DE2948370B2

DE2948370B2 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2948370B2
Application number: DE2948370A
Authority: DE
Inventors: Isao Yokohama Izumi; Hideki Kawasaki Murabayashi; Kazumi Kawasaki Shimotori
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1981-03-26
Also published as: US4280046A; JPS5576586A; DE2948370A1; FR2443182B1; GB2038149B; FR2443182A1; GB2038149A

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art

Derartige Heizvorrichtungen, (AT-PS 2 17 594 und CH-PS 98 499), bei denen ein Heizdraht derart in einem keramischen isolierenden Material eingebettet ist, daß durch das isolierende 'Material eine thermische Verformung des Holzdrahtes im wesentlichen verhindert wird (im folgenden als »ummantelte Heizvorrichtung« bezeichnet), bestehen beispielsweise aus stabförmigen oder ebenen Heizvorrichtungen. Ifv Vergleich zu einer Heizvorrichtung mit bloßliegendein Heizdraht besitzt die ummantelte Heizvorrichtung eine angemessene Wärmekapazität, eine große Wärmeflbertragungsfläche 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.

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 die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung hauptsächlich von (1) der Größe der Kriechverformung des Heizdrahtes und (2) der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahts während des Aufheizens abhängt

Die Lebensdauer einer unverkleideten Heizvorrichtung hängt hauptsächlich von der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahtes ab. Somit ist also eine ummantelte Heizvorrichtung, bei der der Heizdraht in ein keramisches Material eingebettet ist, der unverkleideten Heizvorrichtung in der Oxidationsbeständigkeit des Heizdrahtes 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 unyerkjeideten Heizvorrichtung dami linger ist als einer ummantelten Heizvorrichtung, wenn die Heizvorrichtung häufig an» und abgeschaltet wird.
Wenn die ummantelte Heizvorrichtung angeschaltet wird, wird der Heizdraht rasch heiß, Wenn die Temperaturerhöhung des Mantels beträchtlich langsamer erfolgt als die Temperaturerhöhung des Heizdrahts, kommt es zu einem beträchtlichen Teroneraturgefälle. Da der Wärmeverformung des Heizdrahts durch den Mantel und die darin enthaltenen keramischen Materialien entgegengewirkt wird, erfährt der Heizdraht aufgrund des genannten Temperaturgefälles eine Druckbelastung während der Temperatur-

is erhöhung und eine Zugbelastung während des Sinkens tier 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, wenn die Heizvorrichtung häufig an- und abgeschaltet wird.

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 der eingangs genannten Art zu

schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das

kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst

Durch die Erfindung läßt sich die Lebensdauer einer Heizvorrichtung der eingangs genannten Art bei

häufigem An- und Abschalten beträchtlich verlängern.

In den Unteransprüchen ist die Erfindung vorteilhaft

weitergebildet Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2. eine graphische Darstellung der Kriechverformung in bezug auf die bei Heizdrähten applizierten An/Abschaltzyklen und
F i g. 3 eine graphische Darstellung des Widerstands in bezug auf die Temperatur bei einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung und einer üblichen ummantelten Heizvorrichtung.

Das folgende Beispiel soll die Erfindung näher veranschaulichen.

Beispiel

Durch Heißtauchen wird auf der Oberfläche eines Holzdrahtes eines Durchmessers von 0,5 mm aus einer Legierung aus 19,6% Cr, 0,08% Mn, 0,20% Fe, 0,05% C und zum Rest Ni eine etwa 3 μπι dicke Al-reiche Schicht gebildet. Danach wird aus dem Draht eine Spule eines Außendurchmessers von 5 mm hergestellt Unter Verwendung der erhaltenen Heizdrahtspule wird eine ummantelte Heizvorrichtung gemäß F i g. 1 hergestellt.

Aus F i g. 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 53 Drahtanschlüsse 3,3 zu den Enden der Spule 2.

Vergleichsbeispiel

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

Die beiden Arten von ummantelten Heizvorrichtungen werden nun unter einer Wattdichte von 11 bzw.

Tabelle I

9 W/cm² wiederholt jwi- xmu ausgesphaltet, um die Anzahl der An7Abse|mlteykJen, die einen, Bruch des Heizdrahts bedingen, w ermitteint Jetler Zyklus besteht a«s 15 min Anschalten und 15 min Abschalten, Die fol· gende Tabelle I zeigt die hierbei erhaltenen Ergebnisse sowie die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Heizdrahtes,

Eigenschaften des	Heizdrahts	Dehnung	Versuchsergebnisse	Anzahl der
Zugfestigkeit	0,2% Streck		Wattdichte	An-/Abschalt-
	grenze	%		zyklen
kg/mm²	kg/mm²	W/cm²

Beispiel gemäß der 103

Erfindung

Vergleichsbeispiel 100

56
55

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 30maI 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

Tabelle II

27
30

11
9

151 4100

5 142

Vergleichsbeispiel hergestellten Heizdrähte zwei unverkleidete Heizvorrichtungen hergestellt und den beschriebenen An-Mbschaltzyklen unter einer Watidichte von 9 W/cm² unterworfen. Diese Versuche dienen zur Ermittlung der Anzahl von An-/Abschaltzyklen, die einen Bruch des Heizdrahtes hervorrufen. Wie bei dem vorhergehenden Versuch besteht jeder Zyklus aus 15 min Anschalten und 15 min Abschalten. Die Tabelle II zeigt die Ergebnisse tusammen mit den Ergebnissen des vorhergehenden 'ersuchs mit ummantelten Heizvorrichtungen.

Anzahl der

An-/Abschalt-

zyklen

Vergleich mit der unverkleideten Heizvorrichtung %

Beispiel gemäß
der Erfindung

Vergleichsbeispiel

ummantelte Heizvorrichtung
unverkleidete Heizvorrichtung

ummantelte Heizvorrichtung
unverkleidete Heizvorrichtung 4100
885

142
342

+362 56,7

1 - 56,

Bei der üblichen ummantelten Heizvorrichtung wird die Wärmeverformung des Heizdrahts durch das keramische isolierende Material gehindert, so daß die ummantelte Heizvorrichtung der unverkleideten Heizvorrichtung in der Lebensdauer unterlegen ist (vgl. Tabelle II). Erfindungsgemäß zeigt dagegen im Gegensatz zur allgemeinen Tendenz der üblichen ummantelten Heizvorrichtung die ummantelte 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 F i g. 2 zeigt die Kriechdeformation des Heizdrahts in bezug auf die Anzahl der mit dem Heizdraht durchgeführten An-Mbschaltzyklen. Die Kriechdeformation wird gemäß der t'S-Standardvorschrift ASTM

B76-65 (beschleunigter Lebensdauertest für Ni-Cr-

und Ni-Cr-Fe-Legierungen zu elektrischen Heizecken) ermittelt Die Kurven A und B (durchbrochene Linie) von F i g. 2 entsprechen den Heizdrähten der ummanteiten Heizvorrichtungen gemäß dem Beispiel bzw. femäß dem Vergleichsbeispiel. Andererseits entsprechen die Kurven C und D Vergleichsheizdrähten aus einer ?5Cr — 5 AI — Fe-Legierung bzw. einer 24 Cr-5,5 Al-1,5 Co-Fe-Legierung. Aus F i g. 2 geht klar und deutlich hervor, daß der in der Regel einem Nichrome-Draht in der Oxidationsbeständigkeit überlegene Heizdraht uus der Fe-Cr-Al-Legierung eine deutliche Kriechdeformation zeigt. Ferner geht aus der F ί g. 2 hervor, daß der Heizdraht auf Nichrome-Basis des Vergleichsbeispiels (durchbrochene Linie B) trotz niedriger Kriechdeformation eine recht kurze

b5 Lebensdauer aufweist. Im Gegensatz dazu besitzt der in einer ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Heizdraht, d. h. ein Draht auf Nichrome-Basis mit einer Al-reichen Oberflächen-

schicht, sowohl eine niedrige Kriechdeformation als auch eine lange Lebensdauer (vgl. Kurve A von F i g. 2).

Die ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels werden zum Vorheizen eines Natriumschmelzerohrs eines Flüssigmetall-Schnell- ; brüterreaktors verwendet. Zum Vorheizen werden die Heizdrähte der ummantelten Heizvorrichtungen auf 600⁰C erhitzt. Es zeigt sich, daß die Lebensdauer der ummantelten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung etwa 30mal länger ist als die Lebensdauer der üblichen in 'ummantelten Heizvorrichtung.

Es wird ein weiterer Versuch gefahren, um für die ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels b/w.

Vcrglcichsbeispiels die Beziehung zwischen dem Widerstand (ρ) und der Temperatur zu ermitteln. Dieser Versuch ist deshalb von Interesse, weil eine gleichmäßige Erwärmung in einem solchen Natriumschmelzrohr von wesentlicher Bedeutung ist. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Die Kurven fund F von F i g. 3 entsprechen den ummantelten Heizvorrichtungen des Beispiels bzw. Vergleichsbeispiels. Aus F i g. 3 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.

2 Hhill

Claims

Patentansprüche?

1, Heizvorrichtung, b.ei der ein Heizdraht aus einer Legierung mit einem Chjom-Nickel-AnteH derart in ein keramisches isolierendes Material eingebettet ist, daß die thermische Deformation des Heizdrahtes durch das isolierende Material im wesentlichen verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht auf Nichrome-Basis eine aluminiumreiche Oberflächenschicht, die durch thermische Oxidation in Aluminiumoxid umgewandelt wird und mit dem Heizdraht auf Nichrome-Basis legiert ist, aufweist

Z Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumreiche Oberflächenschicht Si enthält

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumreiche Oberflächenschicht durch Heißtauchen erzeugt wurde.