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Komplexe Keramik-Heizelemente mit mindstens je zwei eingesinterten
metallischen Elektrizitäts-Leitern Die Erfindung betrifft komplexe Keramik-Heizelemente
zweckmäßiger geometrischer Gestalt und widerstandsmomentgünstigen Querschnitts,
bei denen in dichte, temperatur- und temperaturwechsel(schock)beständige, korrosionsimmune,
physiologisch neutrale, dielektrische keramische erkstoffe metallische Heizleiter
bestimmbarer Leistung, für ein- bis dreiphasige Anschlußart, als Energieleiter zur
Beheizung von Flüssigkeiten, Gasen und festen Stoffen eingesintert sind. Die Heizelemente
können in diese Medien getaucht und/oder von ihnen durchströmt werden. Die Heizleistung
und Gebrauchsdauer dieser llazelemente übertrifft konventionelle Konstruktionen.
Es werden llerstellungsmethoden und geeignete keramische Werkstoffe beschrieben.
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Bisher werden in der Haushalt-, Industrie-, Gewerbe- und klinischen
Elektrowärmetechnik im Zweig Widerstandsbeheizung, je nach Aggregatzustand des Umgebungsmediums,
offene oder metallummantelte Heizelemente verwendet. Sie sind am häufigsten in Heizlüftern,
-platten, -öfen, Grill-, Koch-, Back- und Bügelgeräten, Trocknern, Strahlern, Elektro-Herden,
Kochendwasser- und Warmwasserbereitern, Spül- und Waschmaschinen, gewerblichen und
industriellen Raumheiz-, Flüssigkeitserwärmungs-, Schmelz-, Trocknungs-, Werkzeug-/Maschinenbeheizungs-,
Glüh- und Warmbehandlungsanlagen zu finden.
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Bei den konventionellen Blankdraht-Heizelementen ist der elektrisch
aktive metallische Heizleiter als meist gewendelter Runddraht oder mäanderförmiges
flaches Band von Isolierkörpern aus keramischen Werkstoffen der Gruppen 200, 400,
500 oder 700 nach DIN 40685 oder anderen Isolierstoffen, wie Glimmer, Mikanit etc.,
umgeben. Einige dieser Materialien sind hygroskopisch. Bei Patronenheizkörpern wird
das Isoliermaterial von einseitig geschlossenen metallischen Mantelrohren umgeben,
wenn sie in Flüssigkeit getaucht werden sollen.
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Der Raum zwischen Heizleiter, keramischem Isolierteil und Metallmantel
ist hierbei von einem Luftpolster ausgefüllt, welches einen relativ großen Wärmedurchgangswiderstand
hat. In Rohrheizkörpern mit Präzisions-Mantelrohren aus legiertem Stahl, Kupfer
oder Aluminium wird die Heizwendel konzentrisch von mechanisch verdichtetem MgO-Granulat
umhüllt.
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Heizplatten bestehen meistens aus metalischen Gußkörpern mit Spiral-oder
Mäandernuten auf der Unterseite, welche die Magnesit - Isolierschicht und den Heizleiter
aufnehmen.
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Obwohl die Verfahrenstechniken zur Herstellung der erwähnten Heizelemente
optimiert wurden, weisen die Erzeugnisse konventioneller Art seit langem bekannte
stoffliche und funktionelle Mängel auf. Die Frist ihrer sicheren Funktion wird entscheidend
von Umwelteinflüssen bestimmt. Die Gebrauchsdauer konventioneller Rohrheizkörper
mit metallischen Mantelrohren wird in zunehmendem Maße durch verunreinigte, aggressive
Wässer reduziert, Die Beständigkeit gegen die korrosiven Einflüsse der Atmosphäre,
gegen salz-, säure- und alkalihaltige Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten ist bei den
meisten bisherigen Konstruktionen unzureichend. Auch durch Kontakt mit dem Sauerstoff
sauberer Luft wird die Heizleiter-Gebrauchsdauer beeinträchtigt. Durch wiederholten
Temperaturwechsel bei Ein- und Ausschaltung platzen an der Oberfläche freiliegender
Heizleiter Oxydschichten (Zunder) ab, wodurch sich der Leiterquerschnitt verringert
und der elektrische Widerstand erhöht. Schließlich schmilzt der Heizleiter infolge
iberlastung. Bei Rohrheizkörpern ist das durch Vibration oder spanlose mechanische
Reduzierung des Mantelrohrdurchmessers verdichtete MgO -Granulat noch so hygroskopisch,
daß die Rohrenden mit besonderem Aufwand dicht abgeschlossen werden müssen, damit
zwischen Heizwendel und Mantelrohr durch Feuchtigkeitsreste im Isoliermaterial fließende
Ableitströme unschädlich gering bleiben. Das feinporöse Dielektrikum und die eingeschlossene
Luft können die von der Heizwendel abgegebene Wärmeenergie nicht so intensiv transportieren,
wie ein dichter keramischer Werkstoff.
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Die Patentanmeldung P 24 12 045.4 der Rosenthal Stemag Technische
Keramik AG, Gelb, behandelt einfache, undurchströmbare Keramik-Heizelemente mit
nur einer Heizleiterseele und entsprechend kleinem, fragilen, für die praktische
Verwendung unzureichendem Querschnitt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, universell oder
speziell verwendbare Heizelemente ohne die oben beschriebenen Mängel zu kreieren.
Dazu sindWerkstoffe, Technologien und Konstruktionen zu finden, die eine ökonomische
Fertigung und Verwendung von leistungsstärkeren, wärmetechnisch günstigeren, langlebigeren,
elektrisch sicheren, korrosionsimmunen, temperatur- und temperaturschockbestcindigeren
Heizelementen ermöglichen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Rohstoffreserven
auch künftigen Generationen die Produktion ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens
zwei - für leistungsstärkere Versionen und Stern-Dreieck-Schaltung mindestens drei
- oder mehr Heizleiter aus metallischen Widerstands drähten gestreckter oder gewendelter
Form im Strangpreßverfahren kontinuierlich oder im Taktbetrieb konzentrisch von
keramischer Rohmasse innig umschlossen, und nach deren Trocknung in den Keramikstrang
eingesintert werden0 Die Querschnitte der Keramikstränge sind geometrisch so gestaltet
und bemessen, daß der im Vergleich zur Keramik größere Ausdehnungskoeffizient des
eingeschlossenen metallischen Heizleiters unkritisch bleibt. Weil dichte keramische
Werkstoffe verwendet werden, die auch keine unter Druckspannung stehende Flüssigkeiten
aufzunehmen vermögen, erübrigt sich ein Metall- oder Quarz-Mantel. Die Heizleiter
sind luft- und flüssigkeitsdicht,auch von den Heizelementenden her, eingeschlossen.
Deshalb können sie nicht oxydieren, wodurch ihre Lebensdauer in dieser Hinsicht
unbegrenzt ist. Das metallische Heizleitermaterial ist in seiner Legierung so auf
die keramischen Werkstoffe abgestimmt, daß auch bei hohen Temperaturen keine elektro-chemischen
Reaktionen begünstigt werden. Die ausgewählten keramischen Werkstoffe sind in ihren'Eigenschaften
abgestuft auf unterschiedliche Hbtriebsbedingungen der Heizelemente abgestimmt.
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Sie sind elektrisch durschlagsfest, weitgehend korrosionsbeständig
und physiologisch neutral.
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Die Erfindung wird weiter ausgestaltet durch Heizelemente mit mehreren,
in Längsrichtung durchgehenden Rund- oder Profillöchern, welche in Sicherheit garantierendem
Abstand parallel zu den eingesinterten Heizleitern angeordnet sind. Damit wurden
Heizelemente geschaffen, die von den aufzuheizenden Flüssigkeiten oder Gasen, welche
unter Niederdruck stehen können, durchströmbar sind.
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Durch Umlenkkanäle in den keramischen Anschluß- und Endstücken, die
mit den lleizelementenden dicht verbunden werden, kann die Durchflußstrecke -zwecks
Erreichung einer für eine starke Nedienaufheizung erforderlichen DurchflulSzeit
- auf das mehrfache der Heizelementlänge vergrößert werden.
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Wird der Ausfluß des Mediums an der Einfluß-Stirnseite gewünscht,
so sind 2 bzw. n . 2 Durchflußöffnungen im Heizelement erforderlich. Sollen Ein-und
Ausfluß an den gegenüber liegenden Heizelement-Stirnseiten liegen, so sind 3 bzw.
n 3 3 Durchflußlöcher nötig. Diese Löcher werden, wie das übrige Heizelementprofil
durch Strangpressen (Extrudieren) geformt.
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Das Profil solcher hohlen Heizelemente ist so gestaltet und bemessen,
daß keine metallische oder sonstige Ummantelung erforderlich ist. Die Heizelemente
können aber auch zusätlich von außen umflossen werden, so daß auch die nach außen
abgestrahlte Wärmeenergie genutzt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung stellen die für die Herstellung
der erfindungsgemäßen keramischen Heizelemente konstruierten Werkzeuge dar, die
kontinuierliches und taktgesteuertes Strangpressen in verschiedenen Profilen und
Größen, sowie die gleichzeitige Einbringung von zwei oder mehr Heizleitern in stufenloinstellbaren,
aber auch einzeln eingestellten Abständen und die gleichzeitige Abtrennung gewünschter
Stranglängen während des Strangvorschubs ermöglichen. Der unarmierte Restquerschnitt
kann leicht manuell oder automatisch durchschnitten werden. Es wurde ferner vorgesehen,
daß die Heizleiterdrähte nicht durchwegs gewendelt, sondern mit geradlinigen Unterbrechungen,
die auf die Heizelementlänge abgestimmt sind, dem Strangpreßmundstück zugeführt
werden. So können schwächer beheizte Heizelementenden und gestreckte Drahtaustritte
erzielt werden. Es wurde auch daran gedacht, die Heizelementleistung durch Veränderung
von Wendel-Durchmesser und -Steigung, sowie des Drahtdurchmessers zu steuern. Bei
größeren Drahtdurchmessern ist eine Umhüllung mit Keramikfasergespinnst auf der
Basis von Aluminiumoxid oder Zirkonoxid zur Schaffung von Freiräumen für die Ausdehnung
des Heizleiters bei steigenden Temperaturen vorgesehen.
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Wesentlicher Gehalt des Erfindungsgedankens ist die vorgesehene Verwendung
von modifizierten dichten keramischen Werkstoffen auf der Basis von Magnesiuzmsilikat,
Magnesium-Zirkon-Silikat, Magnesium-Aluminium-Silikat, Aluminium-Lithium-Silikat
und Aluminiumoxid, also etwa entsprechend den Xerkstoff-Gruppen Ker 200, 400, 600
und 700 nach DIN 40685, für die Beheizung von Flüssigkeiten und Gasen, sowie feinporösen
temperaturwechselbeständigen
keramischen Werkstoffen der Gruppe
Ker 500 nach DIN 40685 für die Beheizung von Luft und trockenen Restlcörpern mit
mehrseeligen Heizelementen, welche wegen der unmittelbaren Integration der Heizleiter
als komplexe I(eramik-Heizelemente bezeichnet werden.
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Außer der Einbringung der Heizwiderstände im Strangpreßverfahren,
sind noch andere Technologien, wie Einspritzen, Eingießen, Druckgießen und Einpressen
anwendbar.
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Beispiele erfindungsgemäß herstellbarer Heizelement-Profile und kompletter
Heizelemente sind in den Zeichnungen in den Figuren 1, 2, 5 sowie 9 und 10 fixiert.
Für die den Figuren 1, 2 und 5 entsprechenden Strangprofile wird die Formgebung
durch zeichnerische Darstellung der entsprechenden, erfindungsgemäßen Strangpreßwerkzeuge
(Fig.3, 4, 6 und 7) erläutert. Fig.8 zeigt die Heizleitertrennvorrichtung, welche
in Fig.7 an der Mundstücköffnung im Schnitt dargestellt ist, als Draufsicht.
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Das in Fig.3 als Schnitt A - A durch Fig.4 bzw. in Fig.4 als Schnitt
D - D durch Fig.3 dargestellte Strangpreßwerkzeug ist für die Formgebung des Heizelement-Profils
nach Fig.1 (mit Durchflußlöchern) konstruiert. Bei der Profildarstellung ist eine
mittlere Keramikmasse - Schwindung von 15 wo berücksichtigt. Nach dem Sintern wird
das Profil entsprechend kleiner sein.
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Dasselbe Werkzeug ist für die Produktion von Heizelementen ähnlicher
Profilaußenabmessungen und Heizwendelabstände verwendbar; so z.B. für Heizelemente
ohne Durchflußlöcher gemäß Fig.2. Es sind dazu nur eine andere, achsenfixierbare
Profillochplatte (17) einzulegen, der Heizwendelabstand mit der Kurvenscheibe (13)
einzustellen und die Lochkerne (16) zu entfernen. Auch für das sechsseelige Heizelement,
das in Fig.5 dargestellt ist, können die meisten Bauteile des Werkzeuges gemäß Fig.3
und 4 verwendet werden; die veränderte Konstruktion ist erfindungsgemäß in den Figuren
6 und 7 dargestellt. Die Heizleitertrennvorrichtung nach Fig.8 ist auch für Heizelemente
gemäß Fig.1 und 2 einsetzbar. Durch synchrone Betätigung der Hebel bzw. Scheiben
(11) und (12) trennen die mit Hartmetallschneiden armierten Messer (22) und (23)
den Widerstandsdraht während des Strangvorschubs. An den Traversen (20) sind Federn
eingehängt, welche über die Hebel (11) und (12) die Scheren wieder öffnen. Drei
Federn (16) ziehen die am Topf (17) befestigte Abschneidevorrichtung (10),(11),(12),(22)und
(23) zurück.
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Die Textur der Rohmassen erfolgt nach bekannten keramischen Aufbereitungsverfahren.
Die plastifizierte keramische Rohmasse wird bei Wahl des für die Herstellung der
erfindungsgemäßen Heizelemente ökonomische sten Fertigungsverfahrens, des Strangpressens,
einer nicht näher beschriebenen Strangpresse zugeführt. Die Figuren 4 und 7 zeigen,
daß die Schnecke (1) im Kopf (22) - beide Bestandteile der Strangpresse - die plastische
Nasse durch die im obersten Teil des eingeschraubten Mundstücks angeordnete Siebplatte
(3) drückt. Da dies kontinuierlich oder durch entsprechende Steuerung in Schüben
abläuft, wird sie unter ständiger Verdichtung, welche der Stau an der mit wesentlich
kleinerem Austrittsquerschnitt versehenen Bodenplatte (17) bzw. (18) bewirkt, homogenisiert.
Dies bewirkt auch die wellenförmige Ausbildung der Unterseiten der Wendelführungen
(6), welche den Massestrom trennen. Der Querschnitt dieser Elemente (6) ist an den
kritischen Stellen stromlinienförmig ausgebildet und kreuzschraffiert in Fig.7 dargestellt.
Bis zum Austritt aus dem Mundstiick verquirlt und verdichtet sich- der Massestrom
bei adäquater Bdinge des Nundstückkopfes (7) so intensiv wie in anderen Querschnittsbereichen.
Wo der Durchflußquerschnitt sich verringert, muß wegen des konstant bleibenden Massevolumens
die Fließgeschwindigkeit der Masse zunehmen und umgekehrt.
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Über die Wendelführungen (6), welche einteilig als Gußteile oder zweiteilig
herstellbar sind (vergl.4 und 7 !), an deren innerem Ende auf den Wendeldurchmesser
abgestimnlte Führungsdüsen aufgeschraubt sind, werden die Heizleiter in den Rohmassestrang
geleitet. Je nach dessen Konsistenz entsteht über der Bodenplatte (17) bzw.(18),
die verdrehungsgesichert in der Buchse (9) gelagert ist, eine kegelstumpfförmig
zum Austritt hin verlaufende Zone aus Masse, welche mit größerer Geschwindigkeit
der Auspreßöffnung zustrebt, als Massepartikel mit größerem radialen Abstand zur
Mittelachse des Werkzeuges (f1 v1 = f2 v2 = konstant).
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Sobald die aus den Drahtführungsdüsen ragenden Wendelenden vom verdichteten
Massestrom erfaßt werden, strömt auch Masse in den Wendelinnenraum.
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Unter vollständiger Einbettung der Wendeln wird der Strang durch die
Formplatte(17) bzw.(l8) gepreßt. Die zwangsläufige Einfädelung der Wendeln, die
synchron einlaufen müssen, und der günstigste Fließquerschnitt zwischen Formplatte
(17) und (t8) und den Führungsdiisen sind durch Verdrehung der Überwurfmutter (18)
bzw.(19) zu steuern.
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Nach dem Extrudieren der gewünschten Stranglänge werden die Heizleiter
und der Massestrang, wie beschrieben, zerschnitten.
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Die noch plastischen Stränge werden in Prismen zum Trocknen abgelegt.
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Nach diesem werden die Stränge - unter Berücksichtigung der restlichen
Längenschwindung - mit einer Trennscheibe auf die Sol länge sauber abgeschnitten
und die Drahtenden für den elektrischen Anschluß frei gebohrt oder -gefräst. Danach
erfolgt die Sinterung. Die Brenntemperatur entspricht der verwendeten Masse, und
liegt zwischen 1300 und 1700 OC.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind aus folgender Beschreibung
zu ersehen: 1. In Abhängigkeit von Werkstoff und Masse (Größe/Gewicht) können zwei
und mehrseelige Heizelemente aus den angegebenen keramischen Werkstoffen relativ
großem und wiederholtem Temperaturwechsel (-schock) ausgesetzt werden. So werden
wiederholte Abschreckungen mit kaltem Wasser von komplexen Keramik-Heizelementen,
die elektrisch auf etwa 600 °C erhitzt waren, ohne Schaden vertragen.
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2. Die für einen guten Wärmeübergang wichtige Wärmeleitfähigkeit Am
der verwendeten keramischen Werkstoffe liegt im Bereich von 2 bis 25 kcal / m #
h # grd, gemessen bei 100 OC.
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3. Die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) ist gut bis sehr gut;
sie beträgt bei den keramischen Isolierstoffen nach DIN 40685 für die Gruppe 200:
bis 150 K (grd) 400: " 150 " " 500: " 440 " ti 600: " 160 " " 700: " 180 " " Sie
ist auf die kleinen Längenausdehnungskoeffizienten αt von 0,5 bis 7 . 10-6
. grd-1 im Bereich zwischen 20 und 600 °C zurückzuführen.
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4. Der spezifische Durchgangswiderstand PD der dichten und trockenen
porösen keramischen Werkstoffe nach DIN 40685 beträgt bei 50 Hz Wechselspannung:
Gruppe 200 mindestens 107#. cm bei 400 °C bzw.105# # cm bei 600 °C " 400 " 106 "
" " " " 104 " " " " " 500 " 106 " " " " " 105 " " " " " 600 " 106 " " " " " 105
" " " " " 700 " 109 " " " " " 197 " " " "
5. Die Abstrahlleistung
der Heizelement-Oberfläche an das Medium Luft kann 8 bis 10 W / cm2 betragen.
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6. Die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit der keramischen Werkstoffe
ist metallischen Mantel-Werkstoffen überlegen. Die keramischen Isolierstoffe sind
gegen korrosive Einflüsse der Atmosphäre, gegen sa4z-, säure- und alkalihaltige
Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten, mit Ausnahme von Flußsäure, beständig. Bei hohen
Medientemperaturen werden überwiegend Aluminiumoxid enthaltende oder oxidkeramische
Werkstoffe eingesetzt.
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7. Für den Betrieb in Luft können die Heizelemente ohne stirnseitige
Abdichtung elektrisch kontaktiert werden. Bei Betrieb in nicht aggressiven Flüssigkeiten
werden duktile, komprimable Dichtungen und keramische Anschluß- und Endstücke (Vergl.Fig.9
und 10 t) verwendet.
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Heizelemente aus keramischen Werkstoffen der Gruppen 200, 600 und
700 nach DIN 40685 lassen sich lötbar metallisieren und können mit entsprechend
gestalteten lötbaren Anschlußstücken aus Keramik oder mit Verbundkonstruktionen
dicht verlötet werden, so daß sie vakuum- und flüssigkeitsdicht sind. Durch zweckmäßige
konstruktive Ausführung der Verbindungsstellen,und Berücksichtigung einer sicheren
räumlichen und thermischen Differenz, wird für eine unproblematische Verlötung und
elektrisch sichere Verbindung-gesorgt.
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Die aufgeführten Eigenschaften der keramischen Werkstoffe und die
angewandten Technologien, sowie die fertigungsgerechte Werkzeug- bzw. anwendungsgerechte
Produktgestaltung erbringen gegenüber konventionellen Heizelementen folgende Vorteile:
Der keramische Hüllstoff ist sowohl Isolator wie Wärmeleiter. Die magnesiumsilikatischen
Versionen sind bis 1000 OC( die porösen bis 1300 OC Heizleitertemperatur, und die
oxidkeramischen bis zu noch höheren Temperaturen, einsetzbar. Bei dichtem Isoliermaterial
entstehen keine Ableitströme, da keine atmosphärische Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten
eindiffundieren können; deshalb ist auch kein Mantelrohr nötig. Die Lebensdauer
der komplexen, dicht gesinterten Keramik-Heizelemente -wird beträchtlich verlängert,
weil die Heizleiter nicht oxydieren können. Es entsteht kein Zunder mehr. Keramik
ist ein sauberer Werkstoff; er ist physiologisch neutral. Dies ist besonders im
klinischen, pharmazeutischen, Labor- und Lebensmittel-Betrieb von Vorteil. Durch
die gleichzeitige Benutzung der Heizelemente als lüssigkeits und gaseinschließende
Konstruktionsteile sind kleine
Geräteabmessungen erzielbar, wobei
der thermische Wirkungsgrad erhöht werden kann. Dies führt zu beträchtlichen Energieeinsparungen.
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Die erfindungsgemäß gleichzeitige Einbettung von mindestens zwei oder
mehr metallischen Heizleitern in den keramischen Rohstoff und dessen Formgebung
im kontinuierlichen oder takt gesteuerten Strangpreß- und anderen Fertigungsverfahren,
wie Bandspritzen oder -gießen, sowie die relativ billigen keramischen Rohstoffe,
die auf nahezu unbegrenzte Zeit im eigenen Lande vorrätig sind, sowie eine weitgehende
Mechanisierung oder Automatisierung der Arbeitsgänge, ermöglichen ökonomische Preise.
Nach den vorgenannten Verfahren können auch leicht zwei- oder mehrseelige leisten-,
platten-, stab- und rohrförmige oder geometrisch anders geformte komplexe Keramik-Heizelemente,
mit oder ohne Durchflußlöcher, hergestellt werden. Ferner sind zwei- oder dreidimmensionale
Verformungen in einer Ebene oder im Raum möglich. Nahezu alle bisher verwendeten
konventionellen elektrischen Heizelemente lassen sich durch komplexe Keramik-Heizelemente
ersetzen.