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Elektrisches Heizelement, insbesondere für industrielle und wissenschaftliche Glüh-und Schmelzöfen, Keramiköfen u. dgl.
Bei industriellen und wissenschaftlichen Glüh- und Schmelzöfen sowie auch bei Keramiköfen ist es häufig nötig, für die Heizleiter Materialien zu verwenden, die eine verhältnismässig geringe
Warmfestigkeit aufweisen. Die Notwendigkeit der
Verwendung derartiger Heizleitermaterialien kann sich ergeben, sei es, weil die üblicherweise ver- wendeten Chromeisen-und Chromnickel- legierungen nicht zur Verfügung stehen, sei es, weil in einem Ofen Temperaturen bis zu 1300 C erreicht werden müssen, die sich mit anderen
Legierungen nicht erzielen lassen. Eine solche
Legierung geringer Warmfestigkeit ist z. B. die unter der Bezeichnung"KANTHAL"bekannte
Legierung.
Bisher war es bei Verwendung derartiger
Legierungen nötig, Heizwendel von wesentlich kleinerem Wickeldorndurchmesser zu vermeiden als bei Verwendung von Chromnickel-Legie- rungen. So gibt z. B. Hessenbruch in seinem Buch "Metalle und Legierungen für höhere Temperaturen"auf Seite 208/9 ein Verhältnis von Drahtdurchmesser zu Wickeldorndurchmesser von
1 : 7 für Cr-Ni-Legierungen, und von nur 1 : 3 für Cr-Al-Fe-Legierungen an. Wenn dieses Verhältnis nicht beachtet wird, so fallen die einzelnen Windungen einer Wendel um, es tritt an den aufeinanderliegenden Stellen eine starke Überhitzung ein und das Ergebnis ist eine zerstörte Wendel. Auch faltenförmig verlaufende Heizleiter deformieren sich entsprechend.
Diese durch geringe Warmfestigkeit, die Kaltsprödigkeit und das Kernwachstum des Heizleitermaterials bedingten Nachteile könnten nun durch vollständiges Einbetten der Heizleiter in keramische Masse vermieden werden. Das hat aber eine verschlechterte Wärmeabgabe und ein erhöhtes Temperaturgefälle zwischen Heizleiter und OfenInnenraum zur Folge.
Die vorliegende Erfindung gestattet nun, sowohl die Nachteile der freiliegenden Heizleiter aus Material geringer Warmfestigkeit wie auch diejenigen der eingebetteten Heizleiter zu vermeiden. Durch die erfindungsgemässe Anordnung der Heizleiter ist es z. B. möglich, auch für die erwähnten FCA-Legierungen (siehe Hessenbruch
Seite 200) ein Verhältnis von Drahtdurchmesser zu Wickeldomdurchmesser von 1 : 7 einzuhalten und dabei eine ausgezeichnete Wärmeabgabe und ein geringes Temperaturgefälle zwischen Heiz- leiter und beheiztem Raum zu erreichen.
Dies geschieht nicht durch Veränderung der Legie- rungen an sich, sondern durch zweckmässige
Berücksichtigung ihrer oben erwähnten Eigen- schaften beim Einbauen der Heizleiter.
Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass wenigstens ein Teil jeder Windung bzw. jeder
Falte des Heizleiters in den feuerfesten Körper eingebettet, d. h. darin eingebrannt ist. Dadurch wird eine Verankerung jeder einzelnen Windung oder Falte erzielt, so dass ein Umlegen der Win- dungen ausgeschlossen ist. Auch z. B. bei wendelförmigen Heizleitern, deren Windungsdurchmesser im Verhältnis zum Drahtdurchmesser gross ist, oder bei faltenförmig verlaufenden, bandförmigen Leitern, deren Faltenhöhe verhältnismässig hoch ist, tritt kein Zusammenfallen der Windungen, bzw. Falten, ein.
Der aus der keramischen Masse herausragende Teil des Drahtes oder Bandes kann nun frei abstrahlen, während der meist kleinere, eingebettete Teil seine Wärme durch Leitung an die keramische Masse abgibt, die sie ihrerseits in den Ofen abstrahlt. Die Erfindung gestattet damit die Verwendung von nickelfreien Leitern. Gegenwärtig ist dies angesichts der Knappheit von Nickel von fundamentaler Bedeutung. Aber auch in Friedenszeiten, wenn genügend Nickel zur Verfügung steht, gestattet erst die Erfindung die Ausnutzung aller Vorteile der nickelfreien Leiter, wie insbesondere die Erzielung von Gebrauchstemperaturen in Schmelz-und Glühöfen bis zu 1300 C.
Der Gegenstand vorliegender Erfindung ist an Hand einiger, in der Zeichnung schematisch dargestellter beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein ringförmiges Heizelement zum Teil im Aufriss, zum Teil im Schnitt. Fig. 2 ist ein Grundriss des Heizelementes gemäss Fig. l. Fig. 3 ist eine Draufsicht auf ein plattenförmiges Heizelement. Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein plattenförmiges Heizelement mit gewellten Heizleitern. Fig. 5 ist ein
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Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4. Fig. 6 ist ein plattenförmiges Heizelement mit gewellten
Heizleitern zum Teil in Ansicht, zum Teil im
Längsschnitt. Fig. 7 ist eine Draufsicht auf das
Heizelement gemäss Fig. 6, und die Fig. 8 und 9 stellen teilweise Querschnitte durch zwei weitere
Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dar.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Heiz- element besteht aus einem Körper 1 aus kerami- schem, feuerfestem und elektrisch isoliertem
Material, z. B. aus Schamotte. In diesen Körper 1, der an seinem Umfang mit Dilatationsfugen 2 versehen ist, sind zwei wendelförmige Heiz- leiter 3 eingebettet, u. zw. so, dass erfindung- gemäss ein Teil einer jeden Windung aus dem feuerfesten Körper 1 herausragt, wobei dieser herausragende Teil, der in Fig. 2 deutlich er- kennbar ist, durch den im feuerfesten Körper eingebetteten Leiterteil verankert ist. Dadurch wird auch bei Heizleitern aus Material von gerin- gerer Warmfestigkeit ein Umfallen der Windungen mit Sicherheit vermieden. Die an sich bekannten im Querschnitt meist verstärkten Anschlussenden sind mit 4 bezeichnet.
Die Fig. 3 zeigt ein plattenförmiges Heiz- element, das aus einem Körper 1 aus feuerfestem, elektrisch isolierendem Material besteht, in welchem ein Heizleiter 3 eingebettet ist. Die Enden 4 des Heizleiters sind entweder an eine
Stromzuführung oder an den Heizleiter eines weiteren Heizelementes angeschlossen. Auch bei dieser Ausführungsform ragt ein Teil einer jeden Windung des wendelförmigen Heizleiters aus der Oberfläche des Heizelementes heraus, wobei dieser herausragende Teil durch den in den feuerfesten Körper eingebauten Leiterteil verankert wird.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die Verwirklichung desselben Gedankens bei der Verwendung eines bandförmigen Heizleiters 3. Auch hier ist ein Teil des bandförmigen Heizleiters in den Körper 1 aus feuerfestem, elektrisch isolierendem Material eingebettet, wodurch der aus dem Körper 1 heraustretende Leiterteil einwandfrei verankert wird. Die Enden 4 des Heizleiters 3 dienen wiederum zum Anschluss entweder an eine Stromzuführung oder an den Heizleiter eines weiteren Heizelementes. Bei der Ausführung nach den Fig. 4 und 5 verläuft der Heizleiter somit hochkant zur Oberfläche des feuerfesten Körpers.
Demgegenüber zeigen die Fig. 6 und 7 eine Ausführungsform eines Heizelementes, bei welchem in einem Körper 1 aus keramischem Material ein bandförmiger Heizleiter 3 eingebettet ist, bei welchem die quer zur Längsrichtung des gewellten Bandes verlaufenden Erzeugenden parallel zur Oberfläche des feuerfesten Körpers liegen. Auch hier wird eine einwandfreie Verankerung des aus dem Körper 1 herausragenden Leiterteils erreicht. Durch die beschriebene Aus- führungsfonn wird der Vorteil erreicht, dass die Heizleiter zwar an der Oberfläche von Heizelementen liegen, die selbst die Ofenwandungen bilden, dass aber trotzdem die Heizleiter einwand- frei gehalten sind.
Heizelemente dieser Art haben sich in der Praxis ausserordentlich bewährt und besitzen eine Lebensdauer, die diejenige bekannter
Heizelemente um ein Mehrfaches übersteigt.
Eine Weiterentwicklung des Gedankens ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt, wo Heizleiter 3 voll- kommen in der keramischen Masse eingebettet sind, u. zw. so, dass sich diese Heizleiter in Rippen 5 des feuerfesten Körpers 1 befinden. Durch diese
Anordnung werden die Heizleiter, gleichgültig, ob dieselben aus wendelförmigen Drahtspiralen (Fig. 8) oder aus gewellten Bändern (Fig. 9) bestehen, durch die keramische Masse gehalten und geschützt. Die Wärmeabgabe erfolgt trotzdem noch verhältnismässig verlustfrei.
Die Aus- führungsformen gemäss den Fig. 8 und 9 ver- einigen dieVorteile eines vollkommen eingebetteten
Heizleiters mit dem weiteren Vorteil einer voll- kommenen Verankerung der Heizleiter. Ein
Umkippen der Windungen oder Falten der Heiz- leiter ist offensichtlich ausgeschlossen. Die Höhe der Rippen 5 ist dabei vorteilhaft mindestens gleich der senkrecht zum Träger gemessenen
Höhe des Heizleiters. Wenn schraubenlinien- förmig gewundene Heizleiter zur Anwendung gelangen, ist demgemäss die Rippenhöhe gleich oder grösser als der Aussendurchmesser der
Heizdrahtspirale. Bei dem in Fig. 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Rippenhöhe beispiels- weise grösser als der Aussendurchmesser der
Heizdrahtspirale.
Durch diese Ausbildung des
Heizelementes lässt sich erreichen, dass Neben- schlüsse benachbarter Heizleiter, die sonst gerne, namentlich bei Temperaturen über 1000 C auftreten, weitgehend vermieden werden können. Das keramische Material der Rippen 5 umgibt einen
Teil des Heizleiters in einer gleichmässigen Schicht von 2 bis 3 mm Dicke.
Bei der erwähnten Schichtdicke von 2 bis 3 mm besteht nur ein kleines Temperaturgefälle von dem Heizleiter zur wärmeabgebenden Oberfläche 6, und da, wo die Schicht eine gleichmässige Dicke aufweist, ist auch das Temperaturgefälle praktisch konstant. Zu diesem grossen Vorteil kommt noch hinzu, dass die Heizleiter bei Verwendung des Heizelementes in Schmelzöfen überall geschützt sind, sowohl gegen Metallspritzer als auch gegen allfällige Einwirkung von Gasen. In mechanischer Beziehung sind die Heizleiter im Heizleiterträger 1 gut gehalten.
Es ist selbstverständlich, dass die Form des keramischen Körpers keineswegs auf ringförmige, bzw. plattenförmige. Elemente beschränkt ist, Es hat sich aber herausgestellt, dass die ringförmigen Elemente gemäss Fig. 1 und 2 sich vorzüglich zum Bau von Tiegel-und Schachtöfen eignen, bei welchen die gewünschte Anzahl von Elementen aufeinander gestellt werden. Beim Bau von flachwandigen Öfen werden vorzugsweise plattenförmige Elemente gemäss den Fig 3 und 7 verwendet. Ein elektrischer Ofen, der mit solchen : Elementen ausgeführt ist, hat gegenüber dem Ofen der bis jetzt bekannten Art, bei welchem die Heizleiter auf irgendwelche Art und Weise an der Ofen-
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wand gesichert sind, verschiedene Vorteile.
Einmal bilden die keramischen Trägerkörper für die Heizleiter gleichzeitig die Ofenwandung, wodurch die Herstellung des Ofens verbilligt wird. Tritt ein Defekt in einem Heizelement auf, so kann das betreffende Element rasch gegen ein neues ausgewechselt werden. Die Elemente gestatten eine gute Abstrahlung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Heizelement, insbesondere für industrielle und wissenschaftliche Glüh-und Schmelzöfen, Keramiköfen u. dgl., bei welchem metallische Heizleiter durch einen feuerfesten, elektrisch isolierenden Körper, z. B. aus Schamotte, gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die in an sich bekannter Weise gewundenen oder gewellten Heizleiter (3), insbesondere aus Leitermaterial von verhältnismässig geringer Warmfestigkeit, mindestens mit einem Teil einer jeden Windung, bzw. Falte, im feuerfesten Körper (1) verankert sind.