Электронагревательная плита

30 15/34 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Минский станкостроительный завод им. С.М.Кирова(73) Патентообладатель Минский станкостроительный завод им. С.М.Кирова(57) 1. Электронагревательная плита, содержащая корпус, по крайней мере, с одним каналом, с введенным в него нагревательным элементом, изготовленным из электрорезистивного материала, помещенного в теплопроводящий изолятор, отличающаяся тем, что теплопроводящий изолятор выполнен из эластичного материала, а нагревательный элемент установлен в канале с натягом, величина которого не менее модуля разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента в диапазоне рабочих температур плиты, увеличенного на сумму высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей. 2. Электронагревательная плита по п. 1, отличающаяся тем, что теплопроводящий изолятор нагревательного элемента выполнен из материала с коэффициентом теплопроводности не менее, чем 10 вт/(мград).(56) 1. Чистяков А. Прессы для деревообрабатывающей промышленности.-М. Лесная промышленность,1970.-С.142-144. 2. Афанасьев П. С Конструкции и расчеты деревообрабатывающего оборудования.-М, 1970.-С. 393,(прототип). Изобретение относится к средствам электрического нагрева, в частности - к электронагревательным плитам и может быть использовано в горячих прессах. Известны электронагревательные плиты, содержащие корпус, с каналами, в которые помещены электрорезистивные нагревательные элементы. Электрорезистивные элементы электрически изолированы от корпуса плиты теплопроводящим изолирующим покрытием. Корпус защищает нагревательные элементы от механических нагрузок, возникающих при эксплуатации плит 1. Недостатком таких плит является сравнительно неравномерное распределение температуры на их поверхности. Известна электронагревательная плита, в которой все сечение между поверхностью электрорезистивного элемента и внутренней поверхностью канала корпуса заполнено (запрессовано) изолирующим теплопроводящим покрытием 2. Корпус плиты имеет большую жесткость, обеспечивающую ее эксплуатацию при больших (сотни и тысячи тонн) нагрузках. Поскольку, согласно закону Фурье, тепловой поток через плоскую стенку прямо пропорционален коэффициенту теплопроводности материала стенки, разности температур на ограничивающих поверхностях (температурному напору), площади поверхности стенки и обратно пропорционален ее толщине, то заполнение пустот между электрорези 2152 1 стивным элементом и внутренней поверхностью канала корпуса плиты материалами с увеличенным коэффициентом теплопроводности (например, периклазовыми порошками) позволило обеспечить технологически заданный тепловой поток при минимальном температурном напоре между поверхностями электрорезистивного элемента и плиты. За счет этого была увеличена надежность и долговечность электронагревательной плиты. Описанная конструкция является прототипом настоящего изобретения. Одним из ее недостатков является низкая надежность и долговечность при работе с большими изгибными знакопеременными нагрузками, т.к. при этом в монолитно спрессованном периклазе появляются трещины уменьшающие электрическую прочность и увеличивающие пористость изолятора. Постоянное трение частиц периклаза, обладающих абразивными свойствами, об электрорезистивный элемент приводит к износу и уменьшению его долговечности. При увеличении пористости изолятора, площадь контакта сопрягаемых поверхностей электрорезистивного элемента, изолятора и корпуса уменьшается, появляются воздушные зазоры. Это снижает коэффициент теплопроводности на участке электрорезистивный элемент - внутренняя поверхность канала плиты. При этом, для обеспечения технологически заданного теплового потока, требуется, согласно закону Фурье, увеличение температурного напора между поверхностями нагревательного элемента и корпуса плиты. Это дополнительно снижает ее надежность и долговечность. Поскольку электрорезистивные элементы и изоляторы имеют определенную массу, то необходимость их дополнительного нагрева до более высокой температуры увеличивает энергопотери и время на разогрев плиты. Другим недостатком прототипа является плохая ремонтопригодность, т. к. запрессовка изолирующего теплопроводящего покрытия в канал плиты делает фактически неразборным соединение нагревателя с плитой. Изобретение решает задачи повышения надежности, увеличения срока службы, уменьшения энергопотерь и времени на разогрев при работе плиты с большими изгибными знакопеременными нагрузками, улучшения ее ремонтопригодности. Эти задачи решаются за счет того, что согласно изобретению нагревательная плита содержит, как и прототип,корпус с каналом, по крайней мере одним, и введенный в канал нагревательный элемент, изготовленный из электрорезистивного материала, помещенного в теплопроводящий изолятор. В отличие от прототипа изолятор выполнен из эластичного материала, а нагревательный элемент установлен в канале с натягом, величина которого не менее, чем модуль разности величин теплового расширения канала и нагревательного элемента в рабочем диапазоне температур, увеличенный на сумму высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Сопряжение канала и нагревательного элемента с указанным натягом гарантирует контакт сопрягаемых поверхностей при температуре окружающей среды и сохранение контакта при нагреве до рабочей температуры. Изготовление изолятора из эластичного материала исключает образование пор, трещин и абразивных частиц при работе плиты с большими изгибными знакопеременными нагрузками. При этом обеспечивается разборность конструкции и улучшается ее ремонтопригодность. Поскольку коэффициент теплопроводности на участке нагревательный элемент - внутренняя поверхность канала плиты имеет наивысшее значение при плотном контакте и минимальной пористости сопрягаемых поверхностей, его сохранение при нагреве в рабочем диапазоне температур позволяет получить технический результат,состоящий в том, что рабочий температурный напор, величина энергии и время на разогрев плиты получаются наименьшими по сравнению с электронагревательными плитами других конструкций. Этим достигается решение поставленных задач. Другим отличием является то, что эластичный изолятор по настоящему изобретению изготовлен из материала с коэффициентом теплопроводности не ниже 10 Вт/мград. При таком выборе материала рабочий температурный напор в плите еще более уменьшается, что дополнительно увеличивает ее надежность и долговечность. Изобретение иллюстрируется чертежом, где показано на фиг. 1 - вариант конструкции электронагревательной плиты с плоским нагревательным элементом, виды в плане и сбоку на фиг. 2 - вариант конструкции электронагревательной плиты с круглым нагревательным элементом, виды в плане и сбоку. Согласно изобретению, электронагревательная плита содержит разъемный корпус 1 с каналом, в котором размещен нагревательный элемент 2, состоящий из электрорезистивного материала 3, помещенного в теплопроводящий изолятор, выполненный из эластичного материала. Нагревательный элемент 2 сопряжен с корпусом 1 плиты по посадке с натягом. Величина натяга выполняется не менее модуля разности величин теплового расширения канала корпуса 1 плиты и нагревательного элемента 2, в диапазоне рабочих температур, увеличенного на сумму высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей канала корпуса 1 и нагревательного элемента 2. 2152 1 Материал теплопроводящего изолятора нагревательного элемента 2 выбран таким, чтобы он имел коэффициент теплопроводности не ниже, чем 10 Вт/мград., например теплопроводящая керамико-полимерная композиция. Описанная плита работает следующим образом. При протекании электрического тока через электрорезистивный элемент 3, за счет рассеивания мощности на его активном сопротивлении, в нем выделяется тепло. Тепловой поток проходит через теплопроводящий изолятор к внешней поверхности нагревателя 2, сопряженной с корпусом 1 плиты по посадке с натягом, обеспечивающим хороший тепловой контакт сопрягаемых поверхностей. Поскольку величина натяга выполнена такой, что этот контакт сохраняется как в холодном так и в горячем состоянии плиты в рабочем диапазоне температур, то тепловой поток от внешней поверхности нагревателя 2 проходит к внутренней поверхности канала корпуса 1 плиты с минимальными потерями. Перенос тепла на наружные рабочие поверхности корпуса 1 плиты происходит за счет теплопроводности корпуса 1. За счет эластичности теплопроводящего изолятора обеспечивается минимальный износ и сохранение хорошего теплового контакта нагревателя 2 с корпусом 1 плиты при ее работе с большими изгибными нагрузками. Так, при изготовлении корпуса 1 электронагревательной плиты из стали (коэффициент теплового линейного расширения 1110-6 1/град) с каналом прямоугольной формы высотой Н 3 мм, тепловое расширение канала при изменении температуры плиты от 120 С до 2150 С составит Нк(2-1)31110-6(150-20)4,2910-3(мм),где Нк- тепловое расширение канала Н- высота канала в корпусе плиты а- коэффициент теплового линейного расширения корпуса плиты 2- верхнее значение рабочей температуры плиты 1- температура плиты в холодном состоянии. При высоте микронеровностей сопрягаемых поверхностей канала корпуса 1 плиты и нагревательного элемента 2 Нмо 2,510-3 мм их суммарная величина составит Нм 4 Нмо 42,510-310-2(мм),где Нм- суммарная величина микронеровностей сопрягаемых поверхностей нагревательного элемента и корпуса плиты Нмо- высота микронеровностей каждой из сопрягаемых поверхностей нагревательного элемента и корпуса плиты. Если условно принять тепловое расширение нагревательного элемента 2 Нн 0, то величина натяга при укладке нагревателя в канал корпуса 1 плиты (превышение толщины нагревательного элемента 2 над высотой канала), должна быть не менее чемкНм 4,2910-310-21,42910-2 (мм),где В- расчетная величина натяга в сопряжении нагревательного элемента с корпусом плиты к- тепловое расширение канала корпуса плиты в диапазоне рабочих температур Нм - суммарная высота микронеровностей сопрягаемых поверхностей нагревательного элемента и корпуса. При учете температурного расширения нагревателя величина натяга может быть меньше рассчитанной величиныт.к. для реально существующих материалов используемых для изготовления нагревателей Нн 2 Нк и Нк-нк,где Нн- тепловое расширение нагревательного элемента в диапазоне рабочих температур к- тепловое расширение канала корпуса плиты в диапазоне рабочих температур. Если в исполнении по фиг. 1 фактическая толщина нагревательного элемента 2, установленного в канал корпуса 1 плиты, равна 3,1 мм, то наибольшая величина деформации (сжатия) нагревательного элемента 2 в канале корпуса 1 плиты составит ВфВф-ННм 3,1-310-20,11 (мм),где Вф- фактическое максимальное сжатие нагревательного элемента в канале корпуса плиты Вф- фактическая толщина нагревательного элемента Н- высота канала в корпусе плиты Нм- суммарная высота микронеровностей сопрягаемых поверхностей нагревателя и корпуса плиты. При выполнении электрорезистивного элемента 3 в виде углеродно-тканевой ленты толщиной Вн 0,5 мм и отсутствии его сжатия, относительное сжатие эластичного теплопроводящего изолятора составляет Виф 100/(ф-н)0,11100/(3,1-0,5)4,23,гд и- тнитльн сжатие теплопроводящего изолятора ф- фактичк максимальное сжатие нагревательного элемента в канале корпуса плиты Вф- фактическая толщина нагревательного элемента Вн- толщина электрорезистивного элемента. 2152 1 Таким образом, для приведенного примера, величина относительной остаточной деформации при сжатии эластичного изолятора на 4,23 при температуре 150 С может составлять 100-100/ф 100-1,42910-2100/0,1187,где Во- величина относительной остаточной деформации теплопроводящего эластичного изолятора- расчетная величина натяга в сопряжении нагревателя с корпусом плиты Вф- фактическое максимальное сжатие нагревательного элемента в канале корпуса плиты. По результатам испытаний опытных образцов эластичных теплопроводящих изоляторов, изготовленных из теплопроводящей керамико-полимерной композиции, фактическая величина относительной остаточной деформации при сжатии изолятора на 4,23 при температуре 150 С составила не более 30. Это показывает,что при реально выполнимых требованиях к сохранению эластичности теплопроводящего изолятора возможно обеспечить сопряжение теплопередающих поверхностей нагревательного элемента 2 и корпуса 1 нагревательной плиты по посадке с натягом, при котором плотный контакт между ними, достигнутый за счет упругого сжатия изолятора, не утрачивается в рабочем диапазоне температур плиты, обеспечивая возможность поддержания максимальной величины теплового потока на участке электрорезистивный элемент 3 - корпус 1 при работе плиты с большими изгибными знакопеременными нагрузками. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4