DE3509985A1

DE3509985A1 - Elektrisches widerstands-heizelement

Info

Publication number: DE3509985A1
Application number: DE19853509985
Authority: DE
Inventors: Hans 6074 Rödermark Gürtler; Leo 6085 Nauheim Saris
Original assignee: Kanthal GmbH
Current assignee: Kanthal GmbH
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1986-10-02

Description

PATENTANWÄLTE

dr. V. SCHMIED-KOWARZIK · dr. P. WEINHOLD ■ dr. P. BARZ · München DIPL.-ING. G. DANNENBERG · dr. D. GUDEL- dipl.-ing. S. SCHUBERT · Frankfurt

ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

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FACSIMILE: <0 89) 392333

18. März 1985 Gu/IS

Ref. D-016-DE

Kanthai GmbH

Aschaffenburger Str. 7

Mörfelden-Walldorf

Elektrisches Widerstands-Heizelement

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstands-Heizelement aus einem Material mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt.

Elektrische Widerstands-Heizelemente werden herkömmlicherweise aus metallischen Bandelementen hergestellt, die beispielsweise mäanderförmig verlegt werden. Eine andere Art derartiger Heizelemente besteht aus einem Stab mit Vollquerschnitt oder aus einem spiralisierten Hohlstab. Weitere Arten sind drahtförmige Heizelemente, die gegebenenfalls in sich gewendelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstands-Heizelement vorzuschlagen, das sich insbesondere durch eine fühlbar erhöhte Leistung pro Längeneinheit auszeichnet. Auch soll seine Abstrahlungscharakteristik verbessert werden und es soll sich auch durch verbesserte mechanische Eigenschaften sowie durch günstige Herstellungskosten auszeichnen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte elektrische Widerstands-Heizelement erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Material in sich gedreht ist. Man kann ein metallisches oder auch ein metallischkeramisches Heizleitermaterial verwenden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Heizelementes sind folgende:

a. Im Vergleich mit metallischen Bandelementen

Die bekannten mäanderförmigen metallischen Bandelemente haben eine Konfiguration, bei der die größten strahlenden

Flächen einander zugekehrt sind, d.h. die Bandschlaufen strahlen einander an, anstatt direkt ins Ofeninnere zu strahlen. Hierdurch muß man bei der Auslegung solcher Elemente eine Wandbelastung und eine Oberflächenbelastung derartig wählen, daß das Element sich selbst nicht überhitzt. Dazu kommt, daß bei der Auslegung eines solchen Elementes die abnehmende Warmfestigkeit bei steigenden Temperaturen berücksichtigt werden muß; d.h. die Bandschlaufen dürfen nicht beliebig lang ausgeführt werden.

Das verdrehte Bandelement nach der Erfindung bringt im Vergleich zu oben erwähnten Bandelementen folgende Vorteile:

- Eine wesentlich höhere Heizleistung

Durch die Konfiguration dieses Elementes bringt man pro laufenden Meter mehr Heizband unter, wodurch die Leistung steigt. Ebenfalls strahlt dieses Element sich selbst weniger an, wodurch auch eine höhere Oberflächenbelastung zugelassen werden kann. Schließlich kann man die Elementschenkel bei gleicher Oberflächenbelastung näher aneinanderbringen, wodurch eine höhere Wandflächenbelastung erreicht wird.

- Senkung der Element-Materialkosten

Will man die Leistung eines Heizgeräts nicht erhöhen, dann kann man aus oben erwähnten Gründen die Oberflächenbelastung und/oder Wandflächenbelastung erhöhen, wobei man bei gleicher Leistung des Gerätes beträchtliche Materialkosteneinsparungen erreichen kann.

- Eine diffuse Strahlung

Im Vergleich mit flachen Bandelementen und Wendeln erreicht man bei dem verdrehten Bandelement eine wesentlich verbesserte direkte Strahlung zum Inneren des Heizgeräts. Bei der richtigen Auslegung des Elementes kann eine nahezu ideale diffuse Strahlung erreicht werden.

- Eine verbesserte mechanische Stärke

Das verdrehte Bandelement ist durch seine Konfiguration mechanisch stärker als das herkömmliche Bandelement. Dies bedeutet konstruktive Kosteneinsparungen entweder durch das Auslegen längerer Elementschlaufen oder in waagerechter Ausführung durch das Verringern der Elementhalterungen.

- Verbesserte Formstabilität

Bestimmte Widerstandslegierungen weisen unter höheren Temperaturen und bei Temperaturwechsel eine Forminstabilität auf, die in der Praxis als Kriechen bezeichnet wird. Dies tri.tt häufig bei gewendelten Elementen auf Das verdrehte Bandelement ist in sich stabiler und benimmt sich bei höheren Temperaturen und Temperaturwechsel besser.

- Vereinfachte Anschlußenden

Bekanntlich müssen die Anschlußenden einen mindestens dreimal so. großen Querschnitt aufweisen wie das Heizelement selbst, damit die Anschlußenden kalt bleiben.

Bei Elementen aus Runddraht muß sehr auf eine gute Anschlußendenverbindung geachtet werden. Bei dem verdrehten Bandelement wird auf das Bandmaterial auf einfache Weise ein Streifen mit zusätzlich zweimal dem Querschnitt aufgeschweißt.

b. Im Vergleich mit Siliziumkarbid-Widerstan.dsheizelementen

Die Siliziumkarbid-Elemente haben bis jetzt eine runde Konfiguration. Sie werden geliefert entweder als Elemente aus massivem Stabmaterial (Hot Rod) oder aus Rohrmaterial, wobei der heizende Teil des Elementes spiralisiert ist. Die spiralisierten Elemente eignen sich besser für intermittierenden Betrieb, sind jedoch schwieriger herzustellen und dadurch beträchtlich teurer als die Hot-Rod-Elernente.

Im Vergleich zu Hot-Roti-E lernen ten bringt das verdrehte Bandelement folgende Vorteile:

- Eine höhere Leistung, da sich durch die Konfiguration die strahlende Fläche bei gleichem Elementwiderstand beträchtlich vergrößert.

- Eine bessere Eignung für intermittierenden Betrieb.

Im Vergleich zu spiralisierten Elementen bietet das verdrehte Bandelement folgende Vorteile:

- Eine vergrößerte Leistung durch die Element konfiguration.

Ebenfalls kann hier die Oberflächenbelastung vergrößert

werden. Bei spiralisierten Elementen findet Gegenstrahlung im Elementinneren statt, wodurch die Oberflächenbelastung limitiert wird.

- Eine verbesserte Abstrahlung

Bei der richtigen Elementkonfiguration kann man die diffuse Abstrahlung optimieren.

- Vereinfachte Produktion

Das Spiralisieren eines SiC-Rohres ist kostspielig und muß dazu äußerst genau geschehen. Das z.B. Extrudieren und dazu Verdrehen dieses Bandelementes bedeutet eine Senkung der Produktionskosten bei guter Genauigkeit.

- Weniger Gefahr für Überschläge

Bei spiralisierten Elementen ist der weggenommene Raum zwischen den SiC-Spiralen gering. In der Praxis kommt es öfters vor, daß sich diese Zwischenräume entweder durch Verunreinigung oder durch Ofenatmosphäre bedingte chemische Reaktionen auffüllen. Dadurch entstehen Kriechströme, die schließlich das Durchbrennen des Elementes zur Folge haben. Bei dem verdrehten Bandelement ist dieses Risiko gar nicht gegeben.

- Verbesserte mechanische Stärke

Das dünnwandige spiralisierte Element ist im spiralisierten Teil beträchtlich geschwächt. Das verdrehte Bandelement dagegen ist von der Konfiguration her mechanisch stärker.

c. Im Vergleich mit Molybdandisilicid Widerstandselementen ("Kanthai Super") bietet das verdrehte Bandelement folgende Vorteile:

- Eine größere Leistung

Diese vergrößerte Leistung ist aus der Konfiguration abzuleiten.

- Verbesserte Abstrahlung

Hier gilt das gleiche, was unter den anderen Elementtypen erwähnt worden ist.

- Eine verbesserte mechanische Stärke

"Kanthai Super" hat bei steigenden Temperaturen eine geringe mechanische Warmfestigkeit. Es ist anzunehmen, daß das verdrehte Bandelement im Vergleich zu Haarnadelelementen eine verbesserte mechanische Stärke aufweist.

- Vereinfachung der Halterung bei waagerechtem Einsatz

Bei waagerechtem Einsatz müssen herkömmliche Kanthai Super Haarnadelelemente an ihrer Länge entlang häufig unterstützt werden. Beim verdrehten Bandelement kann man einfach ein keramisches Vollrohr oder Halbrohr nehmen und das Heizelement einschieben oder auflegen. Das Element wird dabei über seine ganze Länge voll unterstützt, wobei das selbsttragende Stützrohr auf beiden Ofenwänden aufliegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 - eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Heizelements;

Fig. 2 - 7 - mehrere bevorzugte Querschnittsformen

für das Material, aus dem dieses Heizelement hergestellt werden kann;

Fig. 8 - 11 - Ausführungsbeispiele für die Anordnung dieses Heizelements;

Fig. 12 -schematisch einen Querschnitt durch eine

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelements, gestützt durch ein halbschalenförmiges Rohr aus Keramik;

Fig. 13 -Die Situation von Fig. 12, wobei das erfindungs gemäße Heizelement in ein keramisches Vollrohr

eingeschoben ist.

Das erfindungsgemäße elektrische Widerstands-Heizelement kann aus einem Material mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden, wie dies die Fig. 2 bis als Auswahl zeigen. Nach Fig. 2 wird ein Bandprofil genommen. Nach Fig. 3 kann das Band auch gebogen sein. Nach Fig. 4 ist dieses Profil bikonkav ausgebildet und nach Fig. 5 bikonvex. Die Profilierung von Fig. 6 zeichnet sich, ähnlich wie die nach Fig. 2, durch ein ebenes Band aus, welches aber abweichend von Fig. 2 abgerundete Kanten hat.

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Das Profil braucht aber nicht bandförmig zu sein, wie in Fig. 2 bis 6 gezeigt, obgleich diese Form bevorzugt wird. Als Beispiel sei auf Fig. 7 verwiesen, wonach das Profil beispielsweise auch kreuzförmig sein kann.

Eines dieser Profile, vorzugsweise das Profil nach Fig. 2, wird um seine Längsachse gedreht oder verdreht. Dies kann man sich so vorstellen, daß eine entsprechende Stange aus diesem Profil an einem Ende festgehalten wird, während das andere Ende der Stange um die Längserstreckung der Stange gedreht wird, bis das Profil nach Fig. 1 entsteht. Dies ist die Grundform des erfindungsgemäßen und in sich gedrehten Widerstands-Heizelements. Die Herstellung kann aber auch durch entsprechend gedrehtes Extrudieren von extrudierbarem Heizleitermaterial erfolgen, vorzugsweise von metallisch-keramischem Material.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen mögliche Ausführungsformen für die Anordnung dieses Heizelements. Nach Fig. 8 erstreckt sich das Heizelement gerade. Es wird waagerecht oder senkrecht an der Innenwand eines elektrischen Widerstands-Heizofens angeordnet. Natürlich kann es auch in einem beliebigen Winkel zur Horizontalen angeordnet werden, und zwar an den Wänden oder auch an der Decke oder schließlich auch im Bodenbereich des Ofens.

Nach Fig. 9 kann das Heizelement auch zickzack-förmig verlegt werden. Fig. 10 zeigt eine Möglichkeit, wobei das Heizelement 1 nach Fig. 2 auf ein bei Pos. 2 angedeutetes Arbeitsrohr spiralig aufgewickelt ist.

Die Konfiguration nach Fig. 11 ähnelt wiederumg derjenigen nach Fig. 9, wobei aber die waagerechten Schenkel 3 des

Heizelementes 1 nicht durch Verbindungsteile 4 dieses Heizelements miteinander verbunden sind_r sondern durch Verbindungsstücke 5 aus elektrisch gut leitendem Material. Die Verbindungsstücke sind mit den Enden der Schenkel 3 des Heizelements 1 verschweißt.

In den Fig. 8 bis 11 sind die Anschlußleiterenden des Heizelements 1 bei Pos. 6 angedeutet.

Die Fig. 12 und 13 zeigen einen Querschnitt durch das Heizelement 1, woraus wiederum die Profilierung nach Fig. 2 deutlich wird. In Fig. 12 ist das Heizelement 1 von oben in eine Halbschale 7 aus keramischem Material eingelegt und wird dadurch über seine ganze Länge gestützt. Nach Fig. 13 ist das Heizelement 1 in ein Rohr 8, ebenfalls aus Keramik, eingeschoben.

Zur Anpassung der Wärmeabgabe des Heizelements an ein gewünschtes Temperaturprofil kann auch vorgesehen sein, die Steigung der Verdrehung des Heizelements über dessen Länge zu ändern. Abschnitte des Heizelements mit starker Verdrehung zeichnen sich hierbei also durch eine höhere Wärmeabgabe pro Längeneinheit aus als Abschnitt mit geringerer Verdrehung. Gänzlich unverdrehte Abschnitte haben die geringste Wärmeabgabe pro Längeneinheit.

Claims

Patent- bzw. Schutzansprüche

1. Elektrisches Widerstands-Heizelement aus einem Material mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in sich gedreht ist.

2. Elektrisches Widerstands-Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Verdrehung des Heizelements sich über dessen Länge ändert.

3. Elektrisches Widerstands-Heizelement nach

Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte des Heizelements gedreht und andere Abschnitte nicht gedreht sind.

Der Patentanwalt:

Dr. D. Gudel