DE2236328C3

DE2236328C3 - Elektrisch mittels Heizelementen aus Keramik beheizter Ofen

Info

Publication number: DE2236328C3
Application number: DE19722236328
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.- Phys. 3000 Hannover Kuhlmann-Schaefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-07-25
Filing date: 1972-07-25
Publication date: 1978-09-21
Also published as: FR2194103B1; FR2194103A1; DE2236328B2; JPS4958008A; DE2236328A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch mittels Heizelementen aus Keramik beheizten Ofen.

Durch den Aufsatz »Design and Performance of Electric Furnaces with Oxide Resistors« in der Zeitschrift »Journal of the American Ceramic Society«, S. 333 bis 339 ist ein elektrisch beheizter Ofen bekannt, der ein zylindrisches keramisches, vertikal angeordnetes Heizelement aufweist. Dieses zylindrische Heizelement ist an seinen axialen Enden mit der Stromquelle verbunden. Solche widerstandsbeheizten öfen haben den beträchtlichen Nachteil, daß der Temperaturgang des elektrischen Widerstands des keramischen Heizelements negativ ist. Bei Betrieb mit konstanter Spannung ergibt sich daher eine Instabilität, die zu unerwünschtem Abkühlen oder zur unerwünschten Überhitzung und Zerstörung des Ofens führen kann. In dem genannten Aufsatz ist angegeben, daß ein Mittelweg nicht existiert Abhilfe kann nur dadurch geschaffen werden, daß ein großer Vorwiderstand verwendet wird, indem eine beträchtliche Leistung entsteht, oder daß eine teuere Regeleinrichtung verwendet wird, die die zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur regelt Wegen des negativen Temperaturkoeffizienten der keramischen Heizelemente ist es auch nicht möglich, mehrere Heizelemente parallel zu schalten, ohne getrennte Maßnahmen zur Stabilisierung jedes Elements vorzusehen. Eine praktische Anwendung der Parallelschaltung kommt daher nicht in Betracht

Weiterhin findet bei einem Ofen mit einem zylindrischen keramischen Heizelement eine Kanalisierung des Stroms statt Dieser Effekt erklärt sich in der gleichen

ίο Weise wie bei der Parallelschaltung von Heizelementen auftretende Effekt Diese Kanalisierung führt nicht nur zu einer ungleichmäßigen Wärmeerzeugung, sondern als Folge davon auch zu Oberhitzungen und Zerstörungen des Heizelements. Aus diesem Grund sind derartige Ofen bisher nur in sehr geringer Größe praktisch ausgeführt worden.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 19 66 175 ist ein elektrisch beheizter Ofen bekannt der ein keramisches Heizelement verwendet, das zwar auch

μ zylindrisch, jedoch in Axialrichtung teilweise aufgeschlitzt ist Der Strom fließt in der einen Hälfte des Zylinders zu einem Endpunkt und von dort in die andere Hälfte zurück. Dadurch ist die Kanalisierungsgefahr verringert, jedoch keinesfalls ausgeschlossen. Darüber hinaus wird dieser geringe Vorteil durch eine äußerst komplizierte Form des Heizelements und die dadurch bedingte Gefahr von Brüchen mehr als ausgeglichen. Eine erhöhte Gefahr durch Kanalisierung besteht auch in dem Bereich, in dem der Strom die Enden der Schlitze umfließt. In diesem Bereich erfolgt eine Zusammendrängung Jes Stromes, also eine Kanalisierung, die wieder zu den bereits erläuterten Gefahren und Nachteilen führt.

Durch die US-PS 33 71 142 ist ein Schmelzofen bekannt, der als Heizelement einen einzigen langgestreckten Stab aufweist, der in Längsrichtung in einzelne Teile aufgeteilt ist, die kegelförmig ineinandergreifen und elektrisch Widerstandsabschnitte bilden, die in Stromflußrichtung hintereinandergeschaltet sind. Bei einer derartigen Ausführung ist eine Kanalisierung grundsätzlich nicht vermieden, da der Strom durch einen Stab großen Querschnitts fließt Die Kanalisierungsgtfahr ist besonders deshalb groß, weil die Kontaktpunkte zwischen den einzelnen Stabteilen unbestimmt sind. Schließlich ist der Stab auch zur guten Kontaktgabe zwischen den Stabteiien eingespannt Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten durch Wärmespannungen, die zu Brüchen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit keramischer Widerstandsheizung betriebenen Hochtemperaturofen so auszubilden, daß eine ungewollte Kanalisierung des Stroms ausgeschlossen wird, ein möglichst großer Nutzraum beheizt werden kann und auch bei zyklischem Betrieb eine hohe Lebensdauer erzielt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Heizelemente im Querschnitt rechteckige Stangen sind, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, indem sie stapelartig jeweils mit ihrem einen Ende auf dem Anfang der folgenden Stange liegen, wobei die jeweiligen entgegengesetzten Enden durch elektrisch isolierende Abstandshalter in ihrer Lage gehalten sind.

Durch die stangenförmige Ausbildung und Reihenschaltung der keramischen Heizelemente wird eine

t>5 Zwangskanalisierung des Stroms in den engen Querschnitten erzielt, so daß der Stromfluß konstant ist und eine zufällig wechselnde Kanalisierung in den Heizelementen und eine damit verbundene Änderung des

Widerstandes nicht auftreten kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich wegen des geringen Querschnitts der Stangen innere Wärmespannungen nur im geringen Maße ausbilden können, so daß die Gefahr von Brüchen verringert ist Dies auch besonders deshalb, weil die Enden der langgestreckten Stangen wegen des losen Aufeinanderliegens oder Stapeins frei sind und sich auf Grund der Wärmeausdehnungen bewegen können.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die stangenförmigen Heizelemente ringförmig gebogen to sind, sich mit ihren Enden jedoch nicht berühren. Diese ringförmig gebogenen Stangen umschließen somit den Innenraum des Ofens und bestimmen damit auch dessen Form. Natürlich ist auch jederzeit eine beliebige Stapelung langgestreckter Heizelemente beliebiger Längsform zur Herstellung beliebiger Formen des Innenraumes de5 Ofens möglich.

Eine Weiterbildung besteht darin, daß die stangenförmigen Heizelemente wechselweise mäanderförmig mit ihren Enden durch leitende Verbindungsteile miteinander verbunden sind, die aus dem gleichen Keramikmaterial wie die Heizelemente bestehen. Diese Form ist besonders einfach herzustellen. Die Verbindungsteile bestehen z. B. ganz einfach aus zersägten, ringförmigen Heizelementen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Verbindungsteile jeweils mit einem der zu verbindenden ringförmigen Heizelemente aus einem Stück bestehen, das so in der Abwicklung L-förmig ist. Gleichzeitig ist dabei die Lage der Verbindungsteile fixiert

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zwei isolierende Abstandshalter in gleichen Umfangsabständen vorgesehen sind. Auf diese Weise bilden die Abstandshalter und das Verbindungsteil eine Dreipunktauflage, die eine besonders stabile Auflage der Heizelemente sicherstellt Zweckmäßigerweise liegen die Abstandshalter bzw. die Verbindungsteile, die die gleiche Funktion haben, in einer Reihe übereinander, so daß die Heizelemente nicht durch das Gewicht der darüberliegenden Heizelemente auf Biegung beansprucht sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die stangenförmigen Heizelemente Halbringe bilden und in einer Art Wendel übereinandergestapelt sind. Hierbei ergibt sich in der Regel ein größerer Abstand zwischen übereinander angeordneten Heizelementen. Der Strom verläuft nicht mäanderförmig, sondern wendelförmig.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die isolierenden Abstandshalter U-förmig sind, wobei die Schenkel zwischen den im Abstand zu haltenden Heizelementen angeordnet sind, während sich das Querteil der U-Form in Richtung von dem Ofen weg erstreckt. Durch diese Form und Lage der Abstandshalter ergibt sich, daß die Querteile der U-förmigen Abstandshalter in einen kühleren Bereich ragen, in dem sie eine Temperatur haben, bei der mit keramischem Material ein hoher Isolationswiderstand erzielbar ist.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ringförmigen mäanderförmig gestapelten Heizelementen,

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung tv> mit halbringförmigen, wendelförmig gestapelten Heizelementen;

F i g. 3 zeigt schematisch in einer horizontalen Wendel angeordnete Heizelemente;

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit in einer Ebene angeordneten, L-förmigen Heizelemente;

F i g. 5 zeigt ein Heizelement des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 4 perspektivisch;

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines isolierenden Abstandshalters gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 sind mehrere ringförmige Heizelemente 1,2 und 3 mit Abstand übereinandergestapelt Ihr Innenraum bildet den Ofenraum. Zwischen Enden 4 und 5 der Heizelemente 1 und 2 ist ein Verbindungsteil 6 zwischengelegt, das durch Zersägen eines Heizelements der Form eines der Heizelemente 1 bis 3 entspricht In gleicher Weise ist zwischen Enden 7 und 8 der Heizelemente 2 und 3 ein Verbindungsteil 9 zwischengelegt Der Strom fließt somit mäanderförmig in Richtung von Pfeilen 10, 11, 12 und 13 durch die gestapelten Heizelemente.

Zwischen nicht verbundenen Enden 14 und 7 sowie 5 und 15 sind isolierende Abstandshalter 16 und 17 zwischengelegt. Außerdem sind auf der gegenüberliegenden Seite noch Abstandshalter 18 zwischengelegt. Der dem Abstandshalter 18 entsprechende Abstandshalter zwischen den Heizelementen 2 und 3 ist in der Zeichnung nicht sichtbar.

Als Material für die Heizelemente 1 bis 3 eignet sich Ζ1Ό2, das stabilisiert ist.

F i g. 2 zeigt halbringförmige Heizelemente 20,21,22, 23 und 21, die mit ihren Enden so übereinandergelegt sind, daß sie sich überlappen und insgesamt eine wendeiförmige Anordnung bilden, durch die der Strom in Richtung von Pfeilen 25 bis 28 fließen kann. Bei dieser Ausführungsform entfallen also Verbindungsteile. Im Bereich der Überlappungen sind isolierende Abstandshalter 29 und 30 angeordnet, die die Windungen der wendeiförmigen Anordnung in Abstand zueinander halten.

F i g. 3 zeigt auf der linken Seite ein halbringförmiges Heizelement 31, das zusätzlich, jedoch nicht notwendigerweise auf seinen Stirnflächen Platten 32 und 33 aufweist. Über diese Platten, die Verbindungsteile bilden, sind mehrere Heizelemente wendelförmig entsprechend der Darstellung auf der rechten Seite der F i g. 3 angeordnet. Es liegen also jeweils Heizelemente mit ihren Stirnflächen auf den Stirnflächen darunterliegender Heizelemente auf.

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiei, bei dem L-förmige Heizelemente 34 so übereinandergestapelt sind, daß der Strom mäanderförmig in Richtung von Pfeilen 35 fließen. Die kurzen Schenkel der L-förnvgen Heizelemente bilden praktisch die Verbindungsteile.

Dort, wo zwischen benachbarten Heizelementen keine kurzen Schenkel zur Abstützung dienen, sind Abstandshalter 36 vorgesehen. Ganz unten in der Anordnung sind jeweils zwei Abstandshalter 36 angeordnet, um den Höhenausgleich entsprechend der Schenkellänge bzw. -breite durchzuführen. Natürlich ist die Länge der kurzen Schenkel beliebig, so daß die Leistungsdichte variierbar ist.

F i g. 5 zeigt ein L-förmiges Heizelement 34 gemäß der Anordnung in Fig.4. In dieser Darstellung ist eine quadratische Stirnfläche 37 erkennbar, die zusammen mit der gegenüberliegenden Fläche des langen Schenkels eines benachbarten Heizelements 34 die Kontaktfläche bildet.

Fig.6 zeigt einen Abstandshalter 38, der U-förmig ausgebildet ist und ein Querteil 39 sowie Schenkel 41 und 42 aufweist, die zwei Heizelemente 43 und 44, die

lediglich mit ihren Stirnflächen erkennbar sind, im Abstand zueinander halten. Der U-förmige Abstandshalter 38 erstreckt sich mit seinem Querteil 39 von dem Inneren des Ofens weg, also in einen kühleren Bereich. Der aus keramischem Material bestehende Abstandshalter 38 hat also im Bereich seines Querteils 39 entsprechend dem bekannten Widerstandsverhalten keramischen Materials einen hohen Widerstand und damit gute Isolationseigenschaften.

Beispiel

Ein Ofen wurde gemäß F i g. 1 aufgebaut. Dabei bestanden die Heizelemente und die Verbindungsteile aus ZrC>2· Die Heizelemente hatten einen Innendurchmesser von 50 mm, eine Höhe von 22 mm und eine Wandstärke von 8 mm. Die Höhe der Verbindungsteile betrug 20 mm.

Nach Vorheizen des Ofens durch ein fremdes Heizelement auf etwa 1300°C wurde eine Spannung angelegt, die einen ausreichenden Strom fließen ließ, um die Temperatur der einzelnen Heizelemente zu erhöhen. Mit zunehmender Temperatur erhöhte sich zunächst der Stromfluß. Um einen zu schnellen Anstieg der Temperatur zu vermeiden, wurde die Spannung verringert, und zwar in Abständen von 15 Minuten. Die Ergebnisse waren dabei wie folgt:

Temperatur ("C)	Spannung (V)	Stromstärke (A)
10 1280	400	4
1310	415	4,3
1400	380	5
1440	375	5,5
1480	370	6
15 1500	370	6

Die Ergebnisse zeigen deutlich ein Erreichen eines stabilen Punktes. Der Versuch wurde über mehrere Stunden lang fortgesetzt, ohne daß eine Instabilität auftrat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch mittels Heizelementen aus Keramik beheizter Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (1 bis 3, 20 bis 23. 34) im Querschnitt rechteckige Stangen sind, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, indem sie stapelartig jeweils mit ihrem einen Ende (4) auf dem Anfang (5) der folgenden Stange liegen, wobei die jeweiligen entgegengesetzten Enden durch elektrisch isolierende Abstandshalter (16 bis 18, 29,30,36,38) in ihrer Lage gehalten sind.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stangenförmigen Heizelemente (1, 2) ringförmig gebogen sind, sich mit ihren Enden (4,14) jedoch nicht berühren.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stangenförmigen Heizelemente (1, 2, 3) wechselweise mäanderförmig mit ihren Enden durch leitende Verbindungsteile (6, 9) miteinander verbunden sind, die aus dem gleichen Keramikmaterial wie die Heizelemente (1, 2, 3) bestehen.

4. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (6,9) jeweils mit einem der zu verbindenden ringförmigen Heizelemente (1, 2) aus einem Stück bestehen, das so in der Abwicklung L-förmig ist.

5. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei isolierende Abstandshalter (16, 18) in gleichen Umfangsabständen vorgesehen sind.

6. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stangenförmigen Heizelemente (20 bis 24) Halbringe bilden und in einer Art Wendel übereinandergestapelt sind.

7. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Abstandshalter (39) U-förmig sind, wobei die Schenkel (41, 42) zwischen den im Abstand zu haltenden Heizelementen (43, 44) angeordnet sind, während sich das Querteil (38) der U-Form in Richtung von dem Ofen weg erstreckt.