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Elektrisch beheizter Ofen mit einer Mehrzahl von Siliziumkarbidheizelementen
Gewisse Arten von nicht metallischen elektrischen Widerstandselementen, wie sie
zur Beheizung von industriellen und anderen Öfen verwendet werden, verändern sich
hinsichtlich ihres elektrischen Widerstandswerts mit zunehmendem Alter. Diese Änderung
des Widerstandswerts ist verschieden von der als Folge des Temperaturkoeffizienten,
des Werkstoffes und darf ferner nicht mit den nicht linearen Charakteristiken verwechselt
werden, die sich bei Widerständen dieser Art bei Änderungen der an sie angelegten
Spannungen: ergeben.
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Der Widerstandswert von Sil.iziumkarbidwiderständen, wie sie im großen
Umfange für Öfen verwendet werden, erhöht sich mIt dem Gebrauch in solchem Ausmaße,
daß solche Widerstände, schon nach einer vergleichsweisse kurzem; Lebensdauer nicht
mehr die notwendige Wärme ergeben. Bisher sind zwei Verfahren zum Ausgleich dieser
Änderungen in Benutzung. B,ei dem ersten dieser Verfahren wird ein Anzapftransformator
verwendet,, mittels, dessen die an die Widerstände angelegte Spannung geändert werden
kann. Eine solche Maßnahme ist mit erheblichen Beschaffungskosten verbunden und
außerdem für Gleichstrom nicht anwendbar. Gemäß dem zweiten Verfahren wird in Reihe
mit dem Netz ein Ballastwiderstand so geschaltet, daß mit der
Erhöhung
des Widerstandswerts des Elements der Spannungsabfall in dem Netz größer wird. Bei
diesem Verfahren ist die Ausgleichsmöglichkeit beschränkt, und durch den Ballastwideristand
wird eine erhebliche Energiemenge vergeudet.
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Zweck der Erfindung ist es, einen Ausgleich der Veränderungen des
Widerstandswerts mit dem Altern solcher Elemente (die der Einfachheit halber im
folgenden als Siliiziumkarbidelemente bezeichnet werden) zu schaffen, bei welchem
die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden.
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Von einem Gesichtspunkt aus wird durch die Erfindung ein Ofen nüt
einer Mehrzahl von Siliziumkarbidheizelementen in Kombination mit Mitteln geschaffen,
durch welche in Zeitabständen die Elemente wahlweise in einer Aufeinanderfolge von
Gruppen (serien-parallel) geschaltet werden, deren Gesamtwiderstand in Abhängigkeit
von den Widerständen der Einzelelemente fortlaufend abnimmt, so daß der Gesamrtwiiderstand
eich nur innerhalb eines engen Bereichs ändert, wenn. der Widerstand der Elemente
im Verlauf des Gebrauchs ansteigt..
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Von einem anderen Gesichtspunkt aus .schafft die Erfindung ein Verfahren
zum Betriebe eines Ofens mit einer Mehrzahl vorn Siliziumkarbi:dheizelementen, welches
darin, besteht, daß: die Elemente in Zesftabständ,en in einer Aufeinanderfolge von
Gruppen umgruppiert werden, von denen jede zeitlich folgende einen Gesarnüwidenstandl
besitzt,, der im Verhältnis zu dem Elementwiderstand kleiner ist als: der der vorangehenden
Gruppe, wobei die periodische Umgruppierung in solchem Zeitabständen erfolgt, daß
der Gesamtwiderstand des Ofens innerhalb eines engen. Bereichs. verbleibt.
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Für den Zweck der Erfindung ist es erwünscht, wenn auch nicht unbedingt
wichtig, daß die ,numer rische Zähl der Elemente eine große Anzahl von Faktoren
enthält. Aus diesem Grund ist eine geeignete Anzahl von Elementen, die von zwölf,
welche in zwei parallelen Gruppen von, sechs Elementen in Reihe geschaltet werden
können, ferner auch von vier parallelen Gruppen zu j e drei oder drei parallelen
Gruppen zu je vier oder sechs parallelen Gruppen von j e zwei. in Reihe.
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Die besonderen Eigenschaften der S iliziumkarbidelemente sind bei
dem einen Element gegenüber dem anderen verschieden. Elemente; welche dazu neigen,
schneller zu altern als, andere, mitt denen sie in Reihe geschaltet sind, würden
einen zu starken Abfall eines Teils der Spannung bewirken. Dies wird gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung dadurch verhindert, daß in den mehreren verschiedenen
Gruppen alle Punkte miit nominell gleichem Potential durch Ausgleichsverbindungen
miteinander verbunden werden.
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Um Irrtümer zu vermeiden, ist es wichtig, daß die Schalteranordnung
beim Umschalten von einer Gruppenschaltung zur anderen alle Anschlüsse an die Elemente
zur gleichen Zeit schaltet. Die An-
schlüsse von den einzelnen Elementen können
an einenDrehschalter herangebracht werden, welcher in jeder seiner aufeinanderfolgenden
Stellungen die Elemente in der geeigneten Gruppenschaltung an die Zuleiitung anschließt,
und zwar unter Verbindung von Punkten, die nominell gleiches Potential
be-
sitzen. Waldweise könrmn die Anschlüsse nach einem Klemmbrett geführt
werden, an welchem ein beliebiges einer Reihe von Schaltbrettern angebracht werden
kann, wobei die Anschlußglieder an diesen Schaltbrettern die gewünschten Gruppenschaltungen
vervollständigen.
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Andere Merkmale der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung
einer vorzugsweisen Ausführungsform derselben an Hand der Zeichnungen ersichtlich;
von denen Fig. i ein schematisches Schaltbild der Gesamtanordruung darstellt; Fig.2
isih eine schematische perspektivische Ansmcht von zwölf Elementen und zeigt die
ständigen Verbindungen zwischen diesen; F'ig. 3 zeigt die bisherige normale Arbeitsweise
und Fig. q. die Arbeitsweise eines Ofens, gemäß, der Erfindung.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform wird ein Ofen, durch zwölf
Siliziumkarbidrwiderstandselemeavte a, b, c, d, e, f, a', b', c ; d',
e', f' von j e gleichen mminellen Widerstandswerten beheizt. Zwischen dielsen
Elementen sind ständige Verbindungen, so vorgesehen; daß, acht Elemente a,
b, c, d,
d', b', c'*, ä in Reihe geschaltet sind, und die übrigen vier
Elemente f, e, e', f' ihrerseits in. Reihe; wobei diese vier Elemente parallel
mit den mittleren vier, c, d, d', c ; der ersten acht- geschaltet sind und
Verbindungen zwischen denjenigen Anschlüssen dieser Elemente dieser parallelen Anordnung
hergestellt sind, welche das gleiche nominelle Potential besitzen.
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Die Verbindungen werden von den Anschlüssen der acht in Reihe geschalteten
Elemente nach einem Drehschalter i geführt. Dieser hat neun Klemmen, die aufeinanäerfolgend
mit A3, Al, A2; A4, B5, B4, B2, Dl und B3 bezeichnet sind. An diese sind die AnscWüsse
von- einem Ende der Reihen nach dem anderen gerechnet aufeinanderfolgend angeschlossen.
Zwei weitere Klemmen an dem Drehschalter sind mit N und L bezeichnet.
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Diese Klemmen N und L sind an die Hauptstromquelle :2 über
ein zweipoliges Schütz oder eine äquivalente Anordnung 3 angeschlossen, und ein
kleiner Ballastwiderstand q. ist zwischen das Schütz und die Klemme L geschaltet,
um einen zusätzlichen Ausgleich zwischen den Schaltstufen zu bewirken.
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Der Drehschalter hat vier Stellungen. In der ersten dieser Stellungen
wird die Verbindung L mit A j sowie N mit Bi, A2 mit A3, B2 mit B@ hergestellt,
und die Widerstände sind dann- in zwei parallelen Sätzen von je sechs Widerständen
in Reihe geschaltet.
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In der zweiten Stellung werden. L mit A2, N mit B2, A1 mit
A4, B1 mit B4, A3 mit B3 verbunden, und die Widerstände sind somit in drei parallelem
Sätzen geschaltet von je vier Widerständen in Reihe. A3 ist ferner mit B5 verbunden,
da B5 das gleiche Potential wie A3 besitzt.
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In der dritten Stellung sind L mit Al und mit Bi, ferner
N mit B5, A4 mit B4, A2 mitA3, B2 mit B3 verbunden, und die Widerstände
sind somit in vier parallelen
Sätzen geschaltet: von je drei Widerständen
in Reihe.
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In; der vierten Stellung sind L mit Al und mit; B4,
N
mit Bi und mit A4, A2 mit 4 Bz mit B3 verbunden und die Widerstände
derart in sechs. parallelen Sätzen von je zwei- Widerständen in Reihe geschaltet.
B2 st ferner mit dem potentialgleichen Punkt B5 verbunden.
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In jeder Stellung des Schalters sind sämtliche Punkte des Widerstandsstromkreises
von'nominell gleichem Potential miteinander verbunden.
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Der Ofen wird zunächst in der ersten, Stellung des Schalters. betrieben.
Wenn die Widerstände im Gebrauch altern, so erhöht sich ihr Widerstandswert, und
die Belastung des Ofens nimmt ab. Wenn die Belastung auf einen zulässigen Mindestwert.
abgesunken ist, so wird der Drehschalster dn die zweite Schaltstellung gedreht,
und es werden derart die Widerstände umgruppiert, mit dem Ergebnis einer Erhöhung
der Belastung des Ofens. Der Ofen wird nun in: dieser Schaltistellung weiter betrieben,
bis die Belastung wieder auf den Mindestwert abgesunken ist, und: der Schalter dann
in die dritte Stellung gedreht u!sw., bis. die Ofenbelastung in der vierten Stellung
des Schalters auf das zulässige Minimum abgesunken ist,, womit die übliche Lebensdauer
der Widerstände zu Ende isst.
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Zur Veranschaulichung der Vorzüge dieses. Ve-rfahrens zum Betrieb
des Ofens sei der folgende Vergleich gegeben. In einem Fall (in Fig. 3 dargestellt)
wurde ein Ofen mit, zwölf Siliziumkarbidwiderständen mit einem Ballastwiderstand
nach dem bekannten Verfahren betrieben. Der Belastungswert des Ofens betrug zu Anfang
6,6 kW und: sank im Laufe von 15 Tagen bei täglich 24stündigem Betrieb auf 3,1 kW
ab, worauf die Widerstände ausgewechselt werden muß,ten. Die Ballastbelastung fiel
während dieser Periode von 2,2 auf 0,4 kW ab.
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In einem ähnlichen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung betriebenen
Ofen betrug die! Anfangsbelastung, wie aus Fig. 4 hervorgeht, bei zwei einander
parallelen Sätzen von je sechs Widerständen in Reihenschaltung 5,5 kW und fiel im
Verlauf von 9 Tagen bei ebenfalls 24stündigem Betrieb auf 3,3 kW ab. Die Widerstände
wurden dann im drei Sätzen von je vier Widerständen in Reihe gruppiert, und die
Belastung stieg auf 5,6 kW an., um in weiteren 12 Tagen auf 3,5 kW abzufallen. Die
nächste Umgruppierung in vier Sätze von je drei Widerständen in Reihe änderte den
Belastungswert auf 5 kW. Dieser fiel innerhalb von 8 Tagen auf 3,3 kW ab, und die
letzte Umgruppierung (sechs Sätze von je zwei in Reihe) bewirkte eine Veränderung
des Anfangsbelastungswertts- auf 5,6 kW, der nach 9 Tagen auf 3,6 kW abfiel, worauf
die Widerstände ausgewechselt wurden. Ein kleiner Ballastwiderstand (von 2,54 Ohm)
wurde in Reihenschaltung mit dem Ofen verwendet,. Während- der ganzen Lebensdauer
der Widerstände schwankte, der Ballast, belastungwert innerhalb der Grenzen von
1,5 und o,4 kW.
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Es ist hieraus ersichtlich, daß im zweiten Fall die Lebensdauer der
Widerstände 58 Tage gegenüber 15 Tagen: in dem ersten Ofen betrug und daß die in
dem Ballastwiderstand verbrauchte Energiemenge je Stunde weniger als, 50 °/o derjenigen
des ersten Falls betrug.
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Die Verbindung der Punkte von gleichem Potential in dem Widers:tandsstromkreils
eines Ofens miteinander gleicht, nicht nur anfängliche Unterschiede der Widerstandswerte
aus., sondern auch solche, die später als Folge eines verschieden schnellen Alterns
der einzelnen Siliziumkarbi;delemente eintreten.
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Selbstverständlich is. die Erfindung nicht auf die vorstehend im.
einzelnen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind zahlreiche
Abänderungen möglich, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen,.