Verfahren zur Herstellung elektrischer Heizstäbe Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Heizstäbe, bei welchen in einem metallischen Mantelrohr minde stens ein Widerstandsdraht in elektrisch isolierende, keramische Masse eingebettet ist.
Solche Heizstäbe werden oft in der Weise her gestellt, dass der Heizdraht wendelförmig gewickelt und in das Mantelrohr eingeführt wird. Durch eine Hilfsvorrichtung wird die Heizdrahtwendel im Man telrohr zentriert. Anschliessend wird in das Mantel rohr eine keramische Masse in Pulverform eingefüllt und durch Rüttel- oder Stampfbewegungen verdich tet. Dieses Verfahren ist besonders bei der Herstel lung langer Heizstäbe schwer auszuführen und ver hältnismässig teuer.
Die hierbei verwendeten Vorrich tungen haben den Nachteil, dass die Isoliermasse oft ungleichmässig verdichtet wird und dass vielfach die Heizdrahtwendel in der Längsrichtung deformiert wird. Dies führt zu ungleichmässigen Beanspruchun gen des Heizdrahtes und dadurch zu frühzeitigen Defekten.
Es ist auch ein Verfahren bekannt, bei welchem die Heizdrahtwendel im Strangpressverfahren von einer teigförmigen keramischen Masse umpresst und nach dem Einbrennen in das Mantelrohr geschoben wird. Ist die Konsistenz der Masse ungleich, so wird auch hier die Heizdrahtwendel deformiert und aus der Mittelachse gedrückt. Zudem benötigt diese kera mische Masse in starkem Masse bindende Beimengun gen, die ihren elektrischen Isolationswert und ihre Leitfähigkeit herabsetzen.
Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem die Heiz drahtwendel durch einen keramischen Formkörper, der dem Mantelrohrquerschnitt genau angepasst ist, im Mantelrohr zentriert und isoliert wird. Durch Pres sen des Heizstabes wird der Formkörper vorerst pul verisiert und dann verdichtet. Auch diese Formkör- per benötigen zu ihrer Herstellung ein Bindemittel, jedoch nur in geringen Mengen. Nach neuesten Ver fahren hergestellte Formkörper, die im verwendungs bereiten, das heisst im vorgebrannten Zustand prak tisch kein Bindemittel mehr enthalten, sind jedoch so porös, dass sie im Mandelrohr nicht stark genug ver dichtet werden können, ohne das Rohrmaterial dabei zu hoch zu beanspruchen.
Trotzdem dieses Verfah ren in qualitativer und wirtschaftlicher Hinsicht sehr gute Ergebnisse erzielen lässt, muss bei sehr hoher Betriebstemperatur des Heizstabes zufolge ungenü gender Verdichtung der Isoliermasse doch mit einem gewissen Ableitungsstrom gerechnet werden.
Diese Mängel werden mit dem erfindungsgemä ssen Verfahren dadurch beseitigt, dass man den Wider standsdraht in einen diesem entsprechenden Hohl raum eines keramischen Formkörpers einbringt, dem eine solche Aussenform gegeben wurde, dass nach dem Einschieben des Formkörpers in das vorge formte Mantelrohr der Formkörper aussen an eini gen, seine Zentrierung im Mantelrohr gewährleisten den Berührungsstellen, von sich über den grösseren Teil seines Umfanges und mindestens annähernd seine ganze Länge erstreckenden Hohlräumen um geben ist, welche nach diesem Einschieben mit einem bindemittelfreien, keramischen Pulver gefüllt wer den, worauf durch Krafteinwirkung auf das Mantel rohr der Formkörper pulverisiert und die ganze,
das Mantelrohr füllende Isoliermasse verdichtet wird.
Zweckmässig wird dem Widerstandsdraht die Form einer Wendel oder eines Mäanders gegeben. Im Falle einer Wendel wird vorteilhaft gleichzeitig mit den genannten äussern Hohlräumen auch der zylindrische, die Wendel enthaltende Innenhohlraum des Formkörpers mit keramischem Pulver gefüllt.
In der befliegenden Zeichnung sind einige Aus führungsbeispiele von nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten, aber noch nicht auf ihre Endform gebrachten Heizstäben dargestellt; an Hand dieser Zeichnung sollen im folgenden Ausführungs beispiele des erfindungsgemässen Verfahrens näher er läutert werden. Es zeigt Fig. 1, 2, 3 und 4 je einen Heizstab im Quer schnitt und Fig. 5 den mäanderförmigen Widerstands draht des Heizstabes nach Fig. 4 in Ansicht.
Zur Herstellung des Heizstabes nach Fig. 1 wird eine Widerstandsdrahtwendel 1 in einen dem Aussen durchmesser der Wendel entsprechenden axialen Hohlraum 2 eines zylindrischen Formkörpers 3 aus keramischem Isoliermaterial eingebracht. Der unter Verwendung von möglichst wenig Bindemittel her- aestellte Formkörper 3, der sich aus Herstellungs gründen üblicherweise aus einer Mehrzahl axial an einandergereihter Teilkörper zusammensetzt, besitzt drei in gleichen Abständen über den Formkörper umfang verteilte, äussere Längsrippen 4.
Die äusser sten Mantellinien der Rippen 4 liegen in einer Zylin derfläche, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des zylindrisch vorgeformten, metallischen Mantel rohres 5 entspricht. Die Wandstärke des Formkör pers 3 wird so klein, wie dies aus Festigkeitsgründen möglich ist, gewählt. Nach dem Einbringen der Wen del 1 in den Formkörper 3 wird der letztere in das Mantelrohr 5 geschoben. Die mit ihren äussersten Mantellinien gegen die Innenwand des Mantelrohres 5 anliegenden Rippen 4 gewährleisten die einwand freie Abstützung und Zentrierung der Wendel 1 im Mantelrohr.
Der zwischen Formkörper 3 und Mantel rohr 5 verbleibende, im Querschnitt ringförmige Raum ist durch die Rippen 4 in drei Hohlräume 6 unterteilt, welche sich über den grösseren Teil des Umfanges des Formkörpers 3 in dessen Längsrich tung erstrecken. Anschliessend wird das Mantelrohr 5 am einen Ende vorübergehend mittels eines geeigne ten Zapfens geschlossen. Dann werden die Hohl räume 2 und 6 mit keramischem Pulver, z. B. Mg0- Pulver, gefüllt; durch leichtes Vibrieren des Ganzen kann eine Vorverdichtung des lose eingeschütteten Pulvers erreicht werden.
Der Formkörper 3 des in Fig. 1 gezeigten Rundstabes wird nun durch Häm mern des Mantelrohres 5 pulverisiert, wobei gleich zeitig die ganze das Mantelrohr füllende Isoliermasse verdichtet wird. Durch Verwendung eines nur wenig Bindemittel aufweisenden Materials zur Bildung des Formkörpers wird eine relativ homogene Isoliermasse erhalten. Zufolge der Verwendung eines völlig binde mittelfreien Pulvers, z. B. reinen Mg0-Pulvers, zum Auffüllen der genannten Hohlräume wird praktisch über den ganzen Mantelrohrumfang eine am letzteren anliegende, besonders hochwertige Isolierschicht von sehr guter Wärmeleitfähigkeit erhalten.
Die durch Verwendung des Formkörpers beim Zusammenbau des Heizstabes gewährleistete Zentrierung und Fixie rung der Heizdrahtwendel bleibt auch nach dem Ver dichten der Isoliermasse erhalten.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Heizstab sind in den Formkörper 7 drei Heizdrahtwendeln 8 eingesetzt. Auch dieser Formkörper 7 besitzt drei gleichmässig über seinen Umfang verteilte Längsrippen 9, welche beim Einschieben des Formkörpers 7 in das zylin drische Mantelrohr 5 mit ihrer äussersten Mantellinie gegen die Innenwand des Mantelrohres 5 anliegen; die Rippen 9 gewährleisten dabei eine einwandfreie Zentrierung des Formkörpers 7 bzw. eine lagerich tige Fixierung der Wendeln 8 im Mantelrohr 5. Die zwischen Mantelrohr und Formkörper geschaffenen Hohlräume 10 werden dann zusammen mit den im Formkörper 7 vorgesehenen Hohlräumen mit kerami schem Isolierpulver gefüllt.
Im übrigen ist die Her stellung dieses Heizstabes analog derjenigen beim vorangehend beschriebenen Beispiel.
In gleicher Weise können natürlich auch im Querschnitt ovale bzw. flache Heizstäbe in der be schriebenen Weise hergestellt werden. Solche Heiz- stäbe sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Sie besit zen im Querschnitt ovale Mantelrohre 11. Beim Bei spiel nach Fig. 3 werden in den Formkörper 12 drei Heizdrahtwendeln 13 je in eine entsprechende Boh rung eingesetzt. Der Formkörper 12 besitzt zwei Paare von einander gegenüberliegenden Längsrippen 14.
Beim Einschieben des Formkörpers 12 liegen diese Rippen 14 mit ihrer äussersten Mantellinie gegen die Innenwand des Mantelrohres 11; einerseits zentrieren sie dabei den Formkörper 12 im Mantel rohr 11, und anderseits werden dadurch Hohlräume 15 geschaffen, welche den Formkörper 12 annähernd über dessen ganzen Umfang umgeben. Nach dem Einfüllen von keramischem Pulver in die Hohlräume 15 und in die die Wendeln 13 enthaltenden Boh rungen des Formkörpers 12 wird der letztere durch Flachdrücken des Mantelrohres pulverisiert und dabei gleichzeitig die ganze Isoliermasse wie bei den vor angehend beschriebenen Beispielen verdichtet.
Der Heizstab nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Heizstab nur durch die Ver wendung eines einzigen mäanderförmig gewundenen Heizdrahtes 16. Er wird analog den vorangehend beschriebenen Heizstäben hergestellt, mit der Aus nahme, dass hier keine Hohlräume im Formkörper selbst mit Pulver zu füllen sind. Es könnten auch mehrere mäanderförmige Heizdrähte in den Form körper eingebettet sein.
Das Verdichten der Isoliermasse kann auch in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen mit Zwischenerhitzung der Masse vorgenommen werden. Komplizierte Füll- und Stampfvorrichtungen sind je doch unnötig.
Es versteht sich, dass dem Formkörper ein mög lichst kleiner Querschnitt gegeben wird; er soll nur gerade die Zentrierung und Fixierung der Heizdrähte während der Heizstabherstellung übernehmen. Da durch wird der Anteil an Bindemittel in der gesam ten Isoliermasse, welches die Isolations- und Wärme leitwerte dieser Masse herabsetzt, minimal gehalten.
An Stelle mehrerer, achsparalleler Längsrippen kann der Formkörper auch eine einzige, schraubenlinien- förmig verlaufende Rippe aufweisen; Voraussetzung ist nur, dass die zwischen Formkörper und Mantel rohr geschaffenen Hohlräume durchgehend offen sind, um das vollständige Füllen dieser Hohlräume mit keramischem Pulver zu ermöglichen.
Selbstverständlich können die Stabquerschnitte auch andere als die in den Figuren gezeigte Formen erhalten, z. B. die Form eines Dreieckes, eines Qua drates oder eines Rechteckes. Wesentlich ist, dass die Heizwicklung durch einen im Querschnitt möglichst kleinen keramischen Formkörper fixiert und ge schützt wird, und dass gegen den Rohrmantel eine bindemittelfreie, hochwertige Isolationsschicht zu lie gen kommt, die gleichzeitig ein guter Wärmeleiter ist.
Method for producing electrical heating rods The present invention is a method for producing electrical heating rods, in which in a metallic jacket tube at least one resistance wire is embedded in electrically insulating, ceramic mass.
Such heating rods are often made in such a way that the heating wire is wound helically and inserted into the jacket pipe. The heating wire coil is centered in the telrohr Man by an auxiliary device. A ceramic mass in powder form is then poured into the jacket tube and compressed by shaking or tamping movements. This process is particularly difficult to carry out in the manufacture of long heating rods and is relatively expensive.
The devices used here have the disadvantage that the insulating compound is often compressed unevenly and that the heating wire coil is often deformed in the longitudinal direction. This leads to uneven stresses on the heating wire and thus to early defects.
A method is also known in which the heating wire coil is pressed around by a dough-like ceramic mass in the extrusion process and, after being burned in, is pushed into the jacket tube. If the consistency of the mass is not the same, the heating wire coil is also deformed and pushed out of the central axis. In addition, this ceramic compound requires a large amount of binding admixtures that reduce their electrical insulation value and their conductivity.
A method is also known in which the heating wire coil is centered and insulated in the jacket tube by a ceramic molded body which is precisely adapted to the jacket tube cross section. By pressing the heating rod, the molding is first pulverized and then compressed. These moldings also require a binder for their production, but only in small amounts. Molded bodies produced according to the latest methods, which are ready to use, i.e. practically no longer contain any binding agent in the pre-fired state, are however so porous that they cannot be compressed enough in the almond tube without stressing the tube material too much.
Despite this method, very good results can be achieved in qualitative and economic terms, a certain leakage current must be expected at a very high operating temperature of the heating rod due to insufficient compression of the insulating material.
These deficiencies are eliminated with the method according to the invention by introducing the resistance wire into a corresponding cavity of a ceramic molded body, which has been given such an external shape that after the molded body has been pushed into the pre-formed jacket tube, the molded body is attached to the outside gene, its centering in the jacket tube ensure the points of contact, from the larger part of its circumference and at least approximately its entire length extending cavities is given, which after this insertion with a binder-free, ceramic powder who who, whereupon by force acting on the jacket the tube powdered and the whole,
the jacket pipe filling insulating compound is compressed.
The resistance wire is expediently given the shape of a helix or a meander. In the case of a coil, the cylindrical inner cavity of the shaped body containing the coil is advantageously filled with ceramic powder at the same time as the outer cavities mentioned.
In the accompanying drawing, some exemplary embodiments of heating rods produced by the method according to the invention but not yet brought to their final shape are shown; on the basis of this drawing, examples of the method according to the invention will be explained in more detail in the following embodiment. It shows Fig. 1, 2, 3 and 4 each a heating rod in cross section and Fig. 5 shows the meandering resistance wire of the heating rod of FIG. 4 in view.
To produce the heating rod according to FIG. 1, a resistance wire coil 1 is introduced into an axial cavity 2, corresponding to the outer diameter of the coil, of a cylindrical shaped body 3 made of ceramic insulating material. The molded body 3 produced using as little binding agent as possible, which for manufacturing reasons is usually composed of a plurality of axially lined up partial bodies, has three outer longitudinal ribs 4 distributed circumferentially at equal intervals over the molded body.
The outer most surface lines of the ribs 4 lie in a Zylin derfläche, the diameter of which corresponds to the inner diameter of the cylindrically preformed, metallic jacket tube 5. The wall thickness of the Formkör pers 3 is selected to be as small as possible for reasons of strength. After the introduction of the Wen del 1 into the molded body 3, the latter is pushed into the jacket tube 5. The ribs 4 resting with their outermost surface lines against the inner wall of the jacket tube 5 ensure that the helix 1 is perfectly supported and centered in the jacket tube.
The remaining between the molded body 3 and jacket tube 5, in cross-section annular space is divided by the ribs 4 into three cavities 6, which extend over the greater part of the circumference of the molded body 3 in its longitudinal direction. Then the casing tube 5 is temporarily closed at one end by means of a suitable th pin. Then the hollow spaces 2 and 6 with ceramic powder, for. B. Mg0 powder, filled; By gently vibrating the whole, a pre-compression of the loosely poured powder can be achieved.
The molded body 3 of the round rod shown in Fig. 1 is now pulverized by Häm numbers of the jacket tube 5, at the same time the whole of the jacket tube filling insulation is compressed. A relatively homogeneous insulating compound is obtained by using a material with only a small amount of binder to form the molded body. As a result of the use of a completely binder-free powder, e.g. B. pure Mg0 powder, to fill the cavities mentioned, a particularly high-quality insulating layer of very good thermal conductivity is obtained practically over the entire circumference of the jacket tube.
The centering and fixation of the heating wire coil ensured by the use of the molded body when assembling the heating rod is retained even after the insulation material has been compressed.
In the heating rod shown in FIG. 2, three heating wire coils 8 are inserted into the molded body 7. This molded body 7 also has three longitudinal ribs 9 evenly distributed over its circumference, which when the molded body 7 is pushed into the cylindrical casing tube 5 with its outermost surface line against the inner wall of the casing tube 5; the ribs 9 ensure proper centering of the molded body 7 or a positionally term fixation of the coils 8 in the casing tube 5. The cavities 10 created between the casing tube and the shaped body are then filled with ceramic insulating powder together with the cavities provided in the shaped body 7.
Otherwise, the manufacture of this heating rod is analogous to that in the example described above.
In the same way, of course, oval or flat heating rods in cross section can be produced in the manner described. Such heating rods are shown in FIGS. 3 and 4. They possess oval casing tubes 11 in cross-section. In the case of the game according to FIG. 3, three heating wire coils 13 are each inserted into a corresponding drilling in the molded body 12. The molded body 12 has two pairs of mutually opposite longitudinal ribs 14.
When inserting the molded body 12, these ribs 14 lie with their outermost surface line against the inner wall of the jacket tube 11; on the one hand, they center the molded body 12 in the jacket tube 11, and on the other hand, cavities 15 are created which surround the molded body 12 approximately over its entire circumference. After ceramic powder has been filled into the cavities 15 and into the bores of the shaped body 12 containing the coils 13, the latter is pulverized by flattening the casing tube while at the same time compressing the entire insulating material as in the examples described above.
The heating rod according to FIG. 4 differs from the heating rod shown in FIG. 3 only by the use of a single meandering heating wire 16. It is produced analogously to the heating rods described above, with the exception that there are no cavities in the molding itself Powder to be filled. Several meander-shaped heating wires could also be embedded in the molded body.
The insulation compound can also be compacted in several successive operations with intermediate heating of the compound. Complicated filling and tamping devices are ever unnecessary.
It goes without saying that the shaped body is given the smallest possible cross section; it should just take over the centering and fixing of the heating wires during the manufacture of the heating rod. Since the proportion of binder in the total th insulating compound, which reduces the insulation and heat conductivity of this compound, is kept to a minimum.
Instead of several axially parallel longitudinal ribs, the molded body can also have a single, helically extending rib; The only requirement is that the cavities created between the molded body and the jacket tube are continuously open in order to allow these cavities to be completely filled with ceramic powder.
Of course, the rod cross-sections can also have shapes other than those shown in the figures, e.g. B. the shape of a triangle, a Qua drates or a rectangle. It is essential that the heating coil is fixed and protected by a ceramic shaped body with the smallest possible cross-section, and that a binder-free, high-quality insulation layer is placed against the pipe jacket, which is also a good heat conductor.