SE525477C2 - Elektriskt värmeelement med strålningstub - Google Patents

Description

25 30 525 477 Normalt löses detta genom att installera element som täcker olika bredd av ugnsutrymmet, där utvecklad effekt kan varie- ras efter den produkt som behandlas. Detta innebär dock att man ej kan installera maximal effekttäthet i förhållande till ugnsutrymmets begränsningsytor mätt i kW/m2.

Ett annat sätt är att använda spiralelement som indelas i olika zoner vilka förses med uttag som löper koaxiellt med spiralaxeln. Detta elementsystem är dock ej möjligt att di- mensionera för hög effekt per strålningstub.

Den elementtyp som ur tillförlitlighetssynpunkt kombinerat med möjlighet till högt effektuttag per strâlningstub är attraktiv är den typ som brukar benämnas fàgelburselement, s.k. Käfigelement, eller bundle rod element som saluföres av Kanthal AB under namnet Tubothal.

Traditionellt har denna elementtyp dock utförts som serie- kopplade element, där värmetråden beskriver en enkel slinga mellan två strömuttag. Vid större element förekommer även stjärn- respektive delta-kopplade slingor varvid elementet förses med tre alternativt fyra uttag. För applikationer där en låg matningsspänning eftersträvas förekommer även att elementslingan parallellkopplas mellan två strömuttag. Även fyra uttag förekommer, varvid man teoretiskt kan tänka sig att koppla in en slinga då en deleffekt önskas och båda vid full effekt.

Gemensamt för dessa traditionella elementkonstruktioner är dock att effekten ej kan fördelas olika utefter stràlningstu- bens längsaxel. Anledningen till att man ej vill utföra ele- mentet med två eller flera zoner längs elementaxeln är att pz\patranor\docskiocworkßlutíöreläggande.inl.doc, 2004-02-02 70 75 20 25 30 i 525 477 inbyggnaden av extra uttag och ihopkopplingspositioner i alltför stor grad inverkar på tillgängligt utrymme för värme- alstrande elementtråd eftersom de extra uttagen måste löpa varvid högeffektsfördelen uteblir. framförallt då inuti stràlningsröret, Även risken för elektriskt överslag ökar, elementtråden är av NiCr-typ.

Föreliggande uppfinning löser detta problem.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett elekt- riskt värmeelement med strålningstub innefattande ett strål- ningsrör och ett elektriskt värmeelement inuti detta, vilket värmeelement har skänklar löpande fram och åter i röret, och vilket värmeelement är förbundet med strömuttag vid rörets ena nära en ugnsvägg belägna ände, genom vilka elementet för- ses med elektrisk ström, där elementet uppbäres i röret av keramiska skivor försedda med genomgående hål i vilka elemen- tets skänklar löper och i vilket strålningsrör två element är belägna efter varandra utmed stràlningsrörets längdaxel, och utmärkes av, att en mittstång löper centralt i stràlningsrö- ret från rörets nämnda ena ände till rörets motsatta andra ände, av att mittstången löper igenom centrum på varje kera- misk skiva, av att mittstàngen utgör ett strömuttag för åt- minstone ett av elementen, av att ett inkopplingsområde för de två i stràlningsröret förekommande elementen är beläget mellan elementen i rörets längsled, i vilket inkopplingsomrà- de respektive element är anslutet till respektive strömuttag, av att stopporgan förefinns vilka är anordnade att väsentli- gen kvarhålla i inkopplingsomràdet förefintliga keramikskivor i riktning utmed rörets längdaxel, av att keramikskivor för uppbärande av respektive element är placerade på avstånd från nämnda inkopplingsområde, av vilka åtminstone vissa keramik- skivor medelst stopporgan relativt respektive element är p:\patra.nor\docsßocworkßlutföreläggande.in].doc, 2004-02-02 10 15 20 25 30 s2sg477 fritt förskjutbara utmed röret när respektive element expan- derar eller kontrakterar på grund av en förändring av elemen- tens temperatur.

Nedan beskrives uppfinningen närmare delvis i samband med ett på bifogade ritningar visade utföringsexempel, där - figur 1 visar ett längdsnitt genom en stràlningstub med elektriskt värmeelement - figur 2 visar ett snitt efter A-A i figur 1 - figur 3 visar ett snitt efter B-B i figur 1 - figur 4 visar ett snitt efter C-C i figur 1 - figur 5 visar ett snitt efter D-D i figur 1 - figur 6 visar ett snitt efter E-E i figur 1 - figur 7 visar ett snitt efter F-F i figur 1 - Figur 8 schematiskt visar keramikskivor och element inuti ett stràlningsrör.

I figur 1 visas ett elektriskt värmeelement med stràlningstub innefattande ett strålningsrör 1 och ett elektriskt värmeele- ment 2, 3 inuti detta. Vardera värmeelementet 2, 3 har skänk- lar löpande fram och åter i röret 1. Värmeelementen är för- bundna med strömuttag 4, 5, 6 vid rörets 1 ena nära en ugns- vägg 7 belägna ände 8, genom vilka elementet förses med elektrisk ström. Elementen 2, 3 uppbäres i röret av keramiska skivor 9 försedda med genomgående hål i vilka elementens 2, 3 skänklar löper.

Röret 1 och skivorna 9 är utförda i oxidiskt material av Al, Si, Mg, Zr och/eller Y, eller nitrider eller borider av ämne- na Si och/eller Ti. Ett vanligt material är Al2O3. Röret 1 kan också vara utfört i ett FeCrAl - material. p:\patranor\docskiocworkßlutíöreläggande.inLdoc, 2004-02-02 70 15 20 25 30 525 477 I strálningsröret 1 är två element belägna efter varandra ut- med strâlningsrörets längdaxel.

I figur 1 visas röret uppdelat och med elementen uppdelade utmed rörets och elementens längd.

Enligt uppfinningen löper en mittstång 10 centralt i strål- ningsröret 1 från rörets nämnda ena ände 8 till rörets mot- satta andra ände 11. Mittstången 10 löper igenom centrum på varje keramisk skiva 9. Mittstången 10 är utförd i ett elekt- riskt ledande material och lämpligen i samma material som elementen, lämpligen ett FeCrAl - material.

Mittstången 10 utgör ett strömuttag för åtminstone ett av elementen.

Vidare är ett inkopplingsområde för de två i stràlningsröret förekommande elementen 2, 3 beläget mellan elementen i rörets längsled, i vilket inkopplingsområde 12 respektive element är anslutet till respektive strömuttag. Detta innebär att in- kopplingsområdet som är beläget väsentligen i mitten längs röret bildar den termiska referenspunkten vad gäller elemen- tens termiska längdutvidgning.

Stopporgan förefinns vilka är anordnade att väsentligen kvar- hålla i inkopplingsområdet 12 förefintliga keramikskivor 9 i riktning utmed rörets längsaxel.

Ytterligare keramikskivor 9 för uppbärande av respektive ele- ment 2, 3 är placerade på avstånd från nämnda inkopplingsom- råde 12, respektive element är fritt förskjutbara utmed röret när vilka keramikskivor medelst stopporgan relativt p:\patranor\docs\docworldslutfiåreläggande.inLdoc, 2004-02-02 10 75 20 25 30 525 477 respektive element 2, 3 expanderar eller kontrakterar på grund av en förändring av elementens temperatur.

Kortfattat avser denna uppfinning att sammanföra de nödvändi- ga ihopkopplingszonerna till en kompakt volym samt att ut- nyttja en tidigare enbart ur mekanisk synpunkt nödvändig kom- ponent, nämligen mittstângen 10, som uttag 5. Detta medför att den mot rörets l insida strålande trådytan ökas och kan utnyttjas för effektuttag.

Genom att använda FeCrAl-material, i synnerhet ett material med benämningen Kanthal APM, minskar behovet av nödvändigt expansionsutrymme för permanent förlängning av elementen. Vi- dare minskar risken för överslag och risken för krypströmmar drastiskt på grund av materialets ringa sprättning. Sprätt- ningen är i princip obefintlig och utifall sprättning sker så är det aluminiumoxid vilket är en elektrisk isolator.

Genom att utnyttja FeCrAl-materialets goda oxidations/korro- sionsegenskap även vid höga arbetstemperaturer, vilket blir en följd av hög energitäthet, kan den volymoptimerade över- kopplings- och uttagsanslutningszonen 12 förläggas valfritt längs elementens axel. Detta ger utöver designfrihet en för- del i och med att de två effektzonerna kan ges en gemensam referenspunkt för termiska expansioner, vilket minskar risken för oönskade mekaniska deformationer till följd av ojämnheter i termisk expansion föranledd av olika fristrâlningsgrad för termisk massa, position i ugnen etc. elementen, friktion, Det 4 eller de 4, 6 strömuttag som löper till respektive ele- ment 2, 3 från rörets nämnda ena ände 8 för att bilda en strömkrets med nämnda mittstàng 10 löper genom ifrågavarande keramikskiva 9. p:\patranor\docsßocworkßlutflåreläggande.inLdoc, 2004-02-02 70 75 20 25 30 525 477 Enligt en föredragen utföringsform förefinns keramiska hylsor 13 - 17 utanpå och längs nämnda mittstång 5. Hylsorna är an- ordnade att tillsammans distansera keramikskivorna 9, förutom de keramikskivor 14, 15 som är belägna vid respektive ele- ments skänkeländar vid rörets ändar, från varandra.

Det är föredraget att de keramikskivor 14, 15 som är belägna vid respektive elements skänkeländar löper utanpå nämnda hyl- sor 13. Den keramikskiva 15 som är belägen vid rörets nämnda andra ände kan löpa direkt på mittstången 5.

Det är föredraget att mittstången 5 i dess fria icke ström- upptagande ände uppbäres av en keramikskiva som är fästad vid mittstången 5 medelst brickor 29, 30.

Genom hylsorna 13 - 17 hålls de mittersta vid inkopplingsom- rådet förefintliga keramikskivorna 18 - 21 på plats efter mittstången, liksom de närmast inkopplingsområdet förefintli- ga keramikskivorna 22, 23 och en keramikskiva 24 belägen när- mast den keramikskiva som är närmast rörets nämnda andra ände 11. Keramikskivans 24 rörelse åt höger i figur 1 begränsas av en bricka 25 fästad på mittstången.

Det är föredraget att vid åtminstone vissa skänkeländar 26 är skänkeln kortsluten med en elektrisk ledare 27, såsom en platta utförd i samma material som elementen, nära ifrågava- rande keramikskiva 9 och på motsatt sida om keramikskivan re- lativt skänkeländen 26. Detta utförande innebär att keramik- skivan hålls kvar vid elementens skänkeländar.

Den ovan beskriva infästningen medför att när elementen ex- panderar på grund av ökad temperatur kommer de att expandera p:\patxanor\docskiocworldslutföreläggande.inl.doc, 2004-02-02 70 15 20 25 30 525 477 genom att deras ändar vid keramikskivorna 14, 15 rör sig åt vänster respektive höger i figur 1. Härvid kommer även kera- mikskivorna 14, 15 att röra sig åt vänster respektive höger i figur 1. Detta illustreras med keramikskivorna 14a och 15a i figur 1. Emellertid kommer inkopplingszonen att förbli vä- sentligen stilla. I och med att expansionen sker utåt i röret åt båda hàllen, las utmed rörets längd, vilket inte blivit fallet om den ter- så kommer en jämn värmestrålning att bibehål- miska referenspunkten legat nära eller vid en av rörets än- dar.

Det är föredraget att strålningsröret är ett slutet rör för att elementen inte skall påverkas av den i ugnen förekommande atmosfären.

Vidare är det föredraget att två strålningsrör 1 är placerade axiellt efter varandra i ett ugnsrum, varvid dessa väsentli- gen täcker ugnens bredd. I sådant fall är änden med strömut- tagen hos respektive rör vänt mot ugnsväggen.

Figur 8 är en icke fullständig schematisk skiss. Som framgår används nämnda plattor för att förbinda och kortsluta element också i inkopplingsområdet 12.

I figurerna 2 - 7 visas olika snitt av stràlningstuben i fi- gur 1. Med siffran 31 illustreras elektriskt ledande plattor för att sammanbinda och kortsluta olika skänklar 32 av ele- menten. Med siffran 33 betecknas skänkeländar som ligger un- der keramikplattan i figuren. Med siffran 34 betecknas skän- keländar.

Enligt en föredragen utföringsform matas det längst bort från ugnsväggen med strömuttag belägna elementet 3 genom nämnda p:\patranor\docsßocworkklutflireläggande.inl.doc, 2004-02-02 10 15 20 25 30 525 477 mittstång 5 och en separat tilledare 35, se figur 2 - 7. Det andra elementet 2 matas med två separata tilledare 36, 37.

Enligt en annan föredragen utföringsform matas båda elementen genom nämnda mittstång och en för varje element separat till- ledare.

Det ovan beskrivna avser att strålningstuben är monterad i horisontellt läge. Emellertid kan strålningstuben även monte- ras i vertikalt läge. Härvid anordnas ett keramikrör direkt utanpå mittstången, vilket keramikrör löper ända ned till det yttre rörets l botten. Keramikskivor och nämnda hylsor monte- ras staplade utanpå keramikröret ända upp till i detta fall ugnstaket 7. I övrigt anordnas strålningstuben såsom ovan be- skrivits.

Det är således tydligt att föreliggande uppfinning löser de inledningsvis nämnda problemen.

Ovan har olika utföringsformer beskrivits. Det är emellertid uppenbart att element med flera eller färre skänklar kan an- vändas, att keramikskivorna kan utföras på annat sätt och att elementen kan inkopplas på annat sätt än vad som beskrivits OVan .

Föreliggande uppfinning skall därför inte anses begränsad till de ovan angivna utföringsformerna, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram. p:\patranor\docshiocworkßlutföreläggande.inLdoc, 2004-02-02

Claims (10)

70 15 20 25 30 2525 477 10 Patentkrav

1. Elektriskt värmeelement med strålningstub innefattande ett strålningsrör (l) och ett elektriskt värmeelement (2,3) inuti detta, vilket värmeelement har skänklar löpande fram och åter i röret, och vilket värmeelement är förbundet med strömuttag vid rörets ena nära en ugnsvägg belägna ände, ge- nom vilka elementet förses med elektrisk ström, där elementet uppbäres i röret av keramiska skivor (9) försedda med genom- gående hål i vilka elementens skänklar löper och i vilket (2,3) strålningsrör två element är belägna efter varandra ut- med stràlningsrörets längdaxel, k ä n n e t e c k n a t a v, att en mittstång (5) löper centralt i strålningsröret (1) från rörets nämnda ena ände (8) till rörets motsatta andra (ll), av att mittstången (5) löper igenom centrum på (9), strömuttag för åtminstone ett av elementen (12) ände av att mittstången (5) (3), för de två i strålningsröret förekom- mande elementen är beläget mellan elementen (2,3) (12) (4 - 6)/ varje keramisk skiva utgör ett av att ett inkopplingsområde i rörets (1) längsled, i vilket inkopplingsområde respektive ele- ment är anslutet till respektive strömuttag av att stopporgan (13-17) förefinns vilka är anordnade att väsentli- gen kvarhàlla i inkopplingsområdet förefintliga keramikskivor (18-23) i riktning utmed rörets längsaxel, av att keramikski- för uppbärande av respektive element är placerade på (12), vor (9) av vilka åtmin- (27) avstånd från nämnda inkopplingsområde stone vissa keramikskivor (l4,l5) medelst stopporgan re- lativt respektive element är fritt förskjutbara utmed röret (l) när respektive element expanderar eller kontrakterar på grund av en förändring av elementens temperatur.

2. Elektriskt värmeelement enligt krav 1, k ä n n e - att det eller de (4,5) strömuttag som t e c k n a t av, p:\patranor\docsßocworkßlutförelâggande.inl.doc, 2004-02-02 70 15 20 25 30 525 477 ll löper till respektive element (2,3) från rörets nämnda ena ände för att bilda en strömkrets med nämnda mittstång (5) löper genom ifrågavarande keramikskivor (9).

3. Elektriskt värmeelement enligt krav 1 eller 2, k ä n n e- t e c k n a t a v, att keramiska hylsor (13-17) förefinns utanpå och längs nämnda mittstång (5), vilka hylsor är anord- (9), som är belägna vid respektive ele- (8,ll), nade att tillsammans distansera keramikskivorna förutom de keramikskivor (l4,l5) ments (2,3) skänkeländar vid rörets ändar från var- andra. 2 eller 3, k ä n - (14,l5)

4. Elektriskt värmeelement enligt krav l, n e t e c k n a t a V, att de keramikskivor som är belägna vid respektive elements skänkeländar löper utanpå nämnda hylsor (13).

5. Elektriskt värmeelement enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t att vid åtminstone vissa skän- (26) a v, keländar är skänkeln kortsluten med en elektrisk ledare (27) nära ifrågavarande keramikskiva (9) och på motsatt sida om keramikskivan relativt skänkeländen (26). 4 eller 5, (28) är

6. Elektriskt värmeelement enligt krav l, 2, 3, att en keramikskiva k ä n n e t e c k n a t a v, fästad vid mittstången (5) i dess fria icke strömupptagande ände.

7. Elektriskt värmeelement enligt krav l, 2, 3, 4, 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a t a v, att stràlningsröret (l) är ett slutet rör. p:\patranor\docsßocworkßlutfißreläggande.inLdoc, 2004-02-02 70 15 525 477 12

8. Elektriskt värmeelement enligt krav l, 2, 3, 4, 5, 6 el- ler 7, (1) är placerade axiellt efter varandra i ett ugnsrum, k ä n n e t e c k n a t a v, att två strålningsrör varvid dessa väsentligen täcker ugnens bredd.

9. Elektriskt värmeelement enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v, att det längst från ugnsväggen (2) matas genom nämnda (35) och av att det (36,37). (7) med strömuttag belägna elementet mittstång (5) och en separat tilledare andra elementet matas med två separata tilledare

10. Elektriskt värmeelement enligt något av kraven 1 - 8, k ä n n e t e c k n a t a v, att båda elementen (2,3) matas genom nämnda mittstång (5) och en för varje element separat tilledare. p:\patranor\docsViocworkßlutßrelåggande.inLdoc, 2004-02-02