DE2224503C3 - Heizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement aus einem feuerfesten, oxydationsbeständigen, elektrisch heißleitendem Matepal.

Die bekannten Heizelemente aus einem solchen Material, welches einen Schmelzpunkt von über 2500° C hat, umgrenzen entweder einzeln einen Heizraum oder sind zur Bildung von Hei/i äumen beliebiger Gestalt und Abmessung zusammengesetzt. Dabei ist es jedoch erforderlich, sperrige und aufwendige Wärmeschutzeinrichtungen vorzusehen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Heizelement der eingangs genannten Art unter Aufrechterhaltung eines ausgezeichneten Wirkungsgrades sehr raumsparend auszubilden.

Diese Aufgabe wird mit dem Heizelement der ein

gangs genannten Art dadurch gelöst, daß es in etwa die allgemeine Form eines Parallelepipeds hat und Löcher aufweist, die parallel zu sich gegenüberliegenden Seiten durch das Heizelement und senkrecht zur Stromrichtung verlaufen, wobei die Löcher einer derartige Anordnung und eine derartige Form besitzen, daß die Wärmeübertragung von der einen Seite zur anderen Seite stark verringert ist, wodurch bei Vorwärmender einen Seite mit einem separaten Vorheizelement die elektrische Leitfähigkeit an dieser Seite derart erhöht wird, daß der Strom überwiegend an dieser Seite fließt und dort eine ausreichend hohe Temperatur gewährleistet, während an der anderen Seite eine ausreichend niedrige Temperatur gewährleistet ist.

Eine weitere Lösung, ausgehend von dem Heizelement der eingangs genannten Art, besteht darin, daß das Heizelement in etwa die allgemeine Form eines Parallelepipeds hat, wobei ein Abschnitt an der einen Seite aus einem Material besteht, dessen Porosität geringer ist als die des übrigen Materials in dem anderen Abschnitt, so daß die Wärmeübertragung von einer Seite zur anderen Seite verringert ist, wodurch bei Vorwärmen der einen Seite mit einem separaten Vorheizelement die elektrische Leitfähigkeit an dieser Seite derart erhöht wird, daß der Strom überwiegend an dieser Seite fließt und dort eine ausreichend hohe Temperatur gewährleistet, während an der anderen Seite eine ausreichend niedrige Temperatur gewährleistet ist.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Heizelement hat den Vorteil, daß es durch sich selbst einen geeigneten Wärmeschutz bildet, so daß darauf Öfen mit horizontaler oder senkrechter Achse hergestellt werden können, die im Heizraum jeden gewünschten Temperaturgradienten aufweisen können. Da keine mechanische Beanspruchung vorhanden ist, hat das Heizelement eine sehr große Lebensdauer von mehreren tausend Stunden bei einer Temperatur von 2200° K. Das Heizelement gewährleistet eine zuverlässige Arbeitsweise auch bei Auftreten von Rissen auf der Heizfläche. Es ermöglicht die Fertigung von öfen in zahlreichen geometrischen Formen und für unterschiedliche Kapazitäten. Außerdem eignet sich das Heizelement für den Einsatz in einci oxydierenden Atmosphäre.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Heizelemente sind im folgenden beschrieben.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert, in denen

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht und die Fig. 2 und 3 in einer Seitenansicht drei Varianten einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Heizelementes zeigen. Die Fig. 2a und 5 a stellen Ansichten längs der Pfeile ΙΙο-ΙΙα und IHa-IIIfl in den Fig. 2 und 3 dar.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen in einer Seitenansicht drei Varianten einer zweiten Ausführungsforrn dieses Heizelementes, wobei die F i g. 4 a, 5 a und 6 a Ansichten längs der Pfeile IVß-lV«, V<7-Vo und Vlrj-VI« in den Fig. 4 bis 6 darstellen.

Fig. 7 bis IUzeigen perspektivisch den Zusammenbau mehrerer erfindungsgemäßer Heizelemente.

Fig. 11 stellt in einer Seitenansicht eine vierte Variante der ersten Ausführungsform dar

Fig. 12 und 13 zeigen in einer Seitenarv-icht und in einem Teilschnitt längs der Linie XIIl-XHl in Fig. 12 eine weitere Variante der ersten .'uisfiihrungsform..

Die allgemeine Form eines erfindungsgemäßen Heizelementes, das aus einem feuerfesten, oxydationsbeständigen Material besteht, wie es für die Hcr-Stellung von Widerständen verwendet wird, ist parallelepipedisch oder etwa die eines Parallelepipeds. Es hat somit die allgemeine Form eines Blocks, dessen Länge L größer ist als die Höhe H, die wiederum größer ist als die Dicke E (Fig. I).

ίο Zwischen zwei einander gegenüberliegenden, mit F₁ und F₂ bezeichneten Seiten (im aligemeinen jene, die durch einen Abstand gleich der Höhe H des Elementes voneinander getrennt sind) und im wesentlichen senkrecht zu diesen beiden Seiten ist der Aufbau des Heizelementes in der Weise nicht homogen ausgebildet, daß, wenn eine der beiden Seiten F₁ und F₂, hier die Seite F₁, ausreichend hoch erhitzt ist, damit sie elektrisch leitend wird, die andere Seite ausreichend kalt und damit praktisch nicht leitend bleibt.

Durch seine Seite F₂ und das zwischen den Seiten F₁ und F₂ vorhandene Material bildet das Heizelement selbst einen geeigneten Wärmeschutz. Außerdem ist dieser Aufbau so ausgebildet, daß er die Bewegungen aufnimmt, die sich aus den Dehnungsunterschieden ergeben.

In der Praxis wird der Aufbau des Heizelementes so ausgelegt, daß der Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten F₁ und F₂ in einem Bereich liegt, bei dem der Widerstand der kalten Seite wenigstens hundertmal größer ist als der Widerstand der warmen Seite.

Das Heizelement wird auf der Höhe der beiden in Längsrichtung liegenden Enden beispielsweise mittels Platinkontakten mit elektrischem Strom versorgt.

Im allgemeinen ist das Material, aus dem die erfindungsgemäßen Heizelemente bestehen, teilweise oder vollständig »stabilisiertes« Zirkonoxyd in seiner bei hoher Temperatur stabilen Form, d. h. in seiner kubischen Form. Es herrscht die Auffassung, daß man diese Stabilisation durch Zusätze von Kalk, Yttriumoxyd, Oxyden Seltener Erden, Magnesiumoxyd oder durch andere Zusätze erhält.

Die erfindungsgemäßen Heizelemente können gleichfalls aus einer bestimmten Zusammensetzung vom Pyrochlortyp auf der Basis von Zirkonoxyd der Formel Zr₂T₂O₅ bestehen, wobei T ein Metall, vorzugsweise eine Seltene Erde ist.

Den nicht homogener. Aufbau des Heizelementes kann man auf verschiedene Art und Weise ausbilden.

Nach einer ersten Ausführungsform erhält man diesen nicht homogenen Aufbau, durch den die Wärmeübertragung von der Seite F₁ zur Seite F₂ in ausreichendem Maße begrenzt wird, damit die Seite F₂ eine Temperatur beibehält, bei der sie nicht leitend ist, durch Löcher und Ausschnitte, die im Körper des Heizelementes durchgehend und im wesentlichen senkrecht zu jener Seite ausgebildet sind, welche die Seiten F₁ und F₂ miteinander verbindet, wobei das Verhältnis von Hohlraum zu kompaktem Körper in der Größenord-

*:■ nung von 0.1-0.2 bis 3 gewählt wird, wenn das Material, aus dem das Element besieht, teilweise oder vollständig stabilisiertes Zirkonoxyd ist.

Die Aneignung und Formgebung diese·" Löchci und Ausschnitte wird so gewählt, daß der elektrische

ι,- Su »π nur in der Nähi'der Seite F₁ fließen kann, wenn Jas in der Nähe dieser Seite F₁ voihander.e Material des Llenientes auf eine Temperatur gebracht wird, be der es leitend wird.

In den Fig. 1, 2 und 3 sind drei Varianten dieser ersten Ausführungsform dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist das ingesamt mit 1 bezeichnete Heizelement - wie dargestellt - eine Anzahl von Löchern oder Bohrungen 2 und Ausschnitte 3 auf, welche die Form eines Schlitzes haben, der sich längs einer gebrochenen Linie mit Abschnitten 3« erstreckt, die über eine bestimmte Längsabmessung parallel zur Seite F₁ verlaufen, sowie mit Abschnitten 3b und 3c von allgemeiner Form, die sich im wesentlichen senkrecht zur Seite F₁ erstrecken. Dieser Aufbau ist so ausgebildet, daß diese Seite F₁ mit der kalten Seite F₂ über Abschnitte 4 des Elementes verbunden ist, welche durch die Formgebung der Ausschnitte 3 einen relativ geringen Querschnitt haben. Auf Grund dieser Ausgestaltung wird die Wärmeübertragung von der Seite F₁ zur Seite F₂ stark verringert.

Die Abschnitte 3 a sind so ausgebildet, daß die Dicke des Elementes auf der Höhe der Seite F₁ relativ gering ist, wobei durch den Abschnitt mit dieser Dikkenabmessung der elektrische Strom fließt. In der Praxis liegt diese in Fig. 1 mit D₁ bezeichnete Dikkenabmessung wie auch die der Abschnitte 4, die mit D₂ bezeichnet ist, in der Größenordnung von 1 bis 3 bis 5 bis 10 mm.

Vorteilhafterweise werden an den Enden (in Längsrichtung des Elementes betrachtet) große Aussparungen S vorgesehen, die eine Form haben können, wie sie aus Fig. 1 ersichtlich ist, und die einerseits zur Aufhängung des Elementes und andererseits für die Anordnung der Stromzuführungen 6 dienen können, die vorteilhafterweise, wie Fig. 1 zeigt, auf der Höhe jener Ränder bzw. Seiten der Aussparungen 5 angesetzt werden, die der Seite F₁ am nächsten liegen. Diese Stromzuführungen können aus Platinplättchen bestehen, die unter Druck aufgeleimt oder angegossen sind.

Es kann von Vorteil sein, das Heizelement 1 so auszubilden, daß die Temperatur auf der Seite F₁ wenigstens auf einem Teil ihrer Längsabmessung zunimmt. Beispielsweise kann es bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erwünscht sein, daß die Temperatur längs des Pfeiles /, höher wird.

Um dies zu erreichen genügt es, die Größe und Anordnung der Löcher und Ausschnitte so zu wählen, daß sich im Bereich der Seite F₁ in Richtung des Pfeiles /, ein fortschreitend größer werdender Widerstand ergibt. Zum Beispiel kann man, wie Fig. 1 zeigt, im ersten Ausschnitt 3 ausgehend von links einen Abschnitt 3d ausbilden, der zwischen dem Abschnitt Sb und dem Abschnitt 3 a liegt und so geneigt ist, daß der Querschnitt des während des Betriebs des Elements leitenden Abschnitts sich wie dargestellt verringert.

Damit eine Beschädigung und Außerbetriebsetzung eines Heizelementes 1 auf Grund der Ausbildung eines den elektrischen Stromfluß unterbrechenden Risses vermieden wird, der sich im Bereich der Seite F, ausbilden könnte, wird diese vorteilhafterweise durch Einschnitte Tb, die senkrecht zur Seite F₁ verlaufen, in mehrere parallele Lamellen Ta unterteilt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Bei den Ausführungsabwandlungen nach den Fig. 2 und 3 ist im Prinzip der gleiche Aufbau wie bei dem an Hand der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, wobei aber die Löcher und Ausschnitte unterschiedliche Formgebungen haben.

Durch die rechteckigen Löcher 8 und die Ausschnitte 9 in Form eines U oder I bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und durch die kreisförmigen Bohrungen 10 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die betreffenden Heizelemente so gestaltet, daß die Seiten F₁ und F₂ nur durch relativ schmale Brücken P miteinander verbunden sind, welche in ausreichendem Maße die Wärmeübertragung von Seite F₁ zur Seite F₂ verringern. Außerdem sind diese

ίο Löcher und Ausschnitte in der Weise ausgelegt, daß der elektrische Strom nur durch die Seite F₁ fließen kann, wobei in den Heizelementen nach den Fig. 2 und 3 ein besonderer, langgestreckter und schräg angeordneter Ausschnitt 11 vorgesehen ist, dessen An-Ordnung und Abmessungen aus diesen Figuren ersichtlich sind.

Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Löcher und Ausschnitte 8, 9 und 10 zwischen zwei Aussparungen 5 angeordnet, in deren Bereich die nicht dargestellten Stromzuführungen vorgesehen sind. Weiterhin ist - ebenfalls wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 — die Verteilung der Löcher und Ausschnitte 8, 9 und 10 vorteilhafterweise, wie dargestellt, so gewählt, daß man einen Temperaturgradienten in Richtung des Pfeiles /, erhält, wie dies an Hand der Fig. 1 näher erläutert wurde.

Die Querschnittsformen der Elemente 1 nach den

Fig. 2 und 3 sind in den Fig. 2a und 3a dargestellt.

Wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 finden sich bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 11 wenigstens bestimmte Merkmale wieder, die auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorhanden sind. In diesem Fall ist nicht beabsichtigt, eine längs der Seite F₁ ansteigende Temperatür zu erhalten. Im Gegenteil, die Ausschnitte sind praktisch symmetrisch zu der Mittellinie XX angeordnet und ausgebildet. Auch wenn sich die allgemeine Form nach der Darstellung unterscheidet, so finden sich doch die Löcher 2, die Ausschnitte 3a und 3b sowie die Aussparungen 5 der vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen wieder. Gleichfalls sind in einer besonderen Formgebung, wie Fig. 11 zeigt, die Abschnitte 4 vorhanden, welche die Seiten F₁ und F₂ miteinander verbinden. Die Dicke D₁ des Elementes im Bereich der Seite F₁ und der Abschnitte 3 a sowie die Dicke D₂ der Abschnitte 4 entspricht den oben angegebenen Abmessungen.

Nach Fig. 11 sind Einschnitte 20 vorgesehen, die sich, wie dargestellt, senkrecht zur Seite F₁ erstrecken

_5C und eine Länge h von 0,5 bis 3 cm haben. Diese Einschnitte 20 sind auf der Höhe der Abschnitte 4 ausgebildet.

Das auf diese Weise ausgebildete Heizelement, wie es die Fig. 11 zeigt, bietet eine gute thermische und elektrische Isolierung, ein gutes Verhältnis von Leistung-Temperatur, eine günstige Möglichkeit für die Aufhängung, insbesondere im Bereich der Aussparungen 5, eine gute Elastizität, eine gute Aufnahmefähigkeit für Dehnungskräfte und schließlich eine beträchtliche Heizfläche.

Während des Betriebszustandes eines Elementes 1 werden die Dehnungen durch die Abschnitte 4, welche die Seiten F, und F₂ der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 11 miteinander verbinden, und bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 durch die Brücken P absorbiert.

Während bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3 und 11 das Verhältnis von Hohlraum zu

kompaktem Körper in der Nähe von 1 liegt, liegt dieses Verhältnis der Ausführungsform nach Fig. 12 im Bereich der oben angegebenen unteren Grenze bei etwa 0,1. Dieses Element nach Fig. 12 weist wie das nach Fig. 11 eine für die Heizung vorgesehene Seite F₁ auf, deren Temperatur auf dem Nutzabschnitt konstant ist.

Dieses Heizelement ist mit zwei großen Abschnitten 20 versehen, die sich etwa parallel zur Seite F, erstrecken, wobei sich eine Dickenabmessung D, der warmen Seite F₁ ergibt (D₁ entsprechend den oben angegebenen Abmessungen), und die mit der Seite F₂ durch zwei Einschnitte 21 verbunden sind, die im wesentlichen senkrecht zur Seite F₁ verlaufen, bis auf einen Abschnitt 21a, der in der Nähe der Ausschnitte 20 ausgebildet ist und in einem Winkel von etwa 45° verläuft. Die Einschnitte 21 sind auf der Seite F₂ offen. Auf dieser Seite F₂ besteht somit das Element aus drei Teilen 22, 23 und 24, die jeweils Ausnehmungen 25, 26 bzw. 27 aufweisen, von denen die erste und dritte Ausnehmung für die Anordnung der Stromzuführungen dienen (die nicht dargestellt und auf Grund dieser Ausgestaltung sehr bequem zugänglich sind), wobei die zweite Ausnehmung den Zweck hat, daß man einen leichteren Aufbau erhält.

In den Schenkeln 25a,25b;26a,26b und 27«,27b, welche die betreffenden Ausnehmungen umschließen, sind für die Aufhängung des Heizelementes Bohrungen 28 bis 33 vorgesehen.

Der in einem Winkel von etwa 45° schräg verlaufende Abschnitt 21a der Einschnitte bildet eine Schutzvorrichtung und er gewährleistet den Wärmeschutz von der warmen Seite F₁.

Neben den Ausschnitten 20 und 21 sind Ausschnitte 34 vorgesehen, die sich im allgemeinen senkrecht zur Seite F₁ erstrecken und in dem Körper des Elementes zwischen den Ausschnitten 20 und den Ausnehmungen 25, 26 und 27 angeordnet sind. Diese Ausschnitte 34 gewährleisten auf Grund ihrer Ausgestaltung und Anordnung, wie sie aus Fig 12 hervorgeht, eine gute Führung des Stromflusscs und eine Lokalisierung eventuell auftretender Risse, die durch mechanische Kräfte hervorgerufen werden können, die auf Thcrmoschocks und auf ein Ausbrennen des Materials zurückzuführen sind. Ferner sind Einschnitte 35 in der Nähe der Enden des Elementes vorgesehen, die senkrecht zur Seite F₁ verlaufen und /u dieser hin offen sind. Diese Einschnitte dienen als thermischer Schutz und zur Entlastung von Dehnungskräften.

Damit man eine etwa konstante Dicke des warmen Abschnitts oder der heizenden Strecke im Bereich der Seite Fj erhält, ist zwischen den Ausschnitten 20 eine durchgehende Bohrung 36 vorgesehen.

Schließlich ist neben den in Längsrichtung verlaufenden, schlitzförmigen Einschnitten Tb, die denen bei der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechen und für den heizenden Abschnitt als Wärmeisolierung dienen, die Seite F₁ mit beispielsweise zwei Ausnehmungen 37 und 38 versehen, durch welche sie ein T- und U-Profil erhält, wie Fig. 13 zeigt. Hierdurch erhält man ein besseres Kricchverhaltcn.

Im Bereich der Seite F₂ ist vorteilhafterweise ein in Längsrichtung verlaufender Einschnitt 39 vorgesehen, wie er in Fig. 13 dargestellt ist.

Das Heizelement nach diesem Ausführungsbeispiel ist nicht so leicht wie die vorausgehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele, da das Verhältnis von Hohlraum zu kompaktem Körper viel kleiner ist. Demgegenüber erhält man durch die Verringerung der Ausschnitte, die so ausgelegt sind, daß das Auftreten von Rissen vermieden wird, eine schnellere und leichtere Herstellung. Auf Grund des größeren Gewichts werden auch mehrere Aufhängungspunkte vorgesehen.

Wie aus der obigen Beschreibung und den Figuren hervorgeht,soll bei den Aasführungsformen nach den

ίο Fig. 11 und 12 der elektrische Stromfluß so geleitet werden, daß er durch die Seite F₁ fließein muß.

Zur Erläuterung wird angegeben, daß bei einer Ausführungsform, bei der das Material des Heizelementes Zirkonoxyd mit 4',b Kalk ist, die Temperatur der Seite F₂ bei 1200° K liegt, wenn die Seite F₁ eine Temperatur von 2200° K hat.

Nach einer zweiten Ausführungsform erhält man den nicht homogenen Aufbau des Heizelementes 1 senkrecht zu den Seiten F₁ und F₂ dadurch, daß an diesem Element ein Abschnitt A mit geringer Porosität, in der Größenordnung unter 10%, ausgebildet wird, der insbesondere die Seite F₁ umfaßt, die leitend werden soll, wobei dieser Abschnitt mit geringer Porosität mit einem Abschnitt B verbunden ist, der eine erhöhte Porosität von über 30% hat und insbesondere die Seite F₂ umfaßt. Dieser Aufbau ist so c.usgcbildet, daß die Seite F₂, wenn die Seite F₁ auf eine ausreichend hohe Temperatur aufgeheizt ist, bei der sie elektrisch leitend ist, ausreichend kalt bleibt, so daß sie praktisch nicht leitend ist.

Der Abschnitt mit geringerer Porosität kann durch stabilisiertes Zirkonoxyd ausgebildet werden, entsprechend dem Material, aus dem die Hei2;elcmenle 1 der Ausfiihiungsformen nach den Fig. 1 bis 3 bestehen.

Der Abschnitt mit verstärkter Porosität, in dem die Poren die Aufgabe der Ausschnitte bei den Ausführungsbeispielen nach der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform übernehmen, kann aus dem gleichen Material wie der Abschnitt mit dichter bzw geringer Porosität bestehen oder auch aus einem wirtschaftlicheren Material wie eutektischcm ZrO₂-Al₂O,, Aluminiumoxyd odei einem anderen hitzebeständigen Material, das mit dem Zirkonoxyd chemisel· nicht reagiert.

In der Praxis wird der schwach poröse Abschnitt der die Seite F₁ umfaßt, eine Dichte in der Größenordnung von 4,5 und der die Seite F₂ umfassende poröse Abschnitt eine Dichte von etwa 2 !haben.

Zur Hcrsteliung eines hitzebeständig,t:n Körper: mit der angegebenen Porosität, die für die Ausbildung des die Seite F₂ umfassenden Abschnitts B crforder lieh ist, kann man auf bekannte keramische Verfahret zurückgreifen, insbesondere auf das Formen, Pressel und Sintern (vgl. beispielsweise »CeramicFabricatioi Processes« von W. D. Kingery, 1958, John Wiley) Nach Ausbildung des Abschnitts B wird dieser mi

dem Abschnitt A beispielsweise durch ein Spritzver fahren verbunden, bei dem man in bekannter Weisi einen Gasbrenner mit Plasma verwendet.

Als Beispiel sei angeführt, daß für die Hcrstcllun; eines Elementes 1, bei dem der Abstand zwischen dei Seiten F₁ und F₂1 K) mm beträgt und dessen die Seit F₁ umfassender Abschnitt aus stabilisiertem Zirkon oxyd mit einer Porosität von (■>% besteht, wobei dies Seite auf eine Temperatur von 2200" K erhitzt wer den soll, für den die Seite F₂ umfassenden Abschnit auf dem die Temperatur im Bereich dieser Seite f

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1200° K nicht überschreiten soll, ein poröses Material aus Zirkonoxyd oder einem anderen Gemisch aus feuerfesten Oxyden mit einer Porosität von 35% verwendet wird.

In den Fig. 4, 5 und 6 sind drei mögliche Varianten für die Ausgestaltung des Heizelementes 1 dargestellt, das nach dieser zweiten Ausführungsform ausgebildet ist.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 und 6 sind in Längsrichtung des Elementes symmetrisch zu einer durch die Mitte gehenden Ebene ausgebildet. Nach Fig. 4 sind Aussparungen S entsprechend denen in den Fig. 1 bis 3 und nach Fig. 6 angesetzte Teile 13 vorgesehen, die gleichfalls Aussparungen 5 bilden. Wie bei der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform werden die nicht dargestellten Stromführungen an den betreffenden Flächen der Abschnitte A im Bereich der Aussparungen 5 angeordnet. Auf Grund der symmetrischen Ausbildung dieser Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 und 6 ist im Bereich der Seite F₁ kein Temperaturgradient vorhanden.

Damit man einen Temperaturgradient erhält, kann man den Abschnitt A wie in Fig. 5 dargestellt ausbilden, wobei er in Richtung des Pfeiles /,, der den Verlauf steigender Temperaturen andeutet, einen kleiner werdenden Querschnitt erhält. Für die Aufhängung ist das in Fig. 5 dargestellte Element mit einer Bohrung T versehen.

Pie Fig. 4a, 5 a und 6a zeigen die Querschnittsformen der Elemente nach den Fig. 4 bis 6.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Heizelemente zeichnen sich durch ein hervorragendes Verhalten während einer langen Betriebsdauer aus. So arbeitete einElement entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, dessen Seite F₁ die Heizwand eines Ofens bildete, 500 Stunden lang störungsfrei. Nach Ablauf dieses Versuchs konnte bei einer Prüfung des Elementes weder eine Beschädigung noch irgendeine Veränderung seiner Eigenschaften festgestellt werden. Die Daten des Versuchs waren folgende:

Temperatur in der Ofenkammer 2073°K
Abmessungen der Kammer 110 X 25 X 16 mm Abmessungen des Elementes 220 X 110 X 30 mm Dicke des Heizabschnitts
(D₁, Fig. 1) 3,5 mm
Länge des Heizabsrhnitts 120 mm
Breite des Heizabschnihs 30 mm
Angelegte Spannung 167 V
Stromstärke 8,7 A
Leistungsverbrauch 1,45 kW

Auf der Oberfläche dieses Elementes konnten nach dem Versuch Zonen unterschiedlicher Färbungen festgestellt werden, die in Fig. 1 durch die Kurven Cp C₂, C₃ und C₄ abgegrenzt sind. Diese Kurven stellen die Isothermen dar, die jeweils einer Temperatur von 1400° K, 1600° K, 1900° K und 2025° K entsprechen.

Mit erfindungsgemäLien Heizelementen ist es möglich, Öfen beliebiger Ausgestaltung und Abmessungen auszubilden. In den Fig. 7 bis 10 sind mehrere Ausführungsbeispiele von Ofen dargestellt.

Die Fig. 7 zeigt einen Ofen in Form eines Gewölbes

ίο mit horizontaler Achse, der aus Elementen 1 mit trapezförmigem Querschnitt zusammengesetzt ist, entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten. Die verschiedenen Elemente 1 liegen aneinander, ohne daß irgendwelche besonderen Verbindungselemente erforderlich sind. Die Stromzuführungen 6 sind wie bei dem Ausführungsbeispiel nachFig. 1 angeordnet. Mit 15 sind Leitungsdrähte bezeichnet, welche die Stromzuführungen 6 mit der Stromquelle verbinden.
Die Elemente l.diebeidem Aufbaueines in Fig. 8

dargestellten Ofens mit rechteckigem Querschnitt verwendet sind, entsprechen dem in Fig. 1 dargestellten. Die Stromzuführungen sind wiederum mit 6 und die Leitungsdrähte mit 15 bezeichnet. Die drei Elemente 1, welche die Decke des Ofens bilden, werden durch eine mechanische Aufhängung in ihrer Stellung gehalten, vorzugsweise durch eine Befestigung aus hitzebeständigem Stahl.

Wie Fig. 9 zeigt, kann ein Ofen mit einem trapezförmigen Gewölbe ausgebildet werden, wenn man Elemente 1 nach Fig. 3 und Abstandhalter 16 verwendet, die nicht elektrisch leitend sind und beispielsweise aus porösem Zirkonoxyd oder Aluminiumoxyd bestehen, wobei sie jeweils zwischen zwei Elementen 1 eingesetzt sind. Die Elemente 1 und 16 können durch eine mechanische Aufhängung in ihrer relativen Stellung zueinander gehalten werden (man kann sie ebenso auch einfach aufeinander aufliegen lassen wie bei einem Bausatz).

Die drei beschriebenen öfen weisen jeweils einen

Heizraum mit horizontaler Achse auf. Im Gegensatz dazu zeigt die Fig. 10 eine Ausführungsform mit senkrechter Achse. Hierbei sind 4 Elemente 1 nach Fig. 1 vorgesehen, zwischen denen Abstandhalter Π angeordnet sind. Die Verbindung der Elemente 1 und 17 miteinander wird durch eine Umfassung der Form ausgebildet, welche den gesamten Aufbau in seinei Stellung zusimmenhält und führt.

Damit die einen Ofen bildenden Elemente 1 in derr für die beginnende Leitfähigkeit erforderlichen Maße vorgeheizt werden, kann man in an sich bekannte! Weise ein nicht dargestelltes Vorheizelement in dei Heizraum einführen, um die Seiten F, der den Ofei bildenden Elemente auf die minimale Temperatur zi bringen, bei der das Material dieser Elemente leitern wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Heizelement aus einem feuerfesten, oxydationsbeständigen elektrisch heißleitendem Material.dadurch gekennzeichnet, daß es in etwa die allgemeine Form eines Parallelepipeds hat und Löcher aufweist, die parallel zu sich gegenüberliegenden Seiten (F₁, F₂) durch das Heizelement (1) und senkrecht zur Stromrichtung verlaufen, wobei die Löcher eine derartige Anordnung und eine derartige Form besitzen, daß die Wärmeübertragung von der einen Seite (F₁) zur anderen Seite (F₂) stark verringert ist, wodurch bei Vorwärmen der einen Seite (F₁) mit einem separaten Vorheizelement die elektrische Leitfähigkeit an dieser Seite (F;) derartig erhöht wird, daß der Strom überwiegend an dieser Seite fließt und dort eine ausreichend hohe Temperatur gewährleistet, während an der anderen Seite (F₂) eine ausreichend niedrige Temperatur gewährleistet ist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus vollständig oder teilweise stabilisiertem Zirkonoxyd oder aus einer bestimmten Zusammensetzung vom Pyrochlortyp auf der Basis von Zirkonoxyd der Formel Zr₂T₂O₂ ausgebildet ist, wobei T ein Metall, insbesondere eine Seltene Erde ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2, 5, 8, 10; 3,9,11,20, 34) in dem Körper des Elementes (1) ein Verhältnis von Hohlraum zu kompaktem Körper von 0,1 bis 3 ergeben.

4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Hohlraum zu kompaktem Körper etwa bei 1 liegt.

5. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2,36; 3,20) so verteilt angeordnet sind, daß die Temperatur der slromleitenden Seite (F₁) längs dieser Seite gleichförmig ist.

6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2, 5, 8, 10; 3, 9, 11) so verteilt angeordnet sind, daß die Temperatur der stromleitenden Seite (F₁) längs dieser Seite ansteigt.

7. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch im wesentlichen zur stromleitenden Seite (F₁) parallele Löcher (20), die über senkrecht zur stromleitenden Seite (F₁) verlaufende Löcher (21), die um 45° geneigte Ab schnitte (21a) aufweisen, mit der nicht stromlei tenden Seite (F₂) verbunden sind, wodurch das Element (1) in mehrere zusammenhängende Teile (22, 23, 24) unterteilt ist, durch senkrecht zur stromleitenden Seite (F,) zwischen den parallel zur stromleitenden Seite (F₁) angeordneten Löchern (20) und der nicht stromleitenden Seite (F₂) angeordnete Löcher (34), durch im Bereich der Enden des Elementes (1) sich senkrecht zu der stromleitenden Seite (F₁) erstreckende und in sie mündende Löcher (35) sowie durch zur nicht stromleitenden Seite (F₂) hin offene Löcher (25, 26 und 27), wobei das Verhältnis von Hohlraum zu kompaktem Körper im unteren Bereich von (1.1 bis 3 liegt.

8. Heizelement aus einem feuerfesten, oxydationsbeständiKen, elektrisch heißlcilcnden Ma'.e-

rial, dadurch gekennzeichnet, daß es in etwa die allgemeine Form eines Parallelepipeds hat, wobei ein Abschnitt (A) an der einen Seite (F₁) aus einem Material mit einer Porosität besteht, die geringer ist als die des übrigen Materials in einem Abschnitt (B), so daß die Wärmeübertragung von der einen Seite (F₁) zur anderen Seite (F₂) stark verringert ist, wodurch bei Vorwärmen der einen Seite (F₁) mit einem separaten Vorheizelement die elektrische Leitfähigkeit dieser Seite (F₁) derartig erhöht wird, daß der Strom überwiegend an dieser Seite fließt und dort eine ausreichend hohe Temperatur gewährleistet, während an der anderen Seite (F₂) eine ausreichend niedrige Temperatur gewährleistet ist.

9. Heizelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität in dem Abschnitt (A) mit geringerer Porosität weniger als 10%, in dem Abschnitt (B) mit höherer Porosität über 30% beträgt.

10. Heizelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität in dem Abschnitt

(A) mit geringerer Porosität 6%, in dem Abschnitt

(B) mit höherer Porosität 35% beträgt.

11. Heizelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (A) mit geringerer Porosität aus stabilisiertem Zirkonoxyd mit einer Dichte von etwa 4,5 und der Abschnitt (B) mit höherer Porosität aus Zirkonoxyd, eutektischem Zirkonoxyd-Al₂O₃ oder Aluminiumoxyd allein besteht, wobei die Dichte dieses Abschnittes (B) etwa bei 2 liegt.

12. Heizelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (A) mit geringerer Porosität einen in Längsrichtung des Elementes (1) abnehmenden Querschnitt aufweist.

13. Heizelement n^ch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stromleitende Seite (F₁) durch in Längsrichtung dieser Seite verlaufende senkrechte Einschnitte (Tb) in zueinander parallele Lamellen (7a) unterteilt ist.

14. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stromleitende Seite (F₁) Ausnehmungen (37, 38) aufweist, so daß die Seite (F₁) im Querschnitt ein T- bzw. ein U-förmiges Profil hat.