一种用于快速热压烧结的电极

技术领域

本发明涉及烧结炉技术领域，特别涉及一种用于快速热压烧结的电极。

背景技术

快速热压烧结炉因其快速、生产效率高以及可对烧结样品在升温过程中可同时加压，能够烧结制备性能优越的金属、陶瓷、碳化物材料及各种复合材料等，受到越来越多的关注。快速热压烧结设备的加热电极的加热速率及效率能否满足快速的升温要求是关键因素。不锈钢材料的热导率低，电阻大，不利于电流的传输和对模具的加热，烧结结束后电极温度较高，降温时间长；铜具有良好的热传导性能，并且电阻也小，能够快速传热，但其硬度较低，电极与石墨材质压头连接处易变形，导致电极使用寿命缩短。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于快速热压烧结的电极，将铜和不锈钢进行有机结合使用，兼顾了导热效率和电阻率的要求，提高了电极的强度和使用寿命，能够满足快速热压烧结的要求。

本发明提供一种用于快速热压烧结的电极，包括，电极座、电极罩和冷却水管，其中：

电极座用于与电极罩对应连接形成封闭的冷却腔室；

电极罩为桶形结构，电极罩的前端具有热压平面，电极罩的外层为不锈钢层，内层为铜层，外层与内层连接；

冷却水管安装在冷却腔室内的电极座表面，冷却水管的出水口接近或抵接在所述热压平面的内表面，并对应地在电极座上设有排水通道和与冷却水管连通的进水通道。本技术方案通过冷却水管直接对热压平面进行冷却降温，冷却效果更好；通过内铜外钢的结构构造，不仅保证了热压强度，同时也确保了低电阻率和高导热效率的技术要求，同时采用铜材作为冷却腔室的内壁，可以减少腐蚀，保证产品的耐用性。

在所述电极座的前端设有与电极罩的内径尺寸适配的的凸台，使凸台能够装配在电极罩内，并环绕所述凸台设有密封槽及嵌入安装在密封槽内的密封圈，所述密封圈与所述电极罩的内层密封连接；所述电极罩的外层通过螺钉紧固连接在所述电极座上。通过凸台、密封圈和电极罩的连接方式，可以有效保证整个用于冷却的冷却腔室具有良好的密封性，不会导致冷却液的泄漏，保证设备的安全运转。

所述电极罩为圆桶形状。圆桶形状的电极罩，不仅在加工难度上更小，结构稳固性更好，同时基于下文的技术方案，更有利于形成旋流的流动，并在流动的过程中与电极罩充分接触以达到对电极罩内壁进行降温的效果。

所述外层的厚度小于内层的厚度，进一步降低外层不锈钢的热导率低、电阻大、电流传输效率低的影响，从而优化结构性能。

所述进水通道设置有两个以上，均匀分布在电极座上，并沿着所述凸台向电极座的边缘呈放射状延伸。

所述冷却水管设置有两个，并对称分布在冷却腔室内。

所述冷却水管抵接在所述电极罩的热压平面的内表面，并在所述所述冷却水管的出水口边缘设有缺口。冷却水管的抵接部位对冷却水形成了阻挡的作用，迫使冷却水从缺口与热压平面的内表面之间形成的通道流出，从而可以局部增大水流的流速，提高了水流的冷却效果。

对应所述冷却水管的位置，在所述热压平面的内表面设有凹槽，所述凹槽的尺寸大于所述所述冷却水管的管口的尺寸。这样冷却水管喷射出来的水流首先冲击凹槽，然后再经过凹槽之后向四周溢流，可以对凹槽及周围的电极进行快速冷却，同时凹槽距离外层更近，所以可以对临近凹槽的外层快速冷却。

可选择地，所述缺口设置为多个围绕冷却水管的周向布置。通过多个缺口向不同方向喷射水流，从而使冷却水能够对热压平面进行降温，此种方式的水流经过喷射之后会以近似直线的方式直接流向电极座的排水通道的入口。

可选择地，所述缺口设置为相对于冷却水管的中心与电极罩中心连线的单侧布置，并且两个冷却水管相对于电极罩中心呈中心对称布置。由于非缺口位置的冷却水管与电极罩抵接，从而阻挡了冷却水，使冷却水仅能通过缺口的方向流动，通过两个中心对称布置的冷却水管，使两个冷却水管的缺口流出的冷却水可以形成围绕中心旋转的旋流，使冷却水可以与冷却表面更充分的接触。与轴向随机布置的缺口结构相比，采用单侧布置+中心对称布置结合的方式，可以大幅度降低冷却盲区(水流速度缓慢的区域)，两个冷却水管的作用下使水流围绕热压片面的内表面旋转以充分接触并降温，然后在离心的作用下一起沿着电极罩的桶形内壁向电极座的方向呈螺旋形流动前进，并最终通过电极座上的排水通道的入口排出，不仅延长了水流的行动路径，也进一步更有效的对电极罩的侧壁进行降温，这一作用与热压平面的降温作用相辅相成，对电极罩的整体有效降温。与普通的直接冲击热压平面的内表面的降温结构相比，采用本结构可以延长冷却水的行走路径在3倍以上，水流速度越高，冷却水的行走路径的长度就越长，通过理论计算的最优行走路径预计可以达到接近10倍。

进一步可选择地，所述缺口为一个整体，沿着冷却水管的管口的半圆周形成半弧的结构，并且缺口的高度远小于冷却水管的管径。通过半圆周分布的扁平的一个缺口，从而使喷射出一个接近180度角的扇形区域，两个冷却水管的共同作用下形成整体360度角的全区域旋流，使降温更快速均匀。

或者，进一步可选择地，所述缺口包括第一缺口和第二缺口，其中第一缺口的方位在与自冷却水管的中心与电极罩中心连线呈30-45度夹角的方向，第二缺口的方位在与自冷却水管的中心与电极罩中心连线呈90-120度夹角的方向。所述方位是指缺口中心的方位。其中两个第一缺口出来的水流能够形成半径较小的旋流，对热压平面靠近中心的圆形区域进行冷却，两个第二缺口出来的水流能够形成半径较大的旋流，能够对热压平面边缘的区域进行冷却，然后四股水流在离心力的作用下一起沿着电极罩的桶形内壁向电极座的方向呈螺旋形流动前进，最终沿着排水通道的入口排出。

可选择地，冷却水管的出水口接近所述热压平面的内表面，并且冷却水管的管口设为倾斜的扁平状，使冷却水管的水流出射方向与所述热压平面的内表面之间呈一不超过30度的锐角。通过扁平状的管口结构设计，可以使水流出射更大的面积，更充分的与热压平面的内表面接触散热；通过倾角的结构设计，避免了直接与热压平面的内表面接触，从而使流体能够形成旋流对热压平面的全部内表面降温，不会因为接触而导致部分区域阻碍流体形成流速较慢的盲区。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供的电极，以铜作为电极主要传热部分，外层包覆不锈钢，电极整体的导电导热性良好，同时电极整体受热时由于外层不锈钢电极的硬度、抗拉、抗折以及抗氧化能力较高，电极在工作过程中不会出现变形、缺口及断裂情况，能够保证快速热压烧结炉的正常工作。电极内部进行了水冷结构设计，样品烧结结束时，水冷结构可通过循环水系统对电极进行迅速冷却降温，保证电极在连续工作中能够保证快速热压烧结正常进行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电极的横剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电极的纵剖面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的电极的纵剖面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的电极及冷却水管的安装结构示意图；

图5是本发明实施例提供的冷却水管的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的电极及冷却水管的安装结构示意图；

图7是本发明实施例提供的冷却水管的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的电极及冷却水管的安装结构示意图；

图9是本发明实施例提供的冷却水管的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的冷却水管的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的电极及冷却水管的安装结构示意图；

图12是本发明实施例提供的冷却水管的结构示意图。

图中的附图标记：

11-电极座；111-凸台；112-进水通道；113-排水通道；

12-电极罩；121-外层；122-内层；1221-凹槽；

13-冷却水管；131-缺口；1311-第一缺口；1312-第二缺口；132-挡水斜板；133-管口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1-12所示，本发明提供一种用于快速热压烧结的电极，包括，电极座11、电极罩12和冷却水管13，其中：

电极座11用于与电极罩12对应连接形成封闭的冷却腔室(如图2-3所示)，该冷却腔室用于通水冷却，冷却腔室通常为圆柱形，也可以是方柱形或其他形状，但为了保证冷却回水，特别是本实施例使用的旋流结构设计，将冷却腔室设置为圆柱形为最优选择；电极座11可以是圆形也可以是方形，电极座11上设有若干个通过螺钉与电极罩12连接的螺栓孔，并对应地在电极罩12的端部设置有与螺栓连接的螺纹孔

电极罩12为桶形结构，电极罩12的前端具有热压平面，电极罩12的外层121为不锈钢层，内层122为铜层，外层121与内层122连接；电极罩12的前端为工作端，用于热压，由于电极罩在热压的过程中需要承受压力，所以与石墨模具连接的热压平面采用不锈钢层，提高其支撑强度和抗变形能力，而铜层作为与冷却腔室的壁，可以降低腐蚀，并且铜的导热性能和导电性能良好，且电阻率低，可以整体上降低电阻；

冷却水管13安装在冷却腔室内的电极座11表面，冷却水管13的出水口接近或抵接在所述热压平面的内表面，并对应地在电极座11上设有排水通道113和与冷却水管13连通的进水通道112，冷却水通过进水通道112进入到冷却水管13，由冷却水管13直接对热压平面的内表面进行降温冷却，然后通过电极座11上的排水通道113将水排出。本技术方案通过冷却水管13直接对热压平面进行冷却降温，冷却效果更好；通过内铜外钢的结构构造，不仅保证了热压强度，同时也确保了低电阻率和高导热效率的技术要求，同时采用铜材作为冷却腔室的内壁，可以减少腐蚀，保证产品的耐用性。

在所述电极座11的前端设有与电极罩12的内径尺寸适配的的凸台111，使凸台能够装配在电极罩12内，并环绕所述凸台设有密封槽及嵌入安装在密封槽内的密封圈，所述密封圈与所述电极罩12的内层密封连接，密封圈通常采用耐高温材料；所述电极罩12的外层通过螺钉紧固连接在所述电极座11上。通过凸台111、密封圈和电极罩12的连接方式，可以有效保证整个用于冷却的冷却腔室具有良好的密封性，不会导致冷却液的泄漏，保证设备的安全运转。

所述电极罩12为圆桶形状。圆桶形状的电极罩12，不仅在加工难度上更小，结构稳固性更好，同时基于下文的技术方案，更有利于形成旋流的流动，并在流动的过程中与电极罩12充分接触以达到对电极罩12内壁进行降温的效果。

所述外层121的厚度小于内层122的厚度，进一步降低外层121不锈钢的热导率低、电阻大、电流传输效率低的影响，从而优化结构性能，但需要确保外层121的连接端厚度能够安装螺栓连接。

所述进水通道112设置有两个以上，均匀分布在电极座11上，并沿着所述凸台向电极座11的边缘呈放射状延伸，相应的排水通道的数量可以与进水通道相同，采用间隔布置，也可以仅设置一个排水通道。本实施例中，进水通道和排水通道均设置2个，采用间隔布置，并呈向电极座边缘方向的放射状延伸。

所述冷却水管13设置有两个，并对称分布在冷却腔室内。

所述冷却水管13抵接在所述电极罩12的热压平面的内表面，并在所述所述冷却水管13的出水口边缘设有缺口131。冷却水管13的抵接部位对冷却水形成了阻挡的作用，迫使冷却水从缺口131与热压平面的内表面之间形成的通道流出，从而可以局部增大水流的流速，提高了水流的冷却效果。

对应所述冷却水管13的位置，在所述热压平面的内表面设有凹槽1221(如图3所示)，所述凹槽1221的尺寸大于所述所述冷却水管13的管口的尺寸。这样冷却水管13喷射出来的水流首先冲击凹槽1221，然后再经过凹槽1221之后向四周溢流，可以对凹槽1221及周围的电极进行快速冷却，同时凹槽1221距离外层更近，所以可以对临近凹槽1221的外层快速冷却。

可选择地，所述缺口设置为多个围绕冷却水管13的周向布置(如图4-5所示)。通过多个缺口131向不同方向喷射水流，从而使冷却水能够对热压平面进行降温，此种方式的水流经过喷射之后会以近似直线的方式直接流向电极座11的排水通道113的入口。

可选择地，所述缺口设置为相对于冷却水管13的中心与电极罩12中心连线的单侧布置，并且两个冷却水管13相对于电极罩12中心呈中心对称布置(如图6-12所示)。由于非缺口位置的冷却水管13与电极罩12抵接，从而阻挡了冷却水，使冷却水仅能通过缺口的方向流动，通过两个中心对称布置的冷却水管13，使两个冷却水管13的缺口流出的冷却水可以形成围绕中心旋转的旋流，使冷却水可以与冷却表面更充分的接触。与轴向随机布置的缺口结构相比，采用单侧布置+中心对称布置结合的方式，可以大幅度降低冷却盲区(水流速度缓慢的区域)，两个冷却水管13的作用下使水流围绕热压片面的内表面旋转以充分接触并降温，然后在离心的作用下一起沿着电极罩12的桶形内壁向电极座11的方向呈螺旋形流动前进，并最终通过电极座11上的排水通道113的入口排出，不仅延长了水流的行动路径，也进一步更有效的对电极罩12的侧壁进行降温，这一作用与热压平面的降温作用相辅相成，对电极罩12的整体有效降温。与普通的直接冲击热压平面的内表面的降温结构相比，采用本结构可以延长冷却水的行走路径在3倍以上，水流速度越高，冷却水的行走路径的长度就越长，通过理论计算的最优行走路径预计可以达到接近10倍。

进一步可选择地，所述缺口为一个整体，沿着冷却水管13的管口的半圆周形成半弧的结构，并且缺口的高度远小于冷却水管13的管径(如图8-10所示)。通过半圆周分布的扁平的一个缺口，从而使喷射出一个接近180度角的扇形区域，两个冷却水管13的共同作用下形成整体360度角的全区域旋流，使降温更快速均匀。

特别地，为了进一步降低水流速度缓慢的盲区，结合图9所示，在不设置缺口的冷却水管的管口另一侧，设置有倾斜延伸到该缺口底边的、横跨直径的挡水斜板132，该挡水斜板132可以使冷却水管的出口的水流进行引导和阻挡，减少冷却水管的出口处由于电极罩12的阻挡而导致的水流缓慢区域，并且当冷却水自冷却水管13流出后在冷却腔室内形成旋流的过程中，挡水斜板132的倾斜面可以进一步引导旋流，避免了垂直接触导致的水流速度缓慢带来的盲区。

可选择地，如图6-7所示，所述缺口131包括第一缺口1311和第二缺口1312，其中第一缺口的方位在与自冷却水管13的中心与电极罩12中心连线呈30-45度夹角A的方向，第二缺口的方位在与自冷却水管13的中心与电极罩12中心连线呈90-120度夹角B的方向。所述方位是指缺口中心的方位。其中两个第一缺口出来的水流能够形成半径较小的旋流，对热压平面靠近中心的圆形区域进行冷却，两个第二缺口出来的水流能够形成半径较大的旋流，能够对热压平面边缘的区域进行冷却，然后四股水流在离心力的作用下一起沿着电极罩12的桶形内壁向电极座11的方向呈螺旋形流动前进，最终沿着排水通道113的入口排出。

可选择地，冷却水管13的出水口接近所述热压平面的内表面，并且冷却水管13的管口133设为倾斜的扁平状(如图11-12所示)，使冷却水管13的水流出射方向与所述热压平面的内表面之间呈一不超过30度的锐角。通过扁平状的管口结构设计，可以使水流出射更大的面积，更充分的与热压平面的内表面接触散热；通过倾角的结构设计，避免了直接与热压平面的内表面接触，从而使流体能够形成旋流对热压平面的全部内表面降温，不会因为接触而导致部分区域阻碍流体形成流速较慢的盲区。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供的电极，以铜作为电极主要传热部分，外层包覆不锈钢，电极整体的导电导热性良好，同时电极整体受热时由于外层不锈钢电极的硬度、抗拉、抗折以及抗氧化能力较高，电极在工作过程中不会出现变形、缺口及断裂情况，能够保证快速热压烧结炉的正常工作。电极内部进行了水冷结构设计，样品烧结结束时，水冷结构可通过循环水系统对电极进行迅速冷却降温，保证电极在连续工作中能够保证快速热压烧结正常进行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。