專利名稱：一種真空高溫透明管式電爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及生物能源轉(zhuǎn)化和材料加工制備過程的加熱裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種真空高溫透明管式電爐。
背景技術(shù)：
目前，在生物能源轉(zhuǎn)化、材料制備、晶體生長、金屬熔化、氣固流化等研究領(lǐng)域，在研究過程中物料通常是放在電爐等加熱設(shè)備中處理，在加熱過程中往往需要觀察物料的形態(tài)變化，根據(jù)物料形態(tài)的變化可以及時精確調(diào)整和改變操作條件，才能獲得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但在現(xiàn)有的加熱設(shè)備上，要想觀察物料在加熱過程中的變化，通常需要關(guān)閉電源打開設(shè)備進(jìn)行查看，或者通過預(yù)留的觀察孔進(jìn)行觀察，操作起來非常麻煩并且很難適時、準(zhǔn)確觀察物料的變化狀態(tài)。因此，目前在上述研究領(lǐng)域中，往往無法在實(shí)驗(yàn)過程中對操作條件進(jìn)行精確調(diào)整，而是通過對最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，才在后續(xù)的研究中改變和調(diào)整操作條件，這會浪費(fèi)研究人員大量的時間和精力。如果在實(shí)驗(yàn)過程中能適時觀測到加熱裝置中的物料的形態(tài)變化，進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)操作條件進(jìn)行精確調(diào)控，就可以解決上述問題。透明電爐最早由美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)出樣機(jī)，并申請了專利(US36261M)，用于研究晶體生長、材料熔化粘結(jié)等領(lǐng)域的課題研究。專利US36^154 公開了一種透明電爐，該透明電爐主要有冷卻套、鍍金耐熱玻璃管、高溫電阻絲、石英管爐膛組成。外層耐熱玻璃管內(nèi)壁的一層黃金鍍層使電爐內(nèi)部電熱絲所發(fā)出的絕大部分紅外輻射熱反射至爐膛內(nèi)部而不散發(fā)出去，而可見光則可以順利透過該鍍層。因此，鍍金耐熱玻璃管起到了與傳統(tǒng)電爐保溫層相同的作用，同時有能確保在加熱過程中清楚地觀測到爐膛內(nèi)部物料的變化形態(tài)。該電爐的電阻絲直接通過耐火材料固定在鍍金耐熱玻璃管與石英管爐膛之間的空間內(nèi)，這樣的構(gòu)造無法避免鍍金玻璃管和石英管爐膛之間的空氣對流傳熱，外層耐高溫玻璃管內(nèi)壁的鍍層直接受電阻絲輻射，所以，在使用過程中金屬鍍層的溫度比較高，需要設(shè)置冷卻套。隨后，美國的Thermcraft公司采用麻省理工學(xué)院的技術(shù)開發(fā)出了可商業(yè)應(yīng)用的透明電爐產(chǎn)品，并對電爐進(jìn)行了改進(jìn)，在鍍金耐熱玻璃管和發(fā)熱電阻絲之間多加了一層石英管，以保護(hù)鍍金層。但是，無論是Thermcraft公司，還是日本石川產(chǎn)業(yè)株式會社引進(jìn)Thermcraft公司技術(shù)生產(chǎn)的透明電爐，其外層鍍金石英管和內(nèi)層石英管之間均沒有進(jìn)行抽真空處理。因此，在加熱過程中，兩層石英管之間的空氣會產(chǎn)生對流傳熱，這增加了電爐的熱損失，使外層鍍膜石英管暴露在較高的溫度下，降低了鍍膜的使用壽命。鑒于鍍膜層對溫度的耐受范圍，使電爐無法在超過1000°C的溫度下長期使用，限制了電爐的應(yīng)用范圍。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對國外現(xiàn)有的透明電爐存在的使用溫度偏低、對流熱損失大、運(yùn)行過程中外壁表面溫度偏高等問題，對現(xiàn)有的透明電爐進(jìn)行改進(jìn)，提供一種可在彡1000°c溫度下長期使用、熱損失較小的透明電爐。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采取了以下技術(shù)方案—種真空高溫透明管式電爐，包括電爐底座，由內(nèi)、外層石英管密封構(gòu)成雙層石英管爐體，雙層石英管爐體安裝在兩側(cè)的電爐擋板之間，電爐擋板固定在電爐底座上。外層石英管的內(nèi)壁上鍍有金屬薄膜。外層石英管和內(nèi)層石英管兩端端口用石英片密封以固定內(nèi)外兩層石英管之間的空間，所述外層石英管及內(nèi)層石英管之間為真空狀態(tài)的封閉空腔。內(nèi)層石英管內(nèi)可放置石英管爐膛，在圍繞石英管爐膛的內(nèi)層石英管的內(nèi)壁上設(shè)置有發(fā)熱元件， 發(fā)熱元件與外界電連接。石英管爐膛為可以取出的獨(dú)立部件，其位于內(nèi)層石英管內(nèi)的中間部分為加熱區(qū)域。石英管爐膛可以根據(jù)具體需要選用合適的長度，并且兩端可以與不銹鋼密封件、閥門等裝置相連，來控制實(shí)驗(yàn)過程中石英管爐膛內(nèi)的氣氛、壓力等參數(shù)。本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)是為了防止電爐垂直放置使用時加熱元件滑落堆積在一起造成短路，可在內(nèi)層石英管的內(nèi)壁上設(shè)置固定支架。加熱元件兩頭分別從內(nèi)層石英管兩端引出，經(jīng)連接元件接交流電源。外層石英管內(nèi)壁金屬薄膜的厚度可為10-120nm，優(yōu)選為50-80nm。金屬薄膜優(yōu)選為鍍金層。更厚的鍍金層可以提高電爐的使用溫度。內(nèi)外兩層石英管之間的空腔為真空可以減少和避免外層石英管和內(nèi)層石英管之間孔隙的對流傳熱，降低電爐的熱損失，同時使外層石英管在使用過程中保持較低溫度。本實(shí)用新型無需保溫材料，而是在電爐外層石英管內(nèi)壁鍍上一層金屬薄膜，優(yōu)選為鍍金薄膜，鍍金層具有反射紅外光而允許可見光透過的特殊性能，從而使電阻絲產(chǎn)生的紅外輻射熱反射至電爐內(nèi)部而不向外損失，同時又能在電爐外面清楚觀測加熱物料的變化。將放在透明石英管爐膛中的物料和樣品置于透明電爐中進(jìn)行熱處理時，研究人員可以隨時通過透明的電爐壁觀測到反應(yīng)器中的物料形態(tài)變化，為研究工作帶來了極大的便利。 另一方面，由于本實(shí)用新型的透明電爐不需要傳統(tǒng)電爐上使用的耐火材料和保溫材料進(jìn)行隔熱保溫，從而使電爐的重量大大降低，通常低于相同功率傳統(tǒng)電爐的十分之一，特別適合于對設(shè)備重量要求非常嚴(yán)格的場所，如空間站、航天飛機(jī)等。本實(shí)用新型與傳統(tǒng)電爐相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)可以在加熱過程中能用裸眼直接觀測到樣品的形態(tài)變化，電爐無需隔熱保溫材料、重量不到傳統(tǒng)電爐的十分之一，升溫和降溫速度快，更節(jié)能環(huán)保。與國外現(xiàn)有的同類透明電爐相比，雙層石英管之間采用抽真空處理， 對流熱損失更小、可以在更高溫度下使用、在使用過程中石英管外表面溫度低、鍍層使用壽命更長。

圖1為本實(shí)用新型的軸向剖面示意圖；圖2為兩端電爐擋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為高溫電阻絲結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明1-外層石英管，2-金屬薄膜，3-內(nèi)層石英管，4-高溫電阻絲，5-石英管爐膛，6-電爐擋板，7-物料樣品，8-電爐底座，9-電阻絲卡槽。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型的內(nèi)容做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本實(shí)用新型包括電爐底座8，由內(nèi)層石英管3與外層石英管1密封構(gòu)成雙層石英管爐體，外層石英管1和內(nèi)層石英管3兩端端口用石英片密封以固定內(nèi)外兩層石英管之間的空間，外層石英管1及內(nèi)層石英管3之間為真空狀態(tài)的封閉空腔。雙層石英管爐體安裝在兩側(cè)的電爐擋板6之間，電爐擋板6固定在電爐底座8上，外層石英管1的內(nèi)壁上鍍有金屬薄膜2，內(nèi)層石英管3內(nèi)可放置石英管爐膛5，在圍繞石英管爐膛5的內(nèi)層石英管3的內(nèi)壁上設(shè)置有高溫電阻絲4。石英管爐膛5為可以取出的獨(dú)立部件，其位于內(nèi)層石英管3內(nèi)的中間部分為加熱區(qū)域。石英管爐膛5可以根據(jù)具體需要選用合適的長度，并且兩端可以與不銹鋼密封件、閥門等裝置相連，來控制實(shí)驗(yàn)過程中石英管爐膛內(nèi)的氣氛、壓力等參數(shù)。高溫電阻絲4可采用耐高溫鉻鋁鈷合金電阻絲或康泰爾合金電阻絲。如圖3所示， 將電阻絲繞成直徑略小于內(nèi)層石英管內(nèi)徑的螺旋形狀，并緊貼內(nèi)層石英管3內(nèi)壁放置。根據(jù)電爐的尺寸和功率，可采用一組或多組高溫電阻絲，并對每組電阻絲進(jìn)行單獨(dú)控制以便于調(diào)節(jié)溫度。為了防止電爐垂直放置使用時電阻絲滑落堆積在一起造成短路，在螺旋形電阻絲外圍與軸向平行方向均勻焊接三根防止電阻絲滑落的固定支架。如圖2所示，兩端電爐擋板6上分別開有比外層石英管1外徑稍大的圓孔以放置雙層石英管爐體，并另設(shè)有電阻絲卡槽9。高溫電阻絲4兩頭分別從內(nèi)層石英管3兩端引出，通過電阻絲卡槽9深入到電爐底座8下部，經(jīng)連接元件接交流電源。實(shí)施例1 外層石英管1直徑114mm、長508mm，金屬薄膜2為厚度SOnm的鍍金層，內(nèi)層石英管3直徑64mm、長508mm，采用進(jìn)口康泰爾電阻絲(Kanthal wires)，電阻絲直徑2mm、功率 4Kw，兩端電爐擋板6高202mm、寬150mm、厚40mm,電爐底座8長610mm、寬213mm、高76mm， 內(nèi)外層石英管之間的空隙進(jìn)行抽真空處理，相對真空度為-75KPa，選配智能溫度控制柜。實(shí)施結(jié)果如下室溫至1000°C升溫時間只需15分鐘，可在1000°C下長期工作，最高使用溫度可達(dá) IlOO0C，從1000°C降溫至300°C只需20分鐘，使用溫度為1000°C時，外層石英管表面溫度為 2800C ；當(dāng)操作溫度達(dá)到700°C以上時，電爐內(nèi)部的加熱物料清晰可見。實(shí)施例2 外層石英管1直徑112mm、長508mm，金屬薄膜2為厚度50nm的鍍金層，內(nèi)層石英管3直徑42mm、長508mm，采用進(jìn)口康泰爾電阻絲(Kanthal wires)，電阻絲直徑1mm、功率 3Kw，兩端電爐擋板6高152mm、寬142mm、厚40mm，電爐底座8長610mm、寬213mm、高76mm， 內(nèi)外層石英管之間的空隙進(jìn)行抽真空處理，相對真空度為_75KPa，選配智能溫度控制柜。實(shí)施結(jié)果如下室溫至1000°C升溫時間只需18分鐘，可在950°C下長期工作，最高使用溫度可達(dá) 1000°C，從950°C降溫至300°C只需20分鐘，使用溫度為900°C時，外層石英管表面溫度為 2400C ；當(dāng)操作溫度達(dá)到700°C以上時，電爐內(nèi)部的加熱物料清晰可見。
權(quán)利要求1.一種真空高溫透明管式電爐，包括電爐底座，由內(nèi)、外層石英管密封構(gòu)成雙層石英管爐體，雙層石英管爐體安裝在兩側(cè)的電爐擋板之間，電爐擋板固定在電爐底座上，外層石英管的內(nèi)壁上鍍有金屬薄膜，其特征在于外層石英管和內(nèi)層石英管兩端端口用石英片密封以固定內(nèi)外兩層石英管之間的空間，所述外層石英管及內(nèi)層石英管之間為真空狀態(tài)的封閉空腔；內(nèi)層石英管內(nèi)放置石英管爐膛，在圍繞石英管爐膛的內(nèi)層石英管的內(nèi)壁上設(shè)置有發(fā)熱元件，發(fā)熱元件與外界電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的真空高溫透明管式電爐，其特征在于所述外層石英管內(nèi)壁上鍍有的金屬薄膜為鍍金層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的真空高溫透明管式電爐，其特征在于所述外層石英管內(nèi)壁上鍍有金屬薄膜的厚度為10-120nm。
4.如權(quán)利要求3所述的真空高溫透明管式電爐，其特征在于所述外層石英管內(nèi)壁上鍍有金屬薄膜的厚度為50-80nm。
5.如權(quán)利要求1所述的真空高溫透明管式電爐，其特征在于在內(nèi)層石英管的內(nèi)壁上設(shè)置加熱元件的固定支架。
6.如權(quán)利要求1或5所述的真空高溫透明管式電爐，其特征在于所述加熱元件兩頭分別從內(nèi)層石英管兩端引出，經(jīng)連接元件接交流電源。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種真空高溫透明管式電爐。包括電爐底座，由內(nèi)、外層石英管密封構(gòu)成雙層石英管爐體，雙層石英管爐體安裝在兩側(cè)的電爐擋板之間，電爐擋板固定在電爐底座上，外層石英管的內(nèi)壁上鍍有金屬薄膜，外層石英管和內(nèi)層石英管兩端端口用石英片密封以固定內(nèi)外兩層石英管之間的空間，外層石英管及內(nèi)層石英管之間為真空狀態(tài)的封閉空腔；內(nèi)層石英管內(nèi)放置石英管爐膛，在圍繞石英管爐膛的內(nèi)層石英管的內(nèi)壁上設(shè)置有發(fā)熱元件，發(fā)熱元件與外界電連接。本實(shí)用新型與現(xiàn)有的透明電爐相比，對流熱損失更小、可以在更高溫度下使用、鍍層使用壽命更長。無需隔熱保溫材料、重量不到傳統(tǒng)電爐的十分之一，升溫和降溫速度快，更節(jié)能環(huán)保。
文檔編號F27B17/02GK202281506SQ20112037992
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者何方, 李海濱, 趙坤, 趙增立, 黃振 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所