DE3026496A1

DE3026496A1 - Elektrischer hochtemperatur-widerstandsheizkoerper fuer hochtemperaturoefen

Info

Publication number: DE3026496A1
Application number: DE19803026496
Authority: DE
Inventors: Jacob Howard Beck
Original assignee: BTU Engineering Corp
Current assignee: BTU Engineering Corp
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-12
Publication date: 1981-02-19
Also published as: NL8004400A; JPS5663791A; CA1114877A; GB2056229B; US4272639A; GB2056229A; FR2463564A1

Description

FATHIIXANWAIiX

. ing. B. HOLZEB

PHILIPPINE! -WBIiSBB · STBASSB IA

8900 AUGSBUBG

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W.1046

Augsburg, den 10. Juli I98O

BTU Engineering Corporation, Esquire Road, North Billerica, Massachusetts 01862, V.St.A.

Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper für

Hochtemperaturöfen

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper für Hochtemperaturöfen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrische Widerstandsheizkörper mit einem schraubenlinienförmig gewendelten Widerstandsdraht als Heizelement finden in Hochtemperaturöfen weit verbreitete Anwendung. Bei derartigen Heizkörpern dienen zur Halterung des Heiz-

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elements typischerweise keramische Kerne in Form genuteter Platten oder Zylinder, wobei das Heizelement im Bereich seiner gesamten Länge von der keramischen Kernkonstruktion aufgenommen und getragen wird. Der keramische Kern ist gewöhnlich mit einer Anzahl von Längsnuten versehen, welche die Heizwendel über einen größeren Teil von deren Umfang umschließen. Die Nuten können mit einem feuerfesten Dichtungsmaterial ausgefüllt sein, so daß die Heizwendel vollständig in dem keramischen Kern eingebettet ist, oder die Heizwendel kann in zusammengepreßtes Keramikpulver eingebettet sein, das von einem Metallrohr ummantelt ist.

Wegen der zur Halterung der Heizwendel erforderlichen Größe des Keramikkerns und der verhältnismäßig großen Dichte des Keramikmaterials bildet das Gewicht der keramischen Tragkonstruktion einen wesentlichen Anteil des Gesamtgewichts des Heizkörpers. Derartige keramische Tragkonstruktionen haben außerdem verhältnismäßig schlechte Wärmeisolationseigenschaften, und infolge der verhältnismäßig großen vorhandenen Keramikmasse weisen solche Heizkörper herkömmlicher Bauart eine große thermische Trägheit auf, welche die mögliche Geschwindigkeit einer vorzunehmenden Temperaturänderung begrenzt. Das Ansprechverhalten derartiger herkömmlicher Heizkörper auf eine Temperatursteuerung ist

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daher durch das verhältnismäßig langsame thermische Ansprecher der Heizkörperkonstruktion bestimmt. Die große thermische Trag heit der bekannten Heizkörperbauart verschlechtert auch seiner Gesamtwirkungsgrad, da die erzeugte Wärme zunächst das die Heizwendel umgebende Keramikmaterial aufheizen muß, bevor eine wirksame Nutzwärmeabstrahlung vom Heizkörper stattfindet. Selbst bei denjenigen bekannten Heizkörpern, bei welchen die Heizwendel in einer offenen Nut des keramischen Kerns liegt, schirmt der keramische Kern den größten Teil der von der Heizwendel ausgehenden direkten Wärmestrahlung ab, so daß sich eine nur geringe Strahlungsleistung ergibt, was wiederum eine starke Temperaturdifferenz zwischen der Heizwendel und dem damit zu beheizenden Wärmeverbraucher begünstigt und dadurch zu einem schlechteren Wirkungsgrad und einer kürzeren Lebensdauer des Heizkörpers führt.

Bei Heizkörpern herkömmlicher Bauart mit einer von einer keramischen Tragkonstruktion gehalterten Heizwendel werden die mögliche Länge, das mögliche Gewicht und die Befestigungsart des Heizkörpers an seiner Halterung in erheblichem Maße durch die Festigkeit der keramischen Tragkonstruktion vorgegeben. Es sind zwar selbsttragende Heizkörper bekannt, bei welchen keine keramische Tragkonstruktion Anwendung findet, jedoch sind derartige bekannte selbsttragende Heizkörper mit anderen Nachteilen behaftet.

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Aus der US-PS 3 859 509 ist ein Heizkörper bekannt, der ein Heizelement in Form einer Siliciumcarbid-Wendel aufweist, wobei zwischen den einzelnen Windungen der Wendel jeweils einer kleiner Spalt vorhanden ist. Das zwischen den einzelnen Windungen der Wendel vorhandene, über dem kleinen Spalt stehende Spannungsgefälle kann dabei aber eine solche Größe erreichen, daß, insbesondere wenn durch Kondensation oder anderweitige Ablagerung Verunreinigungen in dem Spalt abgelagert werden, ein Überschlag entstehen kann. Außerdem hat dieser bekannte wendeiförmige Heizkörper nur eine geringe mechanische Festigkeit.

Ein anderer bekannter Heizkörper weist zwei parallele Stäbe aus Siliciumcarbid auf, von denen jeder einen Abschnitt mit hohem elektrischen Widerstand und einen Abschnitt mit niedrigem elektrischem Widerstand aufweist. Die Stababschnitte mit hohem Widerstand ragen bei in einen Ofen eingebautem Heizkörper in die Ofenkammer hinein und sind an ihren Enden durch ein ebenfalls aus Siliciumcarbid bestehendes Verbindungsstück miteinander verbunden. Infolge von Form und Größe des Verbindungsstückes ist eine verhältnismäßig große Öffnung in der Ofenwand erforderlich, um den Heizkörper in die Ofenkammer einbringen zu können. Außerdem ist ein isolierender Stopfen mit zwei Bohrungen erforderlich, der dem Heizkörper präzise angepaßt sein muß, um die beiden parallelen Heizstäbe in

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Durchführungsöffnung der Ofenwand zu haltern. Außerdem ist diese bekannte Heizkörperbauart mit zwei parallelen Heizstäben den schädlichen Wirkungen ungleicher Biegespannungen während des Ofenbetriebs ausgesetzt. Darüberhinaus hat das Verbindungsstück eine beträchtliche Masse, so daß, wenn der Heizkörper von der Deckwand der Ofenkammer herabhängt, eine Pendelbewegung des Heizkörpers auftreten kann, die starke Biegebeanspruchungen hervorruft und Rißbildungen in den Heizstäben verursachen kann.

Aus der ÜS-PS 3 764 7l8 ist eine speziell für einen Vakuumofen ausgelegte koaxiale Heizkörperkonstruktion bekannt. Dieser bekannte Heizkörper weist ein rohrförmiges äußeres Widerstandselement und ein damit koaxial angeordnetes inneres Widerstandselement auf, die an ihren einen Enden miteinander verbunden sind. Das innere und das äußere Widerstands element bestehen aus dem gleichen Widerstandsmaterial, nämlich Kohle, Siliciumcarbid, Metall oder einer Metallegierung, und dienen beide als Heizelemente. Dabei strahlt das innere Widerstandsheizelement Wärme durch das äußere Widerstandsheizelement hindurch ab, welch letzteres außerdem Wärme von seiner eigenen Oberfläche abstrahlt. Bei einer abgewandelten Ausführungsform dieses bekannten Heizkörpers dient das äußere Element hauptsächlich als elektrische Zuleitung und

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als Abstrahler für die von einem oder mehreren inneren Widerstandsheizelementen erzeugte Wärme. Der bekannte Heizkörper ist obrhalb einer Vakuumkammer beweglich aufgehängt, wobei sein äußeres Element in die Vakuumkammer hineinragt, um von seiner gesamten Oberfläche Wärme abzustrahlen.

Ein aus der US-PS 4 080 150 bekannter verbesserter Heizkörper aus Siliciumcarbid weist ein Hochtemperatur-Heizelement in Form eines länglichen Rohres auf, das zwei anexnandergrenzende Rohrabschnitte aufweist, von denen der eine Rohrabschnitt aus einem Siliciumcarbid mit hohem elektrischem Widerstand besteht und bei in einen Ofen eingebautem Heizkörper in die Ofenkammer hineinragt und von denen der andere Rohrabschnitt aus einem Siliciumcarbid mit niedrigem elektrischen Widerstand besteht und sich in eingebautem Zustand außerhalb der Ofenkammer befindet. Ein ebenfalls aus einem Siliciumcarbid mit niedrigem elektrischem Widerstand bestehender Stab ist koaxial innerhalb des rohrförmigen Elements angeordnet und an seinem einen Ende mit dem Ende des den hohen Widerstand aufweisenden Rohrabschnittes verbunden. Das andere Ende des Stabes und das damit koaxiale Ende des den niedrigen Widerstand aufweisenden Rohrabschnittes sind mit elektrischen Anschlußkontakten zum Anschluß an eine Stromquelle versehen. Der den hohen Widerstand aufweisende Rohrabschnitt dient als Heizelement, während der Rohrab-

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schnitt mit dem niedrigen Widerstand und das innerhalb des Rohres koaxial verlaufende Rohr als elektrische Zuleitungen zum Heizelement mit minimaler Eigenerwärmung dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkörper der eingangs genannten Art im Sinne einer Steigerung des heiztechnischen Wirkungsgrades zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Demgemäß besteht der erfindungsgemäße Heizkörper bei einer ersten Ausführungsform im wesentlichen aus einem länglichen Rohrkörper, der einen als Wendel ausgebildeten, als Heizelement dienenden Rohrkörperabschnitt mit hohem elektrischem Widerstand und einen sich daran mit elektrisch und thermisch leitfähiger Verbindung anschließenden, als erste Stromzuführung dienenden rohrförmigen Rohrkörperabschnitt aufweist, und aus einem koaxial innerhalb des Rohrkörpers gehalterten stabförmige!! Bauteil mit niedrigem elektrischem Widerstand, das elektrisch und mechanisch mit dem freien Ende des als Heizelement dienenden wendeiförmigen Rohrkörperabschnitts verbunden ist und als dessen zweite Stromzuführung dient. Bei in einen Ofen eingesetztem Heiz-

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körper befindet sich der das Heizelement bildende wendeiförmige Rohrkörperabschnitt innerhalb der Ofenkammer, während der als Stromzuführung dienende rohrförmige Rohrkörperabschnitt außerhalb der Ofenkammer gelegen ist. Die freien Enden des als Stromzuführung dienenden rohrförmigen Rohrkörperabschnitts und des stabförmigen Bauteils sind mit elektrischen Anschlüssen zum Anschluß des Heizkörpers an eine Stromquelle versehen, und der wendeiförmige, das Heizelement bildende Rohrkörperabschnitt wird unter mechanischer Druckspannung gehalten. Der Heizkörper kann aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen hergestellt sein, welche die erforderlichen relativen elektrischen Widerstandseigenschaften haben.

Der einen hohen elektrischen Widerstand aufweisende wendeiförmige Heizelement-Rohrkörperabschnitt befindet sich im Betrieb auf einer wesentlich höheren Temperatur als der als Stromzuführung dienende Rohrkörperabschnitt und das stabförmige Bauteil, die einen niedrigen elektrischen Widerstand haben. Infolgedessen findet eine Wärmeabstrahlung hauptsächlich von dem auf hoher Temperatur befindlichen wendeiförmigen Rohrkörperabschnitt statt, der sich in der Ofenkammer befindet. Der einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisende, als Stromzuführung dienende rohrförmige

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Rohrkörperabschnitt, der sich außerhalb der Ofenkammer befindet und teilweise durch die Ofenwand hindurchverläuft, verbleibt auf niedrigerer Temperatur und vermindert dadurch Wärmeverluste. Das ebenfalls einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisende stabförmige Bauteil befindet sich, wie schon erwähnt, ebenfalls auf niedrigerer Temperatur und verringert dadurch die Aufheizung des Inneren der koaxialen Heizkörperkonstruktion.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizkörpers ist ein zweiter länglicher Rohrkörper vorgesehen, der koaxial zwischen dem erstgenannten Rohrkörper und dem stabförmigen Bauteil angeordnet ist und ebenso wie der erstgenannte Rohrkörper einen als Wendel ausgebildeten Heizelement-Rohrkörperabschnitt mit hohem elektrischem Widerstand und einen rohrförmigen Rohrkörperabschnitt mit niedrigem elektrischem Widerstand aufweist. Hierbei dient nicht das stabförmige Bauteil, sondern der rohrförmige Rohrkörperabschnitt des zweiten Rohrkörpers als zweite Stromzuführung. Die freien Enden der wendeiförmigen Heizelement-Abschnitte der beiden Rohrkörper sind elektrisch miteinander und mechanisch, jedoch elektrisch isolierend, mit dem betreffenden Ende des stabförmigen Bauteils verbunden. Die rohrförmigen Stromzuführungsabschnitte der beiden Rohrkörper snd an ihren Enden jeweils mit elektrischen

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Anschlüssen versehen, und die Heizelement-Abschnitte der beiden Rohrkörper werden unter mechanischer Druckspannung gehalten.

Bei beiden Ausführungsformen kann außerdem der bzw. jeder wendeiförmige Heizelement-Rohrkörperabschnitt unter inverser Berücksichtigung der Schwerkraftwirkung und der Wärmedehnungswirkung mit derart gewählten ungleichförmigen Windungsabständen gestaltet sein, daß bei Erwärmung des Heizkörpers auf Betriebstemperatur sich infolge der auftretenden erwärrnungsbedingten Verformungen im wesentlichen gleichförmige Windungsabstände einstellen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Pig. I in perspektivischer Darstellung einen

Ausschnitt eines Ofens mit einem eingesetzten Heizkörper nach der Erfindung ,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines

Heizkörpers nach der Erfindung im Axialschnitt,

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eine Draufsicht auf den Heizkörper nach Fig. 2,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines

Heizkörpers nach der Erfindung im Axialschnitt,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Heizkörper

nach Fig. 4,

Fig. 6 eine vergrößerte perspektivische

Darstellung des unteren Endes des Heizkörpers nach Fig. 4,

Fig. 7 eine Heizwendel eines erfindungs-

gemäßen Heizkörpers mit im kalten Zustand ungleichförmigen Windungsabständen, und

Fig. 8 die in Fig. 7 gezeigte Heizwendel

im betriebswarmen Zustand.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ofens 10 mit einem darin eingesetzten elektrischen Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper 12 nach der Erfindung. Der Ofen ist typischerweise aus Schamottesteinen 14 aufgebaut und weist eine

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Ofenkammer l6 auf, in welche ein zu erhitzendes Produkt eingebracht v/erden kann. In die Ofenkammer sind durch entsprechende Einführungsöffnungen 18 in der Ofenwand ein oder mehrere elektrische Widerstandsheizkörper 12 eingesetzt. Bei dem ausschnittweise dargestellten Ofen sind mehrere Heizkörper 12 mit entlang der Ofenkammer gegenseitigen Abständen vertikal jeweils durch eine Einführungsöffnung 18 in der Deckwand des Ofens eingesetzt. Jeder Heizkörper erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Ofenkammerhöhe und ist jeweils nahe einer Seitenwand der Ofenkammer angeordnet. Die Heizkörper können aber auch in anderen Lagen, beispielsweise horizontal durch die Seitenwand des Ofens in diesen eingesetzt sein.

Der Heizkörper 12 ist in den Fig. 2 und 3 mehr im einzelnen dargestellt und weist ein Stromzuführungsrohr 20 mit verhältnismäßig niedrigem elektrischem Widerstand und ein sich daran anschließendes Heizelement 22 in Form einer Wendel mit verhältnismäßig hohem elektrischem Widerstand auf. Koaxial innerhalb des Stromzuführungsrohres 20 und der Heizwendel 22 ist ein stabförmiges Bauteil in Form eines Rohres 24 mit niedrigem elektrischem Widerstand angeordnet, das mit seinem einen Ende über das freie Ende des StromzuführungsrOhres 20 hinausragt. Das andere Ende des Rohres 24 ist elektrisch und mechanisch mit dem freien

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Ende der Heizwendel 22 verbunden» und zwar durch ein Verbindungselement mit niedrigem elektrischen Widerstand, wie beispielsweise eine Scheibe 26. Das Stromzuführungsrohr 20 und das innere Rohr 24 bilden die beiden Stromzuführungen zur Hochtemperatur-Heizwendel 22 und haben im Betrieb eine niedrigere Temperatur als diese. Eine elektrisch isolierende Zwischenhülse 28, die vorzugsweise aus einem Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten Keramikwerkstoff hergestellt ist, ist auf das freie Ende des Stromzuführungsrohres 20 aufgesetzt und hält das entsprechende Ende des inneren Rohres 24 dazu koaxial. Eine vorzugsweise aus Metall bestehende Scheibe 30 ist über das freie Ende des inneren Rohres 24 geschoben und liegt an der äußeren Stirnfläche der Zwischenhülse 28 an, und auf das mit Außengewinde versehene freie Ende des inneren Rohres 24 sind eine oder mehrere Muttern 32 aufgeschraubt, die sich an der Scheibe 30 abstützen und so stark angezogen sind, daß über das als Zugglied wirkende innere Rohr 24 eine vorgegebene Druckkraft auf die Heizwendel 22 ausgeübt wird. Das innere Rohr 24 bringt einen erheblichen festigkeitsmäßigen Vorteil, da sich die mechanische Beanspruchung des Heizkörpers auf das innere Rohr 24 und die sie umgebende Heizwendel 22 aufteilt. Das Maß des effektiv vom inneren Rohr 24 aufgenommenen Beanspruchungsanteils ist durch die

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Größe der auf die Heizwendel 22 ausgeübten Druckkraft bestimmt, die durch Anziehen der Muttern 32 erzeugt wird.

Am äußeren Ende des Rohres 24 ist beispielsweise mittels einer Mutter 38 eine elektrische Anschlußfahne 36 befestigt, und eine weitere elektrische Anschlußfahne 40 ist am äußeren Ende des Stromzuführungsrohres 20 angeschweißt oder auf andere V/eise befestigt. Außerdem sind nach außen ragende Stützstreifen 42 am Stromzuführungsrohr 20 angeschweißt oder auf andere Weise befestigt, welche den Heizkörper auf der Deckwand des Ofens abstützen und seine Einführungstiefe in die Ofenkammer begrenzen. Das Rohr 24 ist von einer elektrisch isolierenden Hülse 44 umschlossen, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Heizwendel 22 und des Stromzuführungsrohres 20 erstreckt und die Möglichkeit einer Entstehung einer Kurzschlußstrecke zwischen dem Rohr 24 und der dieses umgebenden Heizwendel 22, beispielsweise durch in die Heizwendel eindringende Verunreinigungen, unterbindet. Der Raum zwischen dem Stromzuführungsrohr und der Hülse 44 ist mit einem hochtemperaturbeständigen isolierenden Füllstoff 46 ausgefüllt, bei welchem es sich beispielsweise um ein keramisches Fasermaterial handeln kann.

Der Heizkörper ist gemäß der Darstellung nach Pig. I derart in einen Ofen eingebaut, daß sein Stromzuführungs-

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rohr 20 die Ofendecke durchdringt und die Heizwendel 22 sich in der Ofenkammer befindet. Das Stromzuführungsrohr 20 hat einen verhältnismäßig niedrigen elektrischen Widerstands um einen gut leitfähigen Leitungspfad zur Heizwendel 22 herzustellen und die Aufheizung des außerhalb der Ofenkammer gelegenen und teilweise durch die Ofendecke oder Ofenwand verlaufenden Stromzuführungsrohres möglichst gering zu halten. Die Anschlußfahnen 36 und sind beispielsweise über Litzenbänder 48 in an sich bekannter Weise an eine Stromquelle angeschlossen. Die Wärmeabstrahlung zur wirksamen Aufheizung der Ofenkammer erfolgt hauptsächlich von der einen höheren Widerstand aufweisenden Heizwendel 22.

Das mittige Rohr 24 dient zur Halterung der Heizwendel 22 und kann außerdem als Zuleitungsrohr zum Einleiten von Gas von einer äußeren Gasquelle in die Ofenkammer hinein benützt werden. Zu diesem Zweck ist auf das äußere, mit Gewinde versehene Ende des Rohres 24 ein Anschlußstück 50 aufgeschraubt, das mit einer Gasquelle verbunden ist, so daß Gas durch das Innere des Rohres in die Ofenkammer zugeführt werden kann. Altenativ dazu kann anstelle des Rohres 24, wenn keine Gaseinleitung vorgesehen ist, ein massiver Stab mit Vollquerschnitt

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- 23 Anwendung finden, der nur eine Stützfunktion hat.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heizkörpers ist in den Fig. 4 b is 6 dargestellt und weist außer der äußeren Heizwendel auch noch eine innere Heizwendel auf. Die äußere Heizwendel 60, die einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand hat, ist ähnlich wie beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel elektrisch und mechanisch mit einem Stromzuführungsrohr 62 mit verhältnismäßig niedrigem Widerstand verbunden. Die innere Heizwendel 64, die wiederum einen verhältnismäßig hohen Widerstand hat, ist ebenfalls elektrisch und mechanisch mit einem Stromzuführungsrohr 66 mit niedrigem Widerstand verbunden, dessen Länge so gewählt ist, daß es über das äußere Ende des äußeren Stromzuführung sr ohr es 62 hinausragt. Die beiden freien Enden der äußeren Heizwendel 60 und der inneren Heizwendel sind mittels einer Scheibe 68 oder eines anderen geeigneten Elements, das an den Wendelenden angeschweißt oder auf andere Weise befestigt ist, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Innerhalb der inneren Wendel und des inneren Stromzuführungsrohres 66 ist koaxial ein Rohr 70 angeordnet, dessen Länge so groß ist, daß es über das äußere Ende des inneren Stromzuführungsrohres hinausragt, und dieses überstehende Rohrende ist mit einem

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Außengewinde 72 versehen. Am anderen Ende des Rohres ist eine Scheibe 74 oder ein anderes Haltelement befestigt. Eine elektrisch isolierende Hülse 76 umgibt das Rohr 70 im wesentlichen über dessen gesamte Länge. Zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der Scheibe 68 und der Scheibe 74 sitzt ein in eine Bohrung der Scheibe 68 hineinragendes, elektrisch isolierendes Abstandstück 78. Dieses Abstandstück 78 dient dazu, das Rohr 70 elektrisch gegen die beiden Heizwendeln 60 und 64 zu isolieren. Zu diesem Zweck können jedoch auch andere geeignete Mittel vorgesehen sein. Am äußeren Ende des Heizkörpers ist eine keramische oder andere elektrisch isolierende Zwischenhülse 80 vorgesehen, welche das innere Stromzuführungsrohr 66 koaxial im äußeren Stromzuführungsrohr 62 hält. Eine weitere, über der Hülse 80 angeordnete isolierende Zwischenhülse 82 dient zur Aufrechterhaltung der koaxialen Lage des Rohres 70 im inneren Stromzuführungs· rohr 66.

Der Zusammenhalt des Heizkörpers ist durch eine Scheibe 84 und eine oder mehrere, auf das Gewinde 72 aufgeschraubte Muttern 86 gesichert. Eine erste elektrische Anschlußfahne 88 ist am äußeren Stromzuführungsrohr 62 angeschweißt oder auf andere Weise befestigt, und eine zweite elektrische Anschlußfahne 90 ist in ähnlicher

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Weise am inneren Stromzuführungsrohr 66 angebracht. Der Ringraum zwischen den beiden Stromzuführungsrohren und 66 sowie der Ringraum zwischen dem inneren Stromzuführungsrohr 66 und der Hülse f6 kann mit einem wärmeisolierenden Füllstoff 90 ausgefüllt sein. Am äußeren Stromzuführungsrohr 62 sind außerdem nach außen wegragende Stützelemente 94 befestigt, welche den in die Montageöffnung des Ofens eingesetzten Heizkörper abstützen und die Einführtiefe des Heizkörpers in den Ofen ebenso wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel begrenzen.

Die beiden Heizwendeln 60 und 64 werden durch Anziehen der Muttern 86 unter die gewünschte Druckspannung gesetzt. Zwischen den Windungen der inneren Heizwendel 64 sind mit gegenseitigen Abständen keramische Abstandstücke 96 eingesetzt, die einen Kurzschluß zwischen der äußeren Heizwendel und der inneren Heizwendel verhindern, falls bei hoher Betriebstemperatur aus irgendwelchen Gründen eine exzentrische Verlagerung zwischen den beiden normalerweise konzentrischen Heizwendeln auftreten sollte.

Die innere Heizwendel 64 vergrößert die verfügbare Gesamtstrahlungsfläche des Heizkörpers und demzufolge seine Leistungsdichte. Außerdem wird durch die innere

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Heizwendel auch der Gesamtwiderstand des Heizkörpers um die Größe des elektrischen Widerstands der inneren Heizwendel erhöht. Infolgedessen kann eine verhältnismäßig kleine Gruppe derartiger Heizkörper in Reihenschaltung direkt an das Netz angeschlossen werden_s ohne daß ein Transformator vorgeschaltet zu werden braucht.

Bei beiden oben beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen wird durch Anziehen der auf das obere Ende des mittigen Rohres aufgeschraubten Muttern die im Betriebstemperaturzustand des Heizkörpers auftretende Streckung der Heizwendel bzw. der Heizwendeln nach unten festgelegt. Die Größe dieser Streckung läßt sich vorausberechnen oder es kann eine geeignete Einstellung bei im Betrieb befindlichem Heizkörper vorgenommen werden, um das vorgesehene Maß der Streckung im heißen Zustand überprüfen zu können. Die Heizwendel bzw. die Heizwendeln können sich nicht über die vorgegebene Länge hinaus strecken, die durch die eingestellte Länge des mittigen Rohres festgelegt ist. Bemerkenswerterweise werden keine keramischen Bauteile des Heizkörpers durch Zugkräfte beansprucht.

Die erfindungsgemäße Heizkörperkonstruktion ist bei Verwendung einer minimalen Menge keramischen Materials

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selbsttragend. Beispielsweise weisen praktisch ausgeführte Heizkörper nach der Erfindung weniger als Ό Gewichtsprozent keramisches Material in Form von keramischen Isolatoren auf, so daß man gegenüber herkömmlichen Heizkörpern mit einer um einen keramischen Kern gewickelten Heizwendel mehr nutzbare und ungehinderte Wärmeab strahlung erhält.

Bei einer frei vertikal aufgehängten Heizwendel tritt normalerweise zwischen den oberen Windungen eine größere Streckung als zwischen den unteren Windungen auf, xvas seinen Grund in dem sich nach unten aufsummierenden Gewicht der einzelnen Heizwendel-Windungen hat. Bei Erwärmung der Heizwendel wird dieser unterschiedliche Windungsabstand noch verstärkt, woraus sich mechanische Beanspruchungen der Keizwendel ergeben können. Die Heizwendel bzw. die Heizwendeln des erfindungsgemäßen Heizkörpers können daher so gestaltet sein, daß zwischen den einzelnen Windungen im kalten Zustand Abstandsdifferenzen vorhanden sind, die zu den durch Schwerkrafteinfluß und Wärmedehnung verursachten Windungsabstandsdifferenzen invers sind. Damit wird erreicht, daß im Betriebszustand durch die stärkere Vergrößerung der Abstände zwischen den oberen Windungen aufgrund der Erwärmung und der Schwerkraft im wesentlichen

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gleichmäßige Windungsabstände entstehen. Die Heizwendel wird also bei der Herstellung unter inverser Berücksichtigung der normalen, im Betrieb aufgrund der Schwerkraft auftretenden unterschiedlichen Streckungen mit unterschiedlichen Windungsabständen gewickelt. Infolgedessen ist die Heizwendel im heißen Betriebszustand weniger mechanischen Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt.

Eine in der eben erläuterten Weise ausgebildete Heizwendel ist in Fig. 7 im kalten Zustand dargestellt. Demgemäß sind die Abstände 104 der oberen Windungen 100 kleiner als die Abstände 106 zwischen den unteren Windungen 102. Im betriebswarmen Zustand, in welchen die Heizwendel in Fig. 8 abgebildet ist, bewirkt die unterschiedliche Streckung der Wendelwindungen, daß sich über die gesamte Länge der Wendel im wesentlichen gleichförmige Windungsabstände 108 einstellen. Die Gesaratstreckung der Heizwendel wird durch die zulässige Streckung des mittigen Rohres oder Stabes begrenzt, der die gesamte Heizkörperkonstruktion zusammenhält.

Der erfindungsgemäße Heizkörper kann aus verschiedenen Werkstoffen sowohl metallischer als auch nichtmetallischer Natur hergestellt werden, Vielehe die erforderlichen

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elektrischen und mechanischen Eigenschaften haben. Beispielsweise können Widerstandslegierungen wie z.B. Nicrome, Inconel, Incoloy oder Kanthai, oder Metalle wie z.B. Platin, Molybdän oder Wolfram Anwendung finden. Als nichtmetallische Werkstoffe kommen beispielsweise Siliciumcarbid, Kohle oder Graphit in Frage. Da die Heizwendel des Heizkörpers gemäß der Erfindung unter Druckspannung gehalten wird und auftretende mechanische Spannungen sich zwischen dem mittigen Rohr und der damit koaxialen Heizwendel aufteilen, ist die Heizwendel weniger mechanischen Beanspruchungen als bei herkömmlichen Heizkörpern ausgesetzt, und für die Heizwendel können hauptsächlich im Hinblick auf ihre Hochtemperatureigenschaften ausgewählte Werkstoffe selbst dann eingesetzt werden, wenn diese Werkstoffe verhältnismäßig schlechte mechanische Eigenschaften haben. Beispielsweise können Werkstoffe mit geringer Kriechfestigkeit oder geringer Bruchdehnung für die Heizwendel eingesetzt werden, während das mittige Rohr und das Stromzuführungsrohr mit einem Werkstoff mit den erforderlichen Festigkeitseigenschaften gefertigt werden, um eine übermäßige Beanspruchung der verhältnismäßig bruchempfindlichen Heizwendel zu verhindern.

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Die relativen elektrischen Widerstandseigenschaften der Heizwendel des Stromzuführungsrohres und des inneren Rohres lassen sich einerseits durch die Eigenschaften der Werkstoffe dieser Bauteile und andererseits durch die gewählten Abmessungen der Bauteile festlegen. Beispielsx\reise kann für die Heizwendel ein Material mit hohem elektrischem Widerstand und für das Stromzuführungsrohr und das innere Rohr ein Material mit niedrigem Widerstand verwendet werden. Alternativ dazu kann das gleiche Material für alle Bauteile des Heizkörpers, jedoch mit unterschiedlichen Querschnitten und Längen verwendet werden, so daß sich die gewünschten hohen und niedrigen Widerstandswerte der einzelnen Bauteile ergeben. Beispielsweise kann bei einem aus Metall gefertigten Heizkörper eine Kanthal-Legierung für Heizwendeln und Stromzuführungsrohre und Inconel für das mittige Rohr verwendet werden. Bei einem nichtmetallischen Heizkörper können für alle Bauteile mit Ausnahme der elektrischen Isolation Graphit verwendet werden.

Wenn der Heizkörper aus nichtmetallisehern Material hergestellt ist oder wenn Teile des Heizkörpers, zu denen elektrische Anschlüsse hergestellt werden müssen, aus nichtmetallischem Werkstoff bestehen, können metallisierte

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flächen als Kontaktflächen für den elektrischen Anschluß an eine; 'iu.'oere Stromquelle vorgesehen sein. TSeispielsweise kann jev.'eils ein metallisiertes Band ar·! äußeren Ende des otromzuführunrsrohres 20 und am äußeren Lnde des Rohres 24 angebracht werden. An den Kontaktflächen können leitfähig Kleinen befestigt werden, an welche dann zu der Stromquelle führende Litzenbänder angeschlossen werden können, iine solche elektrische Anschluöiiö lichkeit ist in der oben bereits erwähnten US-P3 4 080 '31^ dargestellt und beschrieben.

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Leerseite

Claims

TELEFON 616478 688S0S patol d FATS N T AN W ALT .ing.B. HOLZEB -WBLSEB -STKASSH14 30?6Λ^β Λ 8900 AuosBUBO . *> y £ y t *» y ι Patentansprüche

1.) Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper, mit einem länglichen Rohrkörper, der einen als Heizelement dienenden Abschnitt mit hohem elektrischem Widerstand und einen sich daran mit elektrisch und thermisch leitfähiger Verbindung anschließenden, als Stromzuführung dienenden Rohrabschnitt mit niedrigem elektrischen Widerstand aufweist, und mit einem koaxial innerhalb des Rohrkörpers gehalterten stabförmigen Bauteil, das an seinem einen Ende mit dem freien Ende des als Heizelement dienenden Rohrkörperabschnitts verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der als Heizelement dienende Rohrkörperabschnitt (22) als freitragende Wendel ausgebildet ist und mittels einer Spannvorrichtung (24, 32) unter mechanischer Druckspannung gehalten wird.

2. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Bauteil (24) einen niedrigen elektrischen Widerstand hat und als zweite Stromzuführung dient.

3. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper ' nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Bauteil (24) von einer elektrisch isolierenden

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Hülse (44) umgeben ist, die sich im wesentlichen über die Länge des Rohrkörpers (20, 22) erstreckt.

4. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Bauteil (24) als Rohr mit durchgehender mittiger Bohrung ausgebildet und an seinem freien Ende

mit einer Anschlußvorrichtung (24, 50) zum Anschluß einer Gaszuführleitung versehen ist.

5. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Bauteil als massiver Stab mit Vollquerschnitt ausgebildet ist.

6. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des als Stromzuführung dienenden rohrförmigen Rohrkörperabschnitts (20) und das entsprechende Ende des stabförmigen Bauteils (24) jeweils mit einer Anschlußfahne (40, 36) zum elektrischen Anschluß des Heizkörpers
versehen ist.

7.Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper
nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Ende des wendeiförmigen, als Heizelement dienenden Rohrkörperabschnitts (22) und das entsprechende Ende des stabförmigen Bauteils (24) mittels einer Scheibe (26) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.

8. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkörper (20, 22) und das stabförmige Bauteil (24) jeweils aus Metall bestehen.

9. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis J₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkörper (20, 22) und das stabförmige Bauteil (24) jeweils aus nichtmetallischem Werkstoff bestehen.

10. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmetallische Werkstoff Siliciumcarbid ist.

11. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an dem rohrförmigen, als Stromzuführung dienenden Rohrkörperabschnitt (20) ein oder mehrere nach außen ragende Anschlagelemente (42) angeordnet sind, welche beim Einführen des Heizkörpers durch eine Ofendeckwand in einen Ofen die

EinfÜhrfciefe begrenzen und den Heizkörper auf der Ofendeckwand abstützen.

12. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur koaxialen Halterung des stabförmigen Bauteils (24) in dem Rohrkörper (20, 22) eine elektrisch isolierende Zwischenhülse (28) dient, die zwischen den rohrförmigen, als Stromzuführung dienendem Rohrkörperabschnitt (20) und den entsprechenden Endabschnitt des stabförmigen Bauteils (24) eingesetzt ist, und daß das freie Ende des stabförmigen Bauteils mit Gewinde (24) versehen ist und eine Spannmutter (32) trägt, welche gegen die Zwischenhülse gespannt ist und über das als Spannglied wirkende stabförmige Bauteil die auf den wendeiförmigen, als Heizelement dienenden Rohrkörperabschnitt wirkende mechanische Druckspannung erzeugt.

13. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der wendeiförmige, als Heizelement dienende Rohrkörperabschnitt (22) mit unter inverser Berücksichtigung von Schwerkraftwirkung und Wärmedehnungen derart gewählten ungleichförmigen Windungsabständen im kalten Zustand gestaltet ist, daß sich bei Erhitzung auf Betriebstemperatur aufgrund der dadurch bedingten Verformungen der Wendel gleichmäßige Windungsabstände einstellen.

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14. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem stabförmigen Bauteil (24) und dem rohrförmigen, als Stromzuführung dienendem Rohrkörperabschnitt (20) verbleibende Freiraum mit einem elektrisch isolierenden, hochtemperaturbeständigen Füllmaterial (46) ausgefüllt ist.

15. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des wendeiförmigen, als Heizelement dienenden Rohrkörperabschnitts (22) im wesentlichen der entsprechenden Abmessung der Ofenkammer entspricht, in welche der Heizkörper einzusetzen ist, daß weiter die Länge des rohrförmigen, als Stromzuführung dienenden Rohrkörperabschnitts (20) so gewählt ist, daß er durch die Ofenwand hindurch und über diese hinaus nach außen ragt, und daß das stabförmige Bauteil (24) über das aus der Ofenwand herausragende Ende des Rohrkörpers hinaus weiter nach außen ragt.

16. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohrkörper (60, 62) und dem stabförmigen Bauteil (70) dazu koaxial ein weiterer Rohrkörper (64, 66) angeordnet ist, der ebenfalls einen als Wendel ausgebildeten, als weiteres Heizelement dienenden Rohrkörperabschnitt (64) mit hohem elektrischen Widerstand und einen sich daran mit elektrisch

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und thermisch leitfähiger Verbindung anschließenden, als zweite Stromzuführung dienenden Rohrabschnitt (66) mit niedrigem elektrischem Widerstand aufweist, wobei sich die wendeiförmigen Heizelement-Abschnitte (60, 64) und die rohrförmigen Stromzuführungs-Abschnitte (62, 66) jeweils im wesentliehen über die gleiche Länge erstrecken, daß weiter die freien Enden der wendeiförmigen Heizelement-Abschnitte beider Rohrkörper elektrisch miteinander und außerdem mechanisch, jedoch elektrisch isolierend mit dem entsprechenden Ende des stabförmigen Bauteils (70) verbunden sind, und daß die wendeiförmigen Heizelement-Abschnitte beider Rohrkörper unter mechanischer Druckspannung gehalten werden.

17. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Bauteil (70) von einer elektrisch isolierenden Hülse (76) umgeben ist, die sich im wesentlichen über die Länge der beiden Rohrkörper (60, 62; 64, 66) erstreckt.

18. Elektrischer Hochtemperatur-Heizkörper nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Windungen des wendeiförmigen Heizelement-Abschnitts (64) des weiteren Rohrkörpers (64, 66) eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Abstandhaltern (96) mit entlang des Windungszwischenraumes gegenseitigen Abständen angeordnet ist.

19. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische, jedoch elektrisch isolierende Verbindung zwischen den Enden der wendeiförmigen Heizelement-Abschnitte (60, 64) der beiden Rohrkörper und dem entsprechenden Ende des stabförmigen Bauteils (70) durch eine elektrisch isolierende Scheibe (78) hergestellt ist.

20. Elektrischer Hochtemperatur-Widerstandsheizkörper nach einem der Ansprüche l6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die wendeiförmigen Heizelement-Abschnitte (60, 64) beider Rohrkörper mit unter inverser Berücksichtigung von Schwerkraft und Wärmedehnungen derart gewählten ungleichförmigen Windungsabständen im kalten Zustand gestaltet sind, daß sich bei Erwärmung der Heizelement-Abschnitte auf Betriebstemperatur infolge der dabei auftretenden Verformungen gleichmäßige Windungsabstände einstellen.

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