DE69210287T2

DE69210287T2 - Patronenheizkörper

Info

Publication number: DE69210287T2
Application number: DE69210287T
Authority: DE
Inventors: Shigetoshi Nagano; Akira Sogabe; Akira Takanaka
Original assignee: Sakaguchi Dennetsu KK
Current assignee: Sakaguchi Dennetsu KK
Priority date: 1991-02-26
Filing date: 1992-02-26
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2012-02-27
Also published as: SG49226A1; KR920017513A; DE69210287D1; JPH04272685A; EP0501788A1; EP0501788B1; US5198641A; KR970004827B1; TW210420B; HK27197A

Description

Diese Erfindung betrifft einen ummantelten Heizkörper bzw. Mantelheizkörper, insbesondere eine Verbesserung eines Mantelheizkörpers zur Verwendung in einer Atmosphäre höherer Temperatur.
Der herkömmliche Mantelheizkörper oder Fatronenheizkörper verwendet ein Metallrohr, z.B. ein Rohr aus nichtrostendem Stahl. Wenn dabei der Mantelheizkörper in einer Atmosphäre einer hohen Temperatur von mehr als 600ºC eingesetzt wird, nimmt ein zum Mantelrohr von der inneren Heizspule oder Widerstandsspule fließender Kriechstrom zu, weil der Isolationswiderstand des in das Metallrohr eingefüllten Wärmeisoliermaterialelements, wie Magnesiumoxid, mit sich erhöhender Temperatur abnimmt. Wenn der Kriechstrom eine vorbestimmte Größe übersteigt, wird der Schutzschalter der Stromquelle für den Mantelheizkörper zum Unterbrechen des Stromkreises aktiviert. Wenn mehrere Mantelheizkörper gleichzeitig benutzt werden, wird der Schutzschalter häufig zur Unterbrechung des Stromkreises aktiviert. Die Heizoperation kann daher nicht wirksam durchgeführt werden.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen herkömmlichen Mantelheizkörper 30, umfassend ein Metallrohr 31, z.B. ein Rohr aus nichtrostendem Stahl, eine das Metallrohr 31 an seinem Bodenabschnitt abdeckende bzw. verschließende Bodenplatte 32, einen auf dem (der) Zentrum bzw. Mittellinie des Metallrohrs 31 angeordneten Kern aus Porzellanisolator 33, zwei Zuleitungs- oder Leiterstifte 34, deren Basisteile in kleine (enge) Bohrungen eingesetzt sind, welche den Kern aus Porzellanisolator 33 durchsetzend geformt sind, eine um den Kern aus Porzellanisolator 33 herumgewickelte Heizspule 35 und ein wärmebeständiges Isoliermaterialelement 37, das in einen zwischen dem Metallrohr 31 und dem Kern aus Porzellanisolator 33 festgelegten Raum eingefüllt ist.
Bei einem solchen Mantelheizkörper 30 verringert sich der Isolationswiderstand des Isoliermaterialelements 37 im Metallrohr 31 in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg, wenn der Mantelheizkörper in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC eingesetzt wird. Infolgedessen erhöht sich ein von der inneren Heizspule 35 über das Isoliermaterialelement 37 zum Metallrohr 31 fließender Kriechstrom, so daß der zwischen den Mantelheizkörper und seine Stromquelle eingeschaltete (nicht dargestellte) Schutzschalter zum Unterbrechen des Heizvorgangs aktiviert wird. Infolgedessen findet der Heizvorgang mit vermindertem Wirkungsgrad bzw. verminderter Leistung statt. Bei Verwendung mehrerer Mantelheizkörper muß zudem die Bedienungsperson einen Mantelheizkörper, dessen Kriechstrom sich erhöht hat, herausfinden und ihn auswechseln, worauf der Schutzschalter arbeits- und zeitaufwending deaktiviert werden muß.
Bisherige Herstellungsverfahren für Mantelheizkörper sind z.B. in den offengelegten JP-Patentveröffentlichungen (JP-Osen) 155690/83, 157080/83 und 157079/83 offenbart. Beim Verfahren gemäß der JP-OS 155690/83 wird ein dünnes Metallblech oder ein Metalldraht zwischen das Metallrohr und die Heizspule eingefügt und nach dem Zusammensetzen des Mantelheizkörpers zum Oxidieren erwärmt, um das Verdampfen der Heizspule zu verhindem, so daß damit eine Verringerung des Isolationswiderstands des Wärmeisoliermaterialelements, wie Magnesiumoxid, vermieden wird.
Diese Maßnahme reicht jedoch nicht aus, den Kriechstrom zu verkleinern, der in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC von der Heizspule zum Metallrohr fließt.
Gemäß der JP-OS 157080/83 ist oder wird die Innenumfangsfläche des Metallrohrs mit einem ein Metalloxidpulver enthaltenden Lack (paint) beschichtet, um zum gleichen Zweck, wie oben angegeben, das Verdampfen der Heizspule zu verhindern. Diese Maßnahme reicht jedoch ebenfalls nicht aus, den Kriechstrom in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC zu verringern; zudem ist es sehr schwierig, die gesamte Innenumfangsfläche des Metallrohrs gleichmäßig mit dem Lack zu beschichten. Ferner ist dieses Verfahren komplex und kostenaufwendig.
Gemäß der JP-OS 157079/83 ist bzw. wird die Innenumfangsfläche des Metallrohrs mit einem Metall beschichtet; nach dem Zusammensetzen des Mantelheizkörpers wird das Metall mittels Wärme oxidiert, um die gleiche Wirkung, wie oben erwähnt, zu erreichen. Bei diesem Mantelheizkörper kann jedoch der Kriechstrom in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC, wie erwähnt, nicht ausreichend verkleinert werden.
Die GB 11 01 275 offenbart einen Mantelheizkörper gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Mantelheizkörper den vom inneren Heizelement zum Metallrohr fließenden Kriechstrom zu verringern, so daß der Mantelheizkörper in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC benutzt werden kann.
Die Lösung obiger Aufgabe gelingt mit einem Mantelheizkörper gemäß den anhängenden Ansprüchen, der in einer Ausführungsform ein Metallrohr, dessen gesamte Innenumfangsfläche im voraus oxidiert worden ist, ein in das Metallrohr eingesetztes inneres Heizelement, an die jeweiligen Enden des Heizelements angeschlossene Leiterstifte und ein wärmebestandiges Isoliermaterialelement, das in einen zwischen dem Metallrohr und dem inneren Heizelement gebildeten Raum eingefüllt ist, umfaßt.
Die Lösung der obigen Aufgabe gelingt auch mit einem Mantelheizkörper, der ein Metallrohr, ein in das Metallrohr eingesetztes inneres Heizelement, an die jeweiligen Enden des Heizelements angeschlossene Leiterstifte und ein wärmebeständiges Isoliermaterialelement, das in einen zwischen dem Metallrohr und dem inneren Heizelement gebildeten Raum eingefüllt ist, umfaßt, wobei die Außenflächen des inneren Heizelements und der Leiterstifte im voraus oxidiert worden sind.
Beim erfindungsgemäßen Mantelheizkörper kann der vom inneren Heizelement zum Metallrohr fließende Kriechstrom auch dann ausreichend verringert oder unterdrückt sein, wenn der Mantelheizkörper in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC eingesetzt wird, weil sich ein zufriedenstellender Oxidfilm einer guten Isolierfähigkeit bei hoher Temperatur sehr einfach auf der gesamten Innenfläche des Metallrohrs oder den Außenflächen von Heizelement und Leiterstiften erzeugen läßt, indem diese Teile in Gegenwart von genügend Sauerstoff einer Atmosphäre höherer Temperatur ausgesetzt oder mit Chemikalien, etwa einem Oxidationsmittel, behandelt werden.
Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Schnitt-Seitenansicht eines herkömmlichen Mantelheizkörpers,
Fig. 2 einen lotrechten Schnitt längs einer Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnitt-Seitenansicht eines Mantelheizkörpers gemäß dieser Erfindung,
Fig. 4 einen Schnitt längs einer Linie 4-4 in Fig. 3,
Fig. 5 eine Schnitt-Seitenansicht eines Mantelheizkörpers gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 6 einen Schnitt längs einer Linie 6-6 in Fig. 5,
Fig. 7 eine Schnitt-Seitenansicht eines Mantelheizkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 8 einen Schnitt längs einer Linie 8-8 in Fig. 7.
Im folgenden ist eine Ausführungsform dieser Erfindung anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Mantelheizkörper 12 umfaßt ein Metallrohr 1 aus nichtrostendem Stahl, Eisen oder einem sonstigen wärmebeständigen Sonderstahl mit einer aus dem gleichen Werkstoff bestehenden, an seinem Bodenteil geformten Bodenplatte 2, einen Kern aus Porzellanisolator bzw. Porzellanisolatorkern 5, der durch Verdichten von Magnesiumoxid o.dgl. hergestellt und auf dem Zentrum (auf der Mittellinie) des Metallrohrs 1 angeordnet ist, zwei Zuleitungs- oder Leiterstifte 7, deren Basisteile in den Porzellanisolatorkern 5 durchsetzend geformte, kleine bzw. enge Bohrungen 6 eingesetzt sind, eine Heizspule 8 aus um den Porzellanisolatorkern herumgewickeltem Nichrome- (nickrome) bzw. Chrom/Nickel- Draht und ein aus Magnesiumoxid o.dgl. bestehendes wärmebeständiges Isoliermaterialelement 10, das in einen zwischen dem Metallrohr 1, der Bodenplatte 2 und dem Porzellanisolatorkern 5 gebildeten Raum eingefüllt ist. Die beiden Leiterstifte 7 sind dabei mit den jeweiligen Enden der Heizspule 8 elektrisch verbunden, um ein Heizelement 9 zu bilden.
Vor dem Zusammensetzen des Mantelheizkörpers werden erfindüngsgemäß jeweils die gesamte Innenumfangsfläche 3 des Metallrohrs 1 und die Innenfläche 3a der Bodenplatte 2 oder aber die Außenumfangsflächen der Heizspule 8 und der beiden Leiterstifte 7 oxidiert, indem diese Teile in Gegenwart von genügend Sauerstoff einer Atmosphäre höherer Temperatur ausgesetzt oder mit Chemikalien, etwa einem Oxidationsmittel, behandelt werden.
Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung ist nachstehend anhand der Fig. 5 und 6 erläutert.
Bei dieser Ausführungsform besteht ein Mantelheizkörper 12a aus einem Metallrohr 21 aus nichtrostendem Stahl, Eisen oder einem sonstigen wärmebeständigen Sonderstahl, einer inneren (oder eingebauten), in das Metallrohr 21 eingesetzten Heizspule 28 aus Nichrome- bzw. Chrom/Nickel-Draht, an die beiden (gegenüberliegenden) Enden der Heizspule 28 angeschlossenen und aus dem Metallrohr 21 herausgeführten Leiterstiften 27 und einem wärmebeständigen Isoliermaterialelement 29 aus Magnesiumoxid o.dgl., das in einen zwischen dem Metallrohr 21 und der inneren Heizspule 28 gebildeten Raum eingefüllt ist.
Vor dem Zusammensetzen des Mantelheizkörpers werden die Innenumfangsfläche 23 des Metallrohrs 21 oder aber die Außenumfangsflächen der Heizspule 28 und der Leiterstifte 27 oxidiert, indem diese Teile in Gegenwart von genügend Sauerstoff einer Atmosphäre höherer Temperatur ausgesetzt oder mit Chemikalien, etwa einem Oxidationsrnittel, behandelt werden.
Bei der weiteren Ausführungsform dieser Erfindung besteht das innere Heizelement eines Mantelheizkörpers 12b aus einem geraden Draht 38.
Bei diesen Ausführungsformen wird ein Metallrohr eines kreisförmigen Querschnitts verwendet. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß auch ein Metallrohr eines rechteckigen, dreieckigen, elliptischen oder sonstigen Querschnitts verwendet werden kann.
Das Oxidieren kann in der Weise erfolgen, daß das Metallrohr usw. in dem genügend Luft oder Sauerstoff enthaltenden Elektroofen etwa 5 min bis mehr als 10 h auf die Temperatur von etwa 300 - 1300ºC oder etwa 5 min bis 1 h auf die Temperatur von etwa 1000 - 1300ºC erwärmt wird, bis die Farbe der gesamten Innenumfangsfläche des Metallrohrs usw. auf eine hellbraune, braune oder schwarze Färbung übergeht. Wenn die oxidierte Oberfläche eine hellbraune Färbung annimmt, nimmt aufgrund der Oxidation das Gewicht der oxidierten Metalloberfläche um etwa 0,01 mg/cm² der oxidierten Oberfläche zu.
Durch diese Oxidation wird der Isolationswiderstand des auf diese Weise erzeugten Oxidfilms ausreichend groß, um den Kriechstrom auch bei Temperaturen über 600ºC zu verringern bzw. zu unterdrücken.
Beim erfindungsgemäßen Mantelheizkörper kann der Kriechstrom bei Einsatz des Mantelheizkörpers in einer Hochtemperatur-Atmosphäre von mehr als 600ºC auf 1/3 bis 1/10 desjenigen beim herkömmlichen Mantelheizkörper verkleinert sein, weil das Metallrohr oder die Heizspule und die Leiterstifte vollständig und gleichmäßig oxidiert sind und der Isolationswiderstand des so erzeugten Oxidfilms sehr hoch ist.
Erfindungsgemäß kann mithin der Kriechstrom wirksam verringert oder unterdrückt sein, wodurch Störungen aufgrund der häufigen Aktivierung des zwischen die Mantelheizkörper und ihre Stromquelle eingeschalteten Schutzschalters unter bunden werden; zudem kann der Heizvorgang mittels des Mantelheizkörpers wirkungsvoll und wirtschaftlich durchgeführt werden.

Claims

1. Mantelheizkörper, umfassend ein Metallrohr (1, 21), ein in das Metallrohr (1, 21) eingesetztes inneres Heizelement (8, 28, 38), an die jeweiligen Enden des Heizelements (8, 28, 38) angeschlossene Leiterstifte (7, 27) und ein wärmebeständiges Isoliermaterialelement (10, 29), das in einen zwischen dem Metallrohr (1, 21) und dem inneren Heizelement (8, 28, 38) gebildeten Raum eingefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Innenumfangsfläche (3, 23) des Metallrohrs (1, 21) im voraus oxidiert worden ist.

2. Mantelheizkörper, umfassend ein Metallrohr (1, 21), ein in das Metallrohr (1, 21) eingesetztes inneres Heizelement (8, 28, 38), an die jeweiligen Enden des Heizelements (8, 28, 38) angeschlossene Leiterstifte (7, 27) und ein wärmebeständiges Isoliermaterialelement (10, 29), das in einen zwischen dem Metallrohr (1, 21) und dem inneren Heizelement (8, 28, 38) gebildeten Raum eingefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenumfangsfläche(n) des inneren Heizelements (8, 28, 38) und der Leiterstifte (7, 27) im voraus oxidiert worden ist (sind).

3. Mantelheizkörper nach Anspruch 2, wobei die gesamte Innenumfangsfläche (3, 23) des Metallrohrs (1, 21) im voraus oxidiert worden ist.

4. Mantelheizkörper nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, wobei das innere Heizelement (8, 28) in einer Spulenform vorliegt.

5. Mantelheizkörper nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, ferner umfassend einen auf dem Zentrum des Metallrohrs (1) angeordneten Kern aus Porzellanisolator bzw. Porzellanisolatorkern (5), wobei das innere Heizelement (8) eine um den Porzellanisolatorkern (5) herumgewickelte Spule ist.

6. Mantelheizkörper nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, wobei das innere Heizelement (38) ein gerader Draht ist.

10

7. Verfahren zur Herstellung eines Mantelheizkörpers mit reduzierter Stromableitung bzw. reduziertem Kriechstrom im Hochtemperaturbetrieb, umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen

(1) eines Metallrohrs (1, 21) mit einer Innenurnfangsfläche (3, 23) und

(2) eines Heizelements (8, 28, 38) mit an Enden desselben angebrachten Leiterstiften (7, 27),

Einsetzen des Heizelements (8, 28, 38) und der Leiterstifte (7, 27) in das Metallrohr (1, 21), (und)

Füllen eines zwischen dem Heizelement (8, 28, 38) und den Leiterstiften sowie dem Metallrohr geformten Raums mit einem aus einem wärmebeständigen Isoliermaterial (10, 29) geformten Element,

welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß vor dem Einsetzschritt unmittelbar in einer genügend Luft oder Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre zumindest

1) die gesamte Innenumfangsfläche (3, 23) des Rohrs (1, 21) und/oder

2) die Außenflächen des Heizelements (8, 28, 38) und der Leiterstifte (7, 27)

oxidiert wird/werden.

8. Verfahren zur Herstellung des Mantelheizkörpers nach Anspruch 7, wobei das Oxidieren in solchem Maße erfolgt, daß zumindest eine hellbraune Färbung erreicht wird.