ES2228525T3 - Elementos calentadores electricos, constituidos, por ejemplo, por carburo de silicio. - Google Patents

Abstract

Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica, que comprende: a) zonas calientes (16) de tres o más patas cerámicas (14, 15), que se definen como constituidas por las regiones del elemento en las que se produce al menos la mayor parte del calentamiento eléctrico, de tal manera que al menos una de las patas es, efectivamente, en su totalidad una zona caliente (16), y al menos dos de las patas comprenden, cada de una de ellas, una zona caliente (16) y una zona fría (17); b) un cierto número de porciones (18) de terminal de pata, dispuestas adyacentemente a las zonas frías (17), y que es menor que el número de patas, las cuales están destinadas a su conexión a una fuente de alimentación de potencia; y c) porciones de puente cerámicas (19), que proporcionan la capacidad de conexión eléctrica entre las patas.

Description

Elementos calentadores eléctricos, constituidos, por ejemplo, por carburo de silicio.

Esta invención se refiere a elementos calentadores cerámicos de resistencia eléctrica y puede aplicarse, de manera particular, si bien no exclusivamente, a elementos calentadores eléctricos de carburo de silicio.

El calentamiento por resistencia eléctrica es un procedimiento bien conocido. Se hace pasar electricidad a través de un elemento resistivo que genera calor de acuerdo con leyes eléctricas bien conocidas. Uno de los grupos de elementos calentadores de resistencia eléctrica comprende barras de carburo de silicio que tienen una resistencia eléctrica que varía a lo largo de su longitud. En estos elementos, la mayor parte del calor que se genera se produce en partes de elevada resistencia a las que se hace referencia como la "zona caliente", y en partes de resistencia más baja, en las que se genera menos calor y que se denominan "extremos fríos". Las barras son, convencionalmente, barras sólidas, barras tubulares o barras tubulares recortadas helicoidalmente. El propósito de recortar helicoidalmente una barra tubular es incrementar la longitud del camino o recorrido de la electricidad a través de la zona caliente, así como reducir el área en sección transversal del recorrido de conducción, e incrementar de esta forma la resistencia eléctrica. Barras típicas de este tipo son los elementos del Tipo X ("Type X") de Crusilite^{TM} y las barras SG de Globar^{TM}. Las barras tubulares recortadas helicoidalmente de esta naturaleza se conocen desde hace al menos cuarenta años.

En una de tales barras tubulares, las conexiones eléctricas se realizan en los extremos fríos situados a cada lado de la zona caliente. Para algunos propósitos es deseable disponer los terminales eléctricos en uno de los extremos. En consecuencia, se conoce desde hace al menos 30 años la práctica de proporcionar una barra tubular que tiene una doble hélice, de tal manera que uno de los extremos de la barra se encuentra dividido para proporcionar terminales eléctricos de extremo frío, y el otro extremo proporciona una junta de unión entre las dos hélices. Elementos típicos de este tipo son los elementos DS de Crusilite^{TM} y los elementos SGR o SR de Globar^{TM}.

La práctica actual para los elementos de Crusilite^{TM} (X, MF, DS & DM) consiste en recortar la acanaladura helicoidal en el tubo de carburo de silicio con el uso de una rueda o fresa de diamante. El paso de la hélice depende de la resistencia que tenga el tubo de carburo de silicio y de la resistencia que se requiera para el elemento de Crusilite^{TM}. Cuanto más apretado o estrecho sea el paso, mayor será la resistencia que se obtenga de un tubo dado. Para un elemento de doble hélice (DS o DM), se realizan dos recortes helicoidales, comenzando a 180º uno de otro y de tal manera que la segunda hélice quede en una posición intermedia o a medio camino entre las vueltas o espiras de la primera hélice. La hélice se prolonga a continuación en uno de sus extremos mediante hendimiento con una sierra de diamante, de tal manera que el extremo hendido se convierte en el extremo de terminal para las conexiones eléctricas.

Para fabricar el elemento helicoidal de Globar^{TM} (SG, SGR), se recorta la hélice en el tubo con el uso de un taladro de diamante antes de su cocción. Para el elemento de doble hélice (SGR) se emplean dos recortes a situados 180º uno del otro. Después de recortar las hélices, el material se cuece siguiendo un procedimiento de dos etapas durante el cual se controla o supervisa la resistencia final.

Todos estos elementos (X, MF, DS, DM, de Crusilite^{TM}, y SG, SGR, de Globar^{TM}) son elementos de una única fase, o monofásicos, y se utilizan en una amplia variedad de hornos, tanto industriales como de laboratorio, que funcionan, por ejemplo, a temperaturas entre 1.000ºC y 1.600ºC.

En la circunstancia de que se requieran altos niveles de calentamiento y el número de unidades de calentamiento sea un múltiplo de tres, es frecuentemente el caso que se emplee una fuente de suministro de potencia trifásica. Es deseable que la potencia en cada una de las tres fases sea la misma y, por esta razón, los elementos monofásicos se instalan normalmente en múltiplos de tres. De manera alternativa, es posible utilizar elementos de carburo de silicio trifásicos, lo que garantiza una carga trifásica equilibrada en los casos en que el número de elementos instalados no sea divisible por tres. Convencionalmente, los elementos eléctricos trifásicos de carburo de silicio consisten en tres patas unidas por un puente común. Las patas se disponen, por lo común, bien en un plano (de tal modo que el elemento tiene el aspecto de un triple poste (stumps) de críquet) o bien formando un triángulo (con una disposición a la que se hace referencia a veces como forma de taburete de ordeño, o a modo de triple U). La disposición de triple poste de críquet se conoce al menos desde 1957 (véase el documento GB 845.496) y la disposición de triple U al menos desde 1969. La fabricación de dichos elementos requiere, de manera convencional, la fabricación independiente de las patas del elemento y su subsiguiente unión a un puente. Se ha propuesto en el pasado fabricar dichos elementos por colada en una sola pieza, pero los elementos de una sola pieza no son lo habitual en el mercado. También se ha propuesto combinar elementos con recortes de triple hélice uniéndolos a un puente común en disposición del tipo de triple poste de críquet (véase el documento GB 1.279.478).

Se conoce la práctica de combinar pares de elementos en una configuración generalmente con forma de U, de tal manera que los terminales de los elementos se encuentren en uno de los extremos. Un caso típico de tales elementos es el elemento en U del tipo Kanthal. (Para otros elementos con forma de U, véanse, por ejemplo, los documentos GB 838.917 y US 3.964.943.) Es posible que se necesiten varios de estos elementos para una aplicación de calentamiento dada. En aplicaciones en las que existen espacios cerrados o confinados, puede resultar extremadamente complejo proporcionar disposiciones adecuadas para conectar los elementos a una fuente de alimentación eléctrica. Además, es necesario proporcionar un gran número de orificios para la alimentación en potencia de estos elementos. Estos orificios pueden poner en peligro la integridad estructural del aislamiento térmico de un aparato calentador y, además, van en detrimento de la eficiencia térmica, ya que el calor puede pasar el exterior del horno a través de los orificios o a lo largo de los conductores. Una disposición que se ha propuesto es la del documento GB 1.123.606, el cual describe una disposición denominada de "jaula de ardilla" de elementos de barra, montados en ella y separados unos de otros por anillos refractarios, e interconectados o unidos entre sí mediante uniones de tornillo con conductores de puente. Esta disposición es compleja e incluye un gran número de interconexiones eléctricas.

Los presentes inventores se han percatado de que estas deficiencias pueden reducirse considerablemente si se proporcionan elementos de calentamiento que comprenden tres o más patas, un número de porciones de terminal menor que el número de patas, así como porciones de puente que proporcionan capacidad de conexión eléctrica entre las patas. El ámbito real de la invención se pondrá de manifiesto a partir de las reivindicaciones que se acompañan y con referencia a la siguiente descripción, hecha en relación con los dibujos que la siguen, en los cuales:

la Figura 1 es una vista en alzado frontal de un elemento del tipo en U convencional;

la Figura 2 es una vista en alzado frontal de un elemento de calentamiento eléctrico, trifásico y convencional, del tipo de triple poste de críquet;

la Figura 3 es una vista desde un extremo de un elemento de calentamiento eléctrico, trifásico y convencional, del tipo de taburete de ordeño;

la Figura 4 es una vista lateral de un elemento de calentamiento eléctrico convencional, recortado en forma de una sola hélice;

la Figura 5 es una vista lateral de un elemento de calentamiento eléctrico plano y de cuatro patas, de acuerdo con los principios de la presente invención;

la Figura 6 es una vista lateral de un elemento de calentamiento eléctrico de cuatro patas en configuración de conjunto cuadrada, de acuerdo con la presente invención;

la Figura 7 es una vista desde un extremo del elemento de la Figura 6;

la Figura 8 es una vista en planta de un elemento adicional de calentamiento eléctrico de cuatro patas en configuración de conjunto cuadrada, de acuerdo con la presente invención;

la Figura 9 es una vista en planta del elemento de la Figura 5;

la Figura 10 es una vista en planta de un elemento de calentamiento eléctrico de cuatro patas en configuración de conjunto curva, de acuerdo con la presente invención; y

la Figura 11 es una vista en planta de un elemento de calentamiento eléctrico trifásico y de seis patas, de acuerdo con la presente invención.

En la Figura 1 se muestra un elemento 1 convencional con forma de U. De manera convencional, dichos elementos se fabrican de carburo de silicio y comprenden dos patas 2, dispuestas en un plano y unidas por medio de un puente 3. Las patas 2 tienen porciones 4 que definen la zona caliente de los elementos, así como porciones 5 que definen los extremos fríos. La conexión eléctrica se realiza en los extremos 6 más alejados del puente 3. La provisión de las zonas calientes 4 y de los extremos fríos 5 se realiza convencionalmente modificando la resistividad eléctrica de las barras de carburo de silicio (por ejemplo, por impregnación con una aleación de silicio para rebajar la resistencia). De forma alternativa a la modificación de la resistividad eléctrica, o además de ello, puede lograrse un efecto similar modificando el área en sección transversal de las patas.

La Figura 2 muestra un elemento trifásico convencional 7, del tipo de tripe poste de críquet trifásico, el cual se ha confeccionado de la misma manera que el elemento con forma de U de la Figura 1.

En la Figura 3 se muestra una vista desde un extremo de un elemento trifásico convencional 8, del tipo de triple U o taburete de ordeño. Dicho elemento se ha fabricado con las mismas técnicas que el elemento de triple poste de críquet convencional, si bien las tres patas 2 se han dispuesto lado con lado en una disposición de conjunto triangular, y se han unido mediante un puente 9. Dicha disposición es más compacta que una disposición de triple poste de críquet.

En la Figura 4 se ilustra una vista lateral de un elemento monofásico convencional 10, provisto de un único recorte en forma de hélice. Este elemento 10 comprende un tubo de carburo de silicio que tiene una porción recortada helicoidalmente 11 que define el extremo caliente del elemento, y porciones sin recortar 12, que definen los extremos fríos. El recorte en forma de hélice implica que la zona caliente 11 presenta una sección transversal eléctrica más estrecha que la de un tubo sin recortar, y que tiene también una longitud efectiva mayor y, por tanto, presenta una resistencia más alta que la que tiene la misma longitud de tubo sin recortar. El material de los extremos fríos es, convencionalmente, idéntico al de la zona caliente, pero su resistividad puede ser rebajada, por ejemplo, por impregnación con una aleación de silicio, o bien uniéndolo a un material de menor resistividad, a fin de incrementar adicionalmente la relación de resistencias entre la zona caliente y los extremos fríos.

Las Figuras 5 y 9 muestran un elemento calentador 13 generalmente plano, de acuerdo con la presente invención. Se han dispuesto cuatro patas 14, 15, de tal manera que las patas 14 son más largas que las patas 15 y comprenden una zona caliente 16 y un extremo frío 17, y los extremos o terminaciones 18 de los extremos fríos 17 están destinados a la conexión a una fuente de alimentación eléctrica. Las patas 15 constituyen, en su totalidad, zona caliente. Las patas 14 y 15 se encuentran conectadas en serie a través de puentes 16. Esta disposición permite que se incorporen cuatro zonas calientes en un horno u otro aparato de calentamiento con tan solo la necesidad de dos terminales. Los puentes 19 pueden encontrarse totalmente dentro de la parte aislada del horno u otro aparato de calentamiento. Por estos medios, el aislamiento tan solo es traspasado o penetrado por dos extremos fríos 17, en tanto que un horno convencional que comprende cuatro barras individuales será traspasado por ocho extremos fríos, y un horno que contiene dos elementos del tipo en U será traspasado por cuatro extremos fríos.

En las Figuras 6 y 7 se ilustra un elemento 20, diseñado para su montaje horizontal y especialmente, aunque no exclusivamente, para uso en un manguito 21. El manguito 21 puede consistir en un tubo. El elemento 20 comprende cuatro patas 14, 15, similares a las de las Figuras 5 y 9. Las patas 14, 15 se han dispuesto substancialmente paralelas y en una disposición de conjunto generalmente cuadrada. Los puentes 19 se han dispuesto de tal manera que los dos extremos más largos 14 queden situados lado con lado, a uno de los lados del conjunto ordenado cuadrado. Esta disposición hace que el montaje horizontal del elemento sea más fácil que con otras disposiciones. Unos bloques 22, 23 proporcionan soporte a los puentes 19 en el manguito 21, y el bloque 23 también soporta las patas 14. Si bien se ha mostrado una disposición de conjunto ordenado cuadrado de las patas, se apreciará que es posible utilizar también una disposición de conjunto ordenado rectangular o una disposición de conjunto ordenado en otro cuadrilátero, dependiendo de la aplicación para la que se haya de instalar el elemento. La relación fija de posiciones entre las cuatro patas del elemento elimina el riesgo, presente para los elementos convencionales, de que el conjunto superior de elementos caiga sobre el conjunto inferior y provoque un cortocircuito. Como consecuencia de este riesgo, es práctica convencional utilizar tan solo un único elemento en U en dichas instalaciones horizontales.

En la Figura 8 se muestra una disposición alternativa de puentes 19 en la cual uno de los puentes se ha dispuesto en diagonal a través del conjunto ordenado. Esto significa que las patas 14, a través de las cuales se establece la conexión eléctrica, se disponen diagonalmente. Esta disposición se prefiere a la de la Figura 7 en las circunstancias en las que las patas están destinadas a disponerse verticalmente.

En la Figura 10 se muestra un elemento 24 que comprende cuatro patas, dispuestas en paralelo y en un conjunto ordenado en configuración curva. Es posible utilizar una pluralidad de dichos elementos curvados en la construcción de un conjunto de calentamiento curvado (que se muestra esquemáticamente como la línea 26), por ejemplo, al disponerlos en coincidencia con la curvatura de un horno tubular.

En la Figura 11 se muestra un elemento trifásico 27. El elemento 27 comprende 6 patas 14, 15, de tal manera que las patas 14 son más largas que las patas 15, y las patas están dispuestas en una configuración de conjunto generalmente hexagonal. Unos puentes 19 enlazan o unen las patas entre sí en pares compuestos por una pata larga 14 y una pata corta 15. Un puente 28 une estos pares unos con otros. Para su uso, se conecta una fuente de alimentación trifásica a las porciones de terminal de las patas 14, y se conecta, a través de las patas 14, los puentes 19 y las patas 15, al puente 28, que forma la conexión en estrella para la disposición trifásica. Esta disposición ofrece ventajas con respecto a la disposición convencional de triple U (Figura 3), la cual puede requerir pequeñas tensiones y corrientes elevadas, y, por tanto, requiere un suministro de potencia costoso, especialmente cuando la zona caliente es corta y/o el diámetro de las patas es grande. Al recurrir a seis patas en pares dispuestos en serie, la tensión será mayor, ya que un elemento en triple U sometido a una carga similar tendrá tres patas de un diámetro doble. Por ejemplo, un elemento en triple U con un diámetro de pata de 40 mm y con una zona caliente de 500 mm de longitud podría presentar una resistencia de fase de 0,4 \Omega y requerir una fuente de suministro de potencia estimada de 50 V (tensión de fase) y 125 A. En contraste, un elemento trifásico de seis patas como el que se muestra en la Figura 11 podría tener una resistencia de fase de 1,6 \Omega y requerir una fuente de suministro de potencia estimada de 100 V (tensión de fase) y 62,5 A. En suma, que funcionase a aproximadamente dos veces la tensión y la mitad de la intensidad de corriente que el elemento en triple U equivalente.

Todas las disposiciones de las Figuras 5 a 11 son disposiciones en las que el número de terminales requeridos es menor que el número de patas del elemento. Ello permite el empleo de un número menor de conexiones que en una disposición convencional y reduce el número de orificios que es necesario proporcionar en el revestimiento interior de un horno o un aislamiento. De manera adicional, al proporcionar una disposición fija de las patas del elemento, es posible permitir que las patas del elemento se coloquen más cerca unas de otras que en un horno convencional, ya que se elimina el temor al desplazamiento del elemento y al consiguiente riesgo de cortocircuito. Esta disposición cercana permite lograr densidades de potencia más elevadas que las que se obtienen con disposiciones convencionales. La unión entre las patas y los puentes se realiza por medio de cualquier método adecuado que soporte las temperaturas de funcionamiento deseadas.

En todas las disposiciones de las Figuras 5 a 11 se emplea un número par de patas en los elementos. Esto es conveniente puesto que permite que los terminales se extiendan a uno de los lados del elemento; sin embargo, la invención contempla también un número impar de patas en los elementos, con sus terminales dispuestos de otra manera.

Es de apreciar que las características de dilatación térmica de las patas se hacen coincidir, deseablemente, de tal manera que se minimice el movimiento de las porciones de puente con el calentamiento de los elementos. Por ejemplo, haciendo referencia a la Figura 6, si las patas 14 se dilatan más que las patas 15, entonces el puente 19 podría resultar extraído por tracción del bloque 23. Al hacer coincidir las características de dilatación térmica de las patas 14 y 15 (por ejemplo, mediante la elección de la longitud de la zona caliente 16, o utilizando materiales de distinto coeficiente de dilatación térmica), puede reducirse este riesgo.

De manera alternativa, existen aplicaciones en las que sería deseable disponer de zonas calientes de gran longitud en algunas de las patas, a fin de proporcionar un nivel de calentamiento de base o primario, con otras patas que sean más cortas que dichas zonas calientes, de modo que se proporcione un calentamiento localizado adicional. Por ejemplo, en la Figura 5, si las zonas calientes 16 de las patas 14 son más largas que las patas 15, entonces se proporcionará un nivel de calentamiento generalizado por parte de las zonas calientes 16, con el aporte de un calentamiento localizado adicional por parte de las patas 15.

Entre las aplicaciones en las que dichas longitudes desiguales de las zonas de calentamiento serían de utilidad, se encuentra la práctica convencional de instalar, en los hornos de cerámica, elementos de potencia creciente en dirección a la base, con el objetivo de proporcionar una mayor uniformidad en la temperatura.

Otras aplicaciones en las que se emplea este tipo de distribución desigual de la potencia incluyen los calentadores eléctricos para cucharón de colada, para los que los diseños típicos pueden presentar 2/3 de la potencia en la mitad inferior y 1/3 en la mitad superior.

En la descripción anterior se ha hecho referencia al uso del carburo de silicio como material para los elementos de calentamiento eléctrico. Debe resultar evidente para el lector que la invención puede aplicarse con el uso de cualquier material cerámico conductor de la electricidad. En esta Memoria, la expresión "cerámico conductor de la electricidad" debe interpretarse con el significado de que se utilizará como elemento de calentamiento eléctrico cualquier material inorgánico no metálico que conduzca en un grado suficiente la electricidad y que tenga unas propiedades térmicas adecuadas.

Claims (11)

1. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica, que comprende:

a) zonas calientes (16) de tres o más patas cerámicas (14, 15), que se definen como constituidas por las regiones del elemento en las que se produce al menos la mayor parte del calentamiento eléctrico, de tal manera que al menos una de las patas es, efectivamente, en su totalidad una zona caliente (16), y al menos dos de las patas comprenden, cada de una de ellas, una zona caliente (16) y una zona fría (17);

b) un cierto número de porciones (18) de terminal de pata, dispuestas adyacentemente a las zonas frías (17), y que es menor que el número de patas, las cuales están destinadas a su conexión a una fuente de alimentación de potencia; y

c) porciones de puente cerámicas (19), que proporcionan la capacidad de conexión eléctrica entre las patas.

2. Un elemento calentador de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual las características de dilatación térmica de las patas (14, 15) se hacen coincidir con el fin de minimizar el movimiento de las porciones de puente (19) con el calentamiento de los elementos.

3. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, y que comprende cuatro patas (14, 15), dos terminales (18) y tres porciones de puente (19).

4. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual las patas (14, 15) son sustancialmente rectas y paralelas, y se han colocado en una disposición generalmente rectangular.

5. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual los terminales (18) se han dispuesto en diagonal.

6. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual los terminales (18) se han dispuesto lado con lado, a lo largo de uno de los lados de la disposición rectangular.

7. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el cual las patas (14, 15) se han dispuesto en una configuración generalmente cuadrada.

8. Un elemento calentador eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual las patas (14, 15) son substancialmente rectas y paralelas, y se han dispuesto según un arco, por lo que es posible utilizar una pluralidad de dichos elementos para formar una curva.

9. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1 y que comprende un puente (28) que une al menos tres patas y que actúa como el conectador en estrella para una fuente de suministro de potencia de tres o más fases.

10. Un elemento calentador cerámico de resistencia eléctrica de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual existen seis patas (14, 15), tres terminales y cuatro porciones de puente (28, 29), de tal manera que una (28) de las porciones de puente actúa como el conectador en estrella para una fuente de suministro de potencia trifásica.

11. Un elemento calentador de resistencia eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual las zonas calientes (16) de algunas de las patas son más largas que las zonas calientes de otras de las patas, por lo que, durante el uso, las zonas calientes de dichas algunas de las patas proporcionan un nivel de calentamiento de base o primario, y dichas otras patas proporcionan un calentamiento localizado adicional.