DE602004004899T2 - Siliziumcarbidheizelementen - Google Patents

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Description

  • Siliciumcarbidheizelemente werden herkömmlich in Form von festen Stangen oder zylindrischen Rohren hergestellt, typischerweise mit Durchmessern zwischen 3 mm und 110 mm. Andere Querschnitte sind ebenfalls möglich, wie beispielsweise quadratische oder rechteckige Rohre, jedoch sind sie nicht allgemein gebräuchlich.
  • Elemente mit einem rohrförmigen Querschnitt sind ökonomischer herzustellen, wobei sie weniger Siliciumcarbid als feste Elemente verwenden, und die meisten Siliciumcarbidelemente, die in Industrieöfen verwendet werden, zeigen einen rohrförmigen Aufbau.
  • Siliciumcarbidofenheizelemente sollten von elektrischen Zündern unterschieden werden, die entworfen sind, um einen schnellen Wärme-Anstieg und -Abfall zu erzeugen, um ein brennbares Material zu entzünden. Zünder müssen klein sein, um ein solches schnelles Heizen und Kühlen vorzusehen. Ofenheizelemente werden benötigt, um elektrische Wärme bei erhöhten Temperaturen und für verlängerte Zeiträume (z.B. mehrere Jahre bei einer Temperatur) vorzusehen. Di Entwurfskriterien für Ofenheizelemente und elektrische Zünder sind daher extrem unterschiedlich.
  • Die Leistungsverfügbarkeit von irgendwelchen Strahlungsheizelementen ist abhängig von ihrem abstrahlenden Oberflächenbereich und die Leistungsfähigke irgendeines vorgegebenen Elementtyps wird üblicherweise in Watt pro Quadratzentimetern der abstrahlenden Oberfläche ausgedrückt.
  • Im Falle von rohrförmigen Siliciumcarbidelementen wird lediglich der äußere Oberflächenbereich als eine nützliche Strahlungsfläche betrachtet, da es dort keinen Strahlungswärmeübergang von den inneren Oberflächen des Rohres zu den umgebenden gibt.
  • Siliciumcarbid ist ein relativ teures Keramikmaterial, insbesondere in den Güteklassen, die für die Herstellung von elektrischen Hochtemperaturheizelementen verwendet werden, so dass die Verwendung von weniger Material einen signifikanten Kostenvorteil mit sich brächte.
  • Die Anmelderin hat erkannt, dass, wenn das Verhältnis zwischen der nutzbaren Abstrahlungsfläche und dem Querschnittsbereich der Heizelemente vergrößert wird, zusätzliche Leistung von einem Element mit ähnlichem Querschnittsbereich einem herkömmlichen rohrförmigen oder festen Element zur Verfügung gestellt werden kann oder alternativ eine ähnliche Leistung von einem kleineren und leichteren Element, während weniger Menge an Siliciumcarbid verwendet wird.
  • Ein Heizelement des Standes der Technik kann in Dokument US 4,272,639 angesehen werden.
  • Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung ein Siliciumcarbidofenheizelement in Streifenform mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 22 vor.
  • Vorzugsweise sind die Heizelemente nicht hohl.
  • Vorzugsweise weisen die Heizelemente ein Querschnittslängenverhältnis von mehr als 5:1, bevorzugter von mehr als 10:1 auf.
  • Unter dem Längenverhältnis wird das Verhältnis von Breite zu Dicke des Streifen verstanden.
  • Weitere Merkmale der Erfindung werden in den Ansprüchen klargestellt, im Lichte der folgenden veranschaulichenden Beschreibung und unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen:
  • 1 einen Querschnitt eines herkömmlichen rohrförmigen Heizelementes zeigt;
  • 2 das entrollte rohrförmige Element zum Bilden eines Streifenelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ein U-förmiges dreiteiliges Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ein U-förmiges einteiliges Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 ein sinusförmiges Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und
  • 6 einen Querschnitt eines gebogenen Streifenelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 1 weist ein herkömmliches rohrförmiges Heizelement 1 einen Durchmesser D und eine Wandstärke W auf. Der Oberflächenbereich, der strahlen kann, ist definiert durch den Umfang πD des Elements. Der Querschnittsbereich des Rohrmaterials ist annähernd nDW.
  • In 2 ist das Rohr entrollt gezeigt, um einen Streifen 2 mit einer Länge πD und einer Dicke W zu bilden. Wiederum ist der Querschnittsbereich des Materials des Rohres annähernd nDW, jedoch ist der Oberflächenbereich, der strahlen kann, durch den Umfang 2π(D+W) des Elements gegeben. Das Entrollen des Rohres verdoppelt effektiv die Strahlungsfläche, während es den Materialquerschnittsbereich unverändert belässt.
  • Zusätzlich ist der Gesamtbereich des Rohres 1 πD2/4, wohingegen der des Streifens 2 bei nDW liegt. Daher beträgt das Verhältnis des Bereichs des Streifens zum Rohr 4W/D. Für ein Rohr mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Wanddicke von 5 mm ergibt dies ein Verhältnis des Gesamtbereichs des Streifens zum Rohr von 0,5. Durch Vermindern des Gesamtbereichs des Elements kann ein kleineres Loch in einer Ofenwand in Erwägung gezogen werden.
  • Dieser Heizabschnitt kann flach sein, jedoch wird es für viele Anwendungsmöglichkeiten erwartet, dass der Heizabschnitt ein- oder mehrfach gebogen wird, insbesondere aus der Ebene des Streifens heraus, um die Anordnung verschiedenen Arten von Anlagen anzupassen, jedoch insbesondere an indirekte elektrische Widerstandsöfen.
  • Die 3 und 4 zeigen eine mögliche Form (ein U) für den Heizabschnitt. In 3 enthält ein dreiteiliges Heizelement einen einfachen U-förmigen Streifen 3, der eine heiße Zone mit einem hohen spzifischen Widerstand vorsieht, verbunden mit "kalten Enden" 4, 5 mit einem niedrigen Widerstand in herkömmlicher Form, wobei der spezifische Widerstand der kalten Enden niedriger ist als der des heißen Abschnitts und/oder einen größen Querschnittsbereich aufweist. Endseitige Enden 6, 7 dienen der elektrischen Verbindung mit einer Energiequelle.
  • 4 zeigt ein einstückiges Heizelement, enthaltend einen einfachen U-förmigen Streifen mit einem U-förmigen Körper 8, der eine heiße Zone mit einem hohen spezifischen Widerstand definiert, und Arme, die kalte Enden 9, 10 mit einem niedrigen Widerstand und endseitige Enden 11, 12 definieren. Das Modifizieren von Siliciumcarbid, um Bereiche mit einem unterschiedlichen spezifischen Widerstand in dieser Art vorzusehen, ist eine bekannte Technologie.
  • Andere Formen eines Elements werden betrachtet, wo ein oder mehrere Heizabschnitte mit mehr als einem gebogenen Abschnitt geformt werden, um mit der Form der Anlage übereinzustimmen, in die das Element/die Elemente eingepasst wird/werden und/oder um eine geeignete Verbindung mit entweder einer einphasigen oder einer dreiphasigen elektrischen Energiequelle vorzusehen. Beispielsweise kann ein W-förmiges Element leicht hergestellt werden. Für ein dreiphasiges Heizelement können drei Streifen miteinander verbunden werden, um einen Stern oder eine andere Konfiguration zu formen.
  • In 5 enthält ein im Wesentlichen U-förmiges Element 13 einen geraden Arm 14 und einen sinusförmigen Arm 15, eine größere Strahlungsfläche für die Länge des Elements gebend, als durch ein Element mit zwei geraden Armen vorgesehen würde.
  • In 6 ist ein Streifen 16 in zumindest einem Teil seiner Länge gekrümmt, mehr als flach, um eine zusätzliche Festigkeit entlang seiner Länge vorzusehen. Dort, wo der Streifen gebogen wird, um ein U zu formen, wird es bevorzugt, dass der Streifen nicht gekrümmt wird, wo er gebogen ist, sondern nur im geraden Bereich.
  • Siliciumcarbidelemente mit einer im Wesentlichen U-Form sind bekannt und wurden früher hergestellt unter Verwendung eines rohrförmigen oder festen zylindischen Heizabschnitts. Die Biegung kann entweder durch Gießen in eine Form mit der Form eines Us geformt werden, beispielsweise durch Schlickergießen, jedoch ist Schlickergießen ein nicht bevorzugtes und relativ teures Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidheizelementen.
  • Gussverfahren beschränken die Teilchengröße des Siliciumcarbidmaterials, das herkömmlicherweise bei der Herstellung verwendet werden kann und, wo Material mit groben Körnchen erforderlich ist, wird das Gießen nicht als ein praktikables Herstellungsverfahren angesehen. Ebenfalls, wenn es wünschenswert sein sollte, die Heizelemente mit einer hochdichten, reaktionsgebundenen Materialgüte herzustellen, dann ist wiederum das Schlickergießen ein nicht bevorzugter Herstellungsweg, da das Gussmaterial oder der Schlicker sowohl Siliciumcarbid als auch Kohlenstoff enthalten muss, und es ist nicht leicht, solche Körper in einer kontrollierten und wiederholbaren Art und Weise zu gießen.
  • Wo eine Massenherstellung von Siliciumcarbidelementen erforderlich ist, ist das bevorzugte Herstellungsverfahren das durch Extrusion, wo Siliciumcarbidkörner oder Mischungen von Siliciumcarbid und Kohlenstoff mit Bindemitteln und Weichmachern gemischt werden, damit sie durch geeignete Umformwerkzeuge oder Sets aus Umformwerkzeug und Bolzen extrudiert werden können, wo hohle Abschnitte hergestellt werden sollen. [Es kann Anwendungen geben, bei denen es vorteilhaft sein könnten, dass der Streifen hohl ist (weniger Material wird benötigt, im Gewicht leichter, leichter zu verbinden, wenn 3-stückig, geringeres Risiko gegenüber einem thermischen Schock) und die vorliegende Erfindung schlägt hohle Streifen vor]. Die Extrusion ist ein streng kontrolliertes und wiederholbares Verfahren, geeignet für die Massenherstellung von qualitativ hochwertigen elektrischen Heizelementen in Siliciumcarbid.
  • Wenn das extrudierte Material Kunststoff sein muss, um es zu extrudieren, dann ist es möglich, seine Form durch Biegen oder Formen zu verändern, nachdem die Extrusion stattgefunden hat, jedoch vor dem Trocknen und Heizen. Überlegungen wurden angegeben in Bezug auf das Biegen und Formen herkömmlicher Stäbe oder Rohre, aus denen Siliciumcarbidelemente normalerweise hergestellt werden können, jedoch wohnt diesem Verfahren ein großer Nachteil inne: das Biegen der Form vergrößert die Länge des äußeren Umfangs der Biegung und reduziert die Länge des inneren Umfangs. Folglich wird Material auf der Außenseite der Kurve gedehnt unter Vermindern der Dichte, und Material auf der Innenseite der Fläche wird komprimiert unter Vergrößern der Dichte oder Zerknittern des Materials.
  • Mit im Wesentlichen laminaren Heizabschnitten kann die Dicke des Querschnitts weniger klein gemacht werden, wodurch der Umfangsunterschied zwischen den inneren und äußeren Längen der Krümmung vermindert wird und dadurch der Wechsel der Materialdichte und jede Verbiegung oder Zerbrechen des extrudierten Materials minimiert werden. Vorteilhaft kann durch Biegen nur aus der Ebene des Streifens heraus (und nicht Biegen in der Ebene des Streifens) ein Verbiegen oder ein Zerbrechen des extrudierten Materials minimiert werden.
  • Zu Testzwecken hat die Anmelderin Siliciumcarbidheizelemente durch Extrusion mit einem Querschnitt von 5 mm Dicke und 45 mm Breite (Längenverhältnis von 9:1) und 3 mm Dicke und 36 mm Breite (Längenverhältnis von 12:1) hergestellt.
  • Einmal geformt, können die streifenförmigen Elemente irgendeinem der normalen Bearbeitungsschritte für Siliciumcarbidheizelemente unterzogen werden – z.B. Imprägnieren, Glasieren, Metallisieren der Enden.
  • In der vorliegenden Erfindung ist ein streifenförmiges Siliciumcarbidheizelement mit einem größeren Verhältnis von abstrahlendem Oberflächenbereich zu Volumen als bei einem herkömmlichen rohrförmigen Element vorgesehen.

Claims (16)

  1. Extrudiertes, streifenförmiges Siliziumkarbid-Ofenheizelement, wobei der Streifen ein Querschnittslängenverhältnis von über 3:1 aufweist.
  2. Ofenheizelement nach Anspruch 1, wobei das Element nicht hohl ist.
  3. Ofenheizelement nach Anspruch 2, wobei das Querschnittslängenverhältnis größer als 5:1 ist.
  4. Ofenheizelement nach Anspruch 3, wobei das Querschnittslängenverhältnis größer als 10:1 ist.
  5. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Element nicht streifenförmige, kalte Enden aufweist.
  6. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Abschnitte des Streifens einen herabgesetzten Widerstand aufweisen und kalte Enden ausbilden.
  7. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Streifen aus der Ebene des Streifens heraus gebogen ist.
  8. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das streifenförmige Element im Wesentlichen U-förmig ist.
  9. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Streifen im Querschnitt mindestens über einen Teil seiner Länge gekrümmt ist.
  10. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Heizabschnitt ein umkristallisiertes, selbstgebundenes Siliziumkarbidmaterial aufweist.
  11. Ofenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Heizelement reaktionsgebundenes oder reaktionsgesintertes Siliziumkarbid aufweist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Ofenheizelements nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Streifenvorformling durch Extrusion hergestellt und nach der Extrusion in Form gebogen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei kalte Enden getrennt vom Heizabschnitt hergestellt und später damit verbunden werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei kalte Enden einstückig mit dem Element ausgebildet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Heizabschnitt zum Ausbilden eines selbstgebundenen Siliziumkarbidmaterials umkristallisiert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Material des extrudierten Vorformlings derart ist, dass das Endprodukt reaktionsgebundenes oder reaktionsgesintertes Siliziumkarbid aufweist.
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