DE2156925A1 - Ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement - Google Patents

Description

FAVINTANWX'.TE DR. E.WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 2156925 DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT ^ΌΌΔΟ MÖNCHEN HAMBURG TELEFON: 555474 8000 MÜNCHEN 15, TELEGRAMME: KARPATENT NUSSBAUMSTRASSE 10

16. November 1971 W 40834/71

Fuji Photo Film Co., Ltd. Ashigara-Kamigun, Kanagawa (Japan)

Ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement; sie betrifft insbesondere ein umhülltes bzw. ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement, in dem ein elektrisch leitender Streifen aus einer wärmebeständigen Legierung helixartig aufgewickelt und innerhalb einer rohrförmigen Hülle (Mantel) aus einem wärmebeständigen keramischen Material angeordnet ist*

Umhüllte bzw. ummantelte elektrische Widerstandsheizelemente des Typs, der einen inneren, helixartig geformten elektrischen Heizdraht aus einer wärmebeständigen Legierung und eine äußere rohrförmige Schutzhülle (Schutzmantel) aus opakem Quarz aufweist, werden in verschiedenen Haushaltsvorrichtungen, z.B. in elektrischen Öfen, in großem Umfange verwendet. Bei diesem Elementtyp wird das Heizelement in direkten Kontakt mit der Innenwandoberfläche gebracht und die Wärme wird von dem Heizelement durch den Flächenkontakt an die rohrförmige Hülle bzw. den rohrförmige ι Mantel abgegeben. Auf diese Weise dauert es lange, bis der Lastand des thermischen Gleichgewichts erreicht ist;, was zu einerniedrigen Anfangsheizwirkung führt. Ein weiteres Problem, das bei diesem Elementtyp auftritt, ist die Beeinträchtigung bzw.

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Verschlechterung des rohrförmigen Mantelmaterials bei hoher Temperature Dementsprechend muß die Oberflächentemperatur des Heizelementes auf niedrige Temperaturen begrenzt werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein umhülltes bzw. ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement mit einer verbesserten Heizwirkung anzugeben, das in Haushaltsheizvorrichtungen, z.B, in elektrischen öfen und elektrischen Toastern, verwendet werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein ummaKiliiltes elektrisches Widerstandsheizelement anzugeben, das leiche, und klein ist und nicht den Nachteil hat, daß die Hülle bzw. der Mantel bei hoher Temperatur beeinträchtigt wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement anzugeben, das bei der Aufheizung schnelle Ansprecheigenschaften aufweist, mit dessen Hilfe es möglich ist, eine höhere Oberflächentemperatur des Heizelementes aufrechtzuerhalten.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch ein umhülltes bzw. ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement, das einen helixartigen (schraubenlinienförmigen) elektrischen Heizstreifen aus einer wärmebeständigen Legierung aufweist, von dem Teile eingeschnitten sind und in Richtung einer Linie tangential zu der Helix zungenartig nach außen vorstehen und der innerhalb "einer wärmebeständigen Hülle, z.B. eines keramischen Rohres entlang der Richtung der Achse desselben,angeordnet ist, wodurch · der Heizstreifen oder die Heizschlange nur an den Punkten des Kontaktes der vorstehenden Zungenteile im Kontakt mit der Innenwand des Rohres gehalten werden kann.

Die spezifische Art des Aufbaus, der eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, sowie andere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Dabei stellen dar:

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Fig» 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen umhüllten bzw. ummantelten elektrischen Widerstandsheizelementes;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Heizelement gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine ebene Draufsicht auf den elektrischen Heizstreifen der Fig. 1 mit ausgeschnittenen oder ausgestanzten Teilen;

Fig. 4 eine ebene Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstreifens und

Fig. 5 eine ebene Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstreifens.

In den Figuren 1 bis 3 der beiliegenden Zeichnung ist ein wärmebeständiges Keramikrohr 1 mit einem elektrischen Heizstreifen 2 dargestellt, der in Form einer helixartigen Schlange innerhalb des Keramikrohres 1 entlang der Richtung der Achse desselben angeordnet ist· Der Heizstreifen 2 ist mit Schlitzen bzw. Kerben 4, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, in einem geeigneten Abstand entlang des Bandteiles desselben versehen. Der durch die Schlitze 4 gebildete Zungenteil 3 steht nach außen vor, tangential zu der Helix, wenn der Heizstreifen 2 zu einer Helix verformt wird. Auf diese Weise steht der helixartige, innerhalb des Keramikrohres Λ angeordnete Heizschlangenstreifen 2 nur an dem Kontaktpunkt der vorstehenden Zungenteile 3 mit der Innenwand in Kontakt. Es ist auch möglich, die Schlitze entlang des Zentralteils des Streifens 2, wie in Fig. 4- dargestellt, oder entlang der Kanten an beiden Seiten, wie in Fig. 5 dargestellt, anzubringen. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung werden die folgenden erfindungs gemäße η Vorteile und Merkmale erzielt:

(i) Beim Vergleich des erfindungsgemäßen helixartigen Heizschlancenstreifens mit dem bekannten helixartigen Heizschlangendraht unter den Bedingungen der identischen Spannung, Energieverteilung, E-vhrgröße und des Bohrmaterials und bei praktisch konstanter Oberflächenladungsdichte hat der erfindungsgemäße helixartige Heizschlangenstreifen eine sehr große Oberfläche pro

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Längeneinheit "bei gleicher Querschnittsfläche und demgemäß ist es leicht möglich, das Gewicht der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung auf weniger als die Hälfte eines entsprechenden bekannten Heizelementes zu verringern und die Anfangswärme energie zufuhr, die zum Aufheizen des Elementes selbst erforderlich ist, herabzusetzen.

(ii) Da der Heizstreifen nicht im direkten Kontakt mit der Innenwand des Rohres steht, ist es möglich, den Temperaturanstieg des Heizstreifens selbst zu beschleunigen und die von dem Heizstreifen abgestrahle Wärmeenergie wirkungsvoll zu verwenden, wenn er in Kombination mit einem wärmebeständigen, für thermische Strahlung durchlässigen keramischen Hohr, beispielsweise einem Rohrs aus geschmolzenem Quarzglas oder einem transparenten kristallinen Glasrohr usw. besteht, d.h. die primäre thermische Strahlung kann wirksam verwendet werden.

(iii) Das Heizelement wird so angeordnet, daß der Hauptteil der wirksamen Wärmestrahlungsfläche des Heizstreifens nicht in direktem Kontakt mit der Innenwand des Mantelrohres steht und demgemäß ist es dadurch möglich, eine höhere Oberflächenladungsdichte für den Heizstreifen oder höhere Oberflächentemperaturen im Vergleich zu der bisher bekannten Kombination der gleichen Heizvorrichtung und des gleichen Mantelrohrmaterials anzuwenden. —Auf diese Weise tritt keine Beeinträchtigung des Rohrmaterials bei hoher Temperatur auf und das Heizelement kann kompakt sein und dennoch eine hohe Strahlungswärme liefern.

Beispiel

Es wurde eine Probe eines 0,01 mm dicken und 1,8 mm breiten Heizschlangenstreifens hergestellt. Der Streifen hatte einen elektrischen Widerstand von 7,64 Ohm/m und bestand aus einer wärmebeständigen Fe-Cr-Al-Legierung (25 Gew.-# Chrom, 5 Gew.-% Aluminium, 70 Gew.-% Eisen) und er wies einen spezifischen

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Vo lumenwiderst and von 142 Ohm χ cm auf» Der Streifen war mit Schlitzen, wie in Fig. 3 dargestellt, versehen, deren Abstand ρ = 4,0 mm, deren Schlitzbreite V^ = 0,40 mm und deren verbleibende Breite W,- = 1,4 mm betrug. Die Gesamtlänge des Streifens betrug 1,08 m. Der Streifen wurde um einen Dorn mit einem Durchmesser von 3,0 mm gewickelt und zu einer helixartigen Schlange mit einem Durchmesser von 4,0 mm verformt.

Ein Mantelrohr (Umhüllungsrohr) mit einem äußeren Durchmesser von 9 mm und einer Dicke von 1 mm wurde aus transparentem kristallinem Glas hergestellt. Das Glas bestand zu etwa 70 Gew.-% aus SiO₂, zu 20 Gew.-% aus Al₃O₅, zu 3 Gew.~% aus Li₅ ⁰ und zu 2 Gew.-% aus ZrOp und wurde 6 Stunden lang bei 85O⁰G wärmeb ehandeIt.

Die helixartige Schlange des Heizstreifens wurde innerhalb des Glasrohres angeordnet und zu einer Schlangenlänge von 230 mm ausgezogen. Beide Enden derselben wurden befestigt. Der elektrische Widerstand des dabei erhaltenen Heizelementes betrug bei Raumtemperatur 9j8. Nach dem Anlegen von 50 Volt*an das Heizelement betrug die Energieaufnahme 250 Watt und die Oberflächenladungsdichte betrug 8,3 A/cm in der wärmeliefernden Fläche von W^ (in Fig. 3 dargestellt) und 5,0 W/cm² in der Fläche von Wq. Die maximale Oberflächentemperatur des Heizstreifens betrug im thermischen Gleichgewicht 97O⁰C. Der Heizstreifen wurde nach dem Anlegen der Spannung schnell einige Sekunden lang erhitzt bis er rot wurde, d.h. es wurde eine extrem schnelle Aufheizung beobachtet«

Das in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendete transparente kristalline Glas hatte die Eigenschaft, daß es sich zu einem milchigen Glas änderte, wenn es 4 Stunden lang bei 95O⁰G gehalten wurde. Im Falle der Verwendung eines Heizstreifene ohne die erfindungsgemäß vorstehenden Zungenteile bei gleicher

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thermischer Dichte an der Streifenoberfläche, wie oben beschrieben, änderte sich das transparente kristalline Glasrohr nach etwa 20 Stunden zu einem milchigen Glas an den Teilen, an denen der Heizschlangenstreifen mit der Innenwand des Rohres in Kontakt stand. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wurde Jedoch in dem Glas selbst nach 2000 Stunden keine Änderung festgestellt.

Vorstehend wurde die vorliegende Erfindung zwar an Hand von spezifisch.en Ausführungsformen beschrieben, es ist jedoch für den Fachmann klar, daß diese Ausführungsformen nur Beispiele sind und daß die vorliegende Erfindung in vielerlei Hinsicht modifiziert und abgeändert werden kann, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird« Zum Beispiel ist es möglich, die Form des Querschnitts des Heizschlangenstreifens quadratisch, hexagonal oder octagonal zu machen und den vorstehenden Zungenteilen andere Formen zu p-sfc'm. Derartige Ausführungsformen sind für den Fachmann ebenfalls selbstverständlich.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Ummanteltes elektrisches Widerstandsheizelement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem helixartig gewundenen elektrischen Heizstreifen, bei dem von der Helix Teile vorstehen, sowie einem wärmebeständigen Keramikrohr besteht, das um den schlangenförmigen Heizstreifen herum angeordnet ist.
2. 2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmebeständige Keramikrohr für thermische Strahlung im wesentlichen durchlässig ist. "
3. J. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmebeständige Keramikrohr aus geschmolzenem Quarz oder kristallinem Glas besteht.
4. 4. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstreifen entlang der Längsachse des Keramikrohres angeordnet ist.
5. 5. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstreifen nur an den vorstehenden Teilen mit dem Keramikrohr direkt im Kontakt steht.
6. 6. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehenden Teile mit der Schlange eine Einheit bilden und im wesentlichen tangential zu der Helix der Schlange angeordnet sind.
7. 7. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstreifen aus einer wärmebeständigen elektrischen Widorstandslegierung besteht.

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