炉胆结构单元及具备该炉胆结构单元的电阻炉的制作方法

本实用新型涉及一种炉胆结构单元及具备该炉胆结构单元的电阻炉，更具体地说低电流、低功耗、温场可定制的以高精度材料科学实验用电阻炉。

背景技术：

材料科学的发展和加热炉有着密不可分的关系，加热炉的温度也直接决定了材料体系的范围，因此超高温（>1600℃）的加热炉不仅在高校、公司、实验室等民用方面的需求巨大，而且在航空航天的材料科学实验也越来越受到世界各国的关注。由于在太空空间环境存在各种限制，对于加热炉等科学实验装置就有低电流（<10A）、轻量化、小型化、低功耗、安全可靠等要求。因此，研发具有以上特点的超高温电阻式加热炉具有里程碑式的意义。

发热体是电阻式加热炉的核心部件，由于金属发热体具有可塑性、可靠性等特点，一般作为电阻式加热炉首选的发热体元件，其材料通常为镍铬、铁铬铝等，但这些材料最高瞬时工作温度也只有1400℃左右。而硅钼棒、硅碳棒、铬酸镧、碳纤维等这些通常被用作高温发热体的元件，其本身的抗震性、可塑性、鲁棒性均不太理想，因此根本不适合空间精密材料科学实验的要求，这些发热体元件通常被用作民用大型低精度设备。所以，选用高熔点金属丝作为发热元件是航天用超高温电阻炉首选材料。

目前，我国空间材料科学正在蓬勃发展，并且我国空间站预研已经全面启动，故需要在寿命和可靠性上对硬件设备提出苛刻要求，所以一般不能选择材料线径过细的发热体元件丝，且高熔点金属通常电阻率都比较低，由于空间材料科学实验装置都需要小型、轻质、因此没有富余的空间来增加元件的排布密度，所以用传统方法排布发热体元件最终发热体的电阻会比较低，这样使用的时候电流将过大，这会给空间实验舱的供电系统带来巨大设计难度，且安全性被降低，解决这个问题是非常有必要且具有前瞻性意义的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高电阻低电流、安全可靠、温场可设计，使用温度可达到1600℃的炉胆结构单元及具备该炉胆结构单元的电阻炉。

为实现上述目的，一方面，本实用新型提供一种炉胆结构单元，所述炉胆结构单元包括炉胆、高温发热体元件丝及双层螺旋式的棒芯，所述高温发热体元件丝以螺旋方式缠绕在多个双层螺旋式的棒芯上形成棒芯阵列结构体，所述棒芯阵列结构体安装于所述炉胆的棒芯安装阵列孔中。

本实用新型通过创新的双层嵌套式螺纹棒芯阵列结构，实现高密度部署发热体元件，从而实现高电阻低电流的目的。

本实用新型具备双层螺旋式的棒芯结构，即本体为螺纹式结构，对于高温发热体元件丝能够提供完美地承托保护，使得高温发热体元件丝的力学性能表现更加。

较佳地，所述高温发热体元件丝是钨铼、钨、钽、铌、铂、或铱。

较佳地，所述双层螺旋式的棒芯包括外棒芯和内棒芯，其中外棒芯套在内棒芯外。更优选地，所述棒芯阵列结构体以如下形式形成：所述高温发热体元件丝穿过所述外棒芯并从上至下绕制在所述内棒芯的螺纹槽内，再嵌入所述外棒芯并从下至上绕制在所述外棒芯上。

上述独特的绕丝方法使得内外两层的走丝方向正好相反，消除电磁干扰，并且每组之间的串联点都在上端部，可以方便将绕制完成的棒芯结构阵列直接置入耐高温炉胆结构单元中。

较佳为，所述棒芯安装阵列孔以相切、相交或间隔一定空间的形式均匀排布在所述炉胆中央的炉膛孔周围。

所述炉胆上分布有热电偶或结构固定安装阵列孔，所述热电偶或结构固定安装阵列孔为不同深度的盲孔。

由此，可以以不同深度的盲孔来实现定点测量温度梯度的效果，使得炉胆本身在不同位置都具有定温和测温的功能。

优选地，所述内棒芯的本体的螺纹槽宽度比所述高温发热体元件丝的外径大0.2~0.5mm，螺纹槽深度比所述高温发热体元件丝的外径大0.2~0.5mm。

优选地，所述外棒芯的本体的内径比所述内棒芯的本体的外径大0.2~0.5mm，螺纹槽宽度比所述高温发热体元件丝的外径大0.2~0.5mm，螺纹槽深度比所述高温发热体元件丝的外径大0.2~0.5mm。

较佳地，所述发热元件的绕丝长度由于采用棒芯结构的统一加工可以确保同批制作的电阻炉电阻的一致性，消除因为振动或高温蠕变等问题引起的电阻变化，整体系统在这种结构下鲁棒性表现更加。

另一方面，本实用新型还提供了一种电阻炉，具备上述的炉胆结构单元。

本实用新型能提供一种低电流超高温电阻炉，低功耗400W以下，低电流（<10A）,可达到1600℃炉膛实测温度。并且具有可设计的温场排布，总体质量轻、体积小等特点。

本实用新型提高了在工程化、热力学、工程力学合理性设计后单位体积中发热体元件丝的排布密度，从而增加电阻降低使用电流，双层螺旋式陶瓷棒芯结构对发热体提供更好的承托保护，可有效地消除高温蠕变带来的不利影响，提高设备核心部件的使用寿命，并使得整体系统鲁棒性更加。这种新颖的结构可较佳地帮助材料科学家对温场进行设计以通过调节双层陶瓷棒芯的螺纹槽的螺距实现所需温场。

附图说明

图 1a-1d 为根据本实用新型一个实施形态的炉胆结构单元中陶瓷棒芯结构的内棒芯，其中图1a为内棒芯的立体图，图1b为图1a中内棒芯的剖面图，图1c为图1a中内棒芯的俯视图，图1d为图1a中内棒芯的仰视图;

图 2a-2d 为根据本实用新型一个实施形态的炉胆结构单元中陶瓷棒芯结构的外棒芯，其中图2a为外棒芯的立体图，图2b为图2a中外棒芯的剖面图，图2c为图2a中外棒芯的俯视图，图2d为图2a中外棒芯的仰视图;

图 3a-3d 为本实用新型一个实施形态的炉胆结构单元中陶瓷棒芯结构的内外棒芯嵌套的装配图，其中图3a为内外棒芯嵌套的立体图，图3b为图3a中内外棒芯嵌套的剖面图，图3c为图3a中内外棒芯嵌套的俯视图，图3d为图3a中内外棒芯嵌套的仰视图;

图 4 为根据本实用新型一个实施形态的炉胆结构单元中耐高温炉胆的结构图;

图 5 为根据本实用新型一个实施形态的炉胆结构单元中棒芯阵列结构体的示意图;

图6为本实用新型一个实施形态的炉胆结构单元的整体装配图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。

根据本实用新型一实施形态的炉胆结构单元具备耐高温的炉胆1、双层螺旋式的棒芯2及高温发热体元件丝3。所述高温发热体元件丝以螺旋方式缠绕在多个双层螺旋式的棒芯2上形成棒芯阵列结构体18，所述棒芯阵列结构体18安装于所述炉胆1的棒芯安装阵列孔17中。

具体而言，所述棒芯2优选为陶瓷材料，包括内棒芯4和外棒芯5，外棒芯5套在内棒芯4外。

图1 a-1d 示出了陶瓷棒芯2的内棒芯4，其中图1a为内棒芯4的立体图，图1b为图1a中内棒芯4的剖面图，图1c为图1a中内棒芯4的俯视图，图1d为图1a中内棒芯4的仰视图，该内棒芯4可采用耐高温陶瓷材料制成，烧结温度不小于1800℃为佳，并且可以按照预先设计的温场、炉膛、电流之大小设计尺寸，内棒芯4即内层螺旋式陶瓷棒芯的本体的内径为1-3mm，外径为4-10mm，温场所需的内棒芯螺纹槽6的螺距1-5mm，螺纹槽宽度为发热体元件丝外径+0.2~0.5mm，螺纹槽深度为发热体元件丝外径+0.2~0.5mm，内棒芯4本体长度为5~200mm，中心有透气孔7，上下两侧各有一个走丝槽口，上方为入丝槽口8，下方为出丝槽口9，分别用于引入引出发热体元件丝3。

图2a-2d示出了陶瓷棒芯2的外棒芯5，其中图2a为外棒芯5的立体图，图2b为图2a中外棒芯5的剖面图，图2c为图2a中外棒芯5的俯视图，图2d为图2a中外棒芯5的仰视图，该外棒芯5同样可采用耐高温陶瓷材料制成，烧结温度不小于1800℃为佳，外棒芯5即外层螺旋式陶瓷棒芯具有用于使内棒芯4插入的内棒芯安装孔13，外棒芯5本体的内径参照内螺旋式陶瓷棒芯结构的外径+0.2~0.5mm为宜，外径为7-20mm，根据温场和电流，温场所需的外棒芯螺纹槽10的螺距1-5mm，螺纹槽宽度为发热体元件丝外径+0.2~0.5mm，螺纹槽深度为发热体元件丝外径+0.2~0.5mm，外棒芯5本体长度为5~200mm，外棒芯5的入丝槽口11为通槽，方便从内棒芯4引出发热体元件丝3，外棒芯5出丝槽口12为盲槽，以隔绝内外棒芯发热体元件丝之间的接触，保证绝缘性并且可以防止短路。

图 4 示出了炉胆结构单元中耐高温炉胆1的结构图，该炉胆1同样可采用耐高温陶瓷材料制成，烧结温度不小于1800℃为佳，其中央贯通有炉膛孔16，炉膛孔16周围的棒芯安装阵列孔17参照外棒芯5的外径+0.2~0.5mm为宜，棒芯安装阵列孔17具有装配工艺阵列槽口15。棒芯安装阵列孔17可以相切、相交或间隔一定空间的形式均匀排布在炉膛孔16周围。

炉胆1的体内径（可用炉膛大小）10~60mm，外径27~110mm，棒芯安装阵列孔17的直径7.5~20mm，阵列孔数6~24个，热电偶或结构固定安装阵列孔14的孔数为6~24个，本体长度为5~200mm，热电偶或结构固定安装阵列孔14可以设计为通孔，也可以设计为盲孔，以不同深度的盲孔来实现定点测量温度梯度的效果，使得炉胆本身在不同位置都具有定温和测温的功能。

发热体元件丝3可以是钨铼、钨、钽、铌、铂、铱等。

双层螺旋式的棒芯2可根据设计需要定制螺纹螺距、内外棒芯的间隙匹配尺寸、以及内外棒芯的入丝槽口和出丝槽口。由此可按照需求设计棒芯结构的螺距之疏密性提供给材料科学家所需要的合理温场。

参看图1a、图2a、图 3a、图3b，棒芯阵列结构体18以如下方式形成：先将准备好的发热体元件丝3擦拭干净，确保外表面无加工残余物或油脂等。将其先穿过外棒芯5的内棒芯安装孔13，然后由上而下使发热体元件丝3进入内棒芯4的入丝槽口8后均匀缠绕在内棒芯4的螺纹槽6中，在出丝槽口9处弯折90°，将外棒芯5套在已经缠绕好的内棒芯4上，发热体元件丝3嵌入外棒芯下部的入丝槽口11的通槽内，再由下至上将发热体元件丝3均匀缠绕在外棒芯5的螺纹槽10中，其结构可参看内外棒芯嵌套的剖面图（图3b）。将发热体元件丝3留出一定装配空间弯折后以此类推绕制下一个棒芯结构发热体，直至完成设计所需的棒芯组件阵列数为止，最终可以形成由整根发热体元件丝3绕制的棒芯阵列结构体18。

由于内外棒芯发热体元件丝的走向正好相反，能够有效消除电磁干扰带来对控制的影响，并且这种绕制方法使得每组棒芯结构组件之间只有上端部有发热体元件丝串联，方便最后将整个棒芯阵列结构体18直接置入耐高温炉胆1中。

图6示出了炉胆结构单元的整体装配图。将绕丝并装配完成的棒芯阵列结构体16置入炉胆1的棒芯组件安装阵列孔13中形成该炉胆结构单元。

炉胆结构单元装配在保温组件中，保温组件的材质可采用低热导隔热砖，亦可使用多层反射屏隔热组件，以实际应用场合按设计要求配搭，实现技术成熟，成本低廉，并可实现快速部署，保温结构体在此不作为重点，故不再描述细节。

具备炉胆结构单元的低电流超高温电阻炉旨在实现高达1600℃的高温加热。发热体元件丝3两端的引出端需要用发热体元件丝3本体材料绕制多股，然后在引出端末端与导线连接。在本实用新型一实施方式中，是以一根空心钽管通过压接方式使得导线与发热体元件丝3引出端紧密结合，钽管具有一定柔性压接不会断裂，且由于本实施方式中发热体元件丝3也为钽材料，故在本实施方式中选用钽管。

本实用新型能提供一种低电流超高温电阻炉，低功耗400W以下，低电流（<10A）,可达到1600℃炉膛实测温度。并且具有可设计的温场排布，总体质量轻、体积小等特点。

由于发热体钽、钨、钼、钨铼等材料在高温含氧气氛下极易氧化，所以本实施方式需要将电阻炉置入真空罐内，开启真空系统，当真空度小于50^-3 Pa量级时，方可实验。设定稳压电源输出设计电压值，设定PID高精度控温设备升温曲线，然后运行给高温电阻炉加电即可。

本实用新型提高了在工程化、热力学、工程力学合理性设计后单位体积中发热体元件丝的排布密度，从而增加电阻降低使用电流，双层螺旋式陶瓷棒芯结构对发热体提供更好的承托保护，可有效地消除高温蠕变带来的不利影响，提高设备核心部件的使用寿命，并使得整体系统鲁棒性更加。这种新颖的结构可较佳地帮助材料科学家对温场进行设计以通过调节双层陶瓷棒芯的螺纹槽的螺距实现所需温场。