WO2021170260A1 - Gaserhitzer-heizelement-herstellungsverfahren - Google Patents

Gaserhitzer-heizelement-herstellungsverfahren Download PDF

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WO2021170260A1
WO2021170260A1 PCT/EP2020/080000 EP2020080000W WO2021170260A1 WO 2021170260 A1 WO2021170260 A1 WO 2021170260A1 EP 2020080000 W EP2020080000 W EP 2020080000W WO 2021170260 A1 WO2021170260 A1 WO 2021170260A1
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WO
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heating element
electrical heating
gas heater
gas
monolith
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Application number
PCT/EP2020/080000
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Klahn
Sebastian Becker
Dietmar Rüger
Original Assignee
Sunfire Gmbh
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Publication date
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/002—Air heaters using electric energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
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    • H05B2203/014—Heaters using resistive wires or cables not provided for in H05B3/54
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    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material

Definitions

  • the invention relates to a gas heater-heating element manufacturing method, wherein the gas heater-heating element has at least one electrical heating element in a monolith, in the monolith a support and channel structure is formed with a plurality of channels, the electrical heating element in the channels of the support and Channel structure is guided, from the heating element heat within the channels can be transferred to a gas flowing through the channels for heating the gas and / or for achieving high gas temperatures.
  • the gas heater is designed in particular for vertical flow, but also for horizontal use, and in particular for gas temperatures from 800 ° C to 1200 ° C. Due to its geometry, the gas heater is superior to conventional heaters in terms of reliably reaching the desired gas temperature in the temperature range mentioned and, at the same time, comparatively long operating times until the heating wire fails.
  • the design of the gas heater heating element is based on the patent EP 2 926623 B2 "Heating element and process heater", whereby the manufacturing process is completely new.
  • the document EP 2 926623 B2 discloses a heating element for heating gases to high temperatures, with at least one tube designed for the flow of hot or gas to be heated and an electrical heating wire in the tube which is used for the transfer of heat to the heating wire passing gas is designed.
  • the document also relates to a process heater with a housing with a gas supply and a gas outlet, a heating space between the gas supply and gas outlet for receiving a heating element and electrical connections for at least one heating element.
  • Corresponding heating elements have been known for a long time. They consist of at least one tube through which gas can flow and which is open on both sides for the purpose of flow, a heating wire being arranged in the tube, past which the gas flows and is heated by direct contact with the heating wire.
  • heating wire is used as a generic term both for relatively thin coiled wires and for heating rods according to the invention with a corresponding longitudinal axis that extends essentially along or parallel to the axis of the pipe and fills the pipe to the extent that that there is only one between the heating element and the pipe wall relatively small, clear distance remains, which is a maximum of 10 mm and preferably significantly less, even if it can be larger at certain points, is used.
  • tube is defined in the document EP 2 926 623 B2 as a cavity with an inlet and an outlet opening, which corresponds to the support and channel structure from this document.
  • the heating element from EP 2 926623 B2 is currently, and so this seems to be the only possible variant, made of bent heating wire and extruded ceramic rods which form gas channels.
  • the ceramic rods are then arranged next to one another with as little space as possible so that a minimal bypass flow is formed.
  • the gas to be heated flows along the heating wire through the ceramic rod.
  • a ceramic block drilled several times can be used instead of individual ceramic rods.
  • the publication suggests alternatively filling the spaces between the ceramic rods with a suitable material in a gas-tight manner or using cover plates.
  • the production of the heating elements for the gas heater is associated with a high production effort and high production costs due to, among other things, the small-scale structure and the cost-intensive ceramics in terms of production and the materials used.
  • the vertical installation of the heating elements as well as the vertical gas flow are technically complicated and can therefore be produced again at high cost.
  • the realization of large, powerful gas heaters with the production method according to the prior art of the heating elements from EP 2 926623 B2 is not practicable and economically feasible.
  • the content of EP 2 926623 B2 is also known from the publication DE 10 2014 102474 A1.
  • the document DE 101 42 768 A1 describes a method for producing ceramic brake disks from a green compact, consisting of SMC with reinforcing fibers and subsequent pyrolization and melt infiltration.
  • the method comprises the production of the green body from a sandwich of SMC, thermoplastic insert, SMC in one work step in a tool under pressure and temperature, the insert being the green body fills in its entire area and is designed through openings so that the upper and lower SMC layers are connected to one another at least in places.
  • the ceramic is produced by sintering a green compact.
  • the required cooling channels in the ceramic brake discs are created by burning out a sacrificial material generated.
  • the publication relates exclusively to the manufacture of ceramic brake discs. By burning out the sacrificial material, cooling channels are exposed, which are also used exclusively for this purpose. No heating wire is inserted into the channels of the ceramic body.
  • the publication DE 2451 175 A1 discloses complex ceramic heating elements of an appropriate geometric shape and low resistance cross section, in which in dense, temperature and temperature changes (shock) resistant, corrosion-immune, physiologically neutral, dielectric ceramic materials metallic heating conductors of determinable power, for one to three-phase Connection type sintered in as an energy conductor for heating liquids, gases and solid substances.
  • the heating elements can be immersed in these media and / or flowed through by them.
  • the heating power and service life of these heating elements surpass conventional designs. Manufacturing methods and suitable ceramic materials are described.
  • a ceramic heater-heating wire composite product is produced via a continuous casting process and by sintering the ceramic.
  • Flow channels are molded into the ceramic as separate channels.
  • the space around the heating wires is explicitly made tight in order to exclude contact with the medium to be heated.
  • the flow channels are not created by melting / burning out a sacrificial material, but rather molded into the ceramic using the continuous casting process.
  • the publication EP 1 191 002 A1 describes the production of an aluminum nitride sintered body with excellent mechanical strength, in which ceramic particles are prevented from detaching from the surface and / or the side of the particles and the generation of free particles is thus suppressed.
  • the sintered aluminum nitride sintered body contains sulfur.
  • the sintered body is used to manufacture a ceramic heater and is manufactured using a ceramic molding process.
  • the ceramic heater is used as a radiant heater for heating silicon wafers. Due to the high purity requirements of the silicon wafers, a special selection of the ceramic material is made.
  • the publication deals exclusively with a radiant heater for silicon wafers and not a gas heater. No gas flow channels are created by burning out a sacrificial material.
  • the document US 2016/273 801 A1 discloses a gas heater heating element having a monolith / monolithic body in a support and channel structure and at least one continuous heating element, guided through the support and channel structure in the monolith.
  • a gas heater heating element is also known from the document GB 499 074 A.
  • no suitable manufacturing method for such a gas heater heating element is specified.
  • the present invention is based on the object of providing a manufacturing method for gas heater heating elements that is practicable for the realization of both small and large, powerful gas heater heating elements and can be implemented economically due to reduced manufacturing effort and manufacturing costs.
  • the gas heater-heating element manufacturing method wherein the gas heater-heating element has at least one electrical heating element in a monolith, in the monolith a support and channel structure is formed with a plurality of channels, the electrical heating element is guided in the channels of the support and channel structure , heat within the channels can be transferred from the electrical heating element to a gas flowing through the channels to heat the gas and / or to achieve high gas temperatures, has the following steps:
  • the production of the channel structure before the actual production of the monolithic structure can be identified as a particular advantage of the production method disclosed here.
  • the simple coating of the electrical heating element before the monolith production for the defined formation of the subsequent space through the coating to be removed represents a special production step.
  • the gas heater-heating element manufacturing process according to the invention results in a considerable reduction in costs for the manufacture of the gas heater-heating element, since the manufacturing effort and the manufacturing time are reduced. It is now possible to use continuous, i.e. one-piece, also machine-made gas heater heating elements.
  • a self-supporting structure is made possible, which means the combination of electrical heating element with support and channel structure in one component.
  • there are other possible functional combinations such as thermal insulation, electrical insulation, gas flow or catalyst support structure.
  • the electrical heating element can in particular be designed as a heating wire and / or as a heating wire with a variable diameter and / or as a heating wire with a variable geometric structure and / or several different heating wires and / or as a heating grid and / or as a heating grid structures.
  • different amounts of heat can be introduced into individual areas or sections of the gas heater heating element, depending on the heating element geometry.
  • the electrical heating element can be arranged and / or shaped to be homogeneous or inhomogeneous or homogeneously in sections and inhomogeneously in sections in order to meet corresponding requirements for the amount of heat required.
  • the electrical heating element and in particular the heating wire can be shaped as desired and arranged with different densities.
  • an inhomogeneous distribution of the electrical heating elements within the gas heater-heater can also be implemented, which can counteract possible uneven gas heating, for example in edge areas of the heater.
  • the heater can be configured with the electrical heating elements in accordance with the flow profiles.
  • reflector elements for reflecting thermal radiation can be embedded or in the edge areas and / or in the outer area of the monolithic structure attach.
  • Heating wires, heating plates and heating rods as well as heating grids and combinations of the aforementioned can be used as electrical heating elements. However, other special designs are also possible.
  • the electrical heating element can be formed from three sections, namely a first connection section which is formed outside the monolith and on a gas inflow side, a channel section which is formed inside the monolith and a second connection section which is outside the monolith and on a gas outflow side.
  • a first connection section which is formed outside the monolith and on a gas inflow side
  • a channel section which is formed inside the monolith
  • a second connection section which is outside the monolith and on a gas outflow side.
  • a casting mold can be used to produce the monolith, for which purpose the production method can in particular have the following steps:
  • Temperatures higher than 800 ° C is temperature resistant, and has a high electrical resistance and a high thermal conductivity and
  • Concrete or another ceramic embedding material that meets the requirements can be used as a temperature-resistant material for pouring on the casting mold.
  • the material is poured into the casting mold and then sufficiently hardened for subsequent process steps until it has reached the necessary strength. In this way it is prevented that the channel and supporting structure to be formed can be deformed in an uncontrolled manner during the removal of the filling material or the firing.
  • the monolith can also be produced in a press mold and in particular have the following steps:
  • sand or another corresponding material is suitable as the pressure transfer material.
  • Ceramic powder, for example, or another material that meets the requirements can be used as the sintered material.
  • the coating of the electrical heating element can be removed by melting out and / or by burning out and / or by chemical removal.
  • a corresponding process step can be carried out depending on the material used for the coating. For example, paints can be easily removed by chemical removal. On the other hand, waxes can be melted out very well.
  • the steps of removing the coating of the electrical heating element and / or removing the removable filler material and / or firing or sintering the temperature-resistant material can be combined in one process step.
  • the filling material must be removed.
  • the removable filler material and the coating of the wire can particularly preferably be removed in the same process step.
  • the filler material should therefore preferably be selected with material properties similar to those of the coating.
  • a casting resin or wax can be used as the filler material. If, for example, a wax is used, it can also be melted out without direct contact with air / oxygen. The wax can melt out and run into / penetrate the print transfer material. If, on the other hand, a burn-out method is used, contact with air / oxygen is required.
  • the green compact with the embedded heating wire or electrical heating element has sufficient stability, before sintering and simultaneous removal of the coating, in particular by burning out, the print transfer material must be removed.
  • the coating or the filler material can be removed before firing.
  • the at least one coating material can also be selected such that it has a lower melting temperature and a lower flash point than the temperature-resistant material.
  • the electrical heating element can be shaped in the form of a heating wire by bending and / or winding the heating wire to form heating wire rows and / or by folding it to form heating wire packages. This is a very simple way of producing the required electrical heating element.
  • the electrical heating element can be designed as a heating wire, particularly preferably as a single continuous heating wire.
  • the shaping of the heating wire includes both the bending or winding of the heating wire into rows of heating wires and the subsequent folding into heating wire packages, so that there are different variants in terms of length and shape of the formed heating wire and the appearance of the finished heating wire can be optimized as required.
  • the heating wire is bent into rows of heating wires, the result is a limited leg length of the heating wire due to the process or machine.
  • the leg length can be variably adjusted depending on the size of the mandrel. It is also possible to bend the heating wire using other winding methods, such as the double-pin winding method
  • hot bending or stress-relieving annealing can be carried out as required, this being dependent on the dimensioning of the overall structure and whether it can be warped or sheared due to stresses.
  • the heating wire or the electrical heating element is better centered in the later channel and support structure. This requires an optimized flow of gas through the support and channel structure.
  • guide elements can be used in which the shaped wire can be inserted in order to keep it in shape.
  • wax and / or plastic and / or gel and / or lacquers can be used as the at least one material of the coating material.
  • the coating material can comprise at least one layer made of a viscous or pasty release agent and at least one layer made of a non-viscous material.
  • a viscous or pasty release agent can be used as the non-viscous material.
  • polyethylene or another suitable polymer can be used as the non-viscous material.
  • the wire can be coated with a material or a material system with a lower melting point or flash point, with “lower” or “lower” referring to the material with which the casting mold is filled.
  • the temperatures necessary for melting out or burning out the coating are in particular dependent on the type of coating material, in particular on its melting and / or flame temperature. Since wax and / or plastic, for example, are used as the low-melting or low-melting coating material, the temperatures necessary for melting or burning out the coating can be significantly below those necessary for sintering or burning the monolith. In this way, the steps of removing and firing or sintering can advantageously be combined in one method step.
  • the same material or a similar material or a material which can be used to fill the lower area of the casting mold to cover the bends with respect to the step of removing has at least similar properties.
  • a resin or a wax is used, the area around the bends can be melted together with the coating of the wire or else burned away.
  • the thickness of the coating material on the electrical heating element can be designed to be unevenly shaped, at least in sections.
  • different thicknesses can develop on the electrical heating element, which leads to a non-homogeneous structure of the channel and support structure in the monolithic structure.
  • this enables great variability in the design of the channel and support structure that can be formed in this way.
  • Larger spaces can be designed in the interior of the channel structures, which can then have a positive influence on the heating of the flowing gas.
  • complex inner channel structures can also be formed, for example to calm flows or to make them turbulent.
  • the thickness of the variable coating on the heating wire makes it possible to set the flow channel cross-section in a targeted manner.
  • the thickness of the non-viscous material can be used to define the diameter of the duct and support structure to be formed, while the viscous material acts as a separating agent between the non-viscous material coated heating wire and the temperature-resistant material and thus facilitates processing.
  • the gas heater heating element manufactured according to one of the gas heater heating element manufacturing processes according to the invention, has according to the arrangement a monolith / monolithic body with a support and channel structure, the support and channel structure being formed in a monolith manufacturing process and not subsequently introduced, and at least a continuous electrical heating element guided through the support and channel structure in the monolith.
  • the support and channel structure of the monolith / monolithic body with respect to the inside diameter of the support and channel structure can be shaped unevenly at least in sections.
  • the support and channel structure monoliths / monolithic bodies can be shaped at least in sections to be non-uniform with respect to the spacing of the channels of the channel section of the support and channel structure.
  • the gas heater heating element can also have one or more monoliths / monolithic bodies with a respective support and channel structure and a corresponding electrical heating element.
  • the monoliths can be arranged next to one another or one behind the other. Since the shape of the monolith can also be varied, the gas heater heating element can be integrated into different housings. In addition, vertical integration of the gas heater heating element can be carried out easily.
  • the monolith can furthermore have reflector elements for reflecting thermal radiation, which are embedded or attached in edge areas and / or in the outer area of the monolithic structure.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a bent heating wire
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a bent heating wire folded into a heating wire package
  • Fig. 3 is a schematic representation of a wound heating wire
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a wound heating wire folded to form a heating wire package
  • FIG. 5 is a schematic representation of a heating wire package after coating
  • Fig. 6 is a schematic representation of a centering profile
  • FIG. 7 a schematic representation of a coated heating wire package, fixed in a casting mold
  • FIG. 8 a schematic representation of a coated heating wire package, fixed and cast in a casting mold
  • FIG. 9 is a schematic representation of a coated heating wire package, fixed and cast outside the casting mold, before melting out and firing;
  • FIG. 10 is a schematic representation of a coated heating wire package, fixed in a press mold
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a coated heating wire package, fixed in a press mold, filled with sintered material
  • FIG. 12 is a schematic representation of a coated heating wire package in a press mold, completely covered;
  • FIG. 13 is a schematic representation of the pressing process to produce a green heating wire pack;
  • FIG. 14 is a schematic representation of a green heating wire package after the removal of the unpressed pressure transfer material, before melting out and sintering;
  • FIG. 15a shows a schematic representation of a finished gas heater heating element with an exposed gas channel structure after melting out and firing or sintering
  • Fig. 15b an enlarged schematic representation of a finished gas heater heating element with exposed gas channel structure after melting and firing or sintering and
  • Fig. 16 three partial images a, b, c of a gas heater heating element in the monolithic structure as a detailed representation.
  • curved heating wire 21 is shown in the form of a heating wire row. This production variant of the heating wire series has a limited leg length.
  • FIG. 2 shows the bent heating wire 21 from FIG. 1 unfolded to form a heating wire package made of bent heating wire 211.
  • wound heating wire 22 is shown in the form of a heating wire row.
  • This production variant of the heating wire series has a variable leg length depending on the mandrel used.
  • the mandrel is variable in size and shape.
  • Other winding methods can also be used for manufacture.
  • Fig. 4 shows the wound heating wire 22 from Fig. 3 unfolded to form a heating wire package made of wound heating wire 221.
  • a heating wire package made of wound heating wire 221 can be seen after coating with a material with a lower melting temperature or lower flash point 3 than the embedding material 9 (cf. FIG. 9).
  • the hatched coating 3 is applied to the heating wire with a uniform outer radius.
  • the coating can be formed with an inhomogeneous thickness or with a varying outer radius and / or from a material system consisting of several materials with a sufficiently lower melting temperature or exist with a lower flash point.
  • hatching of the coated wire is dispensed with, even if the braid wire is coated in accordance with the respective exemplary embodiment.
  • FIG 6 a possible embodiment of a centering profile 4 for better centering of the braiding wire in the later support and channel structure 11 is shown.
  • the centering profiles 4 are placed on the vertical sections of the braiding wire at previously defined intervals before or after the coating 3 is applied to the braiding wire.
  • FIG. 7 shows a half-shell of a casting mold 5 in which a coated braid wire packet made of wound braid wire 221 with a coating 3 is fixed.
  • the casting mold 5 is filled with a removable filler material 7 to such an extent that the lower bends of the coated braiding wire package made of wound braiding wire 221 are completely covered.
  • the mold 5 from Fig. 7 is so far poured with a temperature-resistant / ceramic embedding material 9 such as concrete that the upper bends of the coated brazing wire are not encapsulated.
  • a temperature-resistant / ceramic embedding material 9 such as concrete that the upper bends of the coated brazing wire are not encapsulated.
  • Refractory concrete is particularly preferably used for the embedding material 9, in which an Al 2 03-rich cement is used.
  • Fig. 9 shows the coated braid wire package made of wound braid wire 221 from Fig. 8, cast in a removable filler material 7 and a temperature-resistant / ceramic embedding material 9, after removal from the mold 5 and before the melting and / or burning out of the removable filler material and the Coating of the braid wire package.
  • the temperature-resistant / ceramic embedding material 9 has been hardened or hardened before the casting mold is removed.
  • FIG. 10 shows a half-shell of a press mold 6 in which a coated braid wire packet made of wound braid wire 221 is fixed with a pressure transfer material 8 such as sand.
  • the pressure transfer material 8 is filled up to such an extent that the lower bends of the coated braiding wire package made of wound braiding wire 221 are completely covered.
  • the pressure transfer material has been poured into the die 6 and then compacted.
  • one or more holding devices can be used in the associated production step.
  • the print transfer material can be compacted e.g. by shaking and / or pressing.
  • the mold 6 from Fig. 10 is filled with a sintered material 10 such as ceramic powder to such an extent that the upper bends of the coated heating wire 221 are not filled.
  • the compression mold 6 from Fig. 11 is filled with a pressure transfer material 8 to such an extent that the coated heating wire package is completely covered.
  • the press mold 6 containing the coated heating wire package made of wound heating wire is thus filled with three layers (pressure transfer material - sintered material - pressure transfer material) lying one on top of the other.
  • Fig. 13 shows schematically the action of force F 13 on the coated heating wire package in the completely filled press mold 6 during the pressing process.
  • the sintered material 10 is pressed in the press mold 6 to form a green compact.
  • FIG. 14 shows the green compact containing the coated heating wire package 221 after the removal of the press mold 6 and the pressure transfer material 8 and before the removal of the coating and the sintering of the green compact 10.
  • FIG. 15a shows a finished gas heater heating element 1 comprising a monolith 12 with a support and channel structure 11 through which a heating wire package made of wound heating wire 221 runs.
  • the coating 3 was removed by melting and / or burning from the coated and cast heating wire package made of wound heating wire 221 from Fig. 9 or from the green compact containing the coated heating wire package from Fig. 14, which leads to the formation of the Support and channel structure 11 has resulted in the monolith 12.
  • the cast-in heating wire package was fired in a casting mold 5 or a press mold 6, or the green part containing the heating wire package was sintered.
  • FIG. 15b shows an enlarged illustration of the finished gas heater heating element 1 from FIG. 15a.
  • the monolith is interspersed with a channel structure which has openings in the vicinity of the bends in the electrical heating element and through which gas can be passed for the purpose of heating.
  • the structure of the gas heater heating element 1 is self-supporting.
  • the heating wire is combined with the support and channel structure 11 in one component. It is characteristic that the monolith 12 containing the support and channel structure 11, as illustrated in the above figures, is formed in one operation. Further functional combinations such as thermal insulation, electrical insulation, gas flow or catalyst support structure are possible.
  • FIGS. 16a and 16b show the coated heating wire 211/221 in the bulk material of the monolith 9/10 before the coating is removed by melting out / burning out and Firing / sintering of the bulk material.
  • the heating wire 211/221 is sheathed in Fig. 16a only by a material 3, in Fig. 16b a sheathing made of a material system consisting of 2 layers 3 and 3 'is indicated.
  • FIG. 16c shows the exposed wire 311/221 after the coating has been removed by melting / burning out and burning / sintering the volume material, so that the support and channel structure 11 is formed in the monolith 12.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, wobei das Gaserhitzer-Heizelement (1) wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Monolithen (12) aufweist, in dem Monolithen (12) eine Trag - und Kanalstruktur (11) mit einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist, das elektrische Heizelement in den Kanälen der Trag- und Kanalstruktur (11) geführt ist und von dem elektrischen Heizelement Wärme innerhalb der Kanäle auf ein durch die Kanäle strömendes Gas zur Erwärmung des Gases und/oder zur Erzielung von hohen Gastemperaturen übertragbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Formen des elektrischen Heizelements; wenigstens abschnittsweises oder vollständiges Beschichten des elektrischen Heizelements mit wenigstens einem Beschichtungsmaterial (3); Einbringen des beschichteten elektrischen Heizelements in eine Form (5, 6) zur Monolith-Herstellung; Herstellen des das beschichtete elektrische Heizelement umgebenden Monolithen (12) und Entfernen des Beschichtungsmaterials (3) des elektrischen Heizelements.

Description

Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, wobei das Gaserhitzer-Heizelement wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Monolithen aufweist, in dem Monolithen eine Trag - und Kanalstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist, das elektrische Heizelement in den Kanälen der Trag- und Kanalstruktur geführt ist, von dem Heizelement Wärme innerhalb der Kanäle auf ein durch die Kanäle strömendes Gas zur Erwärmung des Gases und/oder zur Erzielung von hohen Gastemperaturen übertragbar ist.
Der Gaserhitzer ist insbesondere für eine vertikale Durchströmung, aber auch horizontale Verwendung, sowie insbesondere für Gastemperaturen von 800 °C bis 1200 °C konzipiert. Dabei ist der Gaserhitzer herkömmlichen Heizern aufgrund seiner Geometrie bezüglich des zuverlässigen Erreichens der gewünschten Gastemperatur im genannten Temperaturbereich sowie gleichzeitig vergleichsweise langen Betriebsdauern bis zu einem Versagen des Heizdrahtes überlegen.
Das Design des Gaserhitzer-Heizelementes basiert auf dem Patent EP 2 926623 B2 „Heizelement und Prozessheizer“, wobei das Fertigungsverfahren gänzlich neu ist.
Die Druckschrift EP 2 926623 B2 offenbart ein Heizelement zum Erhitzen von Gasen auf hohe Temperaturen, mit mindestens einem für die Durchströmung von heißem bzw. zu erhitzendem Gas ausgelegten Rohr und einem elektrischen Heizdraht in dem Rohr, welcher für die Übertragung von Wärme auf an dem Heizdraht vorbeiströmendes Gas ausgelegt ist.
Ebenso betrifft die Druckschrift auch einen Prozessheizer mit einem Gehäuse mit einer Gaszufuhr und einem Gasauslass, einem Heizraum zwischen Gaszufuhr und Gasauslass zur Aufnahme eines Heizelementes und elektrischen Anschlüssen für mindestens ein Heizelement. Entsprechende Heizelemente sind seit langem bekannt. Sie bestehen aus mindestens einem von Gas zu durchströmenden Rohr, das zum Zwecke der Durchströmung beidseitig offen ist, wobei in dem Rohr ein Heizdraht angeordnet ist, an welchem das Gas vorbeiströmt und sich durch den direkten Kontakt mit dem Heizdraht erhitzt.
Der Begriff Heizdraht wird gemäß EP 2 926623 B2 als Oberbegriff sowohl für relativ dünne gewendelte Drähte als auch für Heizstäbe gemäß der Erfindung mit einer entsprechenden Längsachse, die sich im Wesentlichen entlang der oder parallel zu der Achse das Rohres erstreckt und dabei das Rohr soweit ausfüllt, dass zwischen Heizstab und Rohrwand nur ein relativ kleiner, lichter Abstand verbleibt, der maximal 10 mm und vorzugsweise noch deutlich weniger beträgt, auch wenn er punktuell größer sein kann, verwendet.
Der Begriff Rohr wird in der Druckschrift EP 2 926 623 B2 als Hohlraum mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung definiert, was der Trag- und Kanalstruktur aus dieser Schrift entspricht.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten von Heizelementen mit verschiedenen Herstellungsverfahren bekannt.
Das Heizelement aus EP 2 926623 B2 wird derzeit, und so scheint dies auch die einzig ausführbare Variante zu sein, aus gebogenem Heizdraht und extrudierten Keramikstäbchen, welche Gaskanäle bilden, hergestellt. Die Keramikstäbchen werden anschließend mit möglichst wenig Zwischenraum, so dass ein minimaler Bypassstrom ausgebildet wird, nebeneinander angeordnet. Das zu erhitzende Gas strömt entlang des Heizdrahtes durch die Keramikstäbchen. Zur Vermeidung des Bypassstromes kann anstelle einzelner Keramikstäbchen auch ein mehrfach gebohrter Keramikblock verwendet werden. Weiterhin schlägt die Druckschrift alternativ vor, die Zwischenräume zwischen den Keramikstäbchen mit einem geeigneten Material gasdicht zu verfüllen oder Abdeckplatten zu verwenden.
Die Herstellung der Heizelemente für den Gaserhitzer ist mit einem hohen Fertigungsaufwand und hohen Fertigungskosten durch unter anderem den kleinteiligen Aufbau und die kostenintensive Keramik bezüglich Fertigung und verwendeter Materialien verbunden. Der vertikale Einbau der Heizelemente sowie die vertikale Gasdurchströmung sind technisch kompliziert und somit nochmals kostenintensiv herstellbar. Die Realisierung großer, leistungsstarker Gaserhitzer ist mit dem Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik der Heizelemente aus EP 2 926623 B2 nicht praktikabel und wirtschaftlich umsetzbar. Der Inhalt der EP 2 926623 B2 ist auch aus der Druckschrift DE 10 2014 102474 A1 bekannt.
Die Druckschrift DE 101 42 768 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Keramikbremsscheiben aus einem Grünling, bestehend aus SMC mit Verstärkungsfasern und anschließender Pyrolisierung und Schmelzinfiltration. Zur Schaffung eines einteiligen Grünlings, der nach der Pyrolyse sehr komplizierte innere Hohlräume aufweist, umfasst das Verfahren das Herstellen des Grünlings aus einem Sandwich aus SMC, thermoplastischem Einleger, SMC in einem Arbeitsschritt in einem Werkzeug unter Druck- und Temperaturbeaufschlagung, wobei der Einleger den Grünling in seiner gesamten Fläche ausfüllt und dabei durch Durchbrüche so gestaltet ist, dass die obere und untere SMC-Lage zumindest stellenweise miteinander verbunden werden.
In der Druckschrift wird die Keramik durch das Sintern eines Grünlings erzeugt. Die benötigten Kühlkanäle in den Keramikbremsscheiben werden durch Ausbrennen eines Opfermaterials erzeugt. Die Druckschrift bezieht sich ausschließlich auf die Herstellung von Keramikbremsscheiben. Durch das Ausbrennen des Opfermaterials werden Kühlkanäle freigelegt, welche auch ausschließlich hierfür genutzt werden. Es wird kein Heizdraht in die Kanäle des Keramikkörpers eingebracht.
Die Druckschrift DE 2451 175 A1 offenbart komplexe Keramik-Heizelemente zweckmäßiger geometrischer Gestalt und widerstandsmomentgünstigen Querschnitts, bei denen in dichte, temperatur- und temperaturwechsel (schock) beständige, korrosionsimmune, physiologisch neutrale, dielektrische keramische Werkstoffe metallische Heizleiter bestimmbarer Leistung, für ein- bis dreiphasige Anschlussart, als Energieleiter zur Beheizung von Flüssigkeiten, Gasen und festen Stoffen eingesintert sind. Die Heizelemente können in diese Medien getaucht und / oder von ihnen durchströmt werden. Die Heizleistung und Gebrauchsdauer dieser Heizelemente übertreffen konventionelle Konstruktionen. Es werden Herstellungsmethoden und geeignete keramische Werkstoffe beschrieben.
In der Druckschrift wird ein keramisches Heizer-Heizdraht-Verbundprodukt über ein Stranggussverfahren und durch Sintern der Keramik hergestellt. Strömungskanäle werden als separate Kanäle in die Keramik eingeformt. Der Raum um die Heizdrähte wird explizit dicht ausgeführt, um den Kontakt mit dem aufzuheizenden Medium auszuschließen. Die Strömungskanäle werden nicht durch das Ausschmelzen / Ausbrennen eines Opfermaterials erzeugt, sondern durch das Stranggussverfahren in die Keramik eingeformt.
Die Druckschrift EP 1 191 002 A1 beschreibt die Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit, in dem keramische Partikel gehindert werden sich von der Oberfläche und / oder der Seite der Partikel zu lösen und die Erzeugung freier Partikel so unterdrückt wird. Der gesinterte Aluminiumnitrid-Sinterköper enthält Schwefel.
Der Sinterkörper dient zur Herstellung eines Keramikheizers und wird über ein Keramikformgussverfahren hergestellt. Der Keramikheizer wird als Strahlungsheizer für das Erwärmen von Siliziumwafern genutzt. Aufgrund der hohen Reinheitsanforderungen der Siliziumwafer erfolgt eine besondere Auswahl des keramischen Materials.
In der Druckschrift handelt es sich ausschließlich um einen Strahlungsheizer für Siliziumwafer und nicht um einen Gaserhitzer. Es werden keine Gasströmungskanäle durch Ausbrennen eines Opfermaterials erzeugt.
Die Druckschrift US 2016 / 273 801 A1 offenbart ein Gaserhitzer-Heizelement aufweisend einen Monolithen / monolithischen Körper in einer Trag- und Kanalstruktur und wenigstens ein durchgängiges Heizelement, geführt durch die Trag- und Kanalstruktur in dem Monolithen. Auch aus der Druckschrift GB 499 074 A ist ein solches Gaserhitzer-Heizelement bekannt. Es wird jedoch kein geeignetes Fertigungsverfahren für ein solches Gaserhitzer-Heizelement angegeben.
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass die Herstellung der Heizelemente für einen Gaserhitzer sowohl zeit- als auch kostenintensiv ist und der Einbau technisch kompliziert erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Gaserhitzer-Heizelemente bereitzustellen, dass sowohl für die Realisierung kleiner als auch großer, leistungsstarker Gaserhitzer-Heizelemente praktikabel ist und aufgrund von verringertem Fertigungsaufwand und verringerten Fertigungskosten wirtschaftlich umsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren gemäß Hauptanspruch.
Das Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, wobei das Gaserhitzer-Heizelement wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Monolithen aufweist, in dem Monolithen eine Trag - und Kanalstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist, das elektrische Heizelement in den Kanälen der Trag - und Kanalstruktur geführt ist, von dem elektrischen Heizelement Wärme innerhalb der Kanäle auf ein durch die Kanäle strömendes Gas zur Erwärmung des Gases und/oder zur Erzielung von hohen Gastemperaturen übertragbar ist, weist die folgenden Schritte auf:
- Formen des elektrischen Heizelements;
- wenigstens abschnittsweises oder vollständiges Beschichten des elektrischen Heizelements mit wenigstens einem Beschichtungsmaterial;
- Einbringen des beschichteten elektrischen Heizelements in eine Form zur Monolith- Herstellung;
- Herstellen des das beschichtete elektrische Heizelement umgebenden Monolithen und
- Entfernen des Beschichtungsmaterials des elektrischen Heizelements.
Durch dieses Verfahren ist es erstmalig möglich, einen entsprechenden Gaserhitzer- Heizelement kostengünstig herzustellen. Insbesondere spielt auch die Dimensionierung keine Rolle mehr, da dieses offenbarte Verfahren große als auch kleine Gaserhitzer-Heizelemente wirtschaftlich realisierbar macht.
Als besonderer Vorteil des hier offenbarten Herstellungsverfahrens lässt sich das Herstellen der Kanalstruktur vor der eigentlichen Herstellung der monolithischen Struktur heraussteilen. Durch das Entfernen des Beschichtungsmaterials nach der Herstellung der monolithischen Struktur müssen keine Kanäle in die monolithische Struktur nach dessen Herstellung eingebracht werden, die dann mit den entsprechenden elektrischen Heizelementen konfektioniert werden müssten. Daher stellt das simple Beschichten des elektrischen Heizelementes vor der Monolithherstellung zur definierten Bildung des späteren Zwischenraums durch die zu entfernende Beschichtung einen besonderen Herstellungsschritt dar.
Aus dem erfindungsgemäßen Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsprozess erfolgt eine erhebliche Kostenreduktion für die Herstellung des Gaserhitzer-Heizelementes, da sich der Fertigungsaufwand und die Fertigungszeit verringern. Es ist nun möglich durchgängige, also einteilige, auch maschinell gefertigte Gaserhitzer-Heizelemente zu verwenden.
Gegenüber dem Einsatz von im Stand der Technik bekannten Keramikstäbchen zur Herstellung einer Trag- und Kanalstruktur wird eine deutliche Reduzierung der Teileanzahl erwirkt. Es wird ein selbstragender Aufbau, was die Kombination von elektrischem Heizelement mit Trag- und Kanalstruktur in einem Bauteil bedeutet, ermöglicht. Zudem sind weitere mögliche Funktionskombinationen wie beispielsweise thermische Dämmung, elektrische Isolation, Gasführung oder Katalysatortragstruktur gegeben.
Nachfolgend sind weitere Ausgestaltungsvarianten des Herstellungsverfahrens angeführt, die das zuvor aufgezeigte Verfahren weiter verbessern und es auch weiter spezialisieren können.
Das elektrische Heizelement kann insbesondere als Heizdraht und/oder als Heizdraht mit variablem Durchmesser und/oder als Heizdraht mit variabler geometrischer Struktur und/oder mehrere unterschiedliche Heizdrähte und/oder als Heizgitter und/oder als Heizgitterstrukturen ausgebildet sein. Hierdurch können unterschiedliche Wärmemengen in einzelnen Bereichen oder Abschnitten des Gaserhitzer-Heizelementes in Abhängigkeit der Heizelementgeometrie eingebracht werden. Insbesondere kann das elektrische Heizelement homogen oder inhomogen oder abschnittsweise homogen und abschnittsweise inhomogen ausgebildet angeordnet und/oder ausgeformt sein, um entsprechende Forderungen an die benötigte Wärmemenge zu erfüllen.
Das elektrische Heizelement und insbesondere der Heizdraht kann beliebig ausgeformt und unterschiedlich dicht angeordnet sein. In einer speziellen Variante kann auch eine inhomogene Verteilung der elektrischen Heizelemente innerhalb des Gaserhitzer-Heizers realisiert werden, die einer möglichen ungleichmäßigen Gaserwärmung entgegenwirken kann, bspw. in Randbereichen des Heizers. Hierzu kann entsprechend den Strömungsprofilen der Heizer mit den elektrischen Heizelementen ausgestaltet werden. Zur weiteren Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung lassen sich in Randbereichen und/oder im Außenbereich der monolithischen Struktur Reflektorelemente zur Reflektion von Wärmstrahlung einbetten oder anbringen.
Als elektrische Heizelemente kommen Heizdrähte, Heizplatten und Heizstäbe als auch Heizgitter sowie Kombinationen aus den zuvor genannten in Frage. Weitere spezielle Ausgestaltungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Weiter kann das elektrische Heizelement aus drei Abschnitten ausgebildet werden, nämlich einem ersten Verbindungsabschnitt, der außerhalb des Monolithen und auf einer Gaseinströmseite ausgebildet wird, einem Kanalabschnitt, der innerhalb des Monolithen ausgebildet wird und einem zweiten Verbindungsabschnitt, der außerhalb des Monolithen und auf einer Gasausströmseite. Hierdurch werden die einzelnen Heizdrähte bzw. elektrische Heizelemente innerhalb des Monolithen bzw. der monolithischen Struktur entsprechend elektrisch außerhalb der monolithischen Struktur verbunden. Eine mechanische Verbindung zwischen mehreren Segmenten kann ebenfalls hierüber erfolgen oder aber auch in den Kanälen der monolithischen Struktur erfolgen.
Zur Herstellung des Monolithen kann eine Gussform verwendet werden, wobei hierzu das Herstellungsverfahren insbesondere die folgenden Schritte aufweisen kann:
- Einsetzen des geformten und beschichteten elektrischen Heizelementes in die Gussform;
- Auffüllen der Gussform mit entfernbarem Füllmaterial bis der erste Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes vollständig bedeckt ist;
- Aushärten des entfernbaren Füllmaterials;
- Aufgießen der Gussform, so dass der zweite Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes unvergossen bleibt, mit einem Material, welches aushärtbar ist und bei
Temperaturen höher als 800 °C temperaturbeständig ist, und einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und
- Entfernen des entfernbaren Füllmaterials und Brennen des temperaturbeständigen Materials.
Als temperaturbeständiges Material für das Aufgießen der Gussform kann beispielsweise Beton oder auch ein anderes keramisches Einbettungsmaterial, das den Anforderungen entspricht, verwendet werden. Das Material wird durch Aufgießen in die Gussform eingebracht und anschließend hinreichend für nachfolgende Prozessschritte ausgehärtet, bis es die nötige Festigkeit erreicht hat. Auf diese Weise wird verhindert, dass die auszuformende Kanal- und Tragstruktur während des Entfernens des Füllmaterials oder des Brennens ungesteuert verformt werden kann. Weiter kann alternativ die Herstellung des Monolithen in einer Pressform erfolgen und hierbei insbesondere die folgenden Schritte aufweisen:
- Einsetzen des geformten und beschichteten elektrischen Heizelementes in eine Pressform;
- Auffüllen der Pressform mit einem Drucktransfermaterial bis der erste Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes vollständig bedeckt ist;
- Auffüllen der Pressform, so dass der zweite Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes unverfüllt bleibt, mit einem Sintermaterial, welches einen Grünling ausbildet, bei Temperaturen höher als 800 °C temperaturbeständig ist und einen hohen elektrischen Widerstand und eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist;
- Auffüllen des zweiten Verbindungsabschnittes des beschichteten elektrischen Heizelementes mit einem Drucktransfermaterial;
- Verpressen der gesamten Schüttungen inklusive des eingelegten beschichteten elektrischen Heizelements;
- Entfernen des Drucktransfermaterial; und
- Sintern des temperaturbeständigen Sintermaterials.
Als Drucktransfermaterial eignet sich beispielsweise Sand oder auch ein anderes entsprechendes Material. Als Sintermaterial kann beispielsweise Keramikpulver oder auch ein anderes den Anforderungen entsprechendes Material eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Variante kann das Entfernen der Beschichtung des elektrischen Heizelementes durch Ausschmelzen und/oder durch Ausbrennen und/oder durch chemisches Entfernen erfolgen. Je nach verwendetem Material der Beschichtung kann ein entsprechender Verfahrensschritt vorgenommen werden. Bspw. können Lacke durchaus gut über ein chemisches Entfernen entfernt werden. Hingegen können Wachse sehr gut Ausgeschmolzen werden.
In einer Ausführungsvariante können die Schritte des Entfernens der Beschichtung des elektrischen Heizelementes und / oder des Entfernens des entfernbaren Füllmaterials und / oder das Brennen bzw. Sintern des temperaturbeständigen Materials in einem Verfahrensschritt kombiniert werden.
Generell muss das Füllmaterial entfernt werden. Besonders bevorzugt kann das entfernbare Füllmaterial und die Beschichtung des Drahtes in demselben Prozessschritt entfernt werden. Das Füllmaterial sollte daher bezüglich des Schritts des Entfernens bevorzugt mit ähnlichen Materialeigenschaften wie die Beschichtung gewählt werden. Beispielsweise kann als Füllmaterial ein Gießharz oder Wachs verwendet werden. Wird bspw. ein Wachs verwendet, kann ein Ausschmelzen auch ohne direkten Kontakt mit Luft / Sauerstoff erfolgen. Das Wachs kann ausschmelzen und in das Drucktransfermaterial hinlaufen / dort eindringen. Wird eher auf ein Entfernen durch Ausbrennen gesetzt, braucht es hingegen Kontakt mit Luft / Sauerstoff.
Je nachdem, welches Material als Sintermaterial verwendet wird und wie der Prozess des Verpressens gefahren wird, kann zudem, wenn der Grünling mit dem eingebetteten Heizdraht bzw. elektrischen Heizelement eine ausreichende Stabilität aufweist, vor dem Sintern und gleichzeitigem Entfernen der Beschichtung, insbesondere durch Ausbrennen, das Drucktransfermaterial entfernt werden.
Alternativ kann das Entfernen der Beschichtung bzw. des Füllmaterials vor dem Brennen erfolgen.
Das wenigstens eine Beschichtungsmaterial kann zudem derart gewählt wird, dass es eine geringere Schmelztemperatur und einen geringeren Flammpunkt als das temperaturbeständige Material aufweist.
Weiter kann das Formen des elektrischen Heizelementes in Form eines Heizdrahtes durch Biegen und/oder Wickeln des Heizdrahtes zu Heizdrahtreihen und/oder durch Falten zu Heizdrahtpaketen erfolgen. Dies stellt eine sehr einfache Art der Herstellung des benötigten elektrischen Heizelementes dar.
Insbesondere kann das elektrische Heizelement als Heizdraht, besonders bevorzugt als ein einzelner durchgehender Heizdraht ausgebildet werden.
Das Formen des Heizdrahtes umfasst sowohl das Biegen oder Wickeln des Heizdrahtes zu Heizdrahtreihen als auch das anschließende Falten zu Heizdrahtpaketen, so dass sich verschiedene Varianten bezüglich Länge und Form des geformten Heizdrahtes ergeben und das Aussehen des fertig geformten Heizdrahtes je nach Bedarf optimiert werden kann.
Wird der Heizdraht zu Heizdrahtreihen gebogen, so ergibt sich Verfahrens- beziehungsweise maschinenbedingt eine begrenzte Schenkellänge des Heizdrahtes. Bei Wicklung des Heizdrahtes über einen Dorn ist die Schenkellänge je nach Größe des Dorns variabel einstellbar. Es ist auch möglich, den Heizdraht über andere Wicklungsverfahren, wie beispielsweise das Doppelstiftwicklungsverfahren, zu biegen
Zudem kann ein Warmbiegen oder Spannungsfreiglühen bedarfsabhängig erfolgen, wobei dies abhängig von der Dimensionierung des Gesamtaufbaus ist und ob sich dieser durch Spannungen verziehen kann bzw. schert.
Wenn allgemein oder insbesondere nach dem Spannungsfreiglühen des Heizdrahtes bzw. allgemein des elektrischen Heizelementes und vor dem Beschichten des Heizdrahtes / elektrischen Heizelementes Zentrierprofile auf die nicht-gebogenen Abschnitte des Heizdrahtes aufgebracht werden, so wird der Heizdraht bzw. das elektrische Heizelement in der späteren Kanal- und Tragstruktur besser zentriert. Dies bedingt eine optimierte Durchströmung von Gas durch die Trag- und Kanalstruktur. Zudem lassen sich Führungselemente verwenden, in denen der geformte Draht einsetzbar ist, um diesen in Form zu halten.
Insbesondere kann als das wenigstens eine Material des Beschichtungsmaterials Wachs und / oder Kunststoff und/oder Gel und/oder Lacke verwendet werden.
Das Beschichtungsmaterial kann in einer weiter verbesserten Ausführungsform wenigstens eine Schicht aus einem viskosen oder pastösen Trennmittel und wenigstens eine Schicht aus einem nicht viskosen Material umfassen. Als nicht viskoses Material kann insbesondere Polyethylen oder ein anderes geeignetes Polymer verwendet werden.
Ferner kann das Beschichten des Drahtes mit einem Material bzw. einem Materialsystem mit geringerem Schmelzpunkt bzw. Flammpunkt erfolgen, wobei sich „geringerer“ oder „niederer“ nämlich auf das Material, mit dem die Gussform ausgefüllt wird, bezieht.
Die für ein Ausschmelzen oder Ausbrennen der Beschichtung notwendigen Temperaturen sind insbesondere abhängig von der Art des Beschichtungsmaterials, insbesondere von dessen Schmelz- und/oder Flammtemperatur. Da als niederschmelzendes bzw. -entflammbares Beschichtungsmaterial beispielsweise Wachs und / oder Kunststoff verwendet werden, können die für das Schmelzen oder Ausbrennen der Beschichtung notwendigen Temperaturen deutlich unter denen für das Sintern oder Brennen des Monolithen notwendigen Temperaturen liegen. Hierdurch lassen sich mit Vorteil die Schritte des Entfernens und des Brennens bzw. Sinterns in einem Verfahrensschritt kombinieren.
Durch das Ausbilden des Monolithen um den final geformten, durchgehenden Heizdraht herum, können je nach Form des beschichteten Heizdrahtes unterschiedliche Trag- und Kanalstrukturen ausgebildet werden. Der Strömungskanalquerschnitt entlang der Gasströmungsrichtung ist einstellbar, je dicker die Beschichtung des Heizdrahtes ausgebildet ist, desto größer sind die gebildeten Hohlräume, also die finalen Gaskanäle, zwischen Heizdraht und Monolithenkörper.
Für ein spezielles Herstellungsverfahren, bei dem der Draht mit einem Material eines gegenüber dem zum Vergießen gewählten Materials geringerem Schmelzpunktes gewählt wird, kann für das Ausfüllen des unteren Bereichs der Gussform bis zum Bedecken der Biegungen, dasselbe Material oder ein ähnliches Material oder ein Material, welches in Bezug auf den Schritt des Entfernens, wenigstens ähnliche Eigenschaften aufweist, verwendet werden. Wird io bspw. ein Harz oder ein Wachs verwendet, kann der Bereich um die Biegungen zusammen mit der Beschichtung des Drahtes geschmolzen oder aber auch weggebrannt werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann das Beschichtungsmaterial bezüglich seiner Dicke auf dem elektrischen Heizelement wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt ausgebildet werden. Hierbei können sich unterschiedliche Dicken auf dem elektrischen Heizelement ausbilden, was zu einer nicht homogenen Struktur der Kanal- und Tragstruktur in der monolithischen Struktur führt. Insbesondere ist hierdurch eine Große Variabilität in der Gestaltung der so bildbaren Kanal- und Tragstruktur möglich. Es können im Innenbereich der Kanalstrukturen größere Räume gestaltet werden, die dann durchaus einen positiven Einfluss auf die Erwärmung des strömenden Gases haben können. Es können aber auch komplexe innere Kanalstrukturen gebildet werden, um bspw. Strömungen zu beruhigen oder aber auch bewusst turbulent auszugestalten. Durch die dickenmäßig variable Beschichtung des Heizdrahtes ist es möglich den Strömungskanalquerschnitt gezielt einzustellen. Wird ein Materialsystem aus wenigstens einem nicht viskosen und wenigstens einem viskosen Material eingesetzt, kann das nicht viskose Material über seine Dicke dazu dienen, den Durchmesser der auszuformenden Kanal- und Tragstruktur zu definieren, während das viskose Material als Trennmittel zwischen dem mit dem nicht viskosen Material beschichteten Heizdraht und dem temperaturbeständigen Material dient und so die Verarbeitung erleichtert.
Das Gaserhitzer-Heizelement, hergestellt nach einem der erfindungsgemäßen Gaserhitzer- Heizelement-Herstellungsverfahren, weist anordnungsgemäß einen Monolithen / monolithischen Körper mit einer Trag- und Kanalstruktur auf, wobei die Trag- und Kanalstruktur in einem Monolithenherstellungsprozess ausgebildet und nicht-nachträglich eingebracht ist, und wenigstens ein durchgängiges elektrisches Heizelement geführt durch die Trag- und Kanalstruktur in dem Monolithen.
Die Trag- und Kanalstruktur des Monolithen / monolithischen Körpers bezüglich des Innendurchmessers der Trag- und Kanalstruktur kann wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt sein.
Weiter kann die Trag- und Kanalstruktur Monolithen / monolithischen Körper bezüglich des Abstands der Kanäle des Kanalabschnitt der Trag- und Kanalstruktur wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt sein.
Das Gaserhitzer-Heizelement kann zudem einen bzw. mehrere Monolithen / monolithischen Körper mit einer bzw. jeweiliger Trag- und Kanalstruktur und entsprechendem elektrisches Heizelement aufweisen. Hierbei können die Monolithen nebeneinander als auch hintereinander angeordnet werden. Da auch der Monolith in der Formgebung variabel ausgestaltbar ist, ist eine Integration des Gaserhitzer-Heizelementes in verschiedene Gehäuse möglich. Zudem ist eine vertikale Integration des Gaserhitzer-Heizelementes einfach durchführbar. Der Monolith kann weiterhin Reflektorelemente zur Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen, die in Randbereichen und/oder im Außenbereich der monolithischen Struktur eingebettet oder angebracht sind.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Abbildungsbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern soll und nicht beschränkend zu werten ist:
Es zeigen:
Abb. 1 eine schematische Darstellung eines gebogenen Heizdrahtes;
Abb. 2 eine schematische Darstellung eines gebogenen Heizdrahtes zum Heizdrahtpaket gefaltet;
Abb. 3 eine schematische Darstellung eines gewickelten Heizdrahtes;
Abb. 4 eine schematische Darstellung eines gewickelten Heizdrahtes zum Heizdrahtpaket gefaltet;
Abb. 5 eine schematische Darstellung eines Heizdrahtpaketes nach der Beschichtung;
Abb. 6 eine schematische Darstellung eines Zentrierprofils;
Abb. 7 eine schematische Darstellung eines beschichteten Heizdrahtpaketes, fixiert in einer Gussform;
Abb. 8 eine schematische Darstellung eines beschichteten Heizdrahtpaketes, fixiert und eingegossen in einer Gussform;
Abb. 9 eine schematische Darstellung eines beschichteten Heizdrahtpaketes, fixiert und eingegossen außerhalb der Gussform, vor dem Ausschmelzen und Brennen;
Abb. 10 eine schematische Darstellung eines beschichteten Heizdrahtpaketes, fixiert in einer Pressform;
Abb. 11 eine schematische Darstellung eines beschichteten Heizdrahtpaketes, fixiert in einer Pressform, aufgefüllt mit Sintermaterial;
Abb. 12 eine schematische Darstellung eines beschichteten Heizdrahtpaketes in einer Pressform, vollständig bedeckt; Abb. 13 eine schematische Darstellung des Pressens zur Erzeugung eines Heizdrahtpaket- Grünlings;
Abb. 14 eine schematische Darstellung eines Heizdrahtpaket-Grünlings nach dem Entfernen des unverpressten Drucktransfermaterials, vor dem Ausschmelzen und Sintern;
Abb. 15a eine schematische Darstellung eines fertigen Gaserhitzer-Heizelementes mit offengelegter Gaskanalstruktur nach dem Ausschmelzen und Brennen oder Sintern;
Abb. 15b eine vergrößerte schematische Darstellung eines fertigen Gaserhitzer-Heizelementes mit offengelegter Gaskanalstruktur nach dem Ausschmelzen und Brennen oder Sintern und
Abb. 16 drei Teilabbildungen a, b, c eines Gaserhitzer-Heizelementes in der monolithischen Struktur als Detaildarstellung.
In den nachfolgenden Abbildungsbeschreibungen sind funktionsgleiche Bauteile mit einheitlichen Bezugszeichen versehen.
In Abb. 1 ist gebogener Heizdraht 21 in Form einer Heizdrahtreihe dargestellt. Bei dieser Fertigungsvariante der Heizdrahtreihe liegt eine begrenzte Schenkellänge vor.
Abb. 2 zeigt den gebogenen Heizdraht 21 aus Abb. 1 aufgefaltet zu einem Heizdrahtpaket aus gebogenem Heizdraht 211 .
In Abb. 3 ist gewickelter Heizdraht 22 in Form einer Heizdrahtreihe dargestellt. Bei dieser Fertigungsvariante der Heizdrahtreihe liegt eine variable Schenkellänge je nach verwendetem Dorn vor. Der Dorn ist in Größe und Form variabel ausgestaltbar. Es können auch andere Wicklungsverfahren zur Fertigung verwendet werden.
Abb. 4 zeigt den gewickelten Heizdraht 22 aus Abb.3 aufgefaltet zu einem Heizdrahtpaket aus gewickeltem Heizdraht 221 .
In Abb. 5 ist ein Heizdrahtpaket aus gewickeltem Heizdraht 221 nach der Beschichtung mit einem Material mit einer gegenüber dem Einbettungsmaterial 9 (vgl. Fig. 9) niedrigen Schmelztemperatur bzw. niedrigeren Flammpunkt 3 zu sehen. Die schraffiert dargestellte Beschichtung 3 ist mit einem gleichmäßigen Außenradius auf dem Heizdraht aufgetragen. Alternativ kann die Beschichtung mit einer inhomogenen Dicke bzw. mit einem variierenden Außenradius ausgeformt sein und/oder aus einem Materialsystem bestehend aus mehreren Materialien mit bzgl. des Einbettungsmaterials hinreichend geringerer Schmelztemperatur bzw. geringerem Flammpunkt bestehen. In den nachfolgenden Figuren wird der Übersichtlichkeit halber auf die Schraffur des beschichteten Drahtes verzichtet, gleich wenn der Fleizdraht gemäß dem jeweiligen Ausführungsbeispiel beschichtet ist.
In Abb.6 ist eine mögliche Ausführungsform eines Zentrierprofils 4 zur besseren Zentrierung des Fleizdrahtes in der späteren Trag- und Kanalstruktur 11 dargestellt. Die Zentrierprofile 4 werden vor oder nach dem Aufträgen der Beschichtung 3 auf den Fleizdraht vor den weiteren Fertigungsschritten in zuvor festgelegten Intervallen auf die vertikalen Abschnitte des Fleizdrahtes aufgesetzt.
Abb. 7 zeigt eine Flalbschale einer Gussform 5, in welcher ein beschichtetes Fleizdrahtpaket aus gewickeltem Fleizdraht 221 mit einer Beschichtung 3 fixiert ist. Die Gussform 5 ist mit einem entfernbaren Füllmaterial 7 soweit aufgegossen, dass die unteren Biegungen des beschichteten Fleizdrahtpaketes aus gewickeltem Fleizdraht 221 vollständig bedeckt sind.
In Abb. 8 ist die Gussform 5 aus Abb. 7 soweit mit einem temperaturbeständigen / keramischen Einbettungsmaterial 9 wie Beton aufgegossen, dass die oberen Biegungen des beschichteten Fleizdrahtes nicht vergossen sind. Besonders bevorzugt wird für das Einbettungsmaterial 9 Feuerbeton eingesetzt, in dem ein Al203-reicher Zement verwendet wird.
Abb. 9 zeigt das beschichtete Fleizdrahtpaket aus gewickeltem Fleizdraht 221 aus Abb. 8, eingegossen in ein entfernbares Füllmaterial 7 und ein temperaturbeständiges / keramisches Einbettungsmaterial 9, nach dem Entfernen aus der Gussform 5 und vor dem Ausschmelzen und / oder Ausbrennen des entfernbarem Füllmaterials und der Beschichtung des Fleizdrahtpaketes. Das temperaturbeständige / keramische Einbettungsmaterial 9 ist vor dem Entfernen der Gussform ausgehärtet bzw. ausgehärtet worden.
Abb. 10 zeigt eine Flalbschale einer Pressform 6, in welcher ein beschichtetes Fleizdrahtpaket aus gewickeltem Fleizdraht 221 mit einem Drucktransfermaterial 8 wie Sand fixiert ist. Das Drucktransfermaterial 8 ist soweit aufgefüllt, dass die unteren Biegungen des beschichteten Fleizdrahtpaketes aus gewickeltem Fleizdraht 221 vollständig bedeckt sind. Das Drucktransfermaterial ist in die Pressform 6 geschüttet und anschließend verdichtet worden. Um eine ausreichende Fixierung des gewickeltem Fleizdraht 221 zu gewährleisten, kann in dem zugehörigen Fertigungsschritt eine oder mehrere Haltevorrichtungen verwendet werden. Das Drucktransfermaterial kann z.B. durch Rütteln und/oder Pressen verdichtet werden.
In Abb. 11 ist die Pressform 6 aus Abb. 10 soweit mit einem Sintermaterial 10 wie Keramikpulver aufgefüllt, dass die oberen Biegungen des beschichteten Heizdrahtes 221 nicht verfüllt sind. In Abb. 12 ist die Pressform 6 aus Abb. 11 soweit mit einem Drucktransfermaterial 8 aufgefüllt, dass das beschichtete Heizdrahtpaket vollständig bedeckt ist. Die das beschichtete Heizdrahtpaket aus gewickeltem Heizdraht enthaltende Pressform 6 ist somit mit drei übereinanderliegenden Schichten (Drucktransfermaterial - Sintermaterial - Drucktransfermaterial) befüllt.
Abb. 13 zeigt schematisch die Krafteinwirkung F 13 auf das beschichtete Heizdrahtpaket in der vollständig befüllten Pressform 6 während des Pressvorganges. In dem Pressvorgang wird das Sintermaterial 10 in der Pressform 6 zu einem Grünling gepresst.
Abb. 14 zeigt den das beschichtete Heizdrahtpaket 221 enthaltende Grünling nach dem Entfernen der Pressform 6 und des Drucktransfermaterials 8 und vor dem Entfernen der Beschichtung und dem Sintern des Grünlings 10.
Abb. 15a zeigt ein fertiges Gaserhitzer-Heizelement 1 aufweisend einen Monolithen 12 mit einer Trag- und Kanalstruktur 11 , durch welche ein Heizdrahtpaket aus gewickeltem Heizdraht 221 verläuft. Für die Fertigstellung des Gaserhitzer-Heizelementes 1 wurde von dem beschichteten und eingegossenen Heizdrahtpaket aus gewickeltem Heizdraht 221 aus Abb. 9 oder von dem das beschichtete Heizdrahtpaket enthaltenden Grünling aus Abb. 14 die Beschichtung 3 durch Schmelzen und/oder Verbrennen entfernt, was zur Ausbildung der Trag- und Kanalstruktur 11 in dem Monolithen 12 geführt hat. Anschließend wurde als letzter Fertigungsschritt zur Monolithenherstellung je nach Herstellungsverfahren in einer Gussform 5 oder einer Pressform 6, das eingegossene Heizdrahtpaket gebrannt oder der das Heizdrahtpaket enthaltende Grünling gesintert.
Abb. 15b zeigt eine vergrößerte Darstellung des fertigen Gaserhitzer-Heizelement 1 aus Fig. 15a. Deutlich erkennbar sind die Öffnungen der Trag- und Kanalstruktur 11 , aus denen sich die Wicklungen des gewickeltem Heizdraht 221 erstrecken. Der Monolith ist mit einer Kanalstruktur durchsetzt, welche Öffnungen in der Nähe der Biegungen des elektrischen Heizelementes aufweist und durch welche Gas zum Zweck des Erhitzens durchgeleitet werden kann.
Der Aufbau des Gaserhitzer-Heizelementes 1 ist selbsttragend. Der Heizdraht ist in einem Bauteil mit der Trag- und Kanalstruktur 11 kombiniert. Kennzeichnend ist, dass der die Trag- und Kanalstruktur 11 enthaltende Monolith 12, wie in den obigen Abbildungen verdeutlicht wird, in einem Vorgang ausgebildet ist. Weitere Funktionskombinationen wie beispielsweise thermische Dämmung, elektrische Isolation, Gasführung oder Katalysatortragstruktur sind möglich.
Die Abb. 16a und 16b zeigen den beschichteten Heizdraht 211 / 221 in dem Volumenmaterial des Monolithen 9 / 10 vor Entfernen der Beschichtung durch Ausschmelzen/Ausbrennen und Brennen/Sintern des Volumenmaterials. Der Heizdraht 211 / 221 ist in Abb. 16a nur durch ein Material 3 ummantelt, in Abb. 16b ist eine Ummantelung aus einem Materialsystem bestehend aus 2 Schichten 3 und 3‘ angedeutet. Abb. 16c zeigt den freigelegten Draht 311 / 221 nach Entfernen der Beschichtung durch Ausschmelzen/Ausbrennen und Brennen/Sintern des Volumenmaterials, so dass die Trag- und Kanalstruktur 11 in dem Monolithen 12 ausgebildet ist.
Die zuvor genannten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung erläutern, jedoch nicht in dessen Schutzumfang beschränken.
Bezugszeichenliste
I Gaserhitzer-Heizelement
21 gebogener Heizdraht
211 Heizdrahtpaket aus gebogenem Heizdraht
22 gewickelter Heizdraht
221 Heizdrahtpaket aus gewickeltem Heizdraht 3, 3‘ Beschichtung
4 Zentrierprofil
5 Gussform
6 Pressform
7 entfernbares Füllmaterial
8 Drucktransfermaterial
9 temperaturbeständiges Material / keramisches Einbettungsmaterial
10 Sintermaterial
I I Trag- und Kanalstruktur
12 Monolith
13 Krafteinwirkung F

Claims

Ansprüche
1 . Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, wobei das Gaserhitzer-Heizelement (1 ) wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Monolithen (12) aufweist, in dem Monolithen (12) eine Trag - und Kanalstruktur (11) mit einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist, das elektrische Heizelement in den Kanälen der Trag - und Kanalstruktur (11) geführt ist und von dem elektrischen Heizelement Wärme innerhalb der Kanäle auf ein durch die Kanäle strömendes Gas zur Erwärmung des Gases und/oder zur Erzielung von hohen Gastemperaturen übertragbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Formen des elektrischen Heizelements;
- wenigstens abschnittsweises oder vollständiges Beschichten des elektrischen Heizelements mit wenigstens einem Beschichtungsmaterial (3);
- Einbringen des beschichteten elektrischen Heizelements in eine Form (5, 6) zur Monolith-Herstellung;
- Herstellen des das beschichtete elektrische Heizelement umgebenden Monolithen (12) und
- Entfernen des Beschichtungsmaterials (3) des elektrischen Heizelements.
2. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement ausgebildet ist als Heizdraht und/oder Heizdraht mit variablem Durchmesser und/oder Heizdraht mit variabler geometrischer Struktur und/oder mehrere unterschiedliche Heizdrähte und/oder Heizgitter und/oder Heizgitterstrukturen.
3. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement homogen oder inhomogen oder abschnittsweise homogen und abschnittsweise inhomogen ausgebildet angeordnet und/oder ausgeformt ist.
4. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement aus drei Abschnitten ausgebildet wird, nämlich
- einem ersten Verbindungsabschnitt, der außerhalb des Monolithen und auf einer Gaseinströmseite ausgebildet wird,
- einem Kanalabschnitt, der innerhalb des Monolithen ausgebildet wird und
- einem zweiten Verbindungsabschnitt, der außerhalb des Monolithen und auf einer Gasausströmseite ausgebildet wird.
5. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Monolithen (12) mittels einer Gussform (5) erfolgt und die folgenden Schritte aufweist:
- Einsetzen des geformten und beschichteten elektrischen Heizelementes in die Gussform
(5);
- Auffüllen der Gussform (5) mit entfernbarem Füllmaterial (7) bis der erste Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes vollständig bedeckt ist;
- Aushärten des entfernbaren Füllmaterials (7);
- Aufgießen der Gussform (5), so dass der zweite Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes unvergossen bleibt, mit einem Material, welches aushärtbar ist und bei Temperaturen höher als 800 °C temperaturbeständig ist, und einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und
- Entfernen des entfernbaren Füllmaterials (7) und Brennen des temperaturbeständigen Materials (9).
6. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Monolithen (12) in einer Pressform (6) erfolgt und die folgenden Schritte aufweist:
- Einsetzen des geformten und beschichteten elektrischen Heizelementes in eine Pressform (6);
- Auffüllen der Pressform (6) mit einem Drucktransfermaterial (8) bis der erste Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes vollständig bedeckt ist;
- Auffüllen der Pressform (6), so dass der zweite Verbindungsabschnitt des beschichteten elektrischen Heizelementes unverfüllt bleibt, mit einem Sintermaterial (10), welches einen Grünling ausbildet, bei Temperaturen höher als 800 °C temperaturbeständig ist und einen hohen elektrischen Widerstand und eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist;
- Auffüllen des zweiten Verbindungsabschnittes des beschichteten elektrischen Heizelementes mit einem Drucktransfermaterial (8); - Verpressen der gesamten Schüttungen inklusive des eingelegten beschichteten elektrischen Heizelements;
- Entfernen des Drucktransfermaterial (8); und
- Sintern des temperaturbeständigen Sintermaterials (10).
7. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Beschichtung (3) des elektrischen Heizelementes durch Ausschmelzen und/oder Ausbrennen und/oder chemisches Entfernen erfolgt.
8. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte
- des Entfernens der Beschichtung (3) des elektrischen Heizelementes und / oder
- des Entfernens des entfernbaren Füllmaterials (7) und / oder
- das Brennen bzw. Sintern des temperaturbeständigen Materials (9, 10) in einem Verfahrensschritt erfolgt.
9. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Beschichtungsmaterial (3) derart gewählt wird, dass es eine geringere Schmelztemperatur und einen geringeren Flammpunkt als das temperaturbeständige Material (9, 10) aufweist.
10. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des elektrischen Heizelementes in Form eines Heizdrahtes durch Biegen und/oder Wickeln des Heizdrahtes zu Heizdrahtreihen und/oder durch Falten zu Heizdrahtpaketen erfolgt.
11 . Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement ausgebildet als Heizdraht als ein einzelner durchgehender Heizdraht ausgebildet wird.
12. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das wenigstens eine Material des Beschichtungsmaterials (3) Wachs und / oder Kunststoff und/oder Gel und/oder Lacke verwendet wird.
13. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) wenigstens eine Schicht aus einem viskosen oder pastösen Trennmittel und wenigstens eine Schicht aus einem nicht viskosen Material umfasst.
14. Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (3) bezüglich seiner Dicke auf dem elektrischen Heizelement wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt ausgebildet wird.
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