DE3233181C2

DE3233181C2 - Aus keramischen Fasern vakuumgeformte, elektrische, freistrahlende Widerstands-Heizvorrichtung für Industrieöfen und Verfahren zu deren Herstellung.

Info

Publication number: DE3233181C2
Application number: DE3233181A
Authority: DE
Inventors: Josef 6395 Weilrod Bös; Leo 6085 Nauheim Saris
Original assignee: Bulten Kanthal GmbH
Current assignee: Kanthal GmbH
Priority date: 1982-09-07
Filing date: 1982-09-07
Publication date: 1985-08-01
Also published as: JPS5966094A; ATE32157T1; EP0105175A1; EP0105175B1; DE3233181A1; EP0105175B2; CA1213635A; US4617450A; MX153420A

Abstract

Das Vakuum-Formverfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, bei dem eine Widerstands-Heizspirale (5) auf einen siebartigen Boden (1) über einem Saugkasten aufgelegt und ein Schlick aus keramischen Fasern aufgetragen wird, so daß sich unter der Saugwirkung eine keramische Faserschicht (4) aufbaut, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Siebboden (1) in Bereichen unter der Widerstands-Heizspirale (5) partiell zu verschließen, insbesondere mit Distanzleisten (11), zu unterlegen, welche die Perforation des Siebbodens (1) teilweise abdecken, jedoch so, daß die undurchlässigen Bereiche des Siebbodens (1) schmäler sind als die Breitenabmessungen der Heizspirale (5). Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Innerraum (8) der Heizspirale (5) beim Vakuum-Formen frei bleibt von Fasermaterial, so daß die Temperaturdifferenz zwischen der strahlenden Seite (6) und der in der Masse des Faserblocks (4) liegenden Rückseite (7) der Heizspiralen (5) geringer ist als bei herkömmlichen Heizvorrichtungen dieser Art, bei denen die Gefahr einer Kristallisation der Fasern des Faserblocks (4) besteht. Durch die Verwendung von Distanzleisten (11) entstehen auf der strahlenden Seite (9) des Faserblocks (4) Haltestege (12), die eine sichere Verankerung der Heizspiralen (5) gewährleisten.

Description

— die an der Heizfläche freiliegenden Oberflächenbereiche (6) der Heizwendel (5) um einen Abstand von 1 —30 mm gegenüber der äußeren Oberfläche (9) der Keramikfaserschicht (4) nach innen versetzt sind.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der freiliegenden Oberflächenbereiche (6) der Heizwendel (5) von der äußeren Oberfläche (9) der Keramikfaserschicht (4) 2 bis 10 mm beträgt

3. Vakuum-Formverfahren zur Herstellung einer elektrischen Widerstands-Heizvorrichtung, bei dem eine Widerstands-Heizwendel auf einen siebartigen Boden eines Rahmens über einem Saugkasten aufgelegt und ein aus einer Aufschlämmung von keramischen Fasern, Bindemittel und Wasser bestehender Schlick in den Rahmen eingeleitet wird, so daß sich unter uer Saugwirkung eine keramische Faserschicht aufbaut die &".sgehärr?t wird und die Widerstands-Heizwendel al? eingebettetes Heizelement enthält, dadurch gekennieichr ~;t, daß die unter der Widerstands-Heizwendel liegenden Flächenabschnitte des siebartigen Bodens flüssigkeitsundurchlässig und schmäler als die größte Durchmesseroder Breitenabmessung der Heizwendel, in einer zum siebartigen Boden zwischen 1 —30 mm zur Heizwendel nach innen versetzten, parallelen Ebene, ausgebildet werden.

4. Vakuum-Formverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsundurchlässigen Flächenabschnitte durch Streifen gebildet und vor dem Einlegen der Heizwendel auf den siebartigen Boden an den Positionen der Heizwendel aufgelegt werden.

5. Vakuum-Formverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsundurchlässigen Flächenabschnitte durch Streifen gebildet und an der Heizwendel auf der dem siebartigen Boden zuzukehrenden Seite leicht lösbar haftend befestigt werden.

6. Vakuum-Formverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen als Distanzleisten mit einer Dicke von 1 bis 30 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 2 bis 10 mm, ausgebildet werden.

Die Erfindung betrifft eine aus keramischen Fasern vakuumgeformte, elektrische, freistrahlende Widerstands-Heizvorrichtung für Industrieöfen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Vakuumformverfahren zur Herstellung einer solchen Widerstands-Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Die prinzipielle Technik zum Vakuumformen von hier auch als »Heizmoduln« bezeichneten elektrischen Heizvorrichtungen ist beispielsweise in der US-PS 35 00444 sowie in moderner Form in der US-PS 42 78 877 (^DE-OS 28 55 382) beschrieben. Bei nach

ίο diesen Vakuum-Formverfahren hergestellten Heizmoduln sind die Heizwendeln oder Heizspiralen in die keramische Fasermasseso eingebettet daß der Innenraum der Heizwendeln im Normalfall mit Fasermaterial gefüllt ist.

Dieses übliche Vakuum-Formverfahren wird zunächst anhand der F i g. 1 erläutert:

Auf einen siebartigen Boden 1, beispielsweise eine perforierte Platte, wird eine Heizwendel 5 aufgelegt Unter dem Boden 1 befindet sich ein nicht dargestellter Saugkasten, durch den mittels des allgemein mit dem Bezugshinweis 2 angegebenen Vakuums Flüssigkeit aus einem oberseitig aufgefüllten Schlick 5 abgezogen wird, der aus einer Aufschlämmung von keramischen Fasern, Bindemittel und Wasser besteht Der Flüssiganteil wird durch den siebartigen Boden 1 abgesaugt und es baut sich eine Schicht aus keramischen Fasern auf. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird in der Regel auch der Innenraum 8 aer Heizwendel 5 mit keramischen Fasern gefüllt, und zwar wird die Dichte in diesem Innenraum 8 in etwa der Dichte der übrigen Masse des keramischen Fasorblock 4 entsprechen, die etwa 200 kg/m³ beträgt

Die technischen Schwierigkeiten, die sich beim Gebrauch solcher Heizmodulen ergeben, werden nachfolgend unter Bezug auf die F i g. 2 beschrieben:

Wird der freistrahlende Oberflächenbereich 6 der Heizwendel 5 beispielsweise auf eine Betriebstemperatur von 1150⁰C gebracht, so wird auf der gegenüDcrliegenden Seite (der Rückseite 7) der weitgehend vollständig in die keramische Fasermasse eingebetteten Heizwendel 5 ein beträchtlich höhere Temperatur auftreten. Dadurch ist es nicht möglich, die Heizwendel auf ihrer freistrahlenden Oberflächenseite 6 bis zu einer maximal erwünschten Betriebstemperatur zu erwärmen, da dann die Rückseite 7 überhitzt werden würde.

Um die übermäßige Überhitzung auf der der freistrahlenden Oberflächenseite 6 gegenüberliegend in die Fasermasse eingebetteten Rückseite 7 sowie die Überhitzung im Innerer der Heizwendel 5 zu vermeiden, ist

V> es aus der GB-PS 14 41 577 bekannt, den Innenraum der Heizwendel 5 während des Vakuumformprozesses mit einem wärmeausschmelzbaren Material, beispielsweise mit einem Kunststoffrohr oder mit Wachs auszufüllen, das beim ersten Inbetriebnehmen des Heizmoduls ausgeschmolzen und verdampft wird, so daß der Innenraum der Heizwendel 5 dann frei ist von Fasermaterial.

Ein anderes mit der erwünschten maximal möglichen Anwendungs- oder Betriebstemperatur solcher Heizmodulen verbundenes Problem beruht darauf. daB die für die Fasermasse ganz überwiegend verwendeten Aluminium-Silikatfasern nur für eine maximal zulässige Betriebstemperatur von II5O°C geeignet sind. Oberhalb dieser Temperatur findet eine übermäßige Kristallisation der Faser statt, wodurch diese ihre Struktur und erwünschten Eigenschaften völlig verliert. Heizt man nun die Heiy.wendel 5 an der freistrahlenden Oberflächenseite 5 auf eine Temperatur von 115O°C oder geringfügig darüber auf, so treten an der Rückseite der

Heizwendel 5 Temperaturen von ca. 1250⁰C auf. Dieser Temperaturwert liegt dann um ca. 100⁰C über der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Faser und wird zu einer übermäßig schnellen Kristallisation des Fasermaterials führen. Damit verliert die Heizwendel im s überhitzten Teil der Fasermasse ihren Halt und wird sich mehr oder weniger rasch, vor allem bei Deckenelementen in einem Ofenraum, aus der Fasermasse lösen. Die Heizwendel 5 wird dann zunächst an der strahlenden Seite 9 des Faserblocks 4 mehr und mehr hervorstehen und schließlich herausfallen. Um dies zu vermeiden, ist es aus der GB-PS 14 41 577 bekannt, die Heizwendel durch ein Zementbett seitlich zu fixieren. Diese Verankerung der Heizwendel erfordert jedoch einen erhöhten Herstellungsaufwand.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Heizmodule der eingangs genannten Art sowie ein Vakuum-Formverfahren zu deren Herstellung zu schaffen, durch die erreicht wird, daß die Heizspirale sich in ihrer Verankerung in der Aluminiumsilikatfasermasse auch dann nicht lockert oder löst, wenn die Heizwendel auf eine optimale Betriebstemperatur aufgeheizt wird, derart daß an der strahlenden Seite des Moduli beispielsweise eine Temperatur von 1150⁰C auftritt

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge-

Ein Vakuum-Formverfahren zur Herstellung eines solchen Heizmoduls ist Gegenstand des Patentanspruchs 3.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Widerstandsheizvorrichtung sind in den Unleransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird einerseits auf einfache Weise und ohne die Verwendung von Kunststoffschläuchen, Wachs oder dergleichen erreicht, daß der Innenraum der Heizwendel mehr oder weniger frei bleibt von Fasermaterial, so daß die Temperaturdifferenz an der Heizwendel zwischen der strahlenden Oberfläche oes Heizmoduls und der Rückseite wesentlich verringert ist und die Heizwendel insgesamt auf einer deutlich höheren Betriebstemperatur betrieben werden kann, ohne daß andererseits die Gefahr einer allmählichen Lockerung aus der Verankerung innerhalb des Faserblocks besteht.

Dadurch, daß die Heizwendeln beim Vakuum-Formen durch Unterlageelemente unterlegt sind, oder die Perforation im Siebboden unter den Heizwendeln ausgespart, d. h. nicht vorhanden ist, wobei die Unterlageelemente bzw. die unduichlässigen Bereiche des Siebbodens schmäler sind als die Breitenabmessungen der Heizwendeln in einer Ebene parallel zur strahlenden Oberfläche bzw. schmäler sind als der Durchmesser der Heizwendeln, wird erreicht, daß die Heizwendeln in ihrem Innenraum weitgehend frei bleiben von Fasermaterial, da ersichtlich die Öffnungen des siebartigen Bodens in Längserstreckung der Heizwendeln während des Vakuum-Formvorgangs partiell verschlossen bzw. in diesen Bereichen nicht vorhanden sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Heizwendeln während des Vakuum-Form Vorgangs durch streifenartige Elemente, im folgenden »Distanzleisten« genannt, unterlegt, so daß aus weiter unten noch erläuterten Gründen die Heizwendcln später zwar an der strahlenden Oberfläche des Heizmoduls freiliegen, jedoch insgesamt um die Dicke der Distanzleister: in den Faserblock hinein zurückversetzt sind, so daß eine optimale Verankerung erreicht wird, gleichzeitig jedoch der lnnenraum der Heizwendeln frei bleibt von Fasermaterial.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 den bereits erläuterten Stand der Technik;

F i g. 3 ein zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel für das Vakuum-Formverfahren;

F i g. 4 in schematischer Darstellung das Produkt des Vakuum-Formverfahrens nach Fig.3 zur Erläuterung bestimmter vorteilhafter Eigenschaften.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet

Der Ausführungsform der Erfindung nach den F i g. 3 und 4 liegt die Idee zugrunde, die Heizwendel 5 einerseits so in die Masse des Faserblocks 4 einzubetten, daß deren innenraum 8 frei bleibt von keramischen Fasern, ohne andererseits Gefahr zu laufen, daß die Heizwendeln 5 mangelhafte Haftung aus den·, raserblock 4 herausfallen können.

Das Prinzip der Herstellung wird zunächst anhand der schematischen Schnittdarstellung der F i g. 3 erläutert: Auf dem siebartigen Boden 1 werden unterhaib der vorgesehenen Positionen der Heizwendein 5 Distanzleisten 11 angebracht Diese Distanzleisten 11 können z. B. aus Metall, Holz oder Kunststoff bestehen. Die Breite dieser Distanzleisten 11 sollte auf jeden Fall etwas geringer sein als der Durchmesser bzw. die Breitenabmessung der Heizwendeln 5 in einer Ebene parallel zur strahlenden Oberflächenseite 9 des Faserblocks 4. Die Dicke der Distanzleisten 11 sollte im Bereich von wenigstens 0,1 bis ca. 30 mm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 mm, liegen. Wird nun der Schlick 3 in den mit dem siebartigen Boden 1 ausgerüsteten nicht näher gezeigten Rahmen eingebracht und wird der Flüssiganteil durch den siebartigen Boden 1 abgezogen, so bauen sich die Fasern derart auf, daß die Distanzleicten 11 umschlossen werden, während der Innenraum 4 der Heizwendeln 5 weitgehend hohl. d. h. frei von Faserablagerun^en bleibt

Die Fig.4 zeigt in einer prinzipiellen Schnittdarstellung das Produktergebnis: Die freistrahlende Seite 6 der Heizwendeln 5 liegt jetzt nicht mehr bündig mit der strahlenden Seite 9 des Faserblocks 4, sondern liegt um die Dicke der Distanzleisten 11 in den Faserblock 4 zurückversetzt. Die aufgrund der Distanzleisten 11 entstehenden Haltestege 12 umschließen die freistrahlende Seite 6 der Heizwendeln 5 teilweise, ohne daß jedoch der Innenraum 8 mit Fasern gefüllt ist. Damit wurde ohne Verwendung von ausschmelzenden Füllungen das angestrebte Ziel erreicht, nämlich, den Innenraum faserfrei ζ·· halten, so daß die Temperaturdifferenz zwischen der strahlenden Seite 6 und der Rückseite 7 der Heizwendeln 5 wesentlich geringer ist als bei hei kömmlicher Technik, bei der die Heizwendeln komplett, d. h. mit fasergefülltem lnnenraum 8 in den Faserblock 4 eingebettet sind. Andererseits aber werden die Heizwendeln 5 durch die Haltesiege 12 sicher gehalten, so daß keine Gefahr des Herausfallens mehr besteht, auch wenn ein solcher Heizmodul als Deckenelement in einem Ofen verwendet wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind, wie die Figuren erkennen lassen, sogenannte ovale Heizwendeln S vorgesehen, wie sie auch in der oben erwähnten US-PS 42 78 877 mit den dort erwähnten Vorteilen beschrieben sind. Für den Fachmann ist

ohne weiteres ersichtlich, daß sich die Erfindung auch für Heizwendeln mit anderen Querschnitten, beispielsweise mit rundem Querschnitt oder zu einem Rechteck verformtem Querschnitt mit Vorteil einsetzen läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

IO

20

JO

35

40

50

55

60

ii\ Si

65 V.;

Claims

Patentansprüche:

1. Aus keramischen Fasern vakuumgeformte elektrische, freistrahlende Widerstands-Heizvorrichtung für Industrieöfen mit einen in eine Keramikfaserschicht unmittelbar eingebetteten und darin verankerten Widerstands-Heizwendel, die in ihrem Innenraum im wesentlichen frei ist von Keramikfasermaterial, und von der ein Oberflächenbereich an der strahlenden Heizfläche freiliegt, dadurch gekennzeichnet, daß