TWI448187B - 具有不銹鋼電阻之陽極化鋁的輻射面板 - Google Patents

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Description

具有不銹鋼電阻之陽極化鋁的輻射面板
本發明有關以電力加熱,且更特定地有關具有不銹鋼電阻之陽極化鋁的輻射面板。
有關技術領域包括用於家用加熱或在相當高溫度操作之產業熱爐操作目的之輻射面板。這些面板利用公式Q=R×I2 ×t表示之焦耳效應,由此產生的熱量Q與電流I有關,經由一電阻導體R於一段時間t,由於較高平均速度電子之撞擊增加被加熱。
焦耳效應產生之熱量以正常方式之一通過欲加熱之本體,即是以傳導、對流、輻射,依據何者最合適而定。例如在真空中,熱能僅以輻射傳佈,當假如熱源未接觸欲加熱之本體,可能的方式僅有對流與輻射。相反於後者所需要者,對流涉及熱源與欲加熱本體間流體物質(液體或氣體)之移動。該二種效果不能完全分離為清楚的,因為面板接觸空氣,但對流在局部加熱需要處情形可被減低,即是當置放靠近它時輻射朝向欲加熱之本體情形(例如使用紅外燈用於孵育器之應用),或輻射在欲加熱本體內部具有一直接效果(如微波爐情形)。又,因為質傳量視熟源與欲加熱本體間之熱源頭而定,明顯地加熱在相當低溫度產生,對流量被減低。於輻射面板情形嘗試以紅外線輻射而非以對流傳熱情形,且為此目的高品質導體被使用於加熱阻抗之生產;因為甚至低阻抗值需要非常大的面板,使得熱交換可產生而無需提高工作溫度過高。
阻抗為歐姆定律下設定之材料電氣特性且對金屬而言為最小的。特定阻抗ρ,或電阻率為一均勻長度與截面積電線在0℃溫度之阻抗。實務上截面以mm2 量測且長度以米量測。在此基礎上,對銅具有ρ=16*10-9 Ω m且對鋼具有ρ=137*10-9 Ω m(作為數值範圍之代表)。
最接近依據本發明作成之面板的習知技藝描述於義大利專利MI99A002336,案名為”以電力加熱之高效率安全面板”係由本發明者共同擁有。歐洲專利EP1228669B1獲得相同優先權日。鑒於在此技術領域之許多專利,歐洲專利之申請專利範圍第1項與起原先預期相比,為有點更受限。該申請專利範圍為非常長的,且其主要觀點總結如下(參考本發明敘述之第1圖):”具有一電阻置於緊閉密封三明治式結構內部之一加熱裝置,包括二剛性元件,其一者作為一加熱板,其中特徵為電阻由固定寬度高導電性材料之帶組成之盤管(55),寬度與厚度間之比率大體上為10至20,以一系列U形彎曲(70-72)形成,以一系列橫向平行雲母條(60,61)交錯,該盤管(55)被置於該室內部二片雲母(20,21)間,其中該室以一大體上矩形(10)面板形成,結果一基底結構大體上形狀如一盤(11)與一類似形狀之一個或多個封閉結構(80,81)並排裝入該基底結構(11)內……(該描述說明各種結構如何焊接一起,以使它們密封且在該室內部確保充分自由空間,以容納一定量可燃燒性氣體物質用於熱爐內應用、用於聚合合成樹脂或用於乾燥油漆或印墨,於該處可能有產生火災之風險)”。更特定地,當收納結構為金屬時,該加熱盤管從一片0.5mm厚銅或黃銅得到。相依申請專利範圍包含以上加熱面板被施加之熱爐或其它裝置。
原先觀點,在以上專利之第一項申請專利範圍中之裝置組合得到,大體上關於特定方式高度傳導材料之加熱盤管被製成以儘可能減低矩形密封容器內部之自由空間。此裝置組合其在產業熱爐可滿意地運作短至中期,其中該盤管之溫度未過度高的,約低於400℃,已證明在長期不能維持其性能,特別是盤管溫度需要超過以上界限,達到與超過700℃,如用於產業熱爐之一些情形。
第1圖之銅盤管為薄且輕的;它因此缺乏合適的熱惰性且對加熱時金屬之擴張所造成之內部應力提供少許抵抗性。銅具有高係數線性擴展,其約為二倍因為0.5mm厚度關於該帶之寬度為可忽略的。差異性擴展可因此發生在缺陷存在處,且可導致危險的結構變形。
接續於非常高溫之使用的故障分析已確認為盤管中零件在製造公差之下限下的系統破裂,即是在該處該銅條之之截面積為較窄的。第二類型之故障發生於接點。
第一類型故障之最可能解釋為甚至在沿加熱盤管之截面的最小變異可在該細長條之上對應點產生強大機械應力,且因為它是極薄的結果使它斷裂。累積斷裂之效果連鎖的主要原因在於高電壓電流在銅盤管循環通過,其中該電流為達到欲求溫度所必須。例如,具有一細長銅條20米長,2cm寬與0.5mm厚,使形成十個彎曲(由二細長條稍短於一米長且以0.5cm間隔組成),得到一面板量測值100x50cm2 且具有電阻約3.2m Ω。假定電源10kW,供應至一連續熱爐之加熱元件用於聚合,可得到約1770A之直流電流,然而會降低至約1250A因為銅之熱係數在400℃幾乎加倍。一較低值,在沿該盤管部分之一點甚至僅1/1000(千分之一),造成約3.2 μ Ω之增加阻抗,其似乎是可忽略的,但因為非常高電壓產生之效果,可產生熱功率5W之點狀增加。此造成在該細長條之面板間之殘餘空氣的體積變得過熱,其在發生的位置可相當地增加壓力。殘餘體積之出現對第1圖之盤管為固有的。重製於第1A圖中之細節(未成比例顯示)事實上顯示體積V1與V3如何形成於銅細長條70與71下面,且體積V2形成在細長條70之上。
可見到這些體積因雲母帶60彎曲以首先通過銅鄰接細長條底下而非上部所造成。該些交替雲母帶提供結構剛性防止在相鄰細長條間可能的短路,其是因該盤管相當的撓性與細長條間之小間隔所致。其應記得短路為有害的,因為它們干擾電流與較低整體電阻之均勻流動,必須從發電器增加電流或假如發電器不能供應額外電流的話在盤管中降低溫度。另一脆弱部分為短正交臂70,於該處在角落會有一局部扭力,以允許雲母條60之通過。
圖示於第1圖之該盤管結構位於二雲母片間,將它與金屬面板隔離。目前在市場上之金屬面板,如所參引者,通常會有一絕緣與熱防護漆覆鍍,其有利於紅外線輻射而不利對流。在第1圖所見之面板中,為補償由於所使用雲母整體數量之熱隔離,一溫度三角形物須設於盤管中,具有一值大於理論上需要者以在欲求溫度下加熱置於熱爐中之物體。假如面板在最高溫度被使用,絕緣漆系統性剝離具有輻射功率損失結果。
類似地,較早的磨耗已出現在接點且亦失效,歸因於在該盤管二端之高電壓電流效果,這些為機械性地較弱於結構之其他部分。
最後,在銅電線僅0.5mm厚部分之高電流密度中構成在最大熱功率之限制,其中該功率可連續以單一面板產生。對單一面板以10kW功率饋入表示在盤管之部分中約125A/mm2 之電流密度J,數值對一段期間之滿意穩定操作似乎是過高的;功率將因此需傳佈數片面板。
本發明之目的為克服目前已知在密封輻射面板中,當使用於工業熱爐中最高工作溫度時遭遇的缺點,而且維持在較低溫度環境加熱中之高度可信賴度。為達成此目的,本發明標的為用於電氣加熱之一面板,其由一密封容器組成,在其內部為一系列U形彎曲形成之平面盤管形電阻,該U形彎曲以一矩形截面、固定寬度與厚度之剛性棒形式之高傳導材料製成,如申請專利範圍第1項所描述者。
進一步優點特性將描述於附屬申請專利範圍請求項中。
依據本發明構成該盤管之該棒寬度對厚度比率與高導 電性材料二者,藉對該盤管需求之剛性與電阻長度間達成妥協被選取。較佳地形成該盤管之金屬棒的寬度與厚度間比率為小於3。例如,因為對磨耗之抵抗與低熱擴展性,有利地使鋼鐵製成之盤管為AISI 304類別,已知為不銹鋼。此類型鋼鐵之電阻率為ρ=137*10-9 Ω *mm2 /m(較大於銅),使它能得到電阻值等於平板形式之該盤管的電阻率,在約相同長度保持該電阻,利用7.75*5mm2 之一矩形截面棒,其具有寬度/厚度比率為1.55,一比率相當低於先前製成之盤管。
作為第二選擇,黃銅且甚至銅可被使用於該盤管,雖然這些金屬之特性與鋼鐵相比為較差的。接觸模組為一密封容器較高於結構之其餘部分,且在每一點以特別矽封裝密封,且可朝外部開啟。該模組外殼電氣接觸柱且機械性連接至饋入電線且旋入該盤管之終端。
密封容器面板為一鋁殼其以在邊緣焊接之平蓋封閉於最上處。該殼被施加陽極處理以在內與外側形成一絕緣氧化物。內氧化物將該鋼鐵盤管與外殼隔絕(除雲母片設置於中間外);外氧化物之厚度為相當大的(80μm)以改善熱絕緣且有利於紅外線輻射。電阻對該單一面板在相當大電源(例如7kW)之高安培數下(例如125A)被饋入低電壓直流電流(例如,60V DC)。一三相變壓器可饋入一個或多個面板以形成一烘烤箱,其為連續、垂直或水平型式。每片面板以一三相電流整流器操作,其將電流從交流轉成直流。在後蓋上,覆於電阻之中央部份上,有一J型探針其量測輻射面板內部之溫度。以此方式饋入電阻之電流可依所需之溫度而改變。
不銹鋼電阻具有線性熱擴展係數(10.5×10 6 1 )較低於一片銅片之線性熱擴展係數(2×17×10 6 1 )優點;該盤管因此在熱爐之最高溫度,超過400℃時,擁有較大的尺寸穩定度,使得當需要時,可使變得較長增加加熱表面。高尺寸穩定度大幅降低電阻上之機械應力且因此延長其壽命。
因為導體具有此等大剖面積(約40mm2 )時,它可以能夠產生高熱功率之高電壓電流饋入單一面板被使用。接點甚至使用在最高電壓下為電氣與機械式穩定的。
整體上,依本發明製成之結構為更重的(約8kg)且與目前已知者相比具有較大剛性;因此較佳能在最高操作溫度達700℃下進行重的作業,因為它能承受由於熱擴展與殘餘加工誤差所致之可能內部應力的效果。以此種連接下,相對於第1A圖中所見之盤管,其中水平部分置放在平行面板上,依據本發明之盤管為完全平面式結構,其中為較大安全性故相鄰導體間絕緣由插入之細長帶構成。內部體積如V1,V2與V3,其從該導體之上面與底下所見且會增大結構缺陷之不利效果將不再存在。此等缺陷藉將盤管之構形從所欲求厚度之一片鋼鐵切除而減至最低,其中切除使用非常高壓之水的點狀噴射進行切割。
此複雜技術降低在切割製程中之過熱且確保對電阻構形之一絕佳程度精確性。依序地,此等精確構形確保熱度之最佳可能分佈且避免危險的點過熱。
當使用目前技藝製造之面板時,其覆鍍有一層防護漆且可能在最高工作溫度下剝離,使用依據本發明之面板,此風險由於厚層氧化物牢固地結合至該結構之輻射表面,形成一體部分而被避免。
被陽極化形成之氧化物顏色依據其厚度傾向變成黑色為有利的。存在於本發明面板之厚層氧化物使它非常近似蒲朗克公式之一理想輻射器。此通常以一系列由絕對溫度之順序彼此疊加之鐘形曲線表示,每一者之縱座標具有依據射出輻射之λ波長以理想黑體輻射之能量的數量。當溫度下降λ值增加時,最大點從一曲線移至另一曲線,換句話說在紅外線中朝增加下頻率(從10 3 至0.8 μ m)。在盤管之最高工作溫度,固定在700℃(973.15度K)而無任何限制,所發出之最大輻射為包括紅外線頻譜內之λ=2.96;接續於鐘形曲線可見到射出輻射之一小部分,顯示包括於可見頻譜之窄區間中(從0.76至0.38 μ m)之一波長,使得在可見處該盤管將呈現紅色。
雖然最大優點在最高溫度為可得到的,在相當低的溫度依據本發明之輻射面板亦具有適於環境加熱之優點。在此情形中優點可見於隨時間經過之最大操作信賴性。
第2圖顯示一電熱面板,包括一大體上矩形、縱長地延伸且以蓋1COP封閉於最上端,該蓋向後彎至側面邊緣接觸殼1之內壁,在該內壁沿其整個長度被焊接。在終端其不為可見的,該蓋1COP沿較短側被焊接至殼1。殼1之可見端延伸超過蓋1COP以支持一連接器模組MDC,其為平行六面體形狀,與殼1具有相同寬度但更短。板8作為一蓋,在MDC模組之上壁中以周邊螺絲7之頂部被固定至矩形開口之邊緣。直立在該板8上者為附有電線之二圓柱形柱CL1與CL2,沿對稱之橫軸對齊。從該柱露出者為連接至一不同電流發電器(未見於圖形中)之二厚電纜。連接器模組MDC繞其周圍邊緣且沿一側壁1TST之邊緣被焊接至殼1;後者亦焊接至蓋1COP,如此在此側上封閉該面板。全部這些焊接確保顯示於該圖中之面板後部為密封式密閉的。殼1、蓋1COP、接觸模組MDC、板8與角座CL1與CL2全部為鋁;螺絲7為鍍鋅的。
第3圖顯示第2圖中該面板之一側視圖,具有以一虛線表示之探針座20,其位於約中央位置。一厚標示線穿過殼1下側之整個長度表示約80 μ厚的鋁氧化物層,該氧化物層完全覆蓋表面,且由此熱通過。
第4圖以虛線表示置於殼1中之一盤管形電阻。盤管2具有二端TRA、TRB,彼此相對在接觸模組MDC內部延伸成四分之三圓形(以下稱為似圓形)。一孔標示在探針座20之位置。三軸線分別為A-A、B-B與C-C沿殼1劃線標示第6、7與8圖中剖面部分之位置。
第5圖顯示由8個大幅伸長之U形彎曲形成之阻抗性盤管。雲母(mica)之一隔片條被置於每一對相鄰導體間,該相鄰導體以4.25mm間隔彼此相隔。用於電氣接觸螺絲之四個孔可見於該盤管2之似圓形端TRA、TRB上。一特別種類玻璃與矽封裝6亦被顯示,其置於板8底下 確保面板為密封密閉的。盤管2由一片具備矩形棒25m長、7.75mm寬、5mm厚、重約8kg形式之AISI304鋼鐵導體組成,其以如上述極精確切割一薄片製成。該盤管之整體電阻為0.471 Ω,其使用電阻率ρ=137×10 9 Ω×mm2 /m及上述設定之尺寸得到。
第6圖顯示沿第4圖中沿軸A-A切過之接觸模組MDC。該圖顯示此模組直立於殼1之一端,以一下矩形開口分享與增加內部空間,該開口留有焊接至殼1邊緣之一凹入周圍邊緣。以螺絲13旋入此邊緣,且在中央位置橫貫固定,為高熱電阻之厚熱性與電器絕緣性材料之中間支持11。二中空銅接觸柱12貫穿在絕緣支持11之二孔內部,它們以旋至柱12之螺母10的個別對從絕緣支持11之對面側被固定。接觸柱之每一者終結於較大直徑之圓形底座上,接觸電阻2之個別似圓形終端TRA、TRB,穿過延伸於該面板之整個內表面之一插入雲母片17B。接觸柱12之圓形基底以四個不銹鋼螺絲14旋入終端TRA、TRB,如此完成電氣接觸。第二雲母片17A置於終端TRA、TRB底下且位於盤管2之整體底下。
在蓋8中為二對齊接觸柱12之軸上的孔,在內部裝入二中空電纜座CL1與CL2,它們的下圓形邊緣被焊接至蓋8。在該柱CL1與CL2之自由端為具有一環螺母3之矽橡膠密封4以固持該電纜。一鍍鋅環螺母存在於柱CL1與CL2之終端。
將具有外套之電纜裝入具有蓋8升起之柱CL1與CL2中位置,接著在內部滑動直至它們抵達接觸柱12,其中內部中央導體之短空端被插入,且以二個鍍鋅螺絲9保持穩固,該些螺絲貫穿每一接觸柱12之壁。於插入該玻璃與矽封裝6後該蓋接著旋入至MDC模組之上緣。MDC模組之密封密閉藉零件4與零件6與在邊緣周圍焊接被確保。
第7圖顯示在第4圖中沿軸B-B之面板的部分。參考第7圖與顯示沿軸C-C部分之第8圖分解視圖,可見到該鋁覆蓋包括殼1與蓋1COP。殼1為具有一平底部與低側邊之突出導管形構件,以焊接壁封閉於每一端。它的尺寸約為:寬度210mm、長度1770mm且高度54mm。蓋1COP為與殼1相同形狀,雖然其為低的且稍微較窄使得在組合之最後階段可裝在其側壁上而接觸殼1之內壁,且環繞邊緣被焊接。殼1與蓋1COP二者可以合適寬度與厚度之彎曲鋁薄片製成。
殼1之基底壁顯示二層氧化物30與31(第8圖),一個在內一個在外;外層30之厚度為80 μ m,較厚於層31。在殼1之內部,置放一片雲母片17A接觸該基底之表面;將阻抗性盤管2置於薄片17A上且將第二片雲母片17B覆於該盤管上,在第二片雲母片頂部為熟與電氣絕緣層16。當接著封閉該面板時,置放蓋1接觸絕緣層16。接觸之所有層的整體厚度,延伸於整個可能長度,僅29mm。
在圖形中之中央位置為裝入探針座20之J型溫度探針22,其穿入蓋1COP為它設置之孔,且進入熱絕緣層16直至抵達雲母片17B。探針座20包覆一小型軸向圓柱體,在其內部為接觸六角形頭塞子21之一彈簧23,由此露出探針22之軸。一微小螺絲24進入套管20之壁以鎖定該小型內圓柱體與探針。溫度探針22以一電線連接(圖形中未顯示)至一系統用於整流該盤管2內部之電流。
因為氧化物31之內層為一良好電氣絕緣器,在作業中它隔絕金屬盤管2與殼1,且如此作使藉雲母片17A之絕緣更加信賴。藉循環中電流適當加熱,阻抗性盤管2主要傳導熱至殼1之內表面上,因為朝蓋1COP之傳導因被厚熱絕緣層16阻礙。由殼1之鋁所吸收的熱從殼之外表面朝本體傳佈。擴散主要受從氧化物30之外層紅外線輻射影響。
氧化物層30與31藉氧化之一”硬(hard)”陽極化製程得到。此為在低溫實施之一電解製程,於作業中一層鋁氧化物形成在該鋁片之表面上,其中該鋁片藉部分穿透在內部被處理。使用此類型處理,鋁可在最艱難之作業條件下被使用,確保在高溫(對短時間曝露達到2000℃)之結構阻抗性。硬陽極氧化亦造成經處理層顏色變暗,依據氧化物之厚度逐漸傾向成為黑色。熱傳導性約為根本鋁之熱傳導性的1/10至1/30;以此方式,隨氧化層厚度增加,輻射表面之發射率亦增加接近視為理想之”黑體”的發射率。因為氧化物31之內層的厚度為外層30厚度之一部分,內氧化層31之厚度不會顯著妨礙從盤管2至殼1之基底的熱傳。
從一較佳實施例之實現的描述,有關技藝部分之一些變化可被導入而無需逸離本發明範疇為清楚的。本發明因此包括任何與每一形式,其可依據以下申請專利範圍被製造。
1...殼
2...盤管
3...環螺母
4...矽橡膠密封
6...矽封裝
7...螺絲
8...蓋
9...螺絲
10...螺母
11...中間支持
12...接觸柱
13...螺絲
14...螺絲
16...熱絕緣層
17A...雲母片
17B...雲母片
20...探針座
21...六角形頭塞子
22...溫度探針
23...彈簧
24...螺絲
30...氧化物層
31...氧化物層
55...盤管
60...雲母條
61...雲母條
70...短正交臂
71...U形彎曲
72...U形彎曲
本發明之進一步目的與優點從其實現之以下範例詳細描述,且從例示目的之附圖變得顯明,且其並非限制性,其中:第1圖顯示依據習知技藝製成之一阻抗性盤管的一部分。
第1a圖顯示第1圖之細節。
第2圖為依據本發明電熱面板之後側的部分立體圖,顯示包括一接觸模組面板之終端,其中由該接觸模組露出連接至發電器之饋入電線。
第3圖為第2圖面板之一外形視圖。
第4圖為第2圖中面板當關閉時之平面圖,但以一虛線指示該阻抗性盤管。
第5圖為第2圖中面板之平面圖,在後面開啟以顯示該盤管之內部。
第6圖顯示該接點模阻之部分,係沿第4圖中A-A平面切除。
第7圖為沿第4圖B-B平面在溫度探針位置之該面板的部分視圖。
第8圖為沿第4圖C-C平面之部分的分解視圖。
1...殼
2...盤管
8...蓋
20...探針座
CL1,CL2...圓柱形柱
TRA,TRB...終端
1COP...蓋

Claims (17)

  1. 一種由一密封密閉容器組成的用於電氣加熱之面板,包括:具有一大體上矩形基底之一殼(1);與一外蓋(1COP),在其內部為一形狀大體上成平面盤管(2)之電阻,該平面盤管由一系列U形彎曲之高度導電性材料形成,藉插入與該盤管(2)接觸且分別與該殼(1)及該外蓋(1COP)接觸的電氣絕緣材料(17A,17B)來與該容器電氣絕緣,最小化該內部自由空間,其特徵為該高度導電性材料形成寬度與厚度固定的矩形剖面之剛性棒。
  2. 如申請專利範圍第1項之面板,其中該盤管形電阻為適於在高於400℃溫度永久操作。
  3. 如申請專利範圍第1項之面板,其中該高度導電性材料為稱為不銹鋼之鋼鐵。
  4. 如申請專利範圍第3項之面板,其中該不銹鋼包括AISI 304不銹鋼。
  5. 如申請專利範圍第3項之面板,其中具有一矩形切面之該剛性棒的寬度與厚度的比率為小於3。
  6. 如申請專利範圍第5項之面板,其中構成該盤管(2)之該棒為約20米長。
  7. 如申請專利範圍第5項之面板,其中該盤管(2)包括以約該棒之寬度分隔的鄰接平行導體。
  8. 如申請專利範圍第1項之面板,其中該密閉容器為鋁且該殼(1)之基底的外表面,結合一主要黑色、均勻散佈於整個基底的厚的陽極化氧化物層(30),以促進紅外線照 射。
  9. 如申請專利範圍第8項之面板,其中該厚的陽極化氧化物層(30)包括厚度約80μm的氧化鋁,且亦施加至該基底之內表面以形成一較薄的第二層(31)。
  10. 如申請專利範圍第1項之面板,其中在該外蓋(1COP)與該盤管(2)之間為一層熱絕緣層(16)。
  11. 如申請專利範圍第1項之面板,其中位於該盤管(2)中之每一對鄰接導體之間為一電氣絕緣材料之隔片帶。
  12. 如申請專利範圍第1項之面板,其中構成該盤管(2)之該棒的終端延伸超過該盤管本身,且加寬以呈現一似圓形(TRA,TRB)用於連接至可與饋入電線連接之接觸裝置(14,12)。
  13. 如申請專利範圍第12項之面板,其中該接觸裝置(12,14)與該盤管(2)之該似圓形結尾(TRA,TRB)被收納於與該殼(1)之一端連通的接觸模組(MDC)內部。
  14. 如申請專利範圍第13項之面板,其中該接觸裝置(12,14)包含兩個內部中空的導電接觸柱(12),用於插入與連接個別饋入電線,具有一圓形基底,該圓形基底比旋入該盤管(2)之個別似圓形結尾(TRA,TRB)之軸還寬。
  15. 如申請專利範圍第14項之面板,其中該密封接觸模組(MDC)具有一外蓋(8),該外蓋(8)在與該殼(1)之基底相對之壁中的開口的邊緣旋入,在該接觸柱(12)具有兩個孔用以收納密封電線固定器(CL1,CL2,4,1)。
  16. 如申請專利範圍第1項之面板,其中該面板含有一溫度 探針(22),該溫度探針(22)係設置成穿過該外蓋(1COP)與該熱絕緣層(16)而靠近該棒。
  17. 如申請專利範圍第16項之面板,其中該溫度探針(22)在該盤管(2)內部以電線連接至一電流整流系統。
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