DE1962584A1

DE1962584A1 - Heizelement

Info

Publication number: DE1962584A1
Application number: DE19691962584
Authority: DE
Inventors: Casper Richard L; Ohnsorg Roger W
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1968-12-16
Filing date: 1969-12-13
Publication date: 1970-06-25
Also published as: FR2030863A5; DE1962584B2; US3518351A; GB1279478A; JPS4914019B1; DE1962584C3; BE743172A

Description

Ke iζelement

Jie .-,r rindung betrifft ein iieizeleiaent, das sich besonders zum Axx- :.chlu.j an eine dreiphasige Stromquelle eignet.

iJ.t>.ri-1 L.:,(*. j.e . ie i 2 elemente, beispielsweise aus diliiäiumkarbid, die ..•βίιΐρor?.iLai-eii im Bereich von 1000 - 1500 0 erzeugen und solchen Tempfcr^turon widerstehen können, sind bekannt. Diese Heizelemente werden l''Vc die verschiedensten Aufgaben verwendet, sie eignen sich aber he;:onderG für die Herstellung von flüssigem Glas, wobei sie in einen Jft-n durch ein Loch in der Oi'enwandung eingesetzt sind. Diese bekaun i-.uii lifeizelemente bestehen La allgemeinen aus drei langgestreckten Ltd ii^i'a, die jeweils ein iJeginenb geringen Widerstandes und ein Ue^-

t/iderntandes auf v/eisen, wobei die Segment e hohon widot;-durch ein VerbindunyBstiiok im Stern miteinander ve rt und en

Va/.'e - 2 -

ϋΟ98?6/1Ββ8

tsind. Das Verbindungsstück besteht normalerweise aus einem Werkstoff, der den gleichen spezifischen widerstand wie die üegmeiite hohen Widerstands der langgestreckten Leiter hat. Die langgestreckten Leiter sind normalerweise in der i'Orm von Röhren vorgesehen, um eine große Oberfläche für die l;ärmea,unstrahlung zu ergeben, während gleichzeitig für einen relativ kleinen Iiaterialquerschnitt quer zum Stronifluß. gesorgt ist, um die elektrische \ iderstandsheizung zu ergeben. Diese laggestreckten Leiber werden normalerweise in Löcher im Verbindungs-Kbück eingesetzt;, ,enn die langgestreckten Leiter die Form von Röhren haben, werden in die Enden der Leiter Stöpsel eingesetzt, um eine Oxydation der Röhren zu beseitigen, die durch heiße Gase hervorgerufen wird, vrelche durch die Röhren fließen, und awar als Folge des sog. "Schornsteineffekts", der auftritt, wenn die Höhren sich in einer vertikalen Lage befinden.

Obgleich solche heizelemente brei be Anwendung gefunden haben, haben sie eine Anzahl von !Facht eil en. iiinmal neigen die Stöpsel dazu, herauszufallen, was zu einer Beschädigung des darunterliegenden Glases führt, und was-J den unerwünschten "fichornsteineff ekt" auf br et en läßt, als I'ol- ;,-e deSfJen das üoir. -lernenb oxydiert und schnell unbrauchbar wird. Unl,erschiöde im wi l^rfötand zwischen den einzelnen Zweigen des Sterns führen ebenfalls häufig zu einem unerwünscht ungleioiiiiüu.igen Erhitzen, Da die langgestreckben Leiter im Verbindungsstück sitzen, muß die Querabmestrung ders Verbindungsstücks größer als die der inggesbreckben Leiber sein, was ein größeres Loch in der Vanuung d-/-s Ofens erforderlich maohb,

Uomg-emäß buKVieokb die 1-jrf indung die Schaffung von iouw !.umenbtm, die die liaohbeile dt=r bekannten El einen te im we sen blichen nichb aufweiten, iiie lieizelemente sollen dabei ohne Stöpsel auskoiumun ^! oiinen, um den "rjchornsteineffekt" beseitigen zu können. Uiο ileiMebn- ate soLLon dabei im wesentlichen gleiche „iderstände in jedem L,v. ί den ,items

009826/1588

BAD ORIGINAL

aufweisen, um cine gleichmäßige Heizleistung zu erbringen und damit einer örtliche:! jfcerhitaung· widerstehen zu können.

.ieiter collen :i:3elemente geschaffen werden, die eine Querabmessung haben, welche nicht großer als der Abstand zwischen extrem langgestreck ten Leitern ir:!.

Leiier sollen ;.t:i sei erneute in kompakten: .'.usführung; vorgesehen werden, ciie Kien iij ei;·-.(.-;η Ölen durch eine kleine Öffnung- in der Ofenwandung einsetzen las ppi:.

, ChIIeL¹Ii α ί noil ein Verbindungsstück gecchafien werden, das sich für einphasige und <"roiphanige HexRelemai;e eignet, beif?pi.:-l:?vreise für lieiz— κ lern ent e aus: ,.i ' Uu^l^rliiri,

jjfisu ist eri'inrrv ngcn-'l« ein ilejsr-lewoijt vorgesehen, drs eine Anzahl von Leitern au:.· \;(. i, ί , v.i< fti 1 (-.iuthi ·-f-^einramen \ erbii'.^unyfjst-'icl: eut:

einen V,^:c-?.-i::'itoJ'j vuj-tii:·ί< in :;iud, nea' riur-ji ■ eri?];:ere^ r_.--;::iiif;ohen 1/ic!c:: zirTn. air β.·-:. Leiter hat, u-eiter iot dazu er^inauji; FgemöT ein Vr r·- binäun/j:Gtück vorlese!;on, dan eine Anzahl von Vorrpr-ib.,-*-³- auf'.."· int, ■ ■< in den ,jpi wil if^n Leiter paepen, um den Leiter fest init dem Yerbindunp;:~

:-fi.cI: Zr- vfjrbiiüien. ύ

i)l>. . .rfiii' ">nn;_ i:. ■ jm naclifo] :_:?r>Arm axjjiand einiger Aus lührunrnb ei spiel e -unter : ov.ugi^'nie auf die Zeichnung näher erläutert« In der Zeichnung i'iii'i:

Ki;;. 1 eine beitenanpiclri eines Ileiiielementes in einem er .-ton AusführunfTsbeispieü dei: Erfindung,

ti... ί: ':i?i' fjeitenanrsicht eines Heizelementes in eiiir·-,-.

ti)' i-icJiPubild der; in l^:'igc "1

Ou¹Hi: £ i : u oft

BAD ORiGlNAt

-A-

Fig. 4 ein Schnitt durch das Heizelement an der Linie 4-4 der Fig. 1,

Fig. 5 ein Schnitt an der Linie 5-5 der Fig.1, Pig. 6 ein Schnitt der Linie 6-6 der Fig. 2,

Fig, 7 ein Schaubild eines Verbindungsstücks für ein einphasiges Heizelement und

Fig. 8 ein Schaltbild der Widerstände der verschiedenen Teile der in Fig. 1 und 2 gezeigten Heizelemente.

In Fig. 1, 5 und 4 ist ein Heizelement 10 gezeigt, das drei langgestreckte röhrenförmige parallele Leiter 11, 12 und 15 aufweist, die an einem Ende mittels eines Verbindungsstücks 14 miteinander verbunden sind.

Der Leiter 11 hat ein Segment 15 geringen Widerstandes und ein Segment 16 hohen Widerstandes. Am Ende des Segments 15 geringen "Widerstandes befindet sich ein Querloch, das einen Stift 17 aufnimmt, der in bekannter Weise eingesetzt ist, um das Heizelement 10 daran zu hindern, in den Ofen zu rutschen. Das Ende des Leiters 11 ist mit einer Aluminiumbeschüitung 18 versehen, die die Mitte bildet, mit dem dieses Ende mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden wird. Das Segment 15 geringen Widerstandes ist in jeder geeigneten Weise mit dem Segment 16 hohen Widerstandes verbunden, beispielsweise durch Verschweißen oder durch Verwendung einer Zementsubstanz, wie sie aus der US-Patentschrift 2907972 bekannt geworden ist. Das Segment 15 geringen Widerstandes kann aus jedem geeigneten Werkstoff bestehen, der den Temperaturen widersteht, die das Heizelement erreicht, vorzugsweise besteht es aber aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff, der mit Siliziummetall imprägniert worden ist, um dessen Gesamtwiderstand zu senken. Vorzugsweise besteht es aus einem Werk-

- 5 009826/1688 ~

stoff, das einen spezifischen 'widerstand von 0,0005 - 0,010 und vorzugsweise o,002 - 0,003 Ohmcentimeter bei Raumtemperatur (etwa 25 ⁰O) hat. i'Jin Werkstoff, der sich für diesen Zweck eignet, ist aus der US-Patentschrift 2431^26 bekannt. Das röhrenförmige Segment 15 geringen „iderstandes und das röhrenförmige Segment 16 hohen Widerstandes haben im wesentlichen die gleichen Außendurchmesser, der Innendurchmesser des Segments geringen Widerstandes ist vorzugsweise jedoch kleiner als der des Segments hohen Widerstandes. Das Segment 16 hohen A Widerstandes kann aus jedem geeigneten werkstoff hergestellt sein, der den Temperaturen widerstä±, die es erreicht, allgemein wird es sich dabei jedoch um großkörniges Siliziumkarbid handeln, das einen spezifischen ,/iderstand von 0,001 - 10,0 und vorzugsweise von 0,09 bis 1,10 Ohmcentimeter hat, gemessen bei der Betriebstemperatur. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Siliziumkarbidkörper, der nach dem in der US-Patentschrift 2941962 bekannten Verfahren hergestellt ist. Die Leiter 12 und I3 sind in gleicher Ausführung wie der Leiter 11 vorgesehen. Das Verbindungsstück 14 ist in einem Stück hergestellt und weist einen zylindrischen Vorsprung 19 auf, der einen Außendurehmesser hat, welcher im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Segments 16 hohen WiderStandes des Leiters 11 ist. Der zylindrische Vorsprung 19 wird im Leiter 11 aufgenommen, um eine starre, elektrisch leitende ™ Verbindung herzustellen.

In Flg. 2 ist ein weiteres AuBführungsbeispiel der Erfindung in der Form eines Heizelements 20 gezeigt, das aus drei Leitern 21, 22 und 23 besteht, die an einem Ende mit einem Verbindungsstück 24 verbunden sind, das in seiner Ausführung dem Verbindungsstück Η entspricht. Der Leiter 21 besteht aus einem Segment 25 geringen Widerstandes und aus einem Segment 26 hohen Widerstandes, das dadurch gebildet ist, daß ein Wendelschlitz 27 mit konstanter Steigung durch die Wand des Segments 26 geschnitten wird. Die Leiter 22 und 23 sind in ihrer Aus-

0 09826/1588

• ■ - 6 -

führung mit dem Leiter 21 identisch, und sie sind mit dem Verbindungsstück 24 in der gleichen ¥eise wie "beim Heizelement 10 verbunden. In !"ig. 2 ist gezeigt, wie die Heizelemente 10 und 20 durch ein Loch in der Wand des Ofens eingesetzt sind. Die Leiter 21, 22 und passen durch Löcher in einem kegelstumpfförmigen Verschluß 29» der in einem entsprechend ausgebildeten Loch in der oberen "wand des Ofens sitzt. Wenn der Verschluß 29 im Loch sitzt, nimmt er aufgrund seines Eigengewichts die dargestellte Lage ein, wobei das Heizelement 20 ebenfalls die dargestellte Lage einnimmt. Der Stift 17 kann aus einem feuerfesten Metall oder aus Keramik bestehen, und er sorgt dafür, daß das Element 20 nicht in den Ofen rutschen kann.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 besteht das Verbindungsstück 14 einem Sockel 30, an dessen Oberseite drei zylindrische Vorsprünge 19, 31 und 32 vorgesehen sind, deren Achsen im rechten Vinkel ²^ Oberseite 33 d-es Sockels 30 stehen und damit parallel zueinander liegen. Die Vorsprünge 19» 31 ^nä. J2 dienen dazu, die Enden der Leiter 11, 12 und 13 zu schließen, um damit den "Schorncteineffekt" zu beseitigen. Falls sich einer der Vorsprünge einmal löst, wird das Verbindungsstück 14 immer noch durch die beiden anderen Vorsprünge gehalten, so daß es nicht in den Ofen fallen kann, wie das die in bekannten Heizelementen verwendeten Stöpsel tun. Das Verbindungstück 14 ist aus einem Werkstoff hoher Dichte und geringen spezifischen Widerstandes hergestellt, vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einer Dichte von 3»00 - 3»10 Gramm pro ecm und mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 - 1,0 und vorzugsweise von 0,01 - 0,10 Ohmeentimeter bei Raumtemperatur (etwa 25 C). Das Verbindui^stück besteht vorzugsweise aus Siliziumkarbid, das nach den aus den US-Patentschriften 2907972 und 2938807 bekannten Verfahren hergestellt ist. Die Querschnittsflache A, gemessen quer zur Richtung des Stromflusses im Sockel 30, ist größer und vorzugsweise mindestens dreimal größer als die Quereohnittsflache, gemessen quer zum Stromfluß der Segmente 16 oder 26. Die Länge 1 des Verbindungsstücks 14 ist vorzugsweise

009 8 26/1688 ₇

nicht größer als der größte Abstand zwischen den äußersten Punkten der Leiter 11 und I3. Aufgrund dieser Konstruktion lassen sich die Heizelemente 10 oder 20 durch ein Loch in der Ofenwandung einsetzen, das nicht größer als der größte Abstand zwischen den äußersten Punkten der Leiter 11 und 13 ist. Ferner können Heizelemente gemäß der Erfindung in vorhandenen öfen verwendet werden, die zur Aufnahme von Heizelementen ausgelegt sind, welche die bekannten größeren Verbindungsstücke benutzen, die Leiter mit größeren Durchmessern haben und ^ demzufolge größere V/ärmestrahlflächen aufweisen.

In Fig. 7 ist ein Terbindungsstück 34 gezeigt, das dem Verbindungsstück 40 entspricht, außer daß nur zwei Vorsprünge 35 und 36 vornan-; den sind, die es für ein Einphasensystem geeignet machen.

Die besonderen Vorteile der Werkstoffe und der Konstruktionen der Heizelemente gemäß der Erfindung sind schematisch in Fig. 8 dargestellt, in der It den Widerstand in Ohm des Segments 15 fingen

2 Widerstandes des Leiters 11 darstellt. E stellt den Widerstand in Ohm des Segments 16 hohen Widerstandes des Leiters 11 dar. Ii

4 5

und B. stellen die entsprechenden Segmente des Leiters 12, und E

6 7 ■

und E stellen entsprechende Segmente des Leiters 13 dar. H stellt ™ den Widerstand in· Ohm des Teils des Verbindungsstücks I4 dar, der zwischen den Leitern 11 und 12 liegt, während E den Widerstand in Ohm des Teils des Verbindungsstücks I4 darstellt, der zwischen

1 2

den Leitern 12 und I3 liegt. Im allgemeinen ist E kleiner als E , um den Wärme erzeugenden Teil des Leiters 11 auf den Teil zu begrenzen, der am weitesten von der Ofenwandung entfernt liegt. Da die Leiter 11, 12 und 13 in Massenproduktion hergestellt werden, sind die

15 5
Widerstände It ,Ii und E ^J im wesentlichen gleich, ebenso wie das die Widerstände H ,E und E sind. Bei bekannten Heizelementen besteht das Verbindungsstück üblicherweise aus dem gleichen Werkstoff

-G-009826/1588 BAD GW^

vie die Leiter, wobei der Widerstand des ersten Schenkels gleich der

12 7
Summe der Viderstände Il , R und H ist, während der Widerstand

des zweiten Schenkels gleich R + R ist und der des dritten Sehenke.ls gleich der Summe aus R , R und R ist. Erfindungsgemäß sind jedoch wegen der großen Querschnittsfläche A und der Verwendug von
Siliziumkarbid mit einem geringen spezifischen ¥iderstand die Uiderstände R ' und R im wesentlichen gleich UuIl, was zu einem Element führt, das im wesentlichen gleiche Widerstände in allen Schenkeln
des Sterns aufweist.

Patentansprüche:

00 9 8 26/1588

Claims

Patentansprüche

1. dreiphasiges Stern-Heizelement für einen Elektro-Ofen mit drei

Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der jeweiligen Leiter (11, 12, 13} 21, 22, 23) aus Siliziumkarbid besteht und ein Ende des jeweiligen Leiters mit einem gemeinsamen Verbindungsstück (14| 24) aus Siliziumkarbid geringeren spezifischen Widerstandes als der der Leiter verbunden ist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jewei- W lige Leiter (11, 12, 13; 21, 22, 23) ein Segment (15, 25) geringen Widerstandes und ein Segment (16, 26) hohen Widerstandes aufweist und daß der Gesamtwiderstand in Ohm des Teils des Verbindungsstücks (14| 24) in Reihenschaltung mit den angrenzenden Leitern geringer als der Widerstand in Ohm des Segments (16, 26) hohen Widerstandes des jeweiligen Leiters (11, 12, 13} 21, 22, 23) ist.

3· Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (14» 24) drei Vorsprünge (19» 31» 32)aufweist, die in den jeweiligen Leiter(i1, 12, 13} 21, 22, 23) passen, derart, daß die Leiter mit dem Verbindungsstück fest verbunden sind.

4. Ilefcelement nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (15» 25) geringen Widerstandes aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff gefertigt ist, das mit Silizium imprägniert ist.

5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 - 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (16, 26) hohen Widerstandes aus Siliziumkarbid gefertigt ist.

485

Wa/Se _ 2 -

009826/1588

A®

6. Heizelement nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumkarbid einen spezifischen "widerstand von 0,001 - 10,0 Ohmcentimeter hat.

7· Heizelement nach einem der Ansprüche 1 - 3i dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (26) hohen Widerstandes durch einen Spiralteil gebildet ist.

8. Heizelement nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (14» 24) aus einem Werkstoff gefertigt ist, der bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von 0,001 - 1,0 Ohmcentimeter hat.

9. Heizelement nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück aus Siliziumkarbid gefertigt ist, das einen spezifischen Widerstand von 0,001 - 1,0 Ohmcentimeter bei Raumtemperatur hat.

10. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 - 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (11, 12, 15? 21, 22, 23) eine langgestreckte zylindrische Form haben und der jeweilige Leiter durch eine «rste Röhre gebildet ist, die an einem Ende zur Verbindung mit einer Stromquelle ausgebildet ist und die am anderen Ende mit einer zweiten Röhre verbunden ist, deren Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der ersten Röhre ist und deren Innendurchmesser wesentlich größer als der Innendurchmesser der ersten Röhre ist, und daß das Verbindungsstück (14» 24) einen Sockel (30) hat, dessen Querschnittsflache quer zum Stromfluß größer als die Fläche quer zum Stromfluß in der zweiten Röhre ist, wobei die Außendurchmesser der zylindrischen Vorsprünge (19, 31» 32) im wesentlichen

- 3 00 9 826/1588

gleich dem Innendurchmesser der zweiten Röhre sind und wobei die Achsen der zylindrischen Vorsprünge (19> 31» 32) im wesentlichen parallel zueinander liegen und im rechten Winkel zur Oberseite (33) &es Sockels (30) stehen, wobei die Länge des Sockels (30) nicht größer als der größte Abstand zwischen dem ersten und dem dritten Leiter ist und wobei die drei zylindrischen Yorsprünge (I9i 31» 32) des Verbindungsstücks (14» 24) die Leiter im wesentlichen parallel zueinander festhalten.

11. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die drei langgestreckten zylindrischen Leiter (21, 22, 23) jeweils durch ein erstes Segment, das an einem Ende zur Verbindung mit einer Stromquelle ausgebildet ist, und durch ein zweites Segment gebildet sind, das spiralgeschlitzt ist,

0098?6/1688

AX Leerseite