DE2948370A1

DE2948370A1 - Ummantelte bzw. geschuetzte heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2948370A1
Application number: DE19792948370
Authority: DE
Inventors: Isao Izumi; Hideki Murabayashi; Kazumi Shimotori
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1980-06-04
Also published as: JPS5576586A; DE2948370B2; US4280046A; FR2443182A1; FR2443182B1; GB2038149A; GB2038149B

Description

lenket. Kern, Feiler fcr Hänzel Patentanwälte

Rechtere J Representatives

before the

European Potent Office

Mohlstrafte 37

D {λ'Κ X)MiJm ht :■ bO

lelo». 0i»29W)2hnki

. TJ79 Dr.F/rm

TOKYO GHIBAUIlA DElIKI KABUSHIKI KAISHA
Kawasaki / Japan

Ummantelte bzw. geschützte Heizvorrichtung

3/0886

■'s'

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, bei der ein
Heizdraht in ein keramisches isolierendes Material eingebettet ist.

Heizvorrichtungen, bei denen ein Heizdraht derart in einem keramischen isolierenden Material eingebettet ist, daß
durch das isolierende Material eine thermische Verformung des Heizdrahts im wesentlichen verhindert wird (im folgenden als "ummantelte Heizvorrichtung" bezeichnet), bestehen beispielsweise aus stabförmigen oder ebenen Heizvorrichtungen. Im Vergleich zu einer Heizvorrichtung mit bloßliegendem Heizdraht besitzt die ummantelte Heizvorrichtung
eine angemessene Wärmekapazität, eine große Wärmeübertragungsfläche und eine lange Lebensdauer bei kontinuierlicher Benutzung. Demzufolge wird eine solche ummantelte
Heizvorrichtung auch in großem Umfang in der Industrie und im Haushalt benutzt.

Eine Kompaktheizvorrichtung hoher Leistungsdichte, die häufig an- und abgeschaltet wird, dient vorzugsweise als Heizvorrichtung zum Vorheizen von beispielsweise Natriumschmelzerohren "schneller Brüter" oder zur Verhinderung des Einfrierens von Zugtüren. In diesem Falle kann der Heizdraht der ummantelten Heizvorrichtung in kurzer Zeit reißen oder brechen. Somit besteht auf den einschlägigen Gebieten ein großer Bedarf nach ummantelten Heizvorrichtungen langer
Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit selbst bei häufigem An- und Abschalten.

030023/0886

294Π370

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine selbst unter drastischen Gebrauchsbedingungen, d.h. bei häufigem An- und Abschalten, eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisende ummantelte Heizvorrichtung zu schaffen.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine ummantelte Heizvorrichtung, bei der ein Heizdraht derart in ein keramisches isolierendes Material eingebettet ist, daß eine Wärmeverformung des Heizdr^hts im wesentlichen verhindert ist, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Heizdraht aus einem Heizdraht auf Nichrome-Basis mit einer Al-reichen Oberflächenschicht besteht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Kriechverformung in bezug auf die bei Heizdrähten applizierten An/Abschal tzyklen und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Widerstands in bezug auf die Temperatur bei einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung und einer Üblichen ummantelten Heizvorrichtung.

Wenn eine ummantelte Heizvorrichtung häufig an- und abgeschaltet wird, bricht bzw. reißt der Heizdraht der ummantelten Heizvorrichtung gelegentlich. Bei einschlägigen Untersuchungen der Ursache hierfür hat es sich gezeigt, daß

030023/Π886

die Lebensdauer der ummantelten Heiζvorrichtung hauptsächlich von (1) der Größe der Kriechverformung des heizdrahts und (2) der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahts während des Aufheizens abhängt.

Üie Lebensdauer einer unverkleideten Heizvorrichtung hängt hauptsächlich von der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahts ab. Somit ist also eine ummantelte Heizvorrichtung, bei der der Heizdraht in ein keramisches Material eingebettet ist, der unverkleideten Heizvorrichtung in der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahts etwas überlegen, da der Heizdraht gegen die oxidierende Atmosphäre abgedichtet ist. Daraus folgt, daß die ummantelte Heizvorrichtung in dauernd angeschaltetem Zustand einer unverkleideten Heizvorrichtung in der Lebensdauer überlegen ist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Lebensdauer einer unverkleideten Heizvorrichtung dann länger ist als einer ummantelten Heizvorrichtung, wenn die Heizvorrichtung häufig an- und abgeschaltet wird.

Wenn die ummantelte Heizvorrichtung angeschaltet wird, wird der Heizdraht rasch heiß. Venn die Temperaturerhöhung des Mantels beträchtlich langsamer erfolgt als die Temperaturerhöhung des tieizdrahts, kommt es zu einem beträchtlichen Temperaturgefälle. Da der Wärmeverformung des Heizdrahts durch den Hantel und die darin enthaltenen keramischen Materialien entgegengewirkt wird, erfährt der Heizdraht aufgrund des genannten Temperaturgefälles eine Druckbelastung während der Temperaturerhöhung und eine Zugbelastung während des Sinkens der Temperatur. Zwangsläufig erfährt der Heizdraht bei Jedem An- und Abschalten der ummantelten Heizvorrichtung eine thermische Belastung, so daß die thermische Ermüdung der ummantelten Heizvorrichtung weit größer ist als diejenige einer unverkleideten Heizvorrichtung,

030023/0806

29/^70

wenn die Heizvorrichtung häufig an- und abgeschaltet wird.

Vermutlich verkürzt die thermische Ermüdung die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung stärker als der unverkleideten Heizvorrichtung, und dies trotz der Tatsache, daß die ummantelte Heizvorrichtung der unverkleideten Heizvorrichtung in der Oxidationsbeständigkeit des heizdrahts überlegen ist.

Kurz gesagt, ist die ummantelte Heizvorrichtung der unvprkleideten Heizvorrichtung für den Fall eines häufigen An- und Abschaltens in der Lebensdauer unterlegen. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, daß sich die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung gegenüber der Lebensdauer einer unverkleideten Heizvorrichtung auch bei häufigem An- und Abschalten deutlich verlängern läßt.

Eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Heizdraht auf Ilichrome-Basis mit Al-reicher Oberflächenschicht. Da der Heizdraht in ein keramisches isolierendes Material eingebettet ist, geht die Al-reiche Oberflächenschicht des Heizdrahts in eine stabile Aluminiumoxidschicht über, die den Draht auf Nichrome-Basis gegen Oxidation schützt. Darüber hinaus wird durch das Legier«! mit Aluminium die Kriechfestigkeit des Drahts auf Ilichrome-Basis verbessert. Folglich läßt sich die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung deutlich verbessern, trotzdem durch die Bauweise (der Heizvorrichtung) der Wärmeverformung des Heizdrahts durch das keramische isolierende Material entgegengewirkt wird. In der Tat weist eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß der Erfindung eine weit längere Lebensdauer auf als eine unverkleidete Heizvorrichtung, und dies trotz häufigen An- und Abschaltens.

030023/0886

29A —70

Ein erfijidungsgemäß verwendbares keramisches isolierendes Material besteht beispielsweise aus Magnesiumoxid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Ilullit, Zirkonoxid und Siliciumnitrid. Erfindungsgemäß besonders gut eignen sich Magnesiumoxid und Bornitrid, die beide gute Isoliereigenschaften aufweisen.

Ein erfindungsgemäß mit gutem Erfolg verwendbarer Heizdraht besteht aus einer Legierung auf Nichrome-Basis, die beispielsweise folgende Zusammensetzung aufweist: 19 bis 21% Cr, höchstens 2,5% Hn, 0,2 bis 1,5% Si, höchstens 0,15% C, höchstens 1% Fe und Rest Ni.

Der Heizdraht auf liichrome-Basis muß eine Al-reiche Oberflächenschicht erhalten. Dies geschieht beispielsweise durch Heiztauchen oder Bedampfen auf physikalischem Wege, z.B. durch Ionenplattierung. Wie sich eine Al-reiche Oberflächenschicht herstellen läßt, ergibt sich beispielsweise in allen Einzelheiten aus den JA-OS 49-120 195 und 51-117 129. Die Al-reiche Schicht kann aus Al alleine bestehen oder neben Al Si enthalten, sofern auf der Oberfläche des Heizdrahts vor dem tatsächlichen Gebrauch der ummantelten Heizvorrichtung eine Aluminiumoxidschicht gebildet ist.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen.

Beispiel

Durch Heißtauchen wird auf der Oberfläche eines Heizdrahts eines Durchmessers von 0,5 nun aus einer Legierung aus 19,6% Cr, 0,08% Mn, 0,20% Fe, 0,05% C und zum Rest Ni eine etwa 3 um dicke Al-reiche Schicht gebildet. Danach wird aus

030023/0886

9 4 8 370

dem Draht eine Spule eines Außendurchmessers von 5 mm hergestellt. Unter Verwendung der erhaltenen Heizdrahtspule wird eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß Figur 1 hergestellt. Aus Figur 1 ergibt sich, daß in einer Hülle bzw. einem Mantel 1 eines Außendurchmessers von 9 mm aus rostfreiem Stahl (Type 304) eine Spule 2 aus dem Heizdraht und ein Isolator 4 aus Magnesiumoxid eingeschlossen sind. Der Isolator 4 ist in einer solchen Menge vorhanden, daß seine Dichte 90% der theoretischen Dichte entspricht. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, erstrecken sich durch Isolierdichtungen 5,5 Drahtanschlüsse 3,3 zu den Enden der Spule 2.

Vergleichsbeispiel

Es wird in entsprechender Weise eine ummantelte Heizvorrichtung hergestellt, wobei jedoch auf der Oberfläche des ileizdrahts keine Al-reiche Schicht erzeugt wird.

Die beiden Arten von ummantelten Heizvorrichtungen werden nun unter einer Wattdichte von 11 bzw. 9 W/cm wiederholt an- und ausgeschaltet, um die Anzahl der An-/Abschaltzyklen, die einen Bruch des Heizdrahts bedingen, zu ermitteln. Jeder Zyklus besteht aus 15 min Anschalten und 15 min Abschalten. Die folgende Tabelle I zeigt die hierbei erhaltenen Ergebnisse sowie die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Heizdrahts.

030023/0886

9 q /. ■'■'"- ^r7 π

Tabelle I

Eigenschaften des Ileizdrahts Zugfe- 0,2% Streck- Dehnung stig- grenze % keit ρ kg/mm
kg/inm

Versuchsergebnisse Watt- Anzahl der dichte An-/Ab-W/cm'-schal tzyklen

Beispiel
gemäß der
Erfindung

Vergleichs
beispiel

103

- 100

27

30

11	151
9	4100
11	5
Q	142

Die Tabelle I zeigt, daß der in einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht in seinen mechanischen Eigenschaften einem üblichen Heizdraht im wesentlichen gleicht. Die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ist jedoch bei häufigem An- und Abschalten etwa 30-mal größer als die Lebensdauer der üblichen ummantelten heizvorrichtung.

Zum Vergleich der ummantelten Heizvorrichtung mit einer unverkleideten Heizvorrichtung wird noch ein weiterer Versuch gefahren. Insbesondere werden unter Verwendung der gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel hergestellten Heizdrähte zwei unverkleidete Heizvorrichtungen hergestellt und den beschriebenen An/Abschaltzyklen unter einer Wattdichte von 9 W/cm unterworfen. Diese Versuche dienen zur Ermittlung der Anzahl von An/Abschaltzyklen, die einen Bruch des Heizdrahts hervorrufen. Wie bei dem vorhergehenden Versuch besteht jeder Zyklus aus 15 min Anschalten und 15 min Abschalten. Die Tabelle II zeigt die Ergebnisse zusammen mit den Ergebnissen des vorhergehenden Versuchs mit ummantelten Heizvorrichtungen.

030023/0886

Tabelle II

Anzahl der An-/ Vergleich mit Abschaltzyklen der unverklei«

deten Heizvorrichtung %

Beispiel ummantelte Heizvor-

gemäß der richtung 4100

Erfindung ^^^^ _Hei2_ ⁺

vorrichtung 885

Vergleichs- ummantelte Heizvor- .

beispiel richtung 142

unverkleidete Heiz- " ^

vorrichtung 342

Bei der üblichen ummantelten Heizvorrichtung wird die Wärme verformung des Heizdrahts durch das keramische isolierende Material gehindert, so daß die ummantelte Heizvorrichtung der unverkleideten Heizvorrichtung in der Lebensdauer unterlegen ist (vgl. Tabelle II). ErfindungsgemäB zeigt dagegen im Gegensatz zur allgemeinen Tendenz der üblichen ummantelten Heizvorrichtung die umriantelte Heizvorrichtung eine deutlich verlängerte Lebensdauer als die unverkleidete Heizvorrichtung. Wie bereits erwähnt, besitzt der in der ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht eine geringe Kriechdeformation und eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. Diese Eigenschaften des Heizdrahts sind vermutlich für die hervorragenden Ergebnisse der Tabelle II verantwortlich.

Die Figur 2 zeigt die Kriechdeformation des Heizdrahts in bezug auf die Anzahl der mit dem Heizdraht durchgeführten An-ZAbschaltzyklen. Die Kriechdeformation wird gemäß der US-Standardvorschrift ASTM B76-65 (beschleunigter Lebens-

030023/0886

dauertest für Ni-Cr- und Hi-Cr-Fe-Legierungen zu elektrischen Heizzwecken) ermittelt. Die Kurven A und B (durchbrochene Linie) von Figur 2 entsprechen den Heizdrähten der ummantelten Heizvorrichtungen gemäß dem Beispiel bzw. gemäß dem Vergleichsbeispiel. Andererseits entsprechen die Kurven C und D Vergleichsheizdrähten aus einer 25Cr-5-Al-Fe-Legierung bzw. einer 24Cr-5,5Al-1,5Co-Fe-Legierung. Aus Figur 2 geht klar und deutlich hervor, daß der in der Regel einem Niclirorae-Draht in der Oxidetionsbeständigkeit überlegene Heizdraht aus der Fe-Cr-Al-Legierung eine deutliche Kriechdeformation zeigt. Ferner geht aus der Figur 2 hervor, daß der Heizdraht auf lUchrome-Basis des Vergleichsbeispiels (durchbrochene Linie B) trotz niedriger Kriechdeformation eine recht kurze Lebensdauer aufweist. Im Gegensatz dazu besitzt der in einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht, d.h. ein Draht auf Hichrome-Basis mit einer Al-reichen Oberflächenschicht, sowohl eine niedrige Kriechdeformation als auch eine lange Lebensdauer (vgl. Kurve Λ von Figur 2).

Die ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels werden zum Vorheizen eines Hatriumschmelzerohrs eines Flüssigmetall-SchnellbrUterreaktors verwendet. Zum Vorheizen werden die iieizdrähte der ummantelten Heizvorrichtungen auf GOO⁰C erhitzt. Es zeigt sich, daß die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung etwa 30-mal langer ist als die Lebensdauer der üblichen ummantelten Heizvorrichtung.

Es wird ein weiterer Versuch gefahren, um für die ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels die Beziehung zwischen dem Widerstand (f) und der Temperatur zu ermitteln. Dieser Versuch 1st deshalb von

03Q023/0886

Interesse, weil eine gleichmäßige Erwärmung in einem solchen Natriumschmelzerohr von wesentlicher Bedeutung ist. Die Ergebnisse sind in Figur 3 dargestellt. Die Kurven E und F von Figur 3 entsprechen den ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels. Aus Figur geht hervor, daß die ummantelte Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ihren Widerstand bei Temperaturen zwischen 20° und 800⁰C nur in sehr geringem Maße ändert. Bei der üblichen ummantelten Heizvorrichtung ist dies nicht der Fall.

Bei der beschriebenen Ausführungsform einer Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ist die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis bei einer stabartigen ummantelten Heizvorrichtung verwirklicht. Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis läßt sich jedoch auch auf ebene ummantelte Heizvorrichtungen übertragen.

Wie beschrieben, wird dem Fachmann erfindungsgemäß eine ummantelte Heizvorrichtung mit einem Heizdraht aus einem Draht auf Nichrome-Basis mit Al-reicher Oberflächenschicht an die Hand gegeben. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Al-reiche Oberflächenschicht in eine stabile Aluminiumoxidschicht umgewandelt wird. Die Folge davon ist, daß der Heizdraht eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit erhält. Darüber hinaus dient die Oberflächenschicht aus Aluminium zur Verbesserung der Eigenschaften des Drahtes auf Nichrome-Basis, d.h. zur Gewährleistung einer geringen Kriechdeformation. Durch die Einbettung des Heizdrahts in ein keramisches isolierendes Material vermag der Heizdraht Aufheiz/Abkühl-Zyklen besser zu widerstehen, so daß eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß der Erfindung eine etwa 30-mal längere Haltbarkeit auf-

03 0 023/0886

weist als die übliche Heizvorrichtung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ein gleichmäßiges Aufheizen möglich wird.

030023/0386

Claims

Patentansprüche

. 1. Heizvorrichtung, bei der ein Heizdraht derart in ein keramisches isolierendes Material eingebettet ist, daß die thermische Deformation des Heizdrahts durch das isolierende Material im wesentlichen verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht aus einem Draht auf IJichrome-Basis mit Al-reicher Oberflächenschicht besteht.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Al-reichen Schicht eine Aluminiumoxidschicht gebildet ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht aus einer Legierung auf Ilichrome-Basis aus 19 bis 21% Cr, höchstens 2,5% Mn, 0,2 bis 1,5% Si, höchstens 0,15% C, höchstens 1% Fe und zum Rest Hi besteht.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische isolierende Material aus Magnesiumoxid oder Bornitrid besteht.
5. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-reiche Schicht alleine aus Al besteht.
6. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-reiche Schicht Si enthält.
7. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-reiche Oberflächenschicht auf der Oberfläche des Drahts auf Nichrome-Basis durch Heißtauchen erzeugt wurde.

030023/0886

ORIGINAL INSPECTED