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Die
Erfindung betrifft keramische elektrische Widerstandsheizelemente
und ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, anwendbar für elektrische Heizelemente
aus Siliciumcarbid.
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Das
elektrische Widerstandsheizen ist ein wohl bekanntes Verfahren.
Elektrische Energie wird durch ein Widerstandselement hindurchgeschickt, das
gemäß wohl bekannten
Gesetzmäßigkeiten
der Elektrizitätslehre
Wärme erzeugt.
Eine Gruppe von elektrischen Widerstandsheizelementen enthält Siliciumcarbidstangen,
die einen elektrischen Widerstand aufweisen, der entlang ihrer Länge variiert.
Bei diesen Elementen liegt der größere Teil der erzeugten Wärme in Teilen
hohen Widerstandes vor, auf die als die "heiße
Zone" Bezug genommen
wird, auf Teile niedrigeren Widerstandes, in denen weniger Wärme erzeugt
wird, wird als "kalte
Enden" Bezug genommen.
Herkömmlich
sind die Stangen feste Stangen, rohrförmige Stangen oder rohrförmige Stangen
mit Helikalschnitt. Der Zweck eines wendelförmigen Schneidens einer rohrförmigen Stange
ist es, die Länge
des elektrischen Weges durch die heiße Zone zu vergrößern und
den Querschnittsbereich des leitenden Weges zu reduzieren und somit
den elektrischen Widerstand zu erhöhen. Typische Stangen diesen
Typs sind CrusiliteTM-Typ-X-Elemente und GlobarTM-SG-Stangen. Rohrförmige Stangen mit wendelförmigem Schnitt
dieser Art sind seit mindestens 40 Jahren bekannt.
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Bei
einer solchen rohrförmigen
Stange werden elektrische Verbindungen an den kalten Enden an beiden
Seiten der heißen
Zone vorgesehen. Für einige
Anwendungen ist es wünschenswert,
elektrische Anschlüsse
an einem Ende zu haben. Entsprechend ist es seit zumindest 30 Jahren
bekannt, eine rohrförmige
Stange mit einer Doppelhelix vorzusehen, wobei ein Ende der Stange
geschlitzt ist, um elektrische Anschlüsse am kalten Ende vorzusehen, und
wobei das andere Ende eine Verbindung zwischen zwei Wendeln vorsieht.
Typische Elemente dieser Art sind die CrusiliteTM-Typ-DS-Elemente und die
GlobarTM-SGR- oder SR-Elemente.
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Die
derzeitige Praxis für
CrusiliteTM-Elemente (X, MF, DS & DM) ist es, wendelförmige Nuten
in das Siliciumcarbidrohr unter Verwendung einer Diamantscheibe
zu schneiden. Die Steigung der Wendel hängt von dem Widerstand des
Siliciumcarbidrohres und dem benötigten
Widerstand des CrusiliteTM-Elementes ab.
Je enger die Steigung, desto höher
der Widerstand, der bei einem vorgegebenen Rohr erzielt wird. Für ein Doppelhelixelement
(DS oder DM) werden zwei wendelförmige
Schnitte vorgesehen, beginnend bei 180° zueinander und wobei die zweite Helix
mitten zwischen den Windungen der ersten liegt. Die Helix wird dann
an einem Ende ausgedehnt durch Schlitzen mit einer Diamantsäge verlängert, wobei
das geschlitzte Ende das Anschlussende für die elektrischen Verbindungen
wird.
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Zum
Herstellen des wendelförmigen
GlobarTM-Elements (SG, SGR) wird die Wendel
in das Rohr unter Verwendung eines Diamantbohrers vor dem Erhitzen
geschnitten. Für
das Doppelhelixelement (SGR) werden zwei 180° zueinander angeordnete Schnitte
verwendet. Nach dem Schneiden der Wendel wird das Material in einem
Zweistufenverfahren erhitzt, währenddessen
der endgültige
Widerstand überwacht
wird.
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Alle
diese Elemente (CrusiliteTM X, MF, DS, DM,
GlobarTM SG, SGR) sind Einphasenelemente und
werden in einem weiten Anwendungsgebiet von Industrie- und Laboröfen verwendet,
die beispielsweise bei Temperaturen zwischen 1000 und 1600°C arbeiten.
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Wo
ein hohes Wärmeniveau
erforderlich ist und die Anzahl von Heizeinheiten ein Vielfaches
von drei ist, ist es häufig
der Fall, dass eine dreiphasige Energiequelle verwendet wird. Es
ist wünschenswert, dass
die Energie in jeder der drei Phasen dieselbe ist, und aus diesem
Grunde werden Einphasenelemente normalerweise in einem Vielfachen
von drei installiert. Alternativ können Dreiphasensiliciumcarbidelemente
verwendet werden, die eine ausbalancierte Dreiphasenlast in Fällen anstreben,
wo die Anzahl von installierten Elementen nicht durch drei teilbar
ist. Herkömmlich
bestehen elektrische Dreiphasenelemente aus Siliciumcarbid aus drei
Zweigen, die zu einer gemeinsamen Brücke verbunden sind. Die Zweige
sind normalerweise entweder in einer Ebene (so dass das Element
die Form von Crickettorstäben
aufweist) oder in einem Dreieck angeordnet (in einem Format, auf
das als Milchschemelformat oder als ein Drei-U Bezug genommen wird).
Die Crickettorstabanordnung ist zumindest seit 1957 bekannt (siehe
GB 845 496) und die Drei-U-Anordnung seit zumindest 1969. Das Herstellen
solcher Elemente erfordert herkömmlicherweise
die getrennte Herstellung der Zweige des Elements und dann das Verbinden
zu einer Brücke.
Es wurde in der Vergangenheit vorgeschlagen, solche Elemente durch
Vergießen
in einem Stück
herzustellen: jedoch sind einteilige Elemente auf dem Markt nicht üblich. Es
wurde ebenfalls vorgeschlagen, drei Elemente mit wendelförmigem Schnitt zu
einer gemeinsamen Brücke
in einer crickettorstabartigen Anordnung zu kombinieren (siehe GB 1279478).
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Es
ist bekannt, Elementpaare zu kombinieren in einer im Wesentlichen
U-förmigen Ausbildung, so
dass die Anschlüsse
der Elemente an einem Ende liegen. Ein typisches derartiges Element
ist das Kanthal-Typ-U-Element. (Für andere U-förmige Elemente
siehe beispielsweise GB 838 917 und
US 3,964,943 ).
Mehrere dieser Elemente können
für eine
vorgegebene Erwärmungsanwendung
erforderlich sein. Für
Anwendungen, bei denen es einen begrenzten Platz gibt, kann es extrem
kompliziert sein, geeignete Anordnungen vorzusehen, zum Verbinden der
Elemente mit einer elektrischen Energiequelle. Des Weiteren müssen viele
Löcher
für die
Energieversorgung zu diesen Elementen vorgesehen werden. Diese Löcher können die
strukturelle Unversehrtheit der thermischen Isolierung einer Erwärmungseinrichtung
bedrohen, und sie sind zusätzlich für die thermische
Ausbeute nachteilig, da Wärme aus
dem Ofen austreten kann durch die Löcher oder entlang den Leitern.
Eine Anordnung, die vorgeschlagen wurde, ist die der GB 1123606,
die eine so genannte "Kurzschlusswicklung"-Anordnung von Stabelementen
offenbart, die angeordnet sind in und beabstandet sind durch feuerfeste
Ringe und untereinander mit Überbrückungsleitern
verbunden sind durch eine Schraubverbindung. Diese Anordnung ist kompliziert
und enthält
zahlreiche gegenseitige elektrische Verbindungen.
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Die
Erfinder haben realisiert, dass diese Nachteile merklich reduziert
werden können
durch Vorsehen von Heizelementen, die drei oder mehr Zweige enthalten;
eine Anzahl von Endabschnitten, die geringer ist als die Anzahl
von Zweigen, und Überbrückungsabschnitte,
die eine elektrische Anschlussmöglichkeit
zwischen den Zweigen vorsehen. Das tatsächliche Gebiet der Erfindung
geht klar hervor aus den anhängenden
Ansprüchen
unter Bezug auf die folgende Beschreibung unter Bezug auf die folgenden
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Draufsicht auf ein herkömmliches U-Typ-Element
ist;
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2 eine
Draufsicht auf ein herkömmliches elektrisches
Heizelement des Dreiphasen-Crickettorstab-Typs ist;
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3 eine
Endansicht eines herkömmlichen elektrischen
Heizelements eines Dreiphasen-Milchschemel-Tys ist.
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4 eine
Seitenansicht eines herkömmlichen
elektrischen Heizelementes mit Einzelschnitthelix ist;
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5 eine
Seitenansicht eines vierzweigigen, flachen elektrischen Heizelements
gemäß dem Prinzip
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine
Seitenansicht eines vierzweigigen elektrischen Heizelements mit
quadratischer Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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7 eine
Endansicht des Elements gemäß 6 ist;
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8 eine
ebene Ansicht eines weiteren vierzweigigen elektrischen Heizelementes
mit quadratischer Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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9 eine
ebene Ansicht des Elements gemäß 5 ist;
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10 eine
ebene Ansicht eines vierzweigigen elektrischen Heizelements mit
gekrümmter
Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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11 eine
ebene Ansicht eines sechszweigigen elektrischen Dreiphasenheizelementes
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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In 1 ist
ein herkömmliches
U-förmiges Element 1 gezeigt.
Herkömmlicherweise
bestehen solche Elemente aus Siliciumcarbid und enthalten zwei Zweige 2,
angeordnet in einer Ebene und verbunden durch eine Brücke 3.
Die Zweige 2 weisen Abschnitte 4 auf, die die
heiße
Zone der Elemente bestimmen und Abschnitte 5, die die kalten
Enden bestimmen. Eine elektrische Verbindung ist an den Enden 6 entfernt
von der Brücke 3 hergestellt.
Das Vorsehen von heißen
Zonen 4 und kalten Enden 5 wird herkömmlich durch
Variation des elektrischen Widerstandes der Siliciumcarbidstangen
erzeugt (z.B. durch Tränken
mit einer Siliciumlegierung zum Vermindern des Widerstandes). Alternativ
zum oder zusätzlich
zum Variieren des elektrischen Widerstandes kann ein ähnlicher
Effekt durch Variation des Querschnittsbereichs der Zweige erreicht
werden.
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2 zeigt
ein herkömmliches
Dreiphasenelement 7 des Dreiphasen-Crickettorstab-Typs, das in entsprechender
Art und Weise wie das U-förmige Element
gemäß 1 hergestellt
wurde.
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In 3 ist
eine Endansicht eines herkömmlichen
Drei-U- oder Milchschemel-Dreiphasenelements 8 gezeigt.
Ein solches Element ist durch dieselben Verfahren wie das herkömmliche
Crickettorstabelement hergestellt; jedoch sind die drei Zweige 2 Seite
an Seite in einer Dreiecksanordnung und verbunden durch eine Brücke 9 angeordnet.
Eine solche Anordnung ist kompakter als die Crickettorstabanordnung.
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In 4 ist
eine Seitenansicht eines herkömmlichen
Einphasen-Spiraleinzelschnittelements 10 gezeigt.
Dieses Element 10 enthält
ein Rohr aus Siliciumcarbid mit einem wendelförmig geschnittenen Abschnitt 11,
der das heiße
Ende des Elements bestimmt, und nicht geschnittenen Abschnitten 12,
die die kalten Enden bestimmen. Der Wendelschnitt bedeutet, dass
die heiße
Zone 11 einen schmaleren elektrischen Querschnitt als ein
nichtgeschnittenes Rohr und ebenfalls eine längere effektive Länge und somit
einen höheren
Widerstand als die gleiche Länge
eines nichtgeschnittenen Rohres aufweist. Das Material der kalten
Enden ist herkömmlicherweise identisch
mit dem der heißen
Zone; jedoch kann deren spezifischer elektrischer Widerstand z.B.
durch Tränken
mit einer Siliciumlegierung vermindert werden oder durch Verbinden
mit einem Material geringeren spezifischen elektrischen Widerstandes,
um das Verhältnis
des Widerstandes zwischen der heißen Zone und den kalten Enden
weiter zu erhöhen.
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5 und 9 zeigen
ein im Wesentlichen flaches Heizelement 13 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Vier Zweige 14, 15 sind vorgesehen,
wobei die Zweige 14 länger
sind als die Zweige 15 und eine heiße Zone 16 und ein
kaltes Ende 17 enthalten, wobei die Enden 18 der
kalten Enden 17 für
eine Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle vorgesehen
sind. Die Zweige 15 sind vollständig die heiße Zone.
Die Zweige 14 und 15 sind durch Brücken 19 in
Reihe geschaltet. Diese Anordnung erlaubt es, dass vier heiße Zonen
in einem Ofen oder einer anderen Erwärmungsvorrichtung eingeschlossen
werden, wobei nur zwei Anschlüsse
benötigt
werden. Die Brücken 19 können gesamtheitlich
innerhalb des isolierten Teils des Ofens oder einer anderen Erwärmungsvorrichtung
liegen. Hierdurch wird die Isolierung nur von zwei kalten Enden 17 durchbrochen, wohingegen
ein herkömmlicher
Ofen, der vier einzelne Stangen enthält, von acht kalten Enden durchbrochen
wird, und ein Ofen, der zwei U-förmige
Elemente enthält,
würde von
vier kalten Enden durchbrochen.
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In
den 6 und 7 ist ein Element 20 offenbart,
entworfen für
eine horizontale Befestigung, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für die Verwendung
in einem Mantelrohr 21. Das Mantelrohr 21 kann
ein Rohr sein. Das Element 20 enthält vier Zweige 14, 15, ähnlich denen
in 5 und 9. Die Zweige 14, 15 sind
im Wesentlichen parallel und in einer im Wesentlichen quadratischen
Anordnung angeordnet. Die Brücken 19 sind
so angeordnet, dass die beiden längeren
Zweige 14 Seite an Seite an einer Seite der quadratischen
Anordnung angeordnet sind. Diese Anordnung macht das horizontale Befestigen
des Elements einfacher als andere Anordnungen. Blöcke 22, 23 tragen
die Brücken 19 in dem
Mantelrohr 21, wobei Block 23 ebenfalls die Zweige 14 trägt. Obgleich
die quadratische Anordnung der Zweige gezeigt wurde, wird angemerkt, dass
eine rechteckige Anordnung oder andere vierseitige Anordnung verwendet
werden kann, in Abhängigkeit
von der Anwendung, der das Element hinzugefügt werden soll. Die feste Beziehung
der vier Zweige des Elements zueinander nimmt das Risiko, dass bei
herkömmlichen
Elementen des obersten Satzes von Elementen auftritt, der auf den
unteren Satz fällt
und einen Kurzschluss hervorruft. Aufgrund dieses Risikos wird herkömmlicherweise
nur ein einzelnes U-Element in solchen horizontalen Aufstellungen
verwendet.
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In 8 ist
eine alternative Anordnung von Brücken 19 gezeigt, bei
denen eine der Brücken
diagonal über
der Anordnung vorgesehen ist. Dies bedeutet, dass die Zweige 14,
an denen die elektrische Verbindung hergestellt ist, diagonal angeordnet
sind. Diese Anordnung wird der nach 7 vorgezogen, in
Fällen,
bei denen beabsichtigt wird, dass die Zweige vertikal angeordnet
werden.
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In 10 ist
ein Element 24 gezeigt, enthaltend vier Zweige, angeordnet
parallel oder in einer gekrümmten
Anordnung. Eine Mehrzahl solcher gekrümmter Elemente kann bei dem
Aufbau einer gekrümmten
Heizanordnung verwendet werden (schematisch als Linie 26 gezeigt),
wobei sie beispielsweise der Krümmung
eines rohrförmigen
Ofens angepasst werden.
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In 11 ist
ein Dreiphasenelement 27 gezeigt. Das Element 27 enthält sechs
Zweige 14, 15, wobei die Zweige 14 länger sind
als die Zweige 15, und wobei die Zweige in einer im Wesentlichen sechseckigen
Anordnung angeordnet sind. Brücken 19 verbinden
die Zweige miteinander zu Paaren von langen Zweigen 14 und
kurzen Zweigen 15. Eine Brücke 28 verbindet diese
Paare miteinander. Im Betrieb wird eine dreiphasige Energiequelle
an die Anschlussabschnitte der Zweige 14 angeschlossen
und über
die Zweige 14, die Brücken 19 und
die Zweige 15 mit der Brücke 28 verbunden,
was eine Sternverbindung für
die dreiphasige Anordnung ausbildet. Diese Anordnung hat gegenüber der
herkömmlichen Drei-U-Anordnung
(3) Vorteile, welche niedrige Spannungen und hohe
Ströme
benötigen
kann, und folglich eine teure Energiequelle benötigt, insbesondere wenn die
heiße
Zone kurz und/oder der Zweigdurchmesser groß ist. Dadurch, dass die Spannung in
sechs in Reihe geschaltete Zweigpaare geht, wird sie höher, da
ein ähnlich
belastetes Drei-U-Element drei Zweige des doppelten Durchmessers
hätte.
Beispielsweise kann ein Drei-U-Element mit einem 40-mm-Zweigdurchmesser
mit einer Länge
der heißen
Zone von 500 mm einen Phasenwiderstand von 0,4 Ohm aufweisen und
eine Energiequelle mit nominell 50 Volt (Phasenspannung) und 125
Ampère
erfordern. Im Gegensatz hierzu kann ein dreiphasiges, sechszweigiges
Element, wie es in 11 gezeigt ist, einen Phasenwiderstand
von 1,6 Ohm aufweisen und eine Energiequelle mit nominell 100 Volt
(Phasenspannung) und 62,5 Ampère erfordern.
Zusammenfassend arbeitet man bei etwa dem Doppelten der Spannung
und der Hälfte
des Stroms des äquivalenten
Drei-U-Elements.
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Alle
Anordnungen der 5 bis 11 sind solche,
bei denen die Anzahl an benötigten
Anschlüssen
geringer ist als die Anzahl an Zweigen des Elements. Dies ermöglicht es,
dass eine geringere Anzahl von Verbindungen verwendet wird als bei
einer herkömmlichen
Anordnung, und es reduziert die Anzahl an Öffnungen, die in einer Ofenauskleidung oder
Isolierung vorgesehen werden müssen.
Zusätzlich
ist es durch Vorsehen einer festen Anordnung von Elementzweigen
möglich,
es zuzulassen, dass die Elementzweige näher beieinander angeordnet werden
als in einem herkömmlichen
Ofen, da die Furcht vor einem Verschieben des Elements und dem folglichen
Risiko eines Kurzschlusses entfällt. Dieses
dichte Anordnen ermöglicht
es, dass höhere Leistungsdichten
erzielt werden als mit herkömmlichen
Anordnungen. Das Verbinden zwischen den Zweigen und den Brücken geschieht
durch irgendein geeignetes Verfahren, das den gewünschten
Betriebstemperaturen widersteht.
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In
allen Anordnungen der 5 bis 11 wird
eine gleiche Anzahl von Elementzweigen verwendet. Dies ist zweckdienlich,
da es ermöglicht, dass
die Anschlüsse
an einer Seite des Elements liegen; jedoch beabsichtigt die Erfindung
ebenfalls eine ungleiche Anzahl von Elementzweigen mit Anschlüssen, die
anderweitig angeordnet sind.
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Es
soll festgestellt werden, dass die Eigenschaften der thermischen
Expansion der Zweige nach Wunsch angepasst werden, um die Bewegung der Überbrückungsabschnitte
beim Erhitzen der Elemente zu minimieren. Unter Bezug auf 6 kann beispielsweise
die Brücke 19 dann,
wenn die Zweige 14 sich mehr als die Zweige 15 ausdehnen,
aus dem Block 23 herausgezogen werden. Durch Anpassen der
Eigenschaften der thermischen Ausdehnung der Zweige 14 und 15 kann
dieses Risiko vermindert werden (beispielsweise durch Wahl der Länge der
heißen
Zone 16 oder durch Verwendung von Materialien mit einem
unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten).
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Alternativ
gibt es Anwendungen, bei denen es wünschenswert wäre, lange
heiße
Zonen in einigen der Zweige zu haben, um ein Hintergrunderwärmungsniveau
vorzusehen, wobei andere Zweige kürzer als diese heißen Zonen
sind, so dass eine zusätzliche
lokale Erwärmung
vorgesehen wird. Beispielsweise wird in 5 dann,
wenn die heißen
Zonen 16 der Zweige 14 länger sind als die Zweige 15,
ein verallgemeinertes Erwärmungsniveau
durch die heißen Zonen 16 vorgesehen,
wobei eine zusätzliche
lokale Erwärmung
durch die Zweige 15 vorgesehen ist.
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Als
eine Anwendung, bei der solche ungleichen Längen der heißen Zone
nützlich
wären,
ist es bei Keramikbrennöfen
Standardvorgehensweise, in Richtung zu der Basis Elemente höherer Leistung
zu installieren, mit dem Ziel, eine größere Gleichmäßigkeit
der Temperatur zu schaffen.
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Andere
Anwendungen, bei denen diese Art einer ungleichmäßigen Leistungsverteilung verwendet
wird, enthalten elektrische Gießpfannenerhitzer, bei
denen typische Ausgestaltungen zwei Drittel der Leistung in der
unteren Hälfte
und ein Drittel in der oberen Hälfte
aufweisen können.
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In
der obigen Beschreibung wurde Bezug genommen auf die Verwendung
von Siliciumcarbid als einem Material für elektrische Heizelemente.
Es soll dem Leser klar sein, dass die Erfindung anwendbar ist für die Verwendung
irgendeines elektrisch leitenden Keramikmaterials. In dieser Beschreibung
soll der Begriff "elektrisch
leitende Keramik" interpretiert werden
als irgendein nichtmetallischer anorganischer Stoff, der elektrische
Energie in ausreichendem Maße
leitet und geeignete thermische Eigenschaften aufweist, um als elektrisches
Heizelement verwendet werden zu können.