DE7837914U1 - Elektrische heizvorrichtung - Google Patents
Elektrische heizvorrichtungInfo
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- DE7837914U1 DE7837914U1 DE19787837914 DE7837914U DE7837914U1 DE 7837914 U1 DE7837914 U1 DE 7837914U1 DE 19787837914 DE19787837914 DE 19787837914 DE 7837914 U DE7837914 U DE 7837914U DE 7837914 U1 DE7837914 U1 DE 7837914U1
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- H05B3/28—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material
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Description
- 4 BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
,; Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit elektrischen |
Heizvorrichtungen, die gewickelte Widerstands-Heizelemen- , te umfassen, die in Isolierkörper eingebettet sind. J
Die US-PS 3 500 444 beschreibt eine leichte Keramik- |
faser-Isolierung. Aus Gründen der Energieersparnis wird |
eine derartige Keramikfaser-Isolierung häufig anstelle |
dichterer, gebrannter Ziegel zur Ofenauskleidung verwen- |
det. Diese Anwendungsfälle beziehet sich auf öfen, die -
mit öl oder Gas betrieben werden. Es besteht jedoch ein
zunehmender Bedarf an der Verwendung elektrischer Heiz- j
elemente, bei denen die Heizwicklungen unmittelbar in I
Keramikfaser-Isolierkörper eingebettet sind, wie sie in |
der obigen US-PS beschrieben werden. Gemäß dieser US-PS 1
ί liegt ein Teil der Heizwicklungen oberhalb der Oberfläche |
des Isolierkörpers, damit sich eine wirksame Wärmeüber- |
tragung und eine gezielte Wärmeabgabe ergeben. |
Die Anordnung eines Teils der Wicklung außerhalb der Oberfläche des Isolierkörpers führt zu erheblichen Herstellungsschwierigkeiten.
Gemäß der US-PS wird der Isolierkörper durch einen unterdruck-gesteuerten Filterprozeß
hergestellt, bei dem die Wicklung gegen ein Sieb gelegt wird und Flüssigkeit aus einem Schlamm entlang der Heizwicklung
durch das Sieb abgezogen wird. Keramikfasern aus dem Schlamm werden durch das Sieb zurückgehalten und sammeln
sich um die Wicklung herum. Es ist schwierig, jede einzelne Windung der wicklung teilweise aus der Isolierplatte
herausragen zu lassen.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Heizvorrichtung mit einer in einen Isolierkörper eingebetteten Heizwick-
Il III!
lung zu schaffen, die einfacher herzustellen ist als die bekannte Heizvorrichtung. Insbesondere soll es nicht erforderlich
sein, die Wicklungen teilweise aus dem Isolierkörper herausragün zu lassen.
5
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Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.
Die erfindungsgemäße, abgeflachte Heizwicklung kann vollständig
in den Isolierkörper eingebettet und auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur bei einer gegebenen
Ofentemperatur als eine andere, runde Wicklung gehalten werden.
Die erfindungsgemäße, abgeflachte Heizwicklung ist in
einen Isolierkörper angrenzend an und parallel zu der Oberfläche des Isolierkörpers eingebettet. Jede Windung
der Heizwicklung weist einen im wesentlichen geradlinigen Abschnitt auf, der im wesentlichen in der Ebene der
Oberfläche des Isolierkörpers liegt.
Entsprechend einem anderen Merkmal der Erfindung ist die
Wicklung ebenfalls in Längsrichtung in einer Ebene abgeflacht, die gegenüber der Oberfläche des Isolierkörpers
versetzt ist, insbesondere parallel zu der Oberfläche liegt. Die Wicklung wird unmittelbar in eine Keramikfaser-Isoliermasse
eingebettet.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung kann hergestellt werden,
indem zunächst eine kreisförmig aufgewickelte Heizwicklung hergestellt und sodann abgeflacht wird und anschließend
am Boden einer Form in einen Schlamm mit einer Suspension von Keramikfasern eingebettet wird, änsenlies=
send wird die Flüssigkeit aus dem Schlamm abgezogen, so daß sich ein Isolierkörper aus Keramikfasern in der Form
ablagert und die Heizwicklung unmittelbar einbettet.
Vorzugsweise werden die Heizwicklungen zunächst mit unmittelbar angrenzenden Windungen gewickelt und in diesem
Zustand abgeflacht und später in Längsrichtung gedehnt.
.. 5 Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung ·,:'. einer elektrischen Heizvorrichtung
mit abgeflachten Wicklungen, die in
einen Isolierkörper aus Keramikfasern eingebettet sind;
Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer Heiz-Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem
teilweise aufgebrochenen Bereich zur Veranschaulichung der im wesentlichen
ovalen Form der abgeflachten Heizwicklungen;
Fig. 3 ist eine teilweise aufgebrochene
Stirnansicht zur Veranschaulichun^
einer abgeflachten Heizwicklung und eines Kontaktstiftes;
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Fig. 4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von Testergebnissen eines Vergleichs
zwischen runden und abgeflachten Wicklungen;
30
30
Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen Ofen mit elektrischen Austausch-Heizeinheiten
-**" an den Innenwänden =
Eine elektrische Heizvorrichtung 12 als eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Die Heizvorrich-
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tung umfaßt eine Anzahl von abgeflachten, ovalen, elektrischen
Heizwicklungen 14,16,18,20,22,24,26,28 und 30, die in einen Isolierkörper 31 aus Keramikfasern eingebettet
sind. Die Heizwicklungen liegen angrenzend an die Oberfläche 32 des Isolierkörpers. Diese Oberfläche soll
als Heizfläche der Heizvorrichtung bezeichnet werden. Die gegenüberliegende Oberfläche 33 der Heizvorrichtung,
die in Fig. 2 gezeigt ist, soll als kalte Oberfläche bezeichnet werden, obgleich die Temperatur auf dieser Seite
während des Heizbetriebs ebenfalls etwas oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Der Isolierkörper besteht
vorzugsweise aus keramischen Fasern, wie sie in der ÜS-PS 3 500 444 beschrieben sind, und kann mit einer
j Stufe 34 auf drei Seiten sowie einem überhängenden Ab-
schnitt 36 auf einer Seite versehen sein. Die Stufe und der überhängende Abschnitt dienen zur bequemen Zusammenfügung
einer Anzahl von plattenförmigen Einheiten in einem Ofen.
Die elektrischen Heizwicklungen sind elektrisch durch Verbindungsdrähte 38 in Reihe geschaltet. Diese Verbindungsdrähte
sind mit den jeweiligen Wicklungspaaren vor der Einbettung in das Isoliermaterial/ das den Isolierkörper
31 bildet, verschweißt. Alternativ können die verschiedenen Wicklungen aus einem einzigen Drahtstrang
gebildet sein, so daß die Notwendigkeit einer Schweißverbindung der Wicklungen entfällt. Die neun Heizwicklungen
sind elektrisch in Reihe mit einer Spannungsquelle mit niedriger Spannung und hohem Strom mit Hilfe von Kontaktstiften
40 und 42 verbunden, die sich durch den Isolierkörper 31 erstrecken und aus der kalten Oberfläche 33
austreten. Diese Kontaktstifte sind mit den jeweiligen Heizwicklungen 14 und 30 durch Leitungsdrähte 44 und 46
verbunden. Jeder Leitungsdraht erstreckt sich durch eine Bohrung, die in Querrichtung durch den jeweiligen Kontaktstift
gebohrt ist, und ist mit diesem verschweißt.
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Signal Corp.
Verankerungs-Flügel 48 und 50 sind ebenfalls mit den Kontaktstiften verschweißt. Jeder dieser Flügel ist
vorzugsweise etwa 1,5mm dick, 25mm breit und 50mm lang und innerhalb des Isolierkörpers derart angeordnet, daß
die Flügel senkrecht zu der heißen Oberfläche 32 des Isolierkörpers liegen. Jeder Flügel ist um eine Linie
gebogen, die senkrecht zu der heißen Oberfläche 32 liegt, und bildet einen Winkel von etwa 90°, so daß der Verankerungseffekt
verstärkt wird. Diese Verankerungs-Flügel bewirken, daß die Kontaktstifte nicht durch das verhältnismäßig
leichte Isoliermaterial verschoben werden können, wenn sie einen unbeabsichtigten Stoß in Axialrichtung
von der kalten Oberfläche her aufnehmen müssen.
Jede Heizwicklung ist in Längsrichtung abgeflacht, so daß gemäß Fig. 2 jede Windung der Wicklungen einen im wesentlichen
linearen Abschnitt 52 auf v/eist, der im wesentlichen in der Ebene der Oberfläche des Isolierkörpers liegt. Auf
diese Weise ist ein beträchtlicher Bereich jeder Windung angrenzend an die Heizoberfläche des Isolierkörpers angeordnet,
während alle Wicklungen vollständig in das Isoliermaterial eingebettet sind. Jede Wicklung ist zugleich
in Längsrichtung in einer Ebene abgeflacht, die von der heißen Oberfläche nach innen versetzt ist, so daß
jede Wicklung der Windungen einen zweiten, im wesentlichen linearen Abschnitt 54 aufweist, der in einer Ebene etwa
parallel zu der Oberfläche des Isolierkörpers liegt. Aufgrund dieser in einer zweiten Ebene abgeflachten Wicklungen
liegen die inneren Abschnitte der eingebetteten Wicklungen näher an der heißen Oberfläche 32 als an der
kalten Oberfläche 33, wie aus Fig. 4 hervorgeht, als es bei runden, nicht abgeflachten W. klungen der Fall wäre.
Dadurch ergeben sich die Vorteile, daß (1) der Durchschnittsabstand jeder Windung von der heißen Oberfläche
verringert ist und (2) der Durchschnittsabstand von der kalten Oberfläche vergrößert wird. Dadurch verringert sich
die Isolierung zwischen der Heizquelle und der beheizten
TER MEER · MÖLLER · STEiNMEISTER;
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Umgebung, und die Isolierung zwischen der Heizquelle und der sonstigen Umgebung wird verbessert. Im übrigen ergibt
sich (3) ein erheblich vergrößerter, vorgeschobener Bereich der abgeflachten Wicklungen, der durch das isolierende
Material hindurch in Richtung des Inneren des zu heizenden Ofens angeordnet ist.
Bei einem bevorzugten Beispiel dieser Ausführungsform bestand jeder der neun Wicklungsstreifen aus einem 4,3m
langen Draht der Stärke 8 (eight gauge Kanthan A-1 wire), der einen Durchmesser von 3,2mm aufwies. Der Draht
wurde um einen Dorn von 19mm Durchmesser und kreisförmigem
Querschnitt herumgewickelt. Die auf diese Weise aufgewickelte Wicklung wurde sodann von dem Dorn entfernt,
und während die Windungen nach wie vor eng seitlich nebeneinanderlagen, wurde sie auf eine im wesentlichen ovale
Form abgeflacht, wie aus Pig. 4 hervorgeht. Der Hauptaußendurchmesser betrug 31,6mm und der kleinere Außendurchmesser
18,2mm. Die Stirnansicht der runden Wicklung ist in Fig. 4 mit 58 und diejenige der abgeflachten Wicklung
mit 56 bezeichnet. Sechs abgeflachte Wicklungen wurden sodann auf 71cm gedehnt, und drei Wicklungen wurden
auf 83,8cm gestreckt. Die Wicklungen wurden mit den Verbindung sdräh ten und Kontaktstiften verschweißt und am
Boden einer Form in der endgültigen Anordnung der Figuren 1 bis 3 untergebracht, wobei sich die Kontaktstifte 40
und 4 2 nach oben von der Bodenfläche der Form erstreckten. Ein Schlamm mit einer Suspension von Keramikfasern wurde
sodann in die Form eingebracht, und die Flüssigkeit wurde durch Vakuum von dem Schlamm abgezogen, so daß sich ein
Körper aus Keramikfasern ablagerte, der die Heizwicklungen vollständig einbettete. Die Hauptachse der ovale zusammengedrückten
Wicklungen lag parallel zu der heißen Fläche des Isolierkörpers. Folglich war der vorgeschobene Bereich
der Widerstands-Heizdrähte, der durch das umgebende Isoliermaterial hindurch direkt dem Inneren des Ofens
gegenüberlag, wesentlich größer als bei runden Wicklungen.
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T.General Signal Corp*
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Dieser vorgeschobene Bereich der abgeflachten. Wicklung
56 gemäß Fig. 4 steht im Verhältnis von 1,244 zu 0,961 im Vergleich zu einer runden Wicklung 58. Dieses Verhältnis
bedeutet eine Steigerung von etwa 30% in Bezug auf die Fläche eines Heizdrahtes, die durch das Isoliermaterial
hindurch der Ofenkammer gegenüberliegt.
Angesichts des Verfahrens zur Herstellung der elektrischen Heizvorrichtung wird die Bedeutung der Verankerungs-Flügel
erkennbar. Da sich die Keramikfasern am Boden der Form ablagern, während die Flüssigkeit durch den
Boden der Form abgezogen wird, und die Verankerungseinrichtungen in dem Isolierkörper vollständig einbstten,
sollten diese Verankerungseinrichtungen zweckmäßigerweise relativ dünn in einer waagerechten Ebene sein. Bei
der geschilderten bevorzugten Ausführungsform wiesen die
Verankerupgs-Flügel eine Dicke von nur 1,5mm auf. Trotz dieser geringen Dicke widersetzten sich die Flügel einer
Axialbewegung der Kontaktstifte, da sie etwa 50mm lang und um etwa 90° geboten sind. Axialkräfte werden daher
dadurch aufgefangen, daß die Verankerungs-Flügel gegen eine ebene Innenfläche des Isolierkörpers 31 gedrückt
werden. Die Breite der Flügel von etwa 25mm ermöglicht eine ausreichende Stabilität der Flügel selbst.
Der Widerstand der oben beschriebenen Heizvorrichtung wurde im Vergleich zu einer Heizvorrichtung mit einer runden
Wicklung untersucht. Die runde Vergleichswicklung wurde aus einem gleichen Draht der Stärke 8, Kanthan A-1,
3.0 3,2mm Durchmesser, gewickelt. Diese Vergleichswicklung
wurde jedoch nicht abgeflacht, sondern besaß einen Außendurchmesser von 24,4mm. Die abgeflachte und die runde
Wicklung wurden vollständig in gesonderte, 12,7cm dicke
Platten aus einem leichten Isoliermaterial aus Keramikfasern eingebettet. Die auf diese Weise hergestellten
Heizvorrichtungen wurden in zwei Durchgängen in getrennten öfen untersucht und lieferten auf der heißen Ober-
TER MEER · MÖLLER · STEiNMEISTÖS
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fläche Temperaturen von 1.093 und 1.2040C bei den beiden
Durchgängen. Nach dem Einstellen der Temperaturen der heißen Fläche bei jeder Versuchsreihe wurden die Temperatur
der kalten Oberfläche, die Innentemperatur bei 25mm, bei 63,5mm und bei 76,2mm Abstand von der kalten
Oberfläche und die Temperatur auf der Rückseite der Wicklung gemessen. Für jede Temperatur der heißen Oberfläche
wurde festgestellt, daß sich die Rückseite der runden Wicklung auf einer höheren Temperatur befand als die
Rückseite der abgeflachten Wicklung. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 grafisch dargestellt.
Die Testergebnisse bei einer Temperatur von 1.0930C an
der heißen Oberfläche sind durch die Linien 60 und 62 in Fig. 4 widergegeben. Die Linie 60 veranschaulicht die
Innentemperatur innerhalb der Isolierungsplatte für runde Wicklungen an den ausgewählten Punkten und die Linie 62
bezieht sich auf die Innentemperaturen bei abgeflachten Wicklungen. Bei diesem Test betrug die Temperatur an der
Rückseite der runden Wicklung 58 1,2570C, die Temperatur
an der Rückseite der abgeflachten Wicklung 56 dagegen nur 1.212°C, so daß sich ein Unterschied von 450C ergab. Bei
einer vorgegebenen Temperatur der heißen Oberfläche von 1.0930C war daher die Temperatur, auf die die abgeflachte
; 25 Wicklung erhitzt wurde, wesentlich geringer als diejenige der runden Wicklung, so daß auf eine erhebliche Energieeinsparung
zu schließen ist. In ähnlicher Weise war bei \ einer Temperatur der heißen Oberfläche von 1.2040C, der
\ die Linien 64 und 66 in Fig. 4 für runde und abgeflachte
30 Wicklungen entsprechen, die Temperatur an der Rückseite
der runden Wicklung auf 1.3820C angestiegen, während die
\ Temperatur an der Rückseite der abgeflachten Wicklung
te nur 1.3300C betrug, so daß sich ein Unterschied von 52°C
I ergab.
1 35
Die obigen Testergebnisse zeigen an, daß für einen Heizvorgang mit gegebenem Temperaturniveau die Temperatur der
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TER meer . möller · STElNMElSTtRl "! ". '"', "',' «general Signal Corp.
:—:—:-
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Heizwicklungen und damit der Energieverbrauch durch die Verwendung von flachen, vollständig eingebetteten Wicklungen
gegenüber runden, vollständig eingebetteten Wicklungen reduziert werden können. Weiterhin zeigt die
größere Temperaturdifferenz zwischen den beiden Wicklungen bei höheren Ofentemperaturen, daß der Vorteil der
Verwendung von flachen Wicklungen besonders bei hohen Ofentemperaturen bedeutsam ist. Untersuchungen haben gezeigt,
daß Betriebstemperaturen über 1.2040C hinaus mit abgeflachten
Wicklungen, die vollständig in Heizelemente eingebettet sind, bei durchaus normaler Lebensdauer der
Wicklungen erreicht werden können.
Die 12,7cm dicke elektrische Heizplatte, die in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, ist besonders geeignet für die Innenauskleidung
eines neuen Ofens. Die Platte liefert zugleich eine wirksame Beheizung und eine hohe Wärmeisolierung
gegenüber der Umgebung. Die Erfindung ist jedoch i nicht auf Heizvorrichtungen der oben angegebenen Dimension j
beschränkt. Die Abmessungen der Wicklungen können geändert I werden, und ebenso kann die Tiefe des Isolierkörpers durch |
Änderung der Tiefe des Keramikfaser-Schlamms während des jf Formprozesses verändert werden. Die Abmessungen der Wick- g;
lungen und des Isolierkörpers ergeben sich aus den Lei- If stungsanforderungen, den Betriebstemperaturen, physikali- §
sehen Grenzen der Ofenkammern und so fort. f|
Durch Einbetten der abgeflachten, oben beschriebenen Wicklungen in einen dünnen Isolierkörper, etwa in einen Isolierkörper
mit einer Dicke bis zu dem zweifachen der Tiefe der Heiζwicklungen in dem Isolierkörper, ergibt sich
eine Heizeinheit, die besonders geeignet ist zur Wiederherstellung alter öfen oder zur Umwandlung alter öfen auf
elektrischen Heizbetrieb. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, umfaßt j ein Ofen 68 eine isolierte Deckplatte 70, einen isolierten g
Boden 72' und isolierte Seitenwände 74 und 76. In diese | Seitenwände können elektrische Heizelemente eingebettet
TER meer - Müller - STEiNMEiSTEFi 1I '\ '"', """general Signal Corp.
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sein, oder der Ofen kann mit Öl oder mit Gas betrieben werden. Wenn in die Seitenwände elektrische Heizelemente
eingebettet sind, die im Laufe der Zeit zerstört worden sind/ werden sie elektrisch abgeklemmt und an Ort und
Stelle belassen. Austausch-Heizvorrichtungen 78 und 80 werden sodann über die alten Heizvorrichtunge gelegt
und am Inneren der Seitenwände befestigt. Da der Ofen bereits eine ausreichende Isolierung aufweist, sind die
Isolierkörper 82 und 84 der Heizvorrichtungen .78 und 80 relativ dünn, so daß der Innenraum des Ofens nicht über
das notwendige Mindestmaß hinaus verkleinert wird.
Wie aus dem Vergleich der Tiefen der abgeflachten Wicklungen 56 und der runden Wicklung 58 in Bezug auf die
heiße Oberfläche 32 aus Fig. 4 hervorgeht, kann eine abgeflachte Wicklung vollständig in einen wesentlich dünne·»
ren Isolierkörper eingebettet werden als eine runde Wicklung. Dieser Vorteil ergibt sich zusätzlich zu den Vorteilen
eines wirksamen Heizbetriebes und einer einfachen Herstellung.
Claims (5)
1. Elektrische Heizvorrichtung mit einer Widerstands-Heizwicklung,
die in einen Keramikfaser-Isolierkörper entlang der Oberfläche des1Isolierkörpers eingebettet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung (14,16 ... 28) in Längsrichtung abgeflacht ist
und daß jede Windung der Heizwicklung einen im wesentlichen geradlinigen Abschnitt (52) umfaßt, der im wesentlichen
parallel zu der Ebene der Oberfläche (32) des Isolierkörpers (31) liegt. 10
2. Heizvorrichtung nach Anspruch λ, dadurch gekenn-
ter meer ■ müu_er · STElNMElSIn=Ps .1 .! .". "". .'General Signal Corp.
zeichnet, daß die Heizwicklung (14 ... 28) weiterhin
in einer Ebene abgeflacht: ist, die im Abstand von der
Oberfläche (32) des Isolierkörpers (31) liegt, und daß jede Windung einen zweiten, im wesentlichen geradlinigen
Abschnitt (54) aufweist, der im wesentlichen in einer
Ebene parallel zu der Oberfläche (32) des Isolierkörpers (31) liegt.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e-
kennzeichnet, daß die Dicke des Isoliexkör-I
pers (31) höchstens der zweifachen Dicke der Tiefe der
pers (31) höchstens der zweifachen Dicke der Tiefe der
Heizwicklung (14 ... 28) in dem Isolierkörper entspricht.
4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung (14 ... 28) mit einer elektrischen Spannungsquelle
über einen aus dem Isolierkörper (31) austretenden Kontaktstift (40,42) verbunden ist, und daß der Kontaktstift
(40,42) in dem Isolierkörper (31) durch einen Verankerungs-Flügel (48,50) verankert ist, der mit dem Kontaktstift verbunden
ist und zu der Oberfläche (32) des Isolierkörpers (31) senkrechte Flächen aufweist.
5. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η nzeichnet,
daß der Verankerungs-Flügel (48,50) um eine Linie senkrecht zu der Oberfläche (32) des Isolierkörpern
(31) um etwa 90° gebogen ist.
'H-ufg-'ne
maß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadur kennzeichnet, daß man eineHß*iwicklung kreisförmig
aufwickelt, daß man dieH£*iwTcklung abflacht, daß
man die abgeflachte Heizwicklung am Boden einer Form in
Keramikfasern einbe>£et und daß man die Flüssigkeit vo>
einem die Kejserfftfkfasern einschließenden Schlamm abzie
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