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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit elektrischen Heizvorrichtungen, die gewickelte Widerstands-Heizelemente aufweisen, die in Isolierkörper aus Keramikfasermaterial eingebettet sind.
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Die US-PS 35 00 444 beschreibt eine solche Heizvorrichtung mit leichter Keramikfaser-Isolierung. Aus Gründen der Energieersparnis wird eine derartige Keramikfaser-Isolierung häufig anstelle dichterer, gebrannter Ziegel zur Ofenauskleidung verwendet. Diese Anwendungsfälle beziehen sich auf Öfen, die mit Öl oder Gas betrieben werden. Es besteht jedoch ein zunehmender Bedarf an der Verwendung elektrischer Heizelemente, bei denen die Heizwicklungen unmittelbar in Keramikfaser-Isolierkörper eingebettet sind, wie sie in der obigen US-PS beschrieben werden. Gemäß der Zeichnung dieser US-PS liegt ein Teil der Heizwicklungen oberhalb der Oberfläche des Isolierkörpers, damit sich eine wirksame Wärmeübertragung und eine gezielte Wärmeabgabe ergeben. Fig. 3 dieser US-PS zeigt einen Rohrheizkörper mit ovalem Querschnitt, um die wirksame Oberfläche zu vergrößern.
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Die Anordnung eines Teils der Wicklung außerhalb der Oberfläche des Isolierkörpers führt zu erheblichen Herstellungsschwierigkeiten. Gemäß der US-PS wird der Isolierkörper durch einen unterdruckgesteuerten Filterprozeß hergestellt, bei dem die Wicklung gegen ein Sieb gelegt und Flüssigkeit aus einem Schlamm entlang der Heizwicklung durch das Sieb abgezogen wird. Keramikfasern aus dem Schlamm werden durch das Sieb zurückgehalten und sammeln sich um die Wicklung herum. Es ist schwierig, jede einzelne Windung der Wicklung teilweise aus der Isolierplatte herausragen zu lassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung mit einer in einen Keramikfaser-Isolierkörper eingebetteten Heizwicklung zu schaffen, die sich ohne Zerstörung des Keramikfasermaterials mit besserem Wirkungsgrad betreiben läßt.
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Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs.
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Aus der DE-PS 2 84 316 ist es zwar bekannt, der in eine gut wärmeleitende Isolationsmasse eingebetteten Heizspirale eines elektrischen Bügeleisens einen ovalen Querschnitt zu geben, um einen besseren Wärmeübergang auf die zu heizende Fläche zu erreichen. Bei einer Heizvorrichtung der hier in Rede stehenden Art jedoch ist die Heizspirale zu einem wesentlichen Teil in eine voraussetzungsgemäß schlecht wärmeleitende Keramikfasermasse eingebettet, die möglichst wenig aufgeheizt werden soll. Dies wird mit der Erfindung durch abgeflachte Querschnittsgestaltung der Heizspirale trotz des größerflächigen Verankerungskontakts bei auf der strahlenden Oberfläche nicht überstehender Heizspirale deshalb erreicht, weil die Einbettiefe der Heizspirale kleiner wird. Der Temperaturgradient zwischen der strahlenden Oberfläche und der in die Keramikfasermasse eingebetteten Rückseite der Heizwendel wird deutlich kleiner, so daß die Gefahr einer Überhitzung und Zerstörung der Faserstruktur verkleinert und bei gleicher Betriebstemperatur eine höhere Lebensdauer erreicht wird.
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Vorzugsweise werden die Heizwicklungen zunächst mit unmittelbar angrenzenden Windungen gewickelt und in diesem Zustand abgeflacht und später in Längsrichtung gedehnt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Heizvorrichtung mit abgeflachten Wicklungen, die in einen Isolierkörper aus Keramikfasern eingebettet sind;
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Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer Heizvorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem teilweise aufgebrochenen Bereich zur Veranschaulichung der im wesentlichen ovalen Form der abgeflachten Heizwicklungen;
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Fig. 3 ist eine teilweise aufgebrochene Stirnansicht zur Veranschaulichung einer abgeflachten Heizwicklung und eines Kontaktstiftes;
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Fig. 4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von Testergebnissen eines Vergleichs zwischen runden und abgeflachten Wicklungen;
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Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen Ofen mit elektrischen Austausch-Heizeinheiten an den Innenwänden.
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Eine elektrische Heizvorrichtung 12 als Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Die Heizvorrichtung umfaßt eine Anzahl von ovalen elektrischen Heizwicklungen 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30, die in einen Isolierkörper 31 aus Keramikfasern eingebettet sind. Die Heizwicklungen liegen angrenzend an die Oberfläche 32 des Isolierkörpers. Diese Oberfläche soll als Heizfläche der Heizvorrichtung bezeichnet werden. Die gegenüberliegende Oberfläche 33 der Heizvorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, soll als kalte Oberfläche bezeichnet werden, obgleich die Temperatur auf dieser Seite während des Heizbetriebs ebenfalls etwas oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Der Isolierkörper besteht aus keramischen Fasern, wie sie in der US-PS 35 00 444 beschrieben sind, und kann mit einer Stufe 34 auf drei Seiten sowie einem überhängenden Abschnitt 36 auf einer Seite versehen sein. Die Stufe und der überhängende Abschnitt dienen zur bequemen Zusammenfügung einer Anzahl von plattenförmigen Einheiten in einem Ofen.
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Die elektrischen Heizwicklungen sind elektrisch durch Verbindungsdrähte 38 in Reihe geschaltet. Diese Verbindungsdrähte sind mit den jeweiligen Wicklungspaaren vor der Einbettung in das Isoliermaterial, das den Isolierkörper 31 bildet, verschweißt. Alternativ können die verschiedenen Wicklungen aus einem einzigen Drahtstrang gebildet sein, so daß die Notwendigkeit einer Schweißverbindung der Wicklungen entfällt. Die neun Heizwicklungen sind elektrisch in Reihe mit einer Spannungsquelle mit niedriger Spannung und hohem Strom mit Hilfe von Kontaktstiften 40 und 42 verbunden, die sich durch den Isolierkörper 31 erstrecken und aus der kalten Oberfläche 33 austreten. Diese Kontaktstifte sind mit den jeweiligen Heizwicklungen 14 und 30 durch Leitungsdrähte 44 und 46 verbunden. Jeder Leitungsdraht erstreckt sich durch eine Bohrung, die in Querrichtung durch den jeweiligen Kontaktstift gebohrt ist, und ist mit diesem verschweißt.
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Verankerungs-Flügel 48 und 50 sind ebenfalls mit den Kontaktstiften verschweißt. Jeder dieser Flügel ist vorzugsweise etwa 1,5 mm dick, 25 mm breit und 50 mm lang und innerhalb des Isolierkörpers derart angeordnet, daß die Flügel senkrecht zu der heißen Oberfläche 32 des Isolierkörpers liegen. Jeder Flügel ist um eine Linie gebogen, die senkrecht zu der heißen Oberfläche 32 liegt, und bildet einen Winkel von etwa 90°, so daß der Verankerungseffekt verstärkt wird. Diese Verankerungs-Flügel bewirken, daß die Kontaktstifte nicht durch das verhältnismäßig leichte Isoliermaterial verschoben werden können, wenn sie einen unbeabsichtigten Stoß in Axialrichtung von der kalten Oberfläche her aufnehmen müssen.
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Gemäß Fig. 2 weist jede Windung der Wicklungen einen linearen Abschnitt 52 auf, der im wesentlichen in der Ebene der Oberfläche des Isolierkörpers liegt. Auf diese Weise ist ein beträchtlicher Bereich jeder Windung angrenzend an die Heizoberfläche des Isolierkörpers angeordnet, während alle Wicklungen vollständig in das Isoliermaterial eingebettet sind. Jede Windung der Wicklung weist einen zweiten linearen Abschnitt 54 auf, der in einer Ebene etwa parallel zu der Oberfläche des Isolierkörpers liegt. Aufgrund dieser in einer zweiten Ebene abgeflachten Wicklungen liegen die inneren Abschnitte der eingebetteten Wicklungen näher an der heißen Oberfläche 32 als an der kalten Oberfläche 33, wie aus Fig. 4 hervorgeht, als es bei runden, nicht abgeflachten Wicklungen der Fall wäre. Dadurch ergeben sich die Vorteile, daß einerseits der Durchschnittsabstand jeder Windung von der heißen Oberfläche verringert ist und andererseits der Durchschnittsabstand von der kalten Oberfläche vergrößert wird. Dadurch verringert sich die Isolierung zwischen der Heizquelle und der beheizten Umgebung, und die Isolierung zwischen der Heizquelle und der sonstigen Umgebung wird verbessert. Im übrigen ergibt sich ein erheblich vergrößerter, vorgeschobener Bereich der abgeflachten Wicklungen, der durch das isolierende Material hindurch in Richtung des Inneren des zu heizenden Ofens angeordnet ist.
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Bei einem bevorzugten Beispiel dieser Ausführungsform bestand jeder der neun Wicklungsstreifen aus einem 4,3 m langen Draht der Stärke 8, der einen Durchmesser von 3,2 mm aufwies. Der Draht wurde um einen Dorn von 19 mm Durchmesser und kreisförmigem Querschnitt herumgewickelt. Die auf diese Weise aufgewickelte Wicklung wurde sodann von dem Dorn entfernt, und während die Windungen nach wie vor eng seitlich nebeneinanderlagen, wurde sie auf eine im wesentlichen ovale Form abgeflacht, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Der Hauptaußendurchmesser betrug 31,6 mm und der kleinere Außendurchmesser 18,2 mm. Die Stirnansicht der runden Wicklung ist in Fig. 4 mit 58 und diejenige der abgeflachten Wicklung mit 56 bezeichnet. Sechs abgeflachte Wicklungen wurden sodann auf 71 cm gedehnt, und drei Wicklungen wurden auf 83,8 cm gestreckt. Die Wicklungen wurden mit den Verbindungsdrähten und Kontaktstiften verschweißt und am Boden einer Form in der endgültigen Anordnung der Fig. 1 bis 3 untergebracht, wobei sich die Kontaktstifte 40 und 42 nach oben von der Bodenfläche der Form erstrecken. Ein Schlamm mit einer Suspension von Keramikfasern wurde sodann in die Form eingebracht, und die Flüssigkeit wurde durch Vakuum von dem Schlamm abgezogen, so daß sich ein Körper aus Keramikfasern ablagerte, der die Heizwicklungen vollständig einbettete. Die Hauptachse der ovale zusammengedrückten Wicklungen lag parallel zu der heißen Fläche des Isolierkörpers. Folglich war der vorgeschobene Bereich der Widerstands-Heizdrähte, der durch das umgebende Isoliermaterial hindurch direkt dem Inneren des Ofens gegenüberlag, wesentlich größer als bei runden Wicklungen.
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Dieser vorgeschobene Bereich der abgeflachten Wicklung 56 gemäß Fig. 4 steht im Verhältnis von 1,244 zu 0,961 im Vergleich zu einer runden Wicklung 58. Dieses Verhältnis bedeutet eine Steigerung von etwa 30% in bezug auf die Fläche eines Heizdrahtes, die durch das Isoliermaterial hindurch der Ofenkammer gegenüberliegt.
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Der Widerstand der oben beschriebenen Heizvorrichtung wurde im Vergleich zu einer Heizvorrichtung mit einer runden Wicklung untersucht. Die runde Vergleichswicklung wurde aus einem gleichen Draht der Stärke 8, Kanthan A-1, 3,2 mm Durchmesser, gewickelt. Diese Vergleichswicklung wurde jedoch nicht abgeflacht, sondern besaß einen Außendurchmesser von 24,4 mm. Die abgeflachte und die runde Wicklung wurden vollständig in gesonderte, 12,7 cm dicke Platten aus einem leichten Isoliermaterial aus Keramikfasern eingebettet. Die auf diese Weise hergestellten Heizvorrichtungen wurden in zwei Durchgängen in getrennten Öfen untersucht und lieferten auf der heißen Oberfläche Temperaturen von 1093 und 1204°C bei den beiden Durchgängen. Nach dem Einstellen der Temperaturen der heißen Fläche bei jeder Versuchsreihe wurden die Temperatur der kalten Oberfläche, die Innentemperatur bei 25 mm, bei 63,5 mm und bei 76,2 mm Abstand von der kalten Oberfläche und die Temperatur auf der Rückseite der Wicklung gemessen. Für jede Temperatur der heißen Oberfläche wurde festgestellt, daß sich die Rückseite der runden Wicklung auf einer höheren Temperatur befand als die Rückseite der abgeflachten Wicklung. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 grafisch dargestellt.
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Die Testergebnisse bei einer Temperatur von 1093°C an der heißen Oberfläche sind durch die Linien 60 und 62 in Fig. 4 wiedergegeben. Die Linie 60 veranschaulicht die Innentemperatur innerhalb der Isolierungsplatte für runde Wicklungen an den ausgewählten Punkten und die Linie 62 bezieht sich auf die Innentemperaturen bei abgeflachten Wicklungen. Bei diesem Test betrug die Temperatur an der Rückseite der runden Wicklung 58 1257°C, die Temperatur an der Rückseite der abgeflachten Wicklung 56 dagegen nur 1212°C, so daß sich ein Unterschied von 45°C ergab. Bei einer vorgegebenen Temperatur der heißen Oberfläche von 1093°C war daher die Temperatur, auf die die abgeflachte Wicklung erhitzt wurde, wesentlich geringer als diejenige der runden Wicklung, so daß auf eine erhebliche Energieeinsparung zu schließen ist. In ähnlicher Weise war bei einer Temperatur der heißen Oberfläche von 1204°C, der die Linien 64 und 66 in Fig. 4 für runde und abgeflachte Wicklungen entsprechen, die Temperatur an der Rückseite der runden Wicklung auf 1382°C angestiegen, während die Temperatur an der Rückseite der abgeflachten Wicklung nur 1330°C betrug, so daß sich ein Unterschied von 52°C ergab.
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Die obigen Testergebnisse zeigen an, daß für einen Heizvorgang mit gegebenem Temperaturniveau die Temperatur der Heizwicklungen und damit der Energieverbrauch durch die Verwendung von flachen, vollständig eingebetteten Wicklungen gegenüber runden, vollständig eingebetteten Wicklungen reduziert werden können. Weiterhin zeigt die größere Temperaturdifferenz zwischen den beiden Wicklungen bei höheren Ofentemperaturen, daß der Vorteil der Verwendung von flachen Wicklungen besonders bei hohen Ofentemperaturen bedeutsam ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß Betriebstemperaturen über 1004°C hinaus mit abgeflachten Wicklungen, die vollständig in Heizelemente eingebettet sind, bei durchaus normaler Lebensdauer der Wicklungen erreicht werden können.
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Die 12,7 cm dicke elektrische Heizplatte, die in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, ist besonders geeignet für die Innenauskleidung eines neuen Ofens. Die Platte liefert zugleich eine wirksame Beheizung und eine hohe Wärmeisolierung gegenüber der Umgebung. Die Abmessungen der Wicklungen können geändert werden, und ebenso kann die Tiefe des Isolierkörpers durch Änderung der Tiefe des Keramikfaser-Schlamms während des Formprozesses verändert werden. Die Abmessungen der Wicklungen und des Isolierkörpers ergeben sich aus den Leistungsanforderungen, den Betriebstemperaturen, physikalischen Grenzen der Ofenkammern und so fort.
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Durch Einbetten der abgeflachten, oben beschriebenen Wicklungen in einen dünnen Isolierkörper, etwa in einen Isolierkörper mit einer Dicke bis zu dem zweifachen der Tiefe der Heizwicklungen in dem Isolierkörper, ergibt sich eine Heizeinheit, die besonders geeignet ist zur Wiederherstellung alter Öfen oder zur Umwandlung alter Öfen auf elektrischen Heizbetrieb. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, umfaßt ein Ofen 68 eine isolierte Deckplatte 70, einen isolierten Boden 72 und isolierte Seitenwände 74 und 76. In diese Seitenwände können elektrische Heizelemente eingebettet sein, oder der Ofen kann mit Öl oder mit Gas betrieben werden. Wenn in die Seitenwände elektrische Heizelemente eingebettet sind, die im Laufe der Zeit zerstört worden sind, werden sie elektrisch abgeklemmt und an Ort und Stelle belassen. Austausch-Heizvorrichtungen 78 und 80 werden sodann über die alten Heizvorrichtungen gelegt und am Inneren der Seitenwände befestigt. Da der Ofen bereits eine ausreichende Isolierung aufweist, sind die Isolierkörper 82 und 84 der Heizvorrichtungen 78 und 80 relativ dünn, so daß der Innenraum des Ofens nicht über das notwendige Mindestmaß hinaus verkleinert wird.
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Wie aus dem Vergleich der Tiefen der abgeflachten Wicklungen 56 und der runden Wicklung 58 in bezug auf die heiße Oberfläche 32 aus Fig. 4 hervorgeht, kann eine abgeflachte Wicklung vollständig in einen wesentlich dünneren Isolierkörper eingebettet werden als eine runde Wicklung. Dieser Vorteil ergibt sich zusätzlich zu den Vorteilen eines wirksamen Heizbetriebes und einer einfachen Herstellung.