DE1962584C3

DE1962584C3 - Dreischenkeliges, im Stern geschaltetes Heizelement für Drehstrom-Widerstandsöfen

Info

Publication number: DE1962584C3
Application number: DE1962584A
Authority: DE
Inventors: Richard L. Grand Island N.Y. Casper
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1968-12-16
Filing date: 1969-12-13
Publication date: 1981-04-16
Also published as: FR2030863A5; GB1279478A; US3518351A; JPS4914019B1; DE1962584B2; DE1962584A1; BE743172A

Description

Die Erfindung betrifft ein dreischenkliges. im Stern geschaltetes Heizelement für Drehstrom-Widerstandsöfen, dessen Heizleiterschenkel aus zwei Abschnitten bestehen, von denen der dem Anschlußende benachbarte Abschnitt einen niedrigen spezifischen Widerstand und der daran anschließende Abschnitt aus Siliciumcarbid einen hohen spezifischen Widerstand hat, und dessen Heizleiterschenkel von dem dem Anschlußende gegenüberliegenden Ende durch ein Verbindungsstück aus Siliciumcarbid miteinander verbunden sind.

Bei bekannten Heizelementen dieser Art (DE-AS 10 56 297) besteht das Verbindungsstück normalerweise aus Siliciumcarbid, das den gleichen spezifischen Widerstand wie das Siliciumcarbid des Heizleiterschenkel-Abschnitts mit hohem spezifischen Widerstand bat. Die Leiterschenkel selbst sind in der Regel rohrlormig ausgebildet, damit sie eine große wärmeabstrahlende Oberfläche und gleichzeitig einen kleinen Querschnitt ίο für den Stromdurchgang haben. Sie werden meist in Löcher des Verbindungsstückes eingesetzt und an den freien Enden durch Stopfen verschlossen, um zu verhindern, daß sie beim Erhitzen infolge eines auftretenden »Kamineffektes« von Gasen durchströmt werden, die zu einer raschen Oxydation der Heizleiter führen würden.

Bei diesen bekannten Heizelementen neigen, da sie praktisch nur in vertikaler Stellung eingesetzt werden, die Stopfen zum Herausfallen, besonders wenn die Wärmeausdehnung der Heizleiterschenkel etwas größer als die der Stopfen ist. Dadurch wird das Einsatzgut des Ofens verunreinigt, und es kann nun der unerwünschte »Kamineffekt« eintreten, den die Stopfen verhindern sollten. Da ferner die Leiterschenkel in Löchern des Verbindungsstückes sitzen, muß die Länge des Verbindungsstückes größer als der größte Abstand zwischen äußeren Leiterschenkeln sein, so daß zum Einsetzen des Heizelementes eine entsprechend große Öffnung in der Ofenhaube erforderlich ist, die nach dem Einsetzen des Heizelementes abzudichten ist. Vor allem aber hat sich herausgestellt, daß der Stromdurchfluß durch die einzelnen Heizleiterschenkel ungleichmäßig ist, was aus verschiedenen Gründen unerwünscht ist.

Es stellte sich somit die Aufgabe, das bekannte Heizelement derart zu verbesserm daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Stromdurchfluß durch alle drei Heizleiter und damit deren gleichmäßige Erwärmung erzielt wird. In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung soll das Auftreten eines »Kamineffektes« bei hohlzylindrischen Heizleitern zuverlässig verhindert und das Verbindungsstück so ausgebildet werden, daß seine Länge nicht wesentlich größer als der größte Abstand zwischen den äußeren Fleizleitern ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Heizelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Verbindungsstück aus Siliciumcarbid von geringerem spezifischem Widerstand als das Siliciumcarbid der Heizleiterschenkel besteht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

An Hand der Zeichnung werden nachstehend einige Ausführungsbeispiele des Heizelementes gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungs-J5 form des Heizelementes;

F i g. 2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Heizelementes;

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsstückes für das Heizelement nach Fig. 1:
Fig.4 eine Schnittansicht des Heizelementes nach F i g. 1 längs der Linie 4-4;

Fig. 5 eine Schnittansicht des Heizelementes nach F i g. 1 längs der Linie 5-5;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Heizelementes nach Fig. 2 längs der Linie 6-6;

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsstückes für ein zweischenkliges Wechselstrom-Heizelement; und

F i g. 8 ein Schaltbild der Widerstände der verschiedenen Teile der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Heizelemente.

In den Fig. 1, 4 und 5 ist ein Heizelement 10 dargestellt, das aus rohrförmigen parallelen Leiterschenkeln 11, 12 und 13 besteht die durch ein Verbindungsstück 14 miteinander verbunden sind.

Jeder der Leiter 11, 12, 13 besteht aus einem Abschnitt 15 von geringem Widerstand und einem Abschnitt 16 von hohem Widerstand. An dem freien Ende des Abschnitts 15 von geringem Widerstand — dem Anschlußende — befindet sich eine Querbohrung, durch die in bekannter Weise ein Bolzen 17 eingesetzt ist, der ein Herabfallen des Heizelementes 10 in den Ofen verhindert Das Anschlußende eines jeden Leiters 11, 12, i3 ist mit einer Aluminiumbeschichtung 18. mit deren Hilfe jeder Leiter mit einer (nicht dargestellten) Stromquelle verbunden wird. Der Abschnitt 15 von geringem Widerstand ist — beispielsweise durch Kitten mit einem Kitt, wie er aus der US-PS 29 0/ 972 bekannt ist — mit dem Abschnitt 16 von hohem Widerstand verbunden. Der Absland 15 von geringem Widerstand kann aus jedem leitenden Material bestehen, das bei den Temperaturen, denen dieser Leiterabschnitt ausgesetzt ist, beständig ist. Am besten besteht er aus einem kohlenstoffhaltigen Material, das zur Erniedrigung des Gesamtwiderstandes mit Siücium imprägniert ist und einen spezifischen Widerstand von 0,0005 bis 0,010 Ω ■ cm, besser einen solchen von 0,002 bis 0,003 Ω · cm hat. Ein für diesen Zweck geeignetes Material ist aus der US-PS 24 31 326 bekannt. Der Abschnitt 15 von geringem Widerstand und der Abschnitt 16 von hohem Widerstand der rohrförmigen Heizleiter haben im wesentlichen gleiche Außendurchmesser: dagegen hat der Abschnitt 15 von geringem Widerstand einen kleineren Innendurchmesser als der Abschnitt 16 von hohem Widerstand. Der Abschnitt 16 kann aus jedem Material bestehen, das gegen die Temperaturen, denen dieser Leiterabschnitt ausgesetzt ist, beständig ist. In der Regel ist dies grobkristallines Siliciumcarbid mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 bis ΙΟ.ΟΩ-cm, vorzugsweise von 0,01 bis 1,10 Ω ■ cm bei Betriebstemperatur. Ein als Heizleilerabschniit geeigneter Siliciumcarbid-Körper kann beispielsweise nach dem aus der US-PS 29 41962 bekannten Verfahren hergestellt werden.

Das Verbindungsstück 14 ist aus einem Stück geformt und weist zylindrische Ansätze 19, 31, 32 auf, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Abschnitt 16 von hohem Widerstand sind. Die zylindrischen Ansätze werden in die offenen Enden der rohrförmigen Heizleiterschenkel 11, 12, 13 eingeführt und bilden eine starre elektrisch leitende Verbindung.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des Heizelementes 20 dargestellt, das aus drei Heizleiterschenkeln 21, 22, 23 besteht, die an den den Anschlußenden gegenüberliegenden Enden durch ein Verbindungsstück 24 miteinander verbunden sind, das wie das Verbindungsstück 14 ausgebildet ist. Jeder Heizleiterschenkel 21, 2" j. besteht aus einem Abschnitt 25 von geringem Widerstand und einem Abschnitt 26 von hohem Widerstand. In die Wand des Abschnitts 26 von hohem Widerstand ist ein spiralförmiger Schlitz oder Wendelsschlitz 27 mit konstanter Steigung eingeschnitten.

In Fig. 2 ist ferner veranschaulicht, wie die Heizelemente 10 und 20 durch eine Öffnung in der Ofenhaube eingesetzt sind. Die Heizleiter 21,22,23 sind durch Öffnungen in einem kegelstumpfförmigen Verschluß 29 hindurchgeführt, der in einer komplementär ausgebildeten Öffnung der Ofenhaube sitzt. In der Öffnung nimmt der Verschluß 29 infolge seines Eigengewichts die dargestellte Lage ein und bringt damit auch das Heizelement 20 in die abgebildete Stellung. Der Bolzen 17 aus hitzebeständigem Metall oder Keramik verhindert, daß das Heizelement 10 bzw.

ίο 20 in den Ofen fällt.

Das in Fig.3 dargestellte Verbindungsstück 14 besteht aus einem Sockel 30, auf dessen Oberseite drei zylindrische Ansätze 19, 31, 32 geformt sind, deren Achsen zueinander parallel sind und auf der oberen Fläche 33 des Sockel 30 senkrecht stehen. Die Ansätze 19, 31, 32 verschließen die offenen Enden der rohrförmigen Heizleiter 11, 12, 13 und verhindern dadurch den erwähnten »Kamineffekt«. Sollte sich einmal ein Ansatz lösen, so wird das Verbindungsstück immer noch von den beiden anderen Ansätzen gehalten, so daß es nicht in den Ofen fallen kann, wie dies bei den Stopfen bekannter Heizelemente der Fall ist.

Das Verbindungsstück 14 ist aus einem Material hoher Dichte und geringen spezifischen Widerstandes hergestellt, am besten aus einem Material mit einer Dichte von 3,00 bis 3,10 g/cm³ und einem spezifischen Widerstand von 0,001 bis 1,0 Ω · cm, vorzugsweise von 0,01 bis 0,10 Ω ■ cm. Ein besonders geeignetes Material ist ein Siliciumcarbid, wie es nach den aus den US-Patentschriften 29 07 972 und 29 38 807 bekannten Verfahren erhalten werden kann. Der Querschnitt A des Sockels 30 ist größer, am besten dreimal größer, als der Querschnitt der Heizleiterabschnitte 16 oder 26. Die Länge 1 des Verbindungsstückes 14 ist nicht wesentlich größer als der größte Abstand zwischen den äußeren Heizleitern 11 und 13 bzw. 21 und 23. Dank dieser Ausbildung können die Heizelemente 10 und 20 durch Öffnungen in Ofenhauben eingesetzt werden, die nicht größer als der größte Abstand zwischen den beiden äußeren Heizleitern 11 und 13 bzw. 21 und 23 ist. Sie können aber auch in vorhandene Öfen eingesetzt werden, die für die Aufnahme von Heizelementen mit größeren Verbindungsstücken oder von Heizleitern mil größerem Durchmesser und damit größerer Wärmeabstrahlungsflache eingerichtet sind.

In F i g. 7 ist ein Verbindungsstück 34 dargestellt, das dem Verbindungsstück 14 entspricht, aber nur zwei Ansätze 35, 36 hat. Es eignet sich zum Verschluß der Enden zweischenkliger rohrförmiger Heizelemente für

5ü Einphasen-Wechselstrombetrieb.

Die besonderen Vorteile des Heizelementes gemäß der Erfindung seien an Hand von Fig. 8 erläutert. In diesem Schaltbild bedeuten R¹ den Widerstand des Abschnitts 15 mit geringem Widerstand des Heizleiterschenkeis 11. R² den Widerstand des Abschnitts 16 mit hohem Widerstand des Heizleiters 11, R? und R^A die entsprechenden Abschnitte des Heizleiterschenkels 12 und /?⁵ die entsprechenden Abschnitte des Heizleiterschenkels 13. R⁷ ist der Widerstand des zwischen den Heizleitern 11 und 12 befindlichen Teils des Verbindungsstückes 14, R⁸ der Widerstand des zwischen den Heizleitern 12 und 13 befindlichen Teils des Verbindungsstückes 14. Im allgemeinen ist Λ¹ < R², um die Wärmeerzeugung auf den Teil des Heizleiters zu

b5 beschränken, der von dem Anschlußende und der Ofenhaube entfernt ist. Da die Heizleiter 11, 12, 13 in Massenfertigung hergestellt werden, sind im wesentlichen Λ¹ = R³ = /?⁵ und R² = /?⁴ = R⁶. Bei bekannten

Heizelementen besteht das Verbindungsstück 14 aus dem gleichen Material wie die Heizleiter, so daß der Gesamtwiderstand des ersten Heizleiterschenkels gleich /?> + R² + R\ der Gesamtwidersland des zweiten Heizleitersclienkels R³ + Λ⁴ un der Gesamtwidersland des dritten I leizleiterschenkels R⁵ + R⁶ + R^a ist. Bei dem Heizelement gemäß der Erfindung sind jedoch wegen des großen Querschnitts A des Verbindungsstükkes 14 und der Verwendung von Siliciumcarbid mit niedrigem spezifischen Widerstand sind die Widerstände R⁷ und R⁸ praktisch gleich Null, so daß bei dem Heizelement die Widerstände in den einzelnen Zweigen des Sterns im wesentlichen gleich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dreischenkliges, im Stern geschaltetes Heizelement für Drehstrom-Widerstandsöfen, dessen Heizleiterschenkel aus zwei Abschnitten bestehen, von denen der dem Anschlußende benachbarte Abschnitt einen niedrigen spezifischen Widerstand und der daran anschließende Abschnitt aus Siliciumcarbid einen hohen spezifischen Widerstand hat, und dessen Heizleiterschenkel an dem dem Anschlußende gegenüberliegenden Ende durch ein Verbindungsstück aus Siliciumcarbid miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (14,24) aus Siliciumcarbid von geringerem spezifischen Widerstand als das Siliciumcarbid der Heizleiterschenkel (11 — 13, 21—23) besteht.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschenkel (11 —13, 21—23) aus zylindrischen Hohlkörpern bestehen und das Verbindungsstück (14, 24) auf einem Sockel (30) drei Ansätze (19, 31, 32) aufweist, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der hohlzylindrischen Heizleilerschenkel (11-13, 21-23) entspricht, so daß sie in die offenen Enden der Heizleiterschenkel (11 —13,21 —23) passen.

3. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sockels (30) größer als der Querschnitt des aus Siliciumcarbid bestehenden Abschnitts (16, 26) der Heizleiterschenkel (11-13, 21—23) ist, die Achsen der zylindrischen Ansätze (19, 31, 32) einander parallel sind und senkrecht auf der Oberfläche des Sockels (30) stehen und daß die Länge des Sockels (30) nicht wesentlich größer als der größte Abstand zwischen den beiden äußeren Heizleitern (11 —13,21 —23) ist.

4. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Siliciumcarbid bestehende Abschnitt (26) spiralförmig geschlitzt ist.

5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Anschlußenden benachbarte Abschnitt (15, 25) der Heizleiterschenkel (11 — 13, 21—23) aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material besteht, das mit Silicium imprägniert ist.

6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Siliciumcarbid bestehende Abschnitt (16,26) der Heizleiterschenkel (11 — 13, 21—23) aus Siliciumcarbid mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 bis 10,0 Ω · cm besteht.

7. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück aus Siliciumcarbid mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 bis 1,0 Ω · cm besteht.