CH653199A5

CH653199A5 - Fluiddurchlaessiges, faseriges heizelement.

Info

Publication number: CH653199A5
Application number: CH4587/80A
Authority: CH
Inventors: James Francis Pollock; John Malcolm North; Roy Frederick Preston; Vincent Keith Hewinson
Original assignee: Atomic Energy Authority Uk
Priority date: 1979-06-14
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1985-12-13
Also published as: FR2459602A1; GB2056829A; US4982068A; JPS568220A; GB2086875A; IT8067932A0; IT1147749B; GB2086875B; FR2461424A1; DE3022259A1; GB2056829B; SE8203612L; GB2083330A; FR2459602B1; DE3022259C2; SE8102972L; SE454932B; GB2083330B; SE8004352L; FR2503589A1

Description

Die Erfindung betrifft ein fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement mit einem Körper aus Kohlenstoffasern in unregelmässiger Verteilung, die an ihren Berührungsstellen miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sind. Solche Heizelemente werden unter anderem in Wärmeübertragungsanordnungen verwendet, die dazu dienen, die Temperatur einer Gussform, eines Kalanders oder eines Extruders zu steuern.

Beispiele poröser, elektrischer Heizelemente sind in den GB-PSen 1 466 240, 1 503 644 und 1 600 253 (letztere entspricht der CH-PS 638 940, US-PS 4 257 157, bzw. der DE-OS 2 822 536) offenbart.

Es ist oft notwendig, ein Fluid, sei es ein Gas oder eine Flüssigkeit, elektrisch zu erwärmen und eine geschlossene Umlaufanlage, in welcher das Fluid umläuft, zu verwenden, um die genannte Wärme anderen Fluiden oder Anlageteilen einer Wärmetauschanordnung überzuführen. Ein insbesonde-res Beispiel ist die Verwendung einer erwärmten Flüssigkeit

(z.B. Öl oder Wasser), um die Temperatur von Gussformen, Extrudern und Kalandern zu steuern, welche in der Kunststoffindustrie verwendet werden. Bekannte Ausbildungsformen solcher Temperatursteuereinheiten verwenden elektrische Tauchelemente der gekapselten bzw. ummantelten Bauform, wobei die Wärme, die in diesen Elementen erzeugt worden ist, durch Wärmeleitung durch die Metallmantelwand auf die diese umgebende Flüssigkeit übertragen wurde, welche Flüssigkeit am Element vorbeiströmt. Da ein Zersetzen des Öls verhindert werden muss, besteht in bezug auf die Wärmeübertragungszahl, die mit dieser Bauform des Elementes verwendet werden kann, ein Grenzwert, beispielsweise 1-10 Watt/cm2 Heizelementoberfläche. Dieser Wert verursacht folglich eine Auswirkung auf die Abmessungen und das Gewicht der Heizanlage, insbesondere bei hohen Leistungen. Weiter ist die Ansprechzeit solcher Einheiten verhältnimässig klein, weil eine Grenze in bezug auf die Wärmemenge besteht, die während einer kurzen Zeitspanne der Flüssigkeit übertragen werden kann. Dieses kann auf die Produktionszyklen einen entscheidenden Einfluss ausüben, wenn solche Einheiten dazu verwendet werden, Gussformen zu beheizen im Falle, dass identische Bauteile seriemässig hergestellt werden.

Die Erfindung will nun diese Begrenzungen und Nachteile beheben. Das erfindungsgemässe Heizelement ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. In einem jeweiligen Wärmeübertragungselement, in welchem das umhüllte Metallelement durch ein fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement ersetzt ist, kann das Fluid, anstatt über lediglich die Aussenfläche des Heizelementes, durch den Körper des porösen Heizelementes hindurchströmen.

Es können Energiedichten von 1 kW/cm3 Heizelementstoff erreicht werden, und dies führt nicht nur zu einer Verminderung in bezug auf die Abmessungen und das Gewicht einer Heizeinheit für eine gegebene Aufgabe, sondern vermindert auch die Ansprechdauer derart, dass die gesamte Anordnung auf einen Bedarf für eine starke, schrittweise Erhöhung der erzeugten Wärmemenge und der dem umlaufenden Fluid übertragenen Wärmemenge sozusagen unverzüglich ansprechen kann.

In einer Wärmeübertragungsanordnung mit einem zur Aufnahme eines Fluids bestimmten Kreislauf, mit einer zum Erwärmen des im Kreislauf vorhandenen Fluids bestimmten Heizvorrichtung, mit einem Wärmeübertragungsflächenabschnitt des Kreislaufs, der dazu bestimmt ist, vom Fluid stammende Wärme durch den Wärmeübertragungsabschnitt zu übertragen, und welche Wärmeübertragungsanordnung mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Heizelement ausgerüstet ist, ist das Heizelement vorteilhaft mit mindestens einem Teil des Kreislaufs in Serie geschaltet. Der genannte Wärmeübertragungsflächenabschnitt kann ein Abschnitt einer Vorrichtung sein, die dazu dient, einen Stoff heiss zu bearbeiten, beispielsweise eine Gussform, eine Spritzgussform, ein Kalander oder ein Extruder, und das Fluid kann ein Wärme-übertragungsöl sein. Vorteilhaft sind eine zum Abtasten der Temperatur der zum Heissbearbeiten eines Stoffes dienende Vorrichtung und eine weitere, zum Steuern der Temperatur des porösen, elektrischen Heizelementes und damit des Fluids dienende Vorrichtung vorhanden. Alternativ kann eine Vorrichtung vorhanden sein, die die Temperatur des Fluids abtastet, um damit die Temperatur des porösen Heizelementes und des davon austretenden Fluides zu steuern.

Ein zweckdienliches Element kann porösen Kohlenstoff mit einem Leerstellenanteil von 50 bis 98% und ein Schüttgewicht von 50-750 kg/cm3 aufweisen, in welchem die einzelnen Heizelemente aus feinen Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 3 bis 150 Mikron bestehen. Um einen gleich5

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förmigen Fluidfluss sicherzustellen, kann zusammen mit dem Heizelement eine thermische Schranke/thermische Verteilanordnung verwendet werden (siehe GB-PS Nr. 1 466 240).

Es kann auch erwünscht sein, eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides durch das Element aufrechtzuerhalten, welche den Temperaturanstieg durch das Element auf nicht mehr als ungefähr 50 °C beschränkt; dieses ist jedoch nicht entscheidend, und mit einem Element, das eine Wandstärke von 2-10 mm aufweist, können Temperaturanstiege von 2-300 °C möglich sein. Kennzeichnende Abmessungen für ein Kohlenstoffelement für eine 10-kW-Einheit sind beispielsweise ein poröser, kreisförmiger Zylinder aus faserigem Kohlenstoff, der 10-40 mm lang ist, einen Aussendurchmesser von 44 mm und einen Innendurchmesser vom 35 mm aufweist, der ein Gewicht von 0,3 bis 30 g aufweist, letzteres abhängig von der ausgewählten Faserdichte. Das Heizelement kann bei irgendeiner bestimmten Temperatur einei. vorbestimmten elektrischen Widerstand aufweisen und kann derart verwendet werden, dass es mit einer Hauptspeiseleitung direkt verbunden sein kann, ohne dass ein Transformator notwendig ist.

Die Bauteile der Anordnung einer beispielsweisen Wärmeübertragungsanordnung können eine Umlaufpumpe, ein Heizelementzusammenbau, Ventile und Rohrleitungen sein, wobei das Öl die Gussform, den Extruder oder Kalander, die erwärmt werden müssen und mit dem Heizelement in Serie geschaltet sind, durchströmt, wobei auch eine Steueranordnung vorhanden sein kann. Solche Einheiten mit den oben erwähnten Abmessungen und der oben erwähnten Ausbildungsform sind für einen Energieauslegewert von 1-15 kW hergestellt und auch betrieben worden, wobei die Ansprechzeit nur wenige Sekunden betrug. Für die hochenergetischen Einheiten können sehr gedrängte Einheiten ausgebildet werden, wobei im Vergleich mit den herkömmlichen Wärmeübertragungsanordnungen die kleinen Abmessungen die Herstellungskosten beträchtlich vermindern.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Wärmübertra-gungsanordnung, die dazu bestimmt ist, eine Gussform zu erwärmen,

Fig. 2 in einem vergrösserten Massstab eine schaubildliche Darstellung der Gussform, die in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 in vergrösserten Massstab einen Längsschnitt einer elektrischen Heizeinheit, die zur Verwendung in der Anordnung nach Fig. 1 dient,

Fig. 4 ein Diagramm, in welchem der Temperaturanstieg über der Zeitdauer der Heizanordnung der Fig. 1 gezeigt ist, Fig. 5 im vergrösserten Massstab einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Heizeinheit,

Fig. 5a einen Teil eines Schnittes entlang der Linie Va-Va der Fig. 5,

Fig. 6 ein Diagramm, in welchem die Auswirkung der Ver-kohlungstemperatur auf den spezifischen elektrischen Widerstand eines porösen Kohlenstoff enthaltenden Heizelementes dargestellt ist,

Fig. 7 ein Diagramm, in welchem die Auswirkung der Zeitdauer auf den elektrischen Widerstand eines porösen Kohlenstoff enthaltenden Heizelementes gezeigt ist, das Luft, die Wasserdampf enthält, ausgesetzt ist, und

Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum plasmaaktivierten Dampf auftragen.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 1 genommen. Die Wärmeübertragungsanordnung weist im wesentlichen eine Gussform 10 (beispielsweise eine Spritzgussform) auf, weiche Gussform 10 mittels einer Leitung 11 mit einer Kühleinheit 13 und mit einer porösen, elektrischen Heizeinheit 14 verbunden ist. In der Leitung 11, die eine Leitungsanordnung sein kann, ist ein Wärmeübertragungsöl vorhanden, beispielsweise ein British Petroleum (BP) «Transcal N», welches Öl mittels einer Umwälzpumpe 15 zum Umlaufen in der Anordnung gebracht ist. Bei der Gussform 10 ist ein thermoelektrisches Element 20 bei dessen Einlass und ein weiteres thermoelektrisches Element 21 bei dessen Auslass angeordnet, welche thermoelektri-schen Elemente dazu dienen, die Temperatur des Öles in der Leitung 11 abzutasten, wobei eine Einrichtung 23 zum Steuern der Temperatur der Gussform 10 vorhanden ist, welche Einrichtung 23 im Betrieb der Kühleinheit 13 und den der Heizeinheit 14 steuert, derart, dass die Gussform 10 bei einem erwünschten Temperaturwert gehalten ist. In der Leitung 11 ist eine Umgehungszweigleitung 25 verbunden, in welcher Zweigleitung 25 ein Entlastungsventil 26 angeordnet ist, welche Umgehungsleitung 25 parallel zur Gussform 10 verlaufend geschaltet ist.

Die Gussform 10 ist in vergrössertem Massstab in der Fig. 2 gezeigt, auf welche nun Bezug genommen wird. Diese Gussform 10 weist zwei Gussformhälften 10a bzw. 10b auf und weist weiter Ölkanäle 18 auf, die in Serie zur Leitung 11 verlaufen und mittels welchen das Öl durch die Gussform 10 geleitet wird, wobei eine Verbindungsleitung 1 la vorhanden ist, welche dazu dient, die Ölkanäle 18 der zwei Gussformhälften 10a, 10b miteinander zu verbinden.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 3 genommen. Die poröse, elektrische Heizeinheit 14 weist eine ungefähr kreisförmige Querschnittsform auf und enthält ein fluiddurchlässiges, poröses, faseriges Kohlenstoffheizelement 30, welches Heizelement 30 die Form eines Hohlzylinders aufweist und enthält bei dem oberen bzw. unteren Ende des Heizelementes 30 goldplattierte Kupferelektroden 31 bzw. 32. Die untere Elektrode 32 ist mit einer Endkappe 34 aus Bronze verbunden, welche mit einem Stahlrohr 33 verbunden ist, das seinerseits mit einer Kupferstange 35 mittels einer Hartlötung verbunden ist, welche Kupferstange 35 mittels eines klemmför-migen Endsteckers 36 mit einer elektrischen Zufuhranordnung (nicht gezeigt) verbunden ist. Um die Stange 35 verlaufen zwei metallene Kühlscheiben 38, welche Kühlscheiben 38 mittels einer «Starlock»-Sicherungsscheibe 40 festgehalten sind, welche über der obersten Kühlscheibe 38 angeordnet ist. Weiter sind drei «Schnorr»-Federscheiben 41 zwischen den Kühlscheiben 38 angeordnet, derart, dass auf eine Platte 42 eine Druckkraft ausgeübt wird, welche Platte 42 derart angeordnet ist, dass sie auf einen Ring 43 mit Bund aufliegt, der aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist. Ein Einsatzstück 45 mit Bund, das aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Polyamid «Tufnol» hergestellt ist, ist in einer Ausnehmung 46 im Gehäuse 37 angeordnet und trägt einen O-Dichtungsring 48, der um die Stange 35 herum verläuft, trägt ein ringförmiges, oberes Distanzstück 49, das aus demselben Werkstoff gefertigt ist, aus dem das Einsatzstück 45 mit Bund gefertigt ist, welches Distanzstück 94 durch den Ring 43 mit Bund gegen die O-Ringdichtung gepresst ist.

Das Gehäuse 37, welches mit der oberen Elektrode 31 verbunden ist, weist eine innere Kammer 52 auf, welche mit der Leitung 11 verbunden ist, und weist Einlassöffnungen 53 auf (wobei nur zwei davon gezeigt sind), welche Einlassöffnungen 53 die innere Kammer 52 mit einem Raum 54 verbinden, der ziwschen der Innenfläche des Heizelementes 30 und der Aussenfläche des Stahlrohres 33 vorhanden ist, wobei das Rohr 33 eine obere Öffnung 55 und eine untere Öffnung 56 aufweist, welche den Innenraum des Rohres 33 mit dem Raum 54 verbinden und als thermische Verteiler dienen.

Das Gehäuse 37 weist einen Rohrabschnitt 58 auf, der einen Aussenflansch 59 aufweist, der an einem Aussenflansch 62 eines rohrförmigen inneren Gehäuse 63 angeklemmt ist, in

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welchem Gehäuse 63 das Heizelement 30 angeordnet ist, wobei in einer ringförmigen Ausnehmung 66 eine O-Ring-dichtung 65 angeordnet ist, und wobei weiter ein Erdungsendstück 60 mit dem Flansch 62 verbunden ist.

Ein thermischer Isolierstoff, beispielsweise «Kaowool» (Handelsmarke) ist als Auskleidung 70 zwischen dem inneren Gehäuse 63 und dem äusseren Gehäuse 71 angeordnet, wobei die Leitung 11 durch den unteren Abschnitt des äusseren Gehäuses 71 und durch die Auskleidung 70 hindurch verläuft, und bis zum unteren Ende des inneren Gehäuses 63 verläuft, wobei ein Luftauslassrohr 73 durch den oberen Abschnitt des äusseren Gehäuses 71 und der Auskleidung 70 zum inneren Gehäuse 63 führt.

Im Betrieb, wenn die Gussform 10 zum Herstellen von (nicht gezeigten) Kunststoffteilen verwendet wird, wird diese Gussform 10 bei einer erwünschten Betriebstemperatur durch das Öl gehalten, welches Öl durch die Pumpe 15 durch die Gussform 10 hindurch gefördert wird. Die Temperatursteuereinrichtung 23 tastet die Temperatur der Gussform 10 ab und vestellt je nach Notwendigkeit den Mengenfluss eines Kühlmittels (beispielsweise Wasser), welches durch die Kühleinheit 13 strömt und verstellt auch den Wert des der porösen elektrischen Heizeinheit 14 zugeführten elektrischen Stromes, so dass die Temperatur des Öls gesteuert ist und die Gussform 10 bei der notwendigen Betriebstemperatur gehalten wird. Die thermoelektrischen Elemente 20,21, die der Öltem-peratur zugeordnet sind, bilden eine zusätzliche Überwachungsmöglichkeit und können bei einem vorbestimmten Temperaturunterschied die Heizeinheit 14 in Betrieb setzen.

Die kurze Ansprechzeit der porösen, elektrischen Heizeinheit 14 geht aus dem in der Fig. 4 gezeigten Diagramm hervor, auf welche Fig. nun Bezug genommen wird. In der Fig. 4 ist der Temperaturanstieg über die Zeitdauer gezeigt, wobei die Werte denen bei der Mitte der Gussform 10 vorherrschenden entsprechen und weiter denen bei den thermoelektrischen Elementen 20,21, wobei ein 12 kW poröses, kohlenstoffhaltiges, elektrisches Heizelement mit einer Zufuhrspannung von 240 V verwendet wird.

Um die Strömungsgeschwindigkeit des Öles durch die Elemente zu erhöhen, kann ein mehr gedrängt ausgebildetes Heizelement verwendet werden, wie in der Fig. 5 gezeigt ist, auf welche Fig. 5 nun Bezug genommen wird. In der Fig. 5 ist eine elektrische Heizeinheit 14a gezeigt, welche Heizeinheit 14a ein fluiddurchlässiges, poröses, faseriges Heizelement 80 aus Kohlenstoff aufweist, welches Element 80 die Form eines Hohlzylinders aufweist, mit folgenden kennzeichnenden Abmessungen: Aussendurchmesser 45 mm, Innendurchmesser 35 mm, Länge 10 mm. Bei den jeweiligen Enden des Heizelementes 80 sind goldplattierte, ringförmige Kupferelektroden 81 und 82 angeordnet, und jede Elektrode 81,82 ist auf einem Vorsprung 83 bzw. 84 abgestützt, welche Vorsprünge 83, 84 von einem Tragring 85 bzw. 86 aus rostfreiem Stahl getragen sind. Der Tragring 85 ist auf einem Vorsprung 87 eines ringförmigen, elektrischen Isolators 88 aus Polyamid «Tufnol» getragen, und der Tragring 86 ist in gleicher Weise auf einem Vorsprung 89 eines kreisförmigen Isolators 90 aus Polyamid «Tufnol» getragen. (Nicht gezeigte), dünne Dichtungsringe aus einem verformbaren Stoff, beispielsweise Graphit, Kupfer oder Aluminium, können zwischen den Enden des Elementes 80 und den Elektroden 81 und 82 angeordnet sein.

Eine Verteilstange 96 aus rostfreiem Stahl verläuft durch die Isolatoren 88, 90 und trägt diese Isolatoren 88, 90 und weist einen ringförmigen Flansch 97 auf. Der Isolator 90 ist durch die Wirkung einer Druckfeder 98 gegen eine Seite des Flansches 97 gespannt und gehalten, wobei ein Ende der Druckfeder 98 über einen von einer Kappe 99 abstehenden Vorsprung 110 verläuft. Der Vorsprung 110 verläuft um ein

Ende der Verteilstange 96. Die Kappe 99 ist mittels einer Schraube 11 mit der Verteilstange 96 verbunden. Das andere Ende der Feder 98 liegt auf dem Isolator 88 auf, um die Isolatoren 88, 90, die Elektroden 81, 82 und den Isolator 90 eng zusammenzupressen. Ein in axialer Richtung verlaufendes Loch 112 erstreckt sich in der Verteilstange 96 von zwei in axialer Richtung im Abstand angeordneten Gruppen von vier (es sind lediglich drei gezeigt) jeweils einen gleichen Abstand aufweisenden, in radialer Richtung verlaufenden Auslasslöchern 113 bzw. 114, wobei das in axialer Richtung verlaufende Loch 112 sich in eine Richtung gegen das andere Ende der Verteilstange 96 hin erstreckt.

Die Verteilstange 96 ist bei der anderen Seite des Flansches 97 bei 115 mit einem Schraubengewinde versehen, und ist in einem entsprechenden Gewindeloch 116 angeordnet, welches Gewindeloch 116 in einer hohlzylindrischen Hülse 117 aus Polyamid «Tufnol» angeordent ist, um gegen eine Schulter 119 anzuliegen, und wird mittels einer Sicherungsmutter 121 aus rostfreiem Stahl fest im Gewindeloch 116 gehalten. Die Hülse 117 weist bei seiner Aussenfläche ein Schraubengewinde auf, um in einem entsprechend ausgebildeten Gewindeloch 123 eingesetzt zu sein, welches Gewindeloch 123 von einer Seite eines Traggliedes 125 aus rostfreiem Stahl absteht und gegen eine Schulter 126 anliegt, wobei die Hülse 117 durch eine Sicherungsmutter 128 aus rostfreiem Stahl fest gegen die Schulter 126 gehalten ist. Ein zylindrisches Loch 130 mit einem verhältnismässig kleinen Durchmesser, welches zylindrische Loch 130 bei der axialen Mitte der Schulter 119 und dem Tragglied 125 angeordnet ist, führt zu einem Gewindeloch 132, das bei der anderen Seite des Traggliedes 125 angeordnet ist, in welchem ein Druckrohrverbinder 134 angeordnet ist, welcher dazu dient, die Leitung 11 mit dem Tragglied 125 zu verbinden. Das Tragglied 125 ist einstückig mit einem kreisförmigen Flansch 137 ausgebildet, der durch mehrere Bolzen 138 (wovon lediglich zwei gezeigt sind) gegen einen ringförmigen Flansch 140 eines hohlzylindrischen Gehäuses 142 gehalten ist, wobei eine ringförmige Dichtung 144 aus weichem Kupfer eine Dichtung zwischen den Flanschen 137, 140 bildet. Zwei Elektrodenanordnungen

146 bzw. 147 sind in einem Loch 148 bzw. 149 im Flansch 137 angeordnet und sind mit dem Flansch 137 verschweisst, um eine druckdichte Verbindung zu bilden. Jede Elektrode 146,

147 bildet eine druckdichte, elektrische Durchführung von Zufuhrkabeln 150,151 für die Zufuhr elektrischer Energie zu den jeweiligen verkupferten, eletrischen Verbindungsstücken 152, 153, die jeweils bei einem Kupferendstück 155,156 enden, welche, wie in der Fig. 5a gezeigt ist, mit jeweils einer Schulter 157 der Elektrode 81 bzw. 82 verbunden ist. Solche Elektrodenanordnungen 146,147 können zweckdienlich beispielsweise von der VG Electronics Ltd., Hastings, Sussex, England, oder Ferranti Limited, Hollinwood, Lancashire, England, oder Friedrichsfeld GmbH, Mannheim, West-Deutschland, (Vertreter für das Vereinigte Königreich: Bush Beach Engineering Ltd., Cheadle, Cheshire, England) erhalten werden.

Eine Endeplatte 160 schliesst das Gehäuse 142 ab, welche Endplatte 160 ein Gewindeloch 162 für eine Verbindung 164 für ein thermoelektrisches Element aufweist, wobei ein in axialer Richtung verlaufendes Gewindeloch 166 für einen weiteren Druckrohrverbinder 134 vorhanden ist, der den Innenraum des Gehäuses 142 mit der Leitung 11 verbindet, weist weiter ein Gewindeloch 168 für ein hydraulisches Druckentlastungs ventil 169 auf und weist schliesslich ein enges Gewindeloch 171 für ein automatisch arbeitendes Druckentastungsventil 172 auf. Ein thermischer Isolierstoff 174 (z.B. «Kaowool» Handelsmarke) umgibt die Heizeinheit 14a, ist jedoch in der Zeichnung nur teilweise gezeichnet, dies aus Klarheitsgründen.

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Im Betrieb, wenn die Heizeinheit 14a anstatt der Heizeinrichtung 14 in der Wärmübertragungsanordnung der Fig. 1 vorhanden ist, strömt Öl durch die Leitung 11 (mit einem Mengenfluss von ungefähr 2,5 1/min) und tritt in das axiale Loch 112 in der Verteilstange 96 ein, um durch die Auslasslöcher 113,114 in das innere des Heizelementes 80 auszutreten. Nachdem es durch das Heizelement 80 hindurchgeströmt ist, strömt das Öl in das Gehäuse 142 und verlässt das Gehäuse durch den Rohrverbinder 134, um wieder in die Leitung 11 hineinzuströmen und endlich durch die Gussform 10 hindurchzuströmen. Die Elektrokabel, bzw. elektrischen Leiter 150,151 sind mit einer 240 V Wechselstrom Spannungszufuhr (nicht gezeigt) verbunden, so dass vom Heizelement 80 Energie abgegeben wird, um das Öl bis zu einer erwünschten Temperatur (z.B. 200-300 °C) zu erwärmen. Die Temperatursteuereinrichtung 23 tastet die Temperatur der Gussform 10 ab und schaltet die elektrische Zufuhr zum Heizelement 80 aus und ein, je nach dem es notwendig ist, die Temperatur des Öles zu steuern, das durch die Heizeinheit 14a hindurchströmt, und um damit die Gussform 10 bei der notwendigen Betriebstemperatur zu halten. Weil das Heizelement 80,

sobald die elektrische Zufuhr eingeschaltet ist, sehr schnell anspricht, ist eine enge Steuerung der Temperatur der Gussform 10 erhalten.

Das vorgehend beschriebene, poröse, Kohlenstoff enthaltende elektrische Heizelement kann beispielsweise, wie in den eingangs erwähnten Patentschriften offenbart ist, aus einem acrylischen, faserigen Rohling hergestellt werden, der einen offenen, filzförmigen Aufbau aufweist. Ein solches Heizelement, welches jedoch bei einer bestimmten Temperatur einen notwendigen Widerstand aufweist und somit von einer vorbestimmten Elektrozufuhr eine notwendige Energie entnimmt, kann üblicherweise hergestellt werden, indem man zweckdienlich die Abmessungen und die Form des Heizelementes (d.h. Länge, Aussendurchmesser, Innendurchmesser) die Dichte und die Verkohlungstemperatur wählt, obwohl diese für gewisse Kombinationen von elektrischer Leistung und Formgebung des Heizelementes, welche einen hohen Widerstand des Heizelementes notwendig machen würde, nicht passend sein kann. Jedoch kann der notwendige, erwünschte, elektrische Widerstand des Heizelementes in solchen Fällen oft erhalten werden, indem man den Rohling bei einer ausgewählten Temperatur im Bereiche von 600-1000 °C verkohlt, welche Temperaturwerte unterhalb der üblichen Verkohlungstemperatur (gewöhnlich über 1000 °C) solcher Rohlinge liegt, um damit einen erwünschten, spezifischen, elektrischen Widerstand des porösen Kohlenstoffes des Heizelementes zu erreichen. Dieses erlaubt, dass das Heizelement Abmessungen und eine Formgebung aufweist, die derart gewählt ist, dass ein vorbestimmter Bereich des Mengenstromes des Fluids durch das Heizelement entsprochen ist, währenddem eine vorbestimmte, erwünschte Auslegeenergie und ein vorbestimmter, erwünschter Temperaturanstieg des Fluids durch das Heizelement erzeugt werden kann, indem man die Verkohlungstemperatur zweckdienlich wählt, so dass ein entsprechend benötigter spezifischer elektrischer Widerstand des porösen Kohlenstoffes erhalten ist. Die Auswirkungen in bezug auf das Ändern der Verkohlungstemperatur können aus der Fig. 6 entnommen werden, in welcher Fig. eine Kurve dargestellt ist, die den spezifischen elektrischen Widerstand bei Umgebungstemperatur über der Verkohlungstemperatur eines verkohlten Heizelementes angibt. Ein Beispiel eines solchen Heizelementes ist das folgende:

Beispiel I

Heizelement verkohlt bei 650 °C

Widerstand - Ohm 7,26 bei 249 °C

kW-Leistung 7,74

Spannung (Wechselstrom) 240 V

Länge 14,8 mm

Aussendurchmesser 44 mm

Innendurchmesser 28 mm

Aus dem obigen Beispiel I geht hervor, dass das Heizelement für einen Einsatz an der Hauptleitung verwendet werden kann, ohne dass es notwendig ist, einen Transformator einzusetzen.

Der spezifische elektrische Widerstand solcher Heizelemente kann mit einer Zeitdauer, während welcher diese Luft ausgesetzt werden, welche Wassedampf enthält, spürbar ansteigen, es ist jedoch festgestellt worden, dass der notwendige spezifische elektrische Widerstand des Heizelementes zu einem grossen Teil zurückgeführt werden kann, wenn das Heizelement nachfolgend dazu verwendet wird, ein Wärme-übertragungsfluid (z.B. Öl) zu erwärmen, welches den Wasserdampf aus dem Heizelement austreiben wird. Die Auswirkung des sich erhöhenden spezifischen elektrischen Widerstandes entsprechend der Zeitdauer, während welcher ein Heizelement in einer Wasserdampf enthaltenden Umgebung ausgesetzt ist, ist aus der Fig. 7 ersichtlich, auf welche nachfolgend nun Bezug genommen wird.

Wird das Heizelement mit einem Wärmeübertragungs-fluid verwendet, welches Wasserdampf aus dem Heizelement austreibt, wird der spezifische elektrische Widerstand des Heizelementes kleiner werden, und wird bald einen Wert annehmen, der nahe dem des Heizelementes kurz nach dessen Verkohlung ist. Heizelemente, die bei diesen tieferen Temperaturen verkohlt worden sind, weisen einen höheren Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auf (bis zu 1,0 Ohm/°C zwischen 20 und 300 °C). Dieses kann nachteilig sein und kann grössenteils ausgeglichen werden, falls es notwendig ist, indem die einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisenden Kohlenstoffasern des Heizelementes mit einer dünnen Schicht eines Kohlenstoffes mit verhältnismässig tiefem spezifischem Widerstand überzogen werden. Obwohl der Überzug verhältnissmässig dünn ist (üblicherweise 0,1 bis 7 um), ist sein spezifischer Widerstand genügend tief, dass der Widerstand des Überzuges tiefer als der Widerstand der Fasern ist, und damit wird die Wärme grösstenteils im Überzug erzeugt. Damit können Heizelemente erzeugt werden, bei denen die Kohlenstoffasern die strukturelle Festigkeit sicherstellen, jedoch sehr wenig zur Wärmeerzeugung beitragen. Folglich wird ein Heizelement mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand erzeugt, das jedoch einen kleineren Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und dies als Folge davon, dass der grösste Teil der Wärmeenergie in dem Kohlenstoff enthaltenden Überzug erzeugt wird, welcher einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der demjenigen entspricht, der bei einem Heizelement erzeugt würde, welches bei höheren Temperaturen verkohlt worden ist, (z.B. über 1000 °C). Der kohlenstoffhaltige Überzug kann zweckdienlichweise mittels eines plasmaaktivierten Ablagerungsverfahren (PAVD) aufgetragen werden. Beispiele dieses PAVD sind in der US-PS 4 212 933 offenbart, sowie im Artikel «Préparation of Cera-mic Films by Plasma Activated Vapour Déposition (PAVD)» von K.R. Linger, Proceedings of Conference on «Ion Plating and Allied Techniques» (Seiten 223-229, Ausgabe Juni 1977, herausgebeben durch die CEP Consultants Limited, Edinburgh, wobei auf diese Beispiele der PAVD ausdrücklich hiermit Bezug genommen ist. Beim PAVD Verfahren wird ein Plasma als Mittel für die chemische Umsetzung und Ablagerung eines Überzuges auf ein Substrat verwendet, und nützt die Zersetzung eines Gases in einem elektrisch erzeugten Plasma aus. Entsprechende Techniken sind im Aufsatz «Codeposition of Glassy Silica and Germania inside a Tube

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by Plasma Activated CVD» beschrieben, Verfasser D. Kuppers et al., Journal of the Electrochemical Society Vol. 123 No. 7, Seiten 1079-1082, Ausgabe Juli 1976.

Eine Ausbildungsform einer Vorrichtung, mittels welcher das PAVD-Überzugsverfahren durchgeführt werden kann, ist in der Fig. 8 gezeigt, auf welche Fig. nun Bezug genommen wird. Gemäss der Fig. 8 ist ein poröses, elektrisches Heizelement 200 mittels eines Aluminiumoxydrohres 201 in einer horizontalen Stellung getragen, welches Rohr 201 innerhalb des mittleren Abschnittes entlang des Innenraumes eines zylindrischen Siliziumrohres 201 angeordnet ist, und von einer Endkappe 203 aus verläuft, welche das vergrössert ausgebildete Ende 204 abschliesst. Ein vom vergrössert ausgebildeten Ende 204 verlaufendes Auslassrohr 206 ist durch ein Vakuumventil 208 mit einer Vakuumpumpe 209 verbunden. Das andere vergrössert ausgebildete Ende 205 ist mittels einer Einlassendkappe 210 verschlossen, welche Kappe 210 ein Zufuhrrohr 212 aufweist, welches zu einem Quecksilbermanometer 214 führt und weist einen Einlass 216 auf, der mit einer Verteilleitung 218 verbunden ist, welchem Gas durch Gaszufuhrleitungen 220,222,224 zugeführt ist, wobei die Leitung durch Ventile 221,223 bzw. 225 gesteuert sind. Ein Kie-selerdegefäss 226 kreisrunder Form ist entlang der Aussen-seite des Rohres 202 verschiebbar, welches ringförmige Gefäss 226 den mittleren Bereich des Rohres 202 umgibt. Das Gefäss 226 trägt einen elektrisch isolierten Graphitaufnahmeteil 228 und ist durch ein Vakuumventil 230 und eine Vakuumpumpe 232 bis zu einem Wert von 1 bis 10 Torr evakuiert. Das Gefäss 226 ist seinerseits von einer wendeiförmigen, wassergekühlten Kupferschlange 236 umgeben, welche Kupferschlange 236 acht Windungen aufweist und mit einem Hochfrequenzerzeuger 238 verbunden ist, der eine Frequenz im Bereich von 104— 10S Hz erzeugt. Erdungen bzw. Erdungsverbindungen 240, 241,242 sind beim Heizelement 200, bei der Endkappe 203 und beim vergrösserten Ende 204 angeordnet. Der Hochfrequenzerzeuger 238 ist in gleicher Weise mittels einer Verbindung 246 geerdet.

Im Betrieb wird das Rohr 202 bis zu einem Wert von ungefähr 0,01 Torr durch die Vakuumpumpe 209 evakuiert und dann durch die Gaszufuhrleitung 220 hindurch mit Argon gefüllt, bis zu einem Vakuumdruck innerhalb des Rohres 202 zwischen 0,1 und 100 Torr. Der Hochfrequenzerzeuger 238 wird üblicherweise bei 1-4 kV erregt und bei 4x 105 Hz, und somit baut sich ein Plasmaschild um das Heizelement 200 auf, währenddem das Gefäss 228 durch elektrische Induktion erwärmt wird, und somit das Heizelement 200 erwärmt. Nach einer Zeitspanne von ungefähr 15 bis 30 min, wenn das Heizelement 200 das thermische Gleichgewicht erreicht hat und seine Oberfläche durch Ionenbombardierung vom ionisierten, gasförmigen Argon gereinigt worden ist,

wird das ausgewählte sich umsetzende Gas bzw. die Gase durch die entsprechenden Gaszufuhrleitungen 222 und/oder 224 in das Rohr 221 eingebracht, und der Druck innerhalb des Rohres 202 wird im Bereich von 0,1 bis 100 Torr gehalten, indem die Ventile 223,225 zweckdienlich betätigt werden und indem das Vakuumventil 208 und die Vakuumpumpe 209 zweckdienlich betrieben werden. Darauf wird nun auf das Heizelement 200 durch das sich umsetzende Gas bzw. durch die sich umsetzenden Gase, ein Überzug mit einer Dicke aufgetragen, der proportional zur Auftragsdauer wächst. Beispielsweise kann ein Überzug mit einer Dicke von 1 bis 5 um in ungefähr 24 Std. aufgetragen werden. Darauf werden die Ventile 221, 223 und 225 geschlossen, der Hochfrequenzerzeuger 238 abgeschaltet, währenddem das Rohr 202 weiterhin mittels der Vakuumpumpe 209 evakuiert wird, so dass das Heizelement 200 im Vakuum abkühlen kann (beispielsweise 0,01 Torr), nach welchem Abkühlen das Heizelement 200 aus dem Rohr 202 entfernt wird.

Ein Beispiel eines ringförmigen, porösen, Kohlenstoff enthaltenden Heizelementes 200, welches mittels eines PAVD- Verfahrens einen Überzug erhalten hat, ist das folgende:

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Beispiel II

Heizelement verkohlt bei 650 °C Länge des Heizelementes Aussendurchmesser des Heizelementes Innendurchmesser des Heizelementes Gewicht des Heizelementes

Gasstromzustände :

Argon i5 Ethylen (sich umsetzendes Gas) Gasdruck des sich umsetzenden Gases Radiofrequenzzustand Dauer des Auftragens des Überzuges Gewicht des Überzuges

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Elektrische Eigenschaften Widerstand (für eine Länge von 39 mm)

25 kW Leistung (i) kW Leistung (II)

30

TCR

120 mm 44 mm 35 mm 10,1880 g

207 ml/min 40 ml/min 1,75 Torr 2,1 kV 12,5 Std. 1,0561 g

6,3 Ohm bei 20 °C; 3,8 Ohm bei 200 °C 6,1 bei 185 °C und 155 Volt (Wechselstrom) 14,6 bei 185 DC und 240 Volt (Wechselstrom) 0,014 Ohm/°C

Falls Betriebstemperaturen oberhalb etwa 300 °C in einer oxidierenden Umgebung vorherrschen, müssen Heizelemente 35 verwendet werden, die aus einem zweckdienlichen alternativen Stoff bestehend, z.B. einem elektrisch leitenden Silizium-Karbid, wobei Bezug auf die GB-PS 2 086 875B genommen wird.

Obwohl das Auftragen eines Überzuges auf die Heizele-« mente in bezug auf das PAVD-Verfahren beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass zweckdienliche, alternative Auftragsverfahren verwendet werden können.

Eine alternative Anordnung zum Vermindern der Auswirkungen eines hohen Koeffizienten des elektrischen Wider-45 Standes bei einem porösen, Kohlenstoff enthaltenden Heizelement, das unterhalb 1000 °C verkohlt worden ist, ist zuerst eine zusätzliche Heizquelle zu verwenden, zusätzlich zum Wärmeübertragungskreislauf, in welchem das Heizelement zu verwenden ist und darauf diese zusätzliche Heizquelle, bei-5o spielsweise herkömmliche Eintauchheizelemente abzuschalten, sobald die ausgewählte Temperatur erreicht worden ist. Bei einer weiteren alternativen Anordnung können eine Mehrzahl der Heizelemente parallel angeordnet werden, so dass sie alle bei verhältnismässig tiefen Temperaturen einge-55 setzt werden, wobei dann einzelne Heizelemente nach und nach ausgeschaltet werden, währenddem die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides ansteigt.

Die porösen, elektrischen Heizelemente können Formen oder Abmessungen aufweisen, die von den oben beschriebe-60 nen verschieden sind.

Es ist offensichtlich und wohl zu verstehen, dass die Erfindung, die im Zusammenhang mit dem obenerwähnten Gesichtspunkt beschrieben worden ist, in alternativen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, beispielsweise, 65 wenn das Wärmeübertragungsfluid ein Gas ist bzw. ein Gas enthält.

Weiter können die oben beschriebenen, offenbarten, porösen, elektrischen Heizelemente auch bei anderen Anwen

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dungsfällen verwendet werden, bei denen ein Fluid zu erwärmen ist.

Es ist also zu verstehen, dass die Erfindung ein fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement betrifft, welches ein fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement 5

aufweist, das einen mit einem Kohlenstoffüberzug versehenen faserigen Kohlenstoff enthält. Dieser Überzug kann einen Widerstandswert aufweisen, der von denjenigen des Substrates aus faserigem Kohlenstoff beträchtlich verschieden ist.

G

7 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement mit einem Körper aus Kohlenstoffasern in unregelmässiger Verteilung, die an ihren Berührungsstellen miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem faserigen Körper ein relativ dazu dünner, Kohlenstoff enthaltender Überzug angeordnet ist, der einen kleineren spezifischen elektrischen Widerstand als die Kohlenstoffasern des Körpers und eine solche Dicke aufweist, dass im Betrieb der Überzug einen grösseren Anteil als der Körper an der durch das Heizelement bewirkten elektrischen Wärmeerzeugung aufweist.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Überzuges 0,1 bis 7,0 p,m beträgt.
3. Verfahren zum Herstellen des fluiddurchlässigen, porösen, elektrischen Heizelementes nach Anspruch 1, wobei zuerst ein faseriger Rohling gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der faserige Rohling bei einer Temperatur verkohlt wird, die derart festgelegt ist, dass der verkohlte faserige Rohling einen elektrischen Widerstand aufweist, der grösser als der elektrische Widerstand des gesamten Heizelementes ist, und danach auf dem verkohlten faserigen Rohling ein relativ dazu dünner, Kohlenstoff enthaltender Überzug aufgebracht wird, der einen kleineren elektrischen spezifischen Widerstand als die Fasern des verkohlten faserigen Rohlings aufweist, derart, dass im Betrieb der Überzug einen grösseren Anteil als der Körper an der durch das Heizelement bewirkten elektrischen Wärmeerzeugung aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug durch ein Zersetzen eines Überzugsgases in einem elektrisch erzeugten Plasma aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling ein acrylischer fasriger Rohling ist und die festgelegte Temperatur 600 bis 1000 °C beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eine Dicke von 0,1 bis 7,0 p.m aufweist.
7. Wärmeübertragungseinrichtung mit einem Heizelement nach Anspruch 1, welche Wärmeübertragungseinrichtung einen zur Aufnahme einer Flüssigkeit bestimmten Kreislauf (11) mit einem Abschnitt aufweist, der dazu dient, von der Flüssigkeit stammende Wärme einem Wärmeübertragungsabschnitt zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30, 80) mit mindestens einem Teil des Kreislaufs (11) zum Erwärmen der umlaufenden Flüssigkeit in Serie geschaltet ist.