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Elektrisches Heizelement
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men der Drähte eintretenden Änderungen des Kristallgefüge wirken sich daher bei Drahtwendeln gleich- mässig über die gesamte Wendellänge aus, so dass beim Stromdurchfluss durch die Drähte eine gleich- mässige Erhitzung zu erwarten ist. Dies ist für die Erfindung von besonderer Bedeutung, weil das erfin- dungsgemässe Heizelement insbesondere auch zur Verwendung in Elektroöfen geeignet sein soll, in denen Temperaturen bis 20000C und oftmals 2500-30000 auftreten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch harte und spröde Metalldrähte beliebig grosser Durchmesser mit grosser Massgenauigkeit und ohne Beschädigung der Drähte auf automatischenMaschinen zu Wendeln gewickelt und ebenfalls maschinell auch mit andern Wendeln zu einem Geflecht vereinigt werden können.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmög1ichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der fol- genden Beschreibung vonausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen : Fig. l eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Heizelementes, das insbesondere für einen DreiphasenElektroofen inForm einesWiderstandsofens oder eines elektronischen Ofens geeignet ist ; F ig. 2 eine Drauf- sicht auf das Heizelement nach Fig. l, wobei ein Teil der oberen Oberfläche weggeschnitten ist, um die die Geflechte abstützenden Lamellen zu zeigen (aus dieser Figur gehen ferner die Schweissstellen hervor, mit denen die Lamellen zusammengehalten sind) ; Fig. 3 eine Teilansicht eines Gewebestückes, das sich entsprechend der Erfindung verwenden lässt ;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Heizelementes nach der Erfindung und Fig. 5 eine Draufsicht auf das Heizelement nach Fig. 4 mit einem Teil der Schweissstellen, die das Heizelement zusammenhalten.
Das in Fig. l dargestellte Heizelement weist drei durchbrochene Geflechte 1, 3 und 5 auf, von denen jedes aus einer Reihe von-miteinander verdrallten Wendelwindungen aus hitzebeständigem Metalldraht hergestellt ist. Einzelheiten dieses Geflechtes gehen aus Fig. 3 hervor. Wie in Fig. 2 gezeigt, können die Geflechte in im wesentlichen zylindrischer Form zusammengebaut und am einen Ende mittels eines äusseren Leiterringes 15 und eines (nicht veranschaulichten) inneren Leiterringes verbunden sein, die beide aus Wolfram gefertigt sein können, falls Wolframgeflechte verwendet werden. Die Befestigung der Gewebe an den Leiterringen erfolgt zweckmässigerweise dadurch, dass die Ringe an ihrem untersten Ende im Heliarc-Verfahren zusammengeschweisst werden.
Es lässt sich jedoch auch jedes, andere bekannte Verfahren zur Verbindung und Befestigung hitzebeständiger Metallteile verwenden. Beim Schweissen eines Wolframgeflechtes sollte dafür gesorgt sein, dass nur die unteren Teile der Leiterringe geschweisst werden, da ein unmittelbares Schweissen an freiliegenden Teilen des Geflechtes die Kristallstruktur des Wolframdrahtes zu zerstören sucht und den Draht an der Stelle, an der die Schweisswärme aufgebracht wurde, bruchempfindlicher macht. Durch einen festen Sitz zwischen den Leiterringen und durch Zusammenschweissen deren unteren Teiles können die freien Enden der Wendelwindungen fest zusammengehalten
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barten Geflechten angeordnet, um einen wirksamen elektrischen Kontakt herzustellen und die Stabilität der Anordnung zu erhöhen.
Besteht die Brücke aus Wendelwindungen, so sind diese vorzugsweise mit den Aussenwindungen der benachbarten Geflechte verdrallt.
Am ändern Ende des Heizelementes befinden sich elektrische Leiterarme, von denen jeder auf einem besonderen Geflecht angeordnet und gegen benachbarte Geflechte und Leiterarme elektrisch isoliert ist.
Der Krümmungsradius eines Teiles jedes Armes entspricht vorzugsweise dem Krümmungsradius des unteren Leiterringes 15, so dass sich gebogene Formen leicht ausbilden lassen. Da sich das veranschaulichte Heizelement insbesondere für einen Einsatz in einem Dreiphasenkreis eignet, werden vorzugsweise drei radial nach aussen stehende Leiterarme 19,21 und 23 vorgesehen, die auf den Geflechten angeordnet sind und in Wasser gekühlte Halter (nicht veranschaulicht) eingesetzt werden können, die mit einer Kraftquelle verbunden sind. Diese Halter stützen die Leiterarme - 19, 21 und 23 ab und halten das nach unten hängende Heizelement im Ofen fest.
Die Arme 19,21 und 23 weisen äussere Leitersegmente 7,9 und 11 sowie. innere Leitersegmente 39,40 und 42 auf, die aus hitzebeständigem Metall gebildet und vorzugsweise mit Hilfe eines auf derAussenseite angeordneten enggewickeIten. Metalldrahtes fesc zusammen- gehalten sind. Die Wicklungen 25,27 und 29 halten die äusseren Fortsätze der Aussensegmente zusammen, während die Wicklungen 31,33 und 35 die Innensegmente zusammenhalten, - wie dies im einzelnen noch in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wird.
Es versteht sich jedoch, dass auchandereAnordnungen verwendet werden können, um die Innen-und Aussensegmente zusammenzuhalten, beispielsweise Klammern oderschweissnähte. Die gezeigten Wicklungen werden jedoch vorzugsweise vorgesehen, da sie für eine Strahlungswärmeabfuhr an den Aussenenden sorgen und dazu beitragen, dass die (nicht veranschaulichten) wassergekühlten Halter, die das Heizelement im Ofen abstützen, nicht überheizt werden.
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Käfigs an den äusseren Enden des Geflechtes vorgesehen.
Die Bänder sind vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Geflecht, in dem sie angebracht sind, gefertigt, wodurch die Möglichkeit eines Bruches des Elementes infolge der Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten herabgesetzt wird. Bei dem dargestellten Heizelement ist jedes Band im wesentlichen bogenförmig ausgebildet und hat eine Dicke zwischen ungefähr 6,35 und 19, 1 mm. Entsprechend den besonderen Erfordernissen des Ofens, in dem das Element eingebaut wird und der Grösse und dem Gewicht der Geflechte können diese Abmessungen jedoch geändert werden.
Unmittelbar auf dem Stützband 37 befindet sich das Geflecht 5. Da die einzelnen Windungen senkrecht ausgerichtet sind, kann das Geflecht 5 entsprechend der Form des Stützbandes 37 leicht geformt werden.
Auf der Aussenseite jedes Geflechtes werden vorzugsweise zwei Innensegmente-39 vorgesehen, die einander im wesentlichen spiegelbildlich entsprechen. Die Innensegmente 39 sind so bemessen, dass sie sich über ungefähr eine Hälfte des Umfanges des Geflechtes und dann von dessen Mitte aus radial nach aussen erstrecken, um dort gegeneinander anzulegen. Vorzugsweise sind die Innensegmente 39 rechtwinkelig gegen die Gewebe abgebogen, so dass jedes Segment einen kleinstmöglichen Winkel be-
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halten werden.
Um eine weitere Herabsetzung der. Wärmeübertragung vom Heizelement auf die wassergekühlten (nicht veranschaulichten) Halter, die das nach unten hängende Heizelement im Ofen abstützen, zu er- leichtern, wird vorzugsweise eine Wolframdrahtumwicklung 53 an den Innensegmenten nahe dem Be- ginn des A-uswärtsverlaufes vorgesehen. Diese Wicklung. 33 ist besonders geeignet, da auf diese Weise ein Verschweissen der Elemente in unmittelbarer Nähe der Abbiegung vermieden wird. Da durch einen Schweissvorgang die Kristallstruktur eines hitzebeständigen Metalls oft geändert wird, wirdhiedurch die Ausbildung von Kristallen in dem hitzebeständigen Metall vermieden, die den extremen'Temperaturen nicht so gut widerstehen können.
Die Länge des Aussenfortsatzes des Innensegmentes hängt in erster Linie von der Grösse des Ofens ab. Ähnlich wie die Drahtwicklung um das Innensegment 39 wird vorzugsweise eine Drahtwicklung 27 um das Aussensegment 11 herum vorgesehen, um dieses zusammenzuhalten und die Wärmeabfuhr zu steigern.
Im allgemeinen lässt man die Aussenflächen der Innensegmente 39 gegen die Innenflächen der Aussensegmente anlegen, die ebenfalls spiegelbildlich zueinander ausgebildet sind. Die Aussensegmente verlaufen über ungefähr 1/4 des Umfanges der Gewebe vom fernen Rand an gemessen. Die Aussensegmente 11 zweigen dann vom-Innensegment 39 ab und verlaufen nach aussen, wo sie gegen die Aussenflächen der Aussenfortsätze der Innensegmente 39 anliegen. Auf diese Weise wird jedem Teil des Geflechtes 5 in wirksamer Weise Strom zugeführt, der unmittelbar von der Stromquelle über die Aussensegmente 11 zu. den äusseren Teilen der Geflechte 5 und in ähnlicher Weise und im wesentlichen entsprechender Menge von der Stromquelle unmittelbar über das Innensegment 39 zur Innenhälfte des Geflechtes läuft.
Zwischen denGeflechten des Käfigs wird ein hinreichend breiter Raum gelassen, um für eine gegenseitige elektrische Isolation der Geflechte zu sorgen. Der äussere Leiterring 15 und der Innenring 16 verbinden die Geflechte an ihrem unteren Ende, unterstützt von der Brücke 17. Wie weiter oben schon angedeutet, wird die Brücke 17 vorzugsweise aus miteinander verdrallten Windungen gebildet, die den zur Bildung des Geflechtes verwendeten ähnlich sind. Bei der Verwendung von Wendelwindungen kann die erste und letzte Windung der Brücke 17 in einfacher Weise mit den Windungen der angrenzenden Geflechte verdrallt werden.
In gewissenfällen kann es zweckmässig sein, die Brücke-17 wegzulassen oder gegen ein festes Blech zu ersetzen oder möglicherweise den inneren Leiterring 16 mit dem äusseren Leiterring 15 zu verfalzen.
Jedes der Geflechte 1, 3 und 5 kann so abgestützt und mit der Stromquelle verbunden werden, wie dies mit Bezug auf das Geflecht 5 beschrieben wurde. :
Im allgemeinen können die verschiedenen Elemente, die die leitende Stützanordnung für das Heizelement bilden, an der Oberseite im Heliarc-Schweissverfahren miteinander verbunden werden. Am zweckmässigsten erwies sich, jedes Geflecht für die Schweisszwecke invierQuadranten aufzuteilen. An den äussersten Quadranten werden die innerenund äusseren Leitersegmente mit dem oberen Rand des Geflechtes und des Stützbandes verschweisst, indem eine Schweissung über die gesamte Breite der Anordnung an deren Oberseite vorgenommen wird. In den inneren Quadranten werden dieinnensegmente mit dem' Geflecht und dem Stützband verschweisst.
Insbesondere wird dafür gesorgt, dass an der rechtwinkeligen Abbiegung der inneren Leiters eg mente, wo diese vom Geflecht radial nach aussen reichen, keine Schweissung
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verhindertdie Verwendung einer Gruppe durchbrochener Geflechte für jede Phase des Heizelementes. Die Konstruktion ist weniger dicht als die zuvor beschriebene Ausführungsform, kann jedoch billiger hergestellt werden. Ausserdem ist das Gewicht herabgesetzt und da loser verwobene Stränge benutzt werden, kann die Flexibilität gesteigert werden.
Die Gruppe der Geflechte 2, 18, 20 und 26 bilden eine Phase des Heizelementes und jedes Geflecht derGesamtgruppe und des vollständigen Elementes kann in gleicher Weise hergestellt und montiert werden. Das Geflecht 2 wird an seinem unteren Ende mittels eines U-förmigen Bügels 6 abgestützt, der (bei Verwendung von Wolframgeflechten) aus einem 0, 64 mm starken, 12, 7 mm breiten und 22 mm langen Wolframblech gebildet sein kann. Die Enden des U-förmigen Bügels-6'werden mit dem Leiterring 4 verschweisst und reichen um die Seitenteile und die Vorderseite des Geflechtes 2, um dieses in dem Heizelement festzulegen.
Es ist verhältnismässig wichtig, für jedes Geflecht einen gesonderten U-förmigen Bügel zu verwenden, statt ein durchlaufendes Band aus Wolframblech vorzusehen, da die Bügel eine gleichmässigere Stromverteilung in dem Element ermöglichen.
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Werden Wolframgeflechte eingesetzt, können sie in einfacher Weise gefertigt werden, indem ein
Wolframdraht mit 0,9 mm Durchmesser auf einem Stahldorn von l, 0 mm Durchmesser mit einer Stei- gung von 2, 16 Windungen je 25,4 mm fortlaufend gewickelt wird. Im allgemeinen werden mehrere De- zimeter der Wicklung, beispielsweise 80 cm hergestellt, und wird diesesStück dann in die für ein Geflecht geeignete Länge, beispielsweise 18 cm, geschnitten. Der Dorn wird dann mit Hilfe bekannter Verfahren entfernt, beispielsweise durch Auslaugen in Säure, und die einzelnen Wendelwindungen können dann mit- einander verdrallt werden.
Für das in Fig. 4 veranschaulichte Geflecht werden vorzugsweise sieben Wen- delwindungen verwendet, die in einfacher Weise derart miteinander verdrallt werden können, dass zwei
Wendelwindungen in jeder andern Wendelwindung angeordnet sind, ausgenommen die erste und letzte
Windung der Reihe. Wie bereits oben ausgeführt, können selbstverständlich andere Ausbildungen und mehr als zwei Wendelwindungen gegebenenfalls vorgesehen werden.
Am andern Ende des Geflechtes 2 wird ein U-förmiger Bügel 8, der dem U-förmigen Bügel 6 identisch sein kann, benutzt, um das Geflecht oben abzustützen und mit dem Leiterband 10 zu verbin- den. Dadurch, dass jeder Bügel, der jedes Geflecht verbindet, gesondert an dem Band 10 angeschweisst wird, unterstützt eine gleichmässige Stromverteilung auf die verschiedenen Geflechte des Elementes.
Wenn, wie veranschaulicht, ein Dreiphasenelement benutzt wird, ist es im allgemeinen zweckmässig, gekrümmte Leiterbündel und ringförmige Leiter zu verwenden, um die Unterteile der Geflechte mitein- ander zu verbinden. Abweichungen von diesen bevorzugten Ausführungsformen bieten sich jedochvon selbst an und hängen von der Form des Ofens, in dem das Element verwendet werden soll, und der Wärme, der es ausgesetzt ist, ab.
Vom mittleren Teil des'Leiterbandes 10 erstreckt sich ein Leiterarm 12 radial nach aussen, der in (nicht veranschaulichten) wassergekühlten Haltern abgestützt werden kann,'die mit einer Stromquelle verbunden sind. Aufbau und Form des Armes 12 werden im einzelnen in Verbindung mit der Fig. S be- schrieben.
Die Geflechte sollten um das Band 10 gleichmässig verteilt sein, so dass der Strom seinerseits gleichmässig verteilt wird und beimScromdurchgang eine örtlich begrenzte Temperatursteigerung an einem der Geflechte vermieden wird. Wird eine gleichmässige Verteilung nicht eingehalten ; kann infolge der ungleichmässigen Erhitzung undMeiallverdampfung ein Geflecht eine kürzere Lebensdauer als ein anderes haben.
In Fig. 5 ist die regelmässige Verteilung der Geflechte um das Leiterband 10 zu erkennen. JedesGeflecht ist einer Gruppe zugeordnet, u. zw. mittels U-förmiger Bügel, die an ihren Enden mit gekrümmten Teilen 14 und 16 des Leiterarmes 12 verschweisst sind. Der Leiterarm 12 istaus zwei spiegelgleichen Segmenten 14 und 16 gebildet, die am einen Ende derart gekrümmt sind, dass sie dem Krüm- mungsradius des Leiterbandes 10 entsprechen, und die dann von der Mitte des Bandes 10 aus radial nach aussen reichen,. wo sie gegeneinander anliegen. Der untere Leiterring 4 kann zweckmässigerweise aus zwei Leiterringen bestehen, wobei der innere Leiterring 32 innerhalb des äusseren Leiterringes 34 liegt. Die Anwendung zweier derart angeordneter Leiterringe erhöht die Stabilität des Heizelementes.
Bei derAnbringung derGeflechte wird wieder vorzugsweise. eine. Heliarc-Schweissung über die gesamten oberen und unteren Oberflächen der Heizelemente vorgenommen, und wenn hohe Temperaturen nicht erreicht werden sollen, an eine Schweissung auch an der rechtwinkeligen Abbiegung der inneren und äusseren Leitersegmente erfolgen.
Es versteht sich, dass - obwohl vorzugsweise Leiterarme entsprechend den in den Fig. 4 und 5 veran- schaulichten für Heizelemente mit aus Gruppen gebildeten Geflechten verwendet werden, die in Verbindung mit den Fig. 1-3 beschriebenen Arme in vielen Fällen ebenfalls benutzt werden können. Aus den vorstehenden Erläuterungen folgt, dass mit der Erfindung ein Heizelement insbesondere zur Anwendung in Vakuumöfen geschaffen wird, das sich in verschiedenartigster Weise auszeichnet, insbesondere hervorra-. gende. Flexibilität und eine stark verbesserte konstruktive Ausgestaltung hat. - . Die vorliegende Anordnung gestattet es, grosse Wärmemengen bei verhältnismässig niedrigen elek- tischen Spannungen zu erhalten. Die Aufheizung erfolgt in hohem Masse gleichmässig.
Das Heizelement kann ferner wesentlich wirksamer gedrosselt werden, was ein sehr bedeutendes Merkmal ist. Da das Heizelement selbsttragend ist, brauchen zu seiner Abstützung in der Vakuumkammer keine hitzebeständigen oder ändern Isolationselemente vorgesehen zu werden. Während vorliegend verschiedene spezielle Aus- bildungen entsprechend der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, versteht es sich für den-Fach- mann, dass zahlreiche Abwandlungen und Änderungen der Einzelteile vorgenommen werden können, ohne Sinn und Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen, und dass die Erfindung nicht auf die im einzelnen beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt ist.