The softened glass melt effectively protects the resistive element 1 from interacting with aggressive air medium in a heated state and turns into a highly efficient moisture-proof insulator in the cold state. At the same time, the non-softening part of the fibers keeps the molten glass from spreading and performs an electrically insulating function when the shell is in a heated state. After cooling, the softened glass melt, solidifying, does not exfoliate from the shell, since it is either in the capillary gaps formed by non-softening fibers, or under a layer (or between layers), which consist of non-softening fibers.

Слои Б и В, выполненные из не размягчающихся материалов, предотвращают нежелательное контактирование размягченной стекломассы с резистивным нагревательным элементом 1 (см. фиг.3, 4), с наружными крепежными (см. фиг.2, 4, 5) или несущими элементами (см. фиг.5). Layers B and C made of non-softening materials prevent unwanted contact of softened glass melt with a resistive heating element 1 (see Fig. 3, 4), with external fasteners (see Fig. 2, 4, 5) or supporting elements (see Fig. 5).

После многократных изгибов оболочка не теряет своих свойств, так как при каждом последующем нагреве размягченная стекломасса восстанавливает свою сплошность. After repeated bending, the shell does not lose its properties, since with each subsequent heating, the softened glass melt restores its continuity.

Для всех перечисленных вариантов осуществления предлагаемого изобретения желательно применять наружную металлическую оболочку, которая улучшает теплоотвод и предохраняет стекловолокнистые слои от механических повреждений. For all of the above embodiments of the invention, it is desirable to use an outer metal shell that improves heat dissipation and protects the fiberglass layers from mechanical damage.

Таким образом, совокупность существенных признаков, которые приведены в формуле изобретения, позволяет обеспечить решение поставленной задачи - создать хорошо изолирующую защитную оболочку небольшой толщины для резистивного нагревательного элемента, допускающую эксплуатацию при высоких температурах и при незначительных градиентах температур. Thus, the set of essential features that are given in the claims allows us to solve this problem - to create a well-insulating protective shell of small thickness for a resistive heating element, which allows operation at high temperatures and with insignificant temperature gradients.

Источники информации
1.Технические условия ТУ 16-505.570-74 на провода обмоточные жаростойкие нихромовые с четырехслойной изоляцией.Sources of information
1. Technical conditions TU 16-505.570-74 on heat-resistant nichrome winding wires with four-layer insulation.

2. Патент Украины N 5512 ИЗ. МПК 6 Н 05 В 3/54, 23.12.94 г. (Прототип)т 2. Patent of Ukraine N 5512 OF. IPC 6 H 05 B 3/54, 12/23/94 (Prototype) t

Claims

1. An insulating protective sheath for a resistive heating element made of fiberglass, softened during operation of the resistive heating element, characterized in that it further comprises insulating fibers that do not soften at the operating temperature of the resistive heating element, the aforementioned softening and non-softening fibers form alternating layers, each of which is made of either softening fibers or non-softening fibers, or from a mixture of softening and non-softening fibers.

2. The insulating protective sheath according to claim 1, characterized in that the outer part of the sheath is made of non-softening fibers.

3. The insulating protective sheath according to claim 1, characterized in that the part of the sheath adjacent to the heating element is made of non-softening fibers.

4. The insulating protective sheath according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the additional non-softening fibers are made of either quartz or silica, or basalt, or a mixture thereof.

5. An insulating protective sheath according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is coated on the outside with an additional sheath, which is partially or completely made of metal.