DE2749827A1

DE2749827A1 - Elektrischer hochtemperatur-heizkoerper

Info

Publication number: DE2749827A1
Application number: DE19772749827
Authority: DE
Inventors: Jacob Howard Beck
Original assignee: BTU Engineering Corp
Current assignee: BTU Engineering Corp
Priority date: 1976-11-18
Filing date: 1977-11-08
Publication date: 1978-05-24
Also published as: US4080510A; FR2371847B1; FR2371847A1; GB1575088A; JPS5387037A

Description

BTU Engineering Corporation, Esquire Road, North Billerica, Massachusetts 01862, V.St.A,

Elektrischer Hochtemperatur-Heizkörper

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochtemperatur-Heizkörper nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, der insbesondere in elektrischen Hochtemperaturöfen anwendbar ist.

Es sind bereits elektrische Heizkörper aus feuerfestem Material für Hochtemperaturöfen bekannt. Ein in der US-PS 3 859 501 beschriebener Heizkörper weist ein schraubenlinienförmiges Siliciumcarbid-Element auf, wobei zwischen den einzelnen Windungen dieses Elements ein kleiner Spalt vorhanden ist. über diesem Spalt steht natürlich eine Potentialdifferenz, die zu einer

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solchen Größe anwachsen kann, daß insbesondere bei Anwesenheit von Verunreinigungen, die auf dem Element kondensieren oder auf andere Weise in den Spalt hineingelangt sind, ein Überschlag stattfinden kann« Außerdem ist die schraubenlinienförmige Bauweise des Heizelements in konstruktiver und festigkeitsmäßiger Hinsicht ungünstig.

Bei einem weiteren bekannten Heizkörper sind zwei parallele Stäbe aus Siliciumcarbid vorhanden, die jeweils einen Abschnitt hohen Widerstandes und einen Abschnitt niedrigen Widerstandes aufweisen. Die Abschnitte hohen Widerstandes der beiden parallelen Stäbe befinden sich innerhalb einer Ofenkammer und sind an ihren Enden durch einen ebenfalls aus Siliciumcarbid bestehenden Verbindungskörper miteinander verbunden. Dieser Verbindungskörper erfordert aufgrund seiner Qröße und Form eine verhältnismäßig große Aussparung in der Ofenwand oder Ofendecke, um den Heizkörper in die Ofenkammer einsetzen zu können. Außerdem muß ein isolierender Zweiloch-Stecksockel, der die beiden parallelen Stäbe in der Montageöffnung des Ofens halten soll, ganz genau mit dem Heizkörper zusammenpassen. Diese, zwei parallele Stäbe aufweisende Heizkörperkonstruktion ist im Betrieb des Ofens auch den schädlichen Auswirkungen ungleicher Biegebeanspruchungen ausgesetzt. Außerdem besitzt der Verbindungskörper eine beträchtliche Masse, so daß, wenn der Heizkörper von der Decke einer

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Ofenkammer herabhängt, aufgrund der Verbindungskörpermasse Pendelbewegungen des Heizkörpers auftreten können, die zu starken Biegespannungen und möglicherweise zu Rissen in den Heizkörperstäben führen.

Schließlich ist aus der US-PS 3 764 718 ein koaxial aufgebauter Heizkörper bekannt, der speziell für den Einsatz in einem Vakuumofen konstruiert ist und ein äußeres rohrförmiges Widerstandselement sowie ein koaxial in diesem verlaufendes inneres Widerstandselement aufweist, das an einem Ende mit dem es umgebenden rohrförmigen Widerstandselement verbunden ist. Die beiden Widerstandselemente bestehen aus dem gleichen Widerstandsmaterial, bei welchem es sich um Kohle, Siliciumcarbid, Metall oder Metallegierungen handeln kann, und beide Widerstandselemente dienen als Heizkörperelemente, wobei das innere Element Wärme durch das äußere Element hindurch abstrahlt, welch letzteres ebenfalls Wärme von seiner Oberfläche abstrahlt. Gemäß einer abgewandelten Version dieses Heizkörpers dient das äußere Element hauptsächlich als elektrischer Leiter und als Abstrahler für die hauptsächlich von einem oder mehreren inneren Widerstandselementen erzeugte Wärme. Der Heizkörper ist beweglich oberhalb einer Vakuumkammer gehaltert und das äußere Element kann innerhalb der Vakuumkammer angeordnet werden, so daß es von seiner gesamten Oberfläche Wärme abstrahlen kann.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkörper der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß möglichst geringe Wärmeverluste und möglichst wenig Spannungen im Heizkörper und an seinen Verbindungen mit einem Ofenkörper entstehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Kurz zusammengefaßt, weist der erfindungsgemäße Heizkörper demgemäß ein längliches rohrförmiges Hochtemperaturelement auf, das aus zwei unmittelbar aneinander angrenzenden axialen Rohrabschnitten aus Siliciumcarbid besteht, von denen der erste Rohrabschnitt einen hohen Widerstand aufweist und innerhalb einer Ofenkammer verläuft und von denen der zweite Rohrabschnitt einen geringen Widerstand besitzt und durch die Ofenwand hindurch von der Ofenkammer nach außen fuhrt. Koaxial innerhalb des rohrförmigen Elements verläuft ein Stab aus Siliciumcarbid, der einen niedrigen Widerstand besitzt und an einem Ende elektrisch mit dem entsprechenden Ende des ersten Rohrabschnittes verbunden ist. Das andere Ende des inneren Stabes und das freie Ende des zweiten Rohrabschnittes sind außerhalb des Ofens mit elektrischen Anschlüssen zum Anschluß an eine äußere

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- 8 Stromquelle versehen.

Der den hohen Widerstand aufweisende Rohrabschnitt arbeitet auf wesentlich höherer Temperatur als der den niedrigen Widerstand aufweisende Rohrabschnitt und der innere Stab. Polglich tritt eine Wärmeabstrahlung hauptsächlich an dem in der Ofenkammer verlaufenden Hochtemperatur-Rohrabschnitt auf, so daß eine effektive Heizwirkung erzielt wird. Der teilweise innerhalb der Ofenwand oder der Ofendecke und außerhalb der Ofenkammer verlaufende, den niedrigen Widerstand aufweisende Rohrabschnitt verbleibt auf einer niedrigeren Temperatur, wodurch Wärmeverluste auf ein Minimum herabgesetzt sind. Der ebenfalls einen niedrigen Widerstand besitzende innere Stab arbeitet ebenfalls auf einer niedrigeren Temperatur und hält dadurch die Aufheizung des Inneren der koaxialen Konstruktion gering.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 perspektivisch und im Schnitt

einen Ofen mit elektrischen Heizkörpern nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine auseinandergezogene und teil

weise aufgeschnittene Darstellung eines der in Pig. I sichtbaren Heizkörpers, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine abge

wandelte Ausführungsform des Heizkörpers.

Fig. 1 zeigt einen Ofen IO mit elektrischen Widerstandsheizkörpern 12 nach der Erfindung· Der Ofen ist typischerweise aus feuerfesten Ziegeln 14 gemauert und enthält eine Ofenkammer 16, in welche ein zu behandelndes Produkt eingebracht werden kann. Ein oder mehrere elektrische Widerstandsheizkörper 12 sind durch entsprechende Einführöffnungen 18 der Ofenwand hindurch in die Ofenkammer eingesetzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist längs des Ofens eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Abständen verlaufenden Heizkörpern 12 angeordnet, die jeweils horizontal durch eine entsprechende Einführöffnung 18 der Ofenwand hindurchverlaufen· Das im Ofen befindliche Ende jedes Heizkörpers 12 kann in einer Aussparung 19 in der, der jeweiligen Einführöffnung gegenüberliegenden Ofenwand 17 sitzen, um eine bessere Halterung des Heizkörpers und eine möglichst geringe Durchbiegung bei hohen Betriebstemperaturen zu erzielen.

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- ίο -

Der erfindungsgemäße Heizkörper kann jedoch auch in anderer Weise in einen Ofen eingebaut werden, beispielsweise vertikal durch die Ofendecke hindurchverlaufend, und die dargestellte Anordnung dient nur als erläuterndes Beispiel.

In Fig, 2 ist der Heizkörper 12 mehr im einzelnen dargestellt. Er weist ein längliches rohrförmiges Element 20 auf, das aus einem ersten Rohrabschitt 22 aus Siliciumcarbid mit hohem Widerstand und einem zweiten, sich daran unmittelbar axial anschließenden Rohrabschnitt aus Siliciumcarbid mit niedrigem Widerstand besteht. Der erste, im Betrieb innerhalb der Ofenkammer 16 befindliche Rohrabschnitt 22 besitzt einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand, um eine starke Heizwirkung zu entwickeln. Der zweite Rohrabschnitt 24 besitzt einen verhältnismäßig niedrigen elektrischen Widerstand, um einen elektrisch gut leitfähigen Stromzuleitungspfad zum Heizabschnitt 22 herzustellen und gleichzeitig die eigene Aufheizung klein zu halten, da dieser Rohrabschnitt 24 im Betrieb außerhalb der Ofenkammer 16 und teilweise innerhalb der Ofenwand verläuft. Die beiden Rohrabschnitte 22 und 24 sind an ihren aneinanderstoßenden Stirnseiten durch eine Schweißnaht 26 miteinander verbunden. Die Länge des Hochtemperatur-Abschnittes 22 entspricht im wesentlichen der lichten Weite der Ofenkammer.

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Koaxial innerhalb der beiden Rohrabschnitte 22 und verläuft ein Stab 28 aus Siliciumcarbid geringen Widerstandes, und ein Ende des Stabes ragt über das Ende des Rohrabschnittes 24 hinaus. Das andere Ende des Stabes 28 ist mit dem entsprechenden Ende des Hochtemperatur-Abschnittes verbunden, wozu ein aus Siliciumcarbid bestehendes Ver bindungselement, beispielsweise ein vorgeformter Schweißring 30 mit ebenfalls geringem elektrischen Widerstand dient, der zwischen dem Ende des Rohrabschnittes 22 und dem Ende des Stabes 28 liegt und an diesen Teilen ange schweißt ist. Durch diesen Schweißring 30 ist der Stab auch elektrisch mit dem freien Ende des Hochtemperatur-Abschnittes 22 verbunden, dessen anderes Ende wiederum elektrisch mit dem Rohrabschnitt 24 verbunden ist· Der Hochtemperatur-Abschnitt 22 ist deshalb über den Niedertemperatur-Abschnitt 24 und den inneren Stab 28 an eine elektrische Stromquelle anschließbar· Das innere Ende des Rohrabschnittes 22, der eich innerhalb der Ofenkammer befindet, ist durch den Schweißring 30 außerdem abgedichtet, wodurch der Eintritt von Gas oder anderen Verunreinigungsstoffen aus der Ofenkammer in das Innere des rohrförmigen Elements 20 ausgeschlossen ist. Folglich können sich zwischen den beiden Leitern (Rohrabschnitte 22 und 24 und Stab 28) keine Verunreinigungen festsetzen, wie es bei manchen bekannten feuerfesten Heiskörpern der Fall ist, so daß auch keine Kurzschlüsse aufgrund solcher Verun-

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- 12 reinigungen entstehen können.

Ein elektrisch isolierender, mit einem Ringbund versehener Ring 32, der vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder anderem geeignetem Keramikmaterial besteht, ist in das freie Ende des Rohrabschnittes 24 eingeschoben, um die koaxiale Stellung des Stabes 28 innerhalb der Rohrabschnitte 22 und 2k zu sichern und das Innere des Heizkörpers gegen die äußere Umgebung abzudichten.

Auf das äußere Ende 2k ist ein Metallband 3k durch Flammspritzen oder auf andere geeignete Weise aufgebracht, während ein ähnliches Metallband 36 auf das äußere Ende des Stabes 28 aufgebracht ist. Diese beiden Bänder 3k und bestehen vorzugsweise aus Aluminium und dienen als elektrische Kontaktflächen für den elektrischen Anschluß des Heizkörpers an eine äußere Stromquelle. Wie Fig. 1 zeigt, ist auf das Kontaktband 3k eine elektirisch leitende Anschlußklemme 38 und auf das Kontaktband 36 eine weitere Kontaktklemme ^O aufgesetzt. Die Anschlußklemmen sind in an sich bekannter Weise beispielsweise über geflochtene Flachbandlitzen k2 mit der Stromquelle verbunden.

Nahe dem Anschlußende des Rohrabschnittes 2k kann ein in eine Umfangsnut kB einzusetzender Ring k6 zur Begrenzung der Einschiebtiefe des Heizkörpers in den Ofen

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oder zur Halterung des Heizkörpers beim Einsetzen desselben durch die Ofendecke hindurch Anwendung finden.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine abgewandelte Ausführungsform eines Heizkörpers, bei welcher der Ringraum zwischen dem Stab 28 und den Rohrabschnitten 22 und 24 mit einer Püllpulverpackung M aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid ausgefüllt ist, wodurch eine bessere Stützung des Stabes 28 innerhalb der Rohrabschnitte 22 und 2k erreicht wird. Das Füllmaterial reagiert auch bei den hohen Betriebstemperaturen des Heizkörpers nicht mit dem Siliciumcarbid und verhindert eine Verformung oder eine Durchbiegung des Stabes 28, die insbesondere bei verhältnismäßig großen Heiζkörperlängen auftreten könnte.

Im Betrieb eines gemäß Fig. 1 in einen Ofen eingebauten Heizkörpers fließt der von einer Stromquelle kommende elektrische Strom über die Anschlußklemmen 38 und ¹IO und die Kontaktflächen des Rohrabschnittes 24 und des Stabes 28 durch den Heizkörper hindurch. Dadurch wird der Heizkörper auf seine Betriebstemperatur erhitzt. Der in der Ofenkammer befindliche, einen hohen Widerstand besitzende Rohrabschnitt 22 befindet sich auf höherer Temperatur als der Rohrabschnitt 2k und der Stab 28, die beide einen kleineren Widerstand besitzen. Die zur

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Beheizung der Ofenkammer dienende Wärmeabstrahlung geht deshalb hauptsächlich vom Rohrabschnitt 22 aus.

Im Betrieb arbeitet der Hochtemperatur-Abschnitt typischerweise auf einer Temperatur von etwa 1550 C, während die Anschlußenden des Rohrabschnittes 2¹J und des Stabes 28 typischerweise eine Temperatur von etwa 260 c erreichen. Der elektrische Widerstand des Hochtemperatur-Abschnittes 22 beträgt bis zum Zwanzigfachen des Widerstandes des Rohrabschnittes 2k und des Stabes 28, um eine maximale Wärmeabstrahlung nur von dem innerhalb der Ofenkammer verlaufenden Hochtemperatur-Abschnitt 22 zu erzielen.

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Leerseite

Claims

- -Jr Patentansprüche

C l.JElektrischer Hochtemperatur-Heizkörper, insbesondere für elektrische Hochtemperaturöfen, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes rohrförmiges Element (20), das aus einem in eine Ofenkammer (16) einzusetzenden ersten Rohrabschnitt (22) aus Siliciumcarbid mit hohem elektrischem Widerstand und einem sich daran axial über eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindung anschließenden zweiten Rohrabschnitt (2¹O aus Siliciumcarbid mit niedrigem elektrischem Widerstand besteht, weiter durch einen langgestreckten Stab aus Siliciumcarbid mit niedrigem elektrischem Widerstand, der koaxial innerhalb des rohrförmigen Elements (20) verläuft, ferner durch ein aus Siliciumcarbid bestehendes Verbindungselement (30) zur elektrischen und mechanischen Verbindung des freien Endes des ersten Rohrabschnittes (22) mit dem entsprechenden Ende des genannten Stabes (28) und durch elektrische Anschlußmittel (3¹», 36, 38, 40) zum elektrischen Anschluß des freien Endes des zweiten Rohrabschnittes (24) und des entsprechenden Endes des genannten Stabes (28) an eine elektrische Stromquelle.

2· Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verbindungselement (30) ein vorgeformter Schweißring mit niedrigem elektrischem Widerstand ist, der zwischen den Stab (28) und den ersten Rohrabschnitt (22)

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eingesetzt ist und den Stab koaxial im rohrförmigen Element (20) hält sowie das betreffende Heizkörperende dicht abschließt.

3. Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußmittel jeweils einen elektrisch leitfähigen Metallüberzug (34, 36) auf dem Ende des zweiten Rohrabschnittes (24) und dem Ende des Stabes (28) aufweisen.

4. Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das freie Ende des zweiten Rohrabschnittes (2¹I) ein isolierender, feuerfester und mit einem Ringbund versehener Ring (32) eingesetzt ist, der den Stab (28) koaxial im rohrförmigen Element (20) hält.

5. Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des elektrischen Widerstandes des Siliciumcarbids des ersten Rohrabschnittes (22) zum elektrischen Widerstand des Siliciumcarbids des zweiten Rohrabschnittes (24) und des Stabes (28) etwa 20 : 1 beträgt,

6. Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine feuerfeste isolierende Püll-

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pulverpackung zwischen dem Stab (28) und dem rohrförmigen Element (22), die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des rohrförmigen Elements erstreckt.

7. Heizkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Püllpulverpackung" aus Aluminiumoxid besteht.

8. Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine in eine Ümfangsnut (48) des zweiten Rohrabschnittes (24) einsetzbare Ringscheibe (46) zur Begrenzung der Einschiebtiefe des Heizkörpers in einen Ofen.

9. Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des ersten Rohrabschnittes (22) etwa der lichten Weite einer Ofenkammer (16) und die axiale Länge des zweiten Rohrabschnittes (24) der Länge einer DurchführungsÖffnung (18) durch eine Ofenwand (14) oder Ofendecke plus dem vorgesehenen äußeren überstand dieses Rohrabschnittes entspricht.

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