DE1565575C3

DE1565575C3 - Widerstandsheizung

Info

Publication number: DE1565575C3
Application number: DE1565575A
Authority: DE
Inventors: Herbert W. Barrington R.I. Westeren (V.St.A.)
Original assignee: Ci Hayes Inc Cranston Ri (vsta)
Current assignee: Ci Hayes Inc Cranston Ri (vsta)
Priority date: 1965-07-15
Filing date: 1966-04-22
Publication date: 1974-01-03
Also published as: US3257492A; US1565575A; DE1565575B2; GB1124151A; DE1565575A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstandsheizung, insbesondere für Vakuumöfen, bestehend aus einem länglichen, frei herunterhängenden und im wesentlichen rohrförmigen Graphit-Heizkörper, der in mehrere längliche Heizelemente unterteilt ist, wobei jedes Heizelement an seinem oberen. Ende vermittels eines zugeordneten Stromzuführungsstabes gehalten ist.

Widerstandsheizungen aus Graphit werden wegen ihrer hohen Temperaturfestigkeit insbesondere auch in Vakuumöfen zunehmend eingesetzt. Dabei muß jedoch dem Problem der mechanischen Spannungen in den Heizkörpern größte Beachtung geschenkt werden, da die Graphit-Heizkörper infolge mechanischer Spannungen leicht zu Beschädigungen neigen.

In der deutschen Patentschrift 1 106 888 ist eine Möglichkeit aufgezeigt, wie ein Graphit-Heizkörper des vorgenannten Typs aufzuhängen ist, damit er bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen frei von mechanischen Spannungen bleibt. Jedes der länglichen Heizelemente, die durch Einschlitzen des Graphit--Heizkörpers in Längsrichtung entstanden sind, ist für sich vermittels eines Stromzuführungsstabes aufgehängt, der in ein Bohrloch im oberen Ende des Heizelementes eingreift und mit seinem anderen Ende auf einer verstellbaren Stütze an der Ofeninnenwandung aufliegt. Der Stab ist in dem Bohrloch nicht gesichert, da er durch Verkanten gegen Herausrutschen aus dem Bohrloch gehindert ist.

Vermittels dieses Vorschlages wjrd zwar verhindert, daß mechanische Spannungen infolge unter-. schiedlicher Wärmeausdehnungen des Heizkörpers auftreten können, doch es können nunmehr auf die einzelnen Heizelemente mechanische Biegespannungen einwirken. Dies wiederum bedingt, daß die Wandstärke des Graphit-Heizkörpers größer gewählt werden muß, als es wärmetechnisch erforder- ^ lieh ist. Der gesteigerte Materialaufwand kompensiert zum großen Teil die Kostenersparnis, die die Graphit-Heizkörper z. B. im Vergleich zu metallischen Heizkörpern besitzen. Er verursacht zudem ein ungünstigeres Verhältnis der Wärmeübertragungsfläche zu dem eingesetzten Graphitmaterial.

Außerdem kann bei der bekannten Widerstandsheizung der Heizkörper, der zwar, in mehrere Iängsiche Heizelemente durch Einschlitzen unterteilt ist, nur insgesamt ausgewechselt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Widerstandsheizung insbesondere für Vakuumöfen und hohe Temperaturen mit optimaler Wärmeübertragungsfläche zu schaffen, deren einzelne Heizelemente keinerlei Belastungen mehr unterliegen und einfach und billig auszuwechseln sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der rohrförmige Heizkörper aus mehreren, unabhängig voneinander geschnittenen Heizelementen aus einem gewebten flexiblen Graphitmaterial besteht; daß die Halterung jedes Heizelementes aus zwei aneinanderleigenden Kreissegmenten besteht, ( die vermittels des in sie eingeschraubten Stromzuführungsstabes gegeneinander verspannt sind; daß die aneinanderliegenden Flächen der Kreissegmente mit korrespondierenden Vor- und Rücksprüngen versehen sind und zwischen ihnen das Graphitmaterial eingeklemmt ist; und daß die frei herunterhängenden Heizelemente an ihrem unteren Ende vermittels eines Ringleiters elektrisch miteinander verbunden sind.

Durch einen Heizkörper mit den erfindungsgemäßen Merkmalen werden die geschilderten Probleme und Nachteile vollständig beseitigt. In Verbindung mit einer Halterung gemäß der Erfindung kann bei den frei herunterhängenden, gewebten und damit flexiblen Graphit-Heizelementen grundsätzlich keine mechanische Spannung, sei es infolge Wärmeausdehnung oder Biegebelastung, mehr auftreten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß eines der Kreissegmente jeder Halterung mit zwei parallel verlaufenden, vorspringenden Rippen und das gegenüberliegende Kreissegment mit zwei korrespondierenden Vertiefungen versehen sind und daß der Abstand der von den Rippen und den Vertiefungen eingeschlossenen Flächen voneinander im verspannten Zustand der Kreissegmente etwas

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größer ist als die Dicke des eingeklemmten Graphit- trieb bei 10~⁴mm Hg betrieben wird. Die Ofenkonmaterials. Hierdurch wird erreicht, daß das Graphit- struktion 10 weist ein allgemein mit 12 bezeichnetes material zwar sicher und fest durch die Vor- und Gehäuse auf, das durch ein zylindrisches Mittelteil Rücksprünge, die zugleich gute Kontaktflächen bil- 14, einen oberen Deckel 16 und einen Bodenteil 18 den, gehalten wird, sich aber dennoch auch zwischen 5 begrenzt wird. Das Gehäuse 12 ist in einer im weden Vor- und Rücksprüngen entsprechend der War- sentlichen senkrechten Lage auf Stützen 20 befestigt, meausdehnung der meist metallischen Halterungen deren untere Enden jeweils auf einer Auflage 22 rudehnen kann. hen. Die oberen Enden der Stützen stecken jeweils in

Bei einer erfindungsgemäßen Widerstandsheizung einer Hülse 24, die ihrerseits an dem Mittelteil 14

braucht der Heizkörper nicht mehr bei eventuell auf- io des Gehäuses 12 in geeigneter Weise befestigt sind,

tretenden Beschädigungen insgesamt ausgewechselt Ein Wassermantel 26 umgibt das zylindrische Mittel-

zu werden, sondern es genügt, lediglich das beschä- teil 14 und ist zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit

digte Heizelement zu entfernen. Als Graphitmaterial vorgesehen, die die Außenwände des Mittelteils 14

wird ein flexibles Gewebe verwandt. Das Material auf einer Temperatur hält, bei der die Bedienung des

kann vorteilhaft in einer Tuchbindung gewebt sein. 15 Gerätes gefahrlos erfolgen kann. Der Wassermantel

Durch die Verwendung eines Gewebes als Wider- 26 sorgt außerdem erforderlichenfalls für die

Standsheizkörper wird die Wärmeübertragungsfläche schnelle Abkühlung der Heizkammer im zylin-

des Heizkörpers im Vergleich zum eingesetzten Ma- drischen Mittelteil 14.

terial vergrößert. Der Deckel 16, bestehend aus einer Platte 28 und

Damit das gewebte Graphitmaterial bei der Ver- 20 damit verschweißter Kuppel 30, ist auf dem zylinwendung als Heizkörper mit Sicherheit seine ge- drischen Mittelteil 14 des Gehäuses 12 abnehmbar streckte Anordnung beibehält, die zur Erzielung kon- befestigt; er ist ebenfalls über die Anschlüsse 36 und stanter und genau definierter Temperaturen inner- 38 mit Wasser od. ä. kühlbar. Zur Abdichtung des halb des meist zylindrisch ausgeführten Heizkörpers Deckels gegenüber dem Mittelteil 14 ist ein Flansch., erforderlich ist, ist bei einer zweckmäßigen Weiter- 25 32 mit ringförmiger Dichtungseinlage 34 vorgesehen, bildung der Erfindung vorgesehen, daß der die frei Das Bodenteil 18 ist ähnlich ausgebildet wie der herunterhängenden Heizelemente an ihrem unteren Deckel 16 und umfaßt eine Bodenplatte 40, eine Ende verbindende Ringleiter aus zwei ineinanderlie- Kuppel 42 und die Kühlmittelanschlüsse 56 und 58. genden das Graphitmaterial zwischen sich einklem- Zum Evakuieren des Wärmebehandlungsraumes menden Ringen besteht, wobei der Innenring eine 30 des Ofens 10 ist das zylindrische Mittelteil 14 mit glatte, nach unten sich konisch erweiternde Außen- einer erweiterten Absaugöffnung 60 und einem Anfläche besitzt, und der Außenring auf seiner Innen- schlußrohr 62 mit dem Flansch 64 ausgerüstet,
fläche mit zwei parallel verlaufenden, vorspringen- Die Heizvorrichtung 70 ist das Kernstück des als den, der konischen Abschrägung der Außenfläche Beispiel dargestellten Vakuumofens. Sie umfaßt des Innenringes angepaßten Rippen versehen ist. 35 mehrere gewebte flexible Graphitheizelemente 80, Diese erfindungsgemäße Ringleiterkonstruktion er- die vertikal aufgehängt angeordnet sind und eine möglicht es, daß zum Beispiel beim Auswechseln Heizzone abgrenzen. Um den in diesen Heizelemeneines defekten Heizelementes die Verbindung der ten zur geforderten Wärmeerzeugung benötigten Heizelemente untereinander schnell und einfach ge- Strom zu liefern, sind sättigungsfähige Drosselkerne löst werden kann. Nach dem Auswechseln des defek- 4° verwendet (nicht dargestellt), mit denen Stromzufühten Heizelementes kann die elektrische Verbindung rungsstäbe 72 elektrisch verbunden sind. Da eine der Heizelemente untereinander in genau der glei- hohe Leistung in einem Dreiphasensystem wirtschaftchen einfachen Weise durch Ineinanderfügen der bei- licher genutzt wird, sind im gleichen Abstand drei den Ringe wieder vorgenommen werden. Das Stromzuführungsstäbe 72 vorgesehen, die ausgehend zwangläufig etwas erhöhte Gewicht dieses doppel- 45 von Befestigungsstutzen 74 in das zylindrische Mitten Ringleiters bewirkt zudem die Streckung der telteil 14 hineinragen. Die Stutzen 74 besitzen geeig-Heizelemente in sich, so daß sie untereinander immer nete Flansche 76 und 78 zur Befestigung an Stromden gleichen Abstand besitzen. schienen od. ä.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Er- Zur Aufhängung der Graphitheizelemente an den

findung an Hand von Zeichnungen näher beschrie- 5° Stromzuführungsstäben 72 sind die äußeren Enden

ben. Es zeigt dieser Stromzuführungsstäbe 72 verkleinert und mit

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Vakuum- Gewinde versehen, wie in der F i g. 4 unter 82 gezeigt

ofen, der mit einer Widerstandsheizung gemäß der ist. Auf jedem der Gewindeenden 82 der Stromzu-

Erfindung ausgerüstet ist. führungsstäbe 72 ist ein Segmentelement 84 befestigt,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in 55 das gekrümmt ausgebildet ist und an der Innenseite

Fig. 1, eine Aussparung 86 aufweist. Im Segmentelement 84

F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in ist eine Öffnung 88 angebracht, durch die das ver-

F i g. 1, kleinerte Ende 82 des Stromzuführungsstabes 72

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in ragt. Wie die Fig. 6 zeigt, ist ein entsprechendes

Fig.2, ' 60 Segmentelement 90 so ausgebildet, daß es mit dem

F i g. 5 und 6 vergrößerte perspektivische Ansich- Segmentelement 84 zusammenwirkt und einen Seg-

ten der in F i g. 4 gezeigten Segmentelemente, mentstab bildet, welcher das Graphitheizelement 80

F i g. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 in festhält. Zu diesem Zweck ist das Segmentelement

Fig. 3, 90, welches ebenfalls gekrümmt ausgebildet ist, mit

F i g. 8 und 9 perspektivische Ansichten der in 65 einem Vorsprung 92 ausgeführt, welcher in die Aus-

F i g. 7 gezeigten Ringleiter. sparung 86 des Segmentelementes 84 paßt. Im Seg-

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Kaltwand-Hochva- mentelement 90 ist eine Öffnung 94 mit Innenge-

kuum-Wärmebehandlungsofen 10, der im Normalbe- winde angeordnet, um den Gewindeteil des verklei-

nerten Endes 82 des Stromzuführungsstabes 72 aufzunehmen. Beim Zusammensetzen der Segmentelemente 84 und 90 erstreckt sich der Vorsprung 92 in die Aussparung 86, jedoch wird die Eindringtiefe durch die Berührung der Flächen 91 und 93 begrenzt, die der Aussparung 86 bzw. dem Vorsprung 92 benachbart sind. Diese Flächen sind so ausgebildet, daß sie die Heizelemente 80 einklemmen und Einheits-Kontaktdruckpunkte bilden, die eine geeignete elektrische Verbindung zwischen den Stromzuführungsstäben 72 und den Heizelementen sichern.

So berührt der Vorsprung 92 die die Aussparung 86 begrenzende Wand nicht, und da die angrenzenden Flächen zusammenwirken, um die Heizelemente 80 einzuklemmen, können sich die Heizelemente aus ihrer gesicherten Lage nicht losreißen. Außerdem gewährleistet der Raum zwischen dem Vorsprung 92 und der Aussparung 86, daß sich das Heizelement in diesem Zwischenraum erforderlichenfalls ausdehnen kann. Wie aus der F i g. 4 deutlich ersichtlich ist, passen die Segmentelemente 84 und 90 so zusammen, daß sie ein Heizelement 80 fest einklemmen, wobei die Heizelemente 80 von dem aus den Segmentelementen 84 und 90 gebildeten Segmentstab im Innern des zylindrischen Mittelteiles 14 herabhängen. Jeder der Stromzuführungsstäbe 72 ist ähnlich ausgebildet und, wie in der F i g. 2 gezeigt wird, die Heizelemente 80 sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet, um eine Heizzone abzugrenzen.

Die Heizelemente 80, die die Cfttterteile der Heizeinheit oder -vorrichtung 70 darstellen, sind an ihrem unteren Ende durch eine Leiteranordnung verbunden, die aus konzentrisch ineinanderpassenden Ringen 96 und 98 gebildet wird. Der Ring 96, der größere der Ringleiter der Leiteranordnung, ist mit einer inneren Aussparung 100 versehen, die gegenüberliegende Flächen 102 und 104 abgrenzt. Die gegenüberliegenden Flächen 102 und 104 sind leicht abgeschrägt oder verjüngt und bilden Kontaktflächen, die mit einer verjüngten Fläche 106 an der Außenfläche des Ringes 98 zusammenwirken und die unteren Enden der Heizelemente 80 eingekeilt aufnehmen. Da die Fläche 106 des Innenringes 98 sich verjüngt, kommen die gegenüberliegenden Flächen 102 und 104 des Außenringes 96 damit in Eingriff und bestimmen eine einheitliche Druckzone, um die Heizelemente 80 festzuhalten. Beim Zusammensetzen der Ringe 96 und 98 werden die unteren Enden des Heizelementes 80 dazwischen angeordnet und die Ringe werden dann in der Paßstellung verkeilt, wobei die Kontaktzonen durch die aufeinandertreffenden Flächen 102 bzw. 104 mit der verjüngten Fläche 106 bestimmt werden. Weil die Heizelemente 80 aus Graphitmaterial bestehen, entsteht eine gute elektrisehe Verbindung zwischen ihnen und den Ringen 96 und 98, die den Stromleiter dafür bilden. Wie oben im Zusammenhang mit den Segmentelementen beschrieben, bildet die Aussparung 100 zwischen den Kontaktpunkten gegebenenfalls einen Raum für die

ίο Ausdehnung der Heizelemente.

Wie ersichtlich, hängen die gewebten Graphitheizelemente 80, die flexibel konstruiert sind, von den Stromzuführungsstäben 72 herunter, wobei der aus den konzentrischen Ringen 96 und 98 bestehende Ringleiter die unteren Enden der flexiblen Heizelemente 80 aufnimmt, die infolge des Gewichtes des Ringleiters im wesentlichen gespannt sind. Der Ringleiter hängt über die Heizelemente 80 an den Stromzuführungsstäben 72 und ist mit Abstand vom Boden des zylindrischen Teiles 14 angeordnet.

Wie schon erwähnt, grenzen die gewebten Graphitheizelemente 80 eine Heizzone ab. Um diese Heizzone zu isolieren und somit die stärkste Heizwirkung für das im Inneren der Ofenkonstruktion wärmebehandelte Werkstück zu erhalten, ist ein Isoliermantel 108, z. B. aus mehreren Lagen Graphitfilzmaterial, um die Heizelemente herum angeordnet. Mehrere in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigte Graphitstäbe 110 erstrecken sich von einer unteren Platte 112 am unteren Ende des zylindrischen Mittelteils nach oben und halten die ringförmig angeordneten Schichten des Graphitisoliermaterials 108 in der richtigen Lage.

Die Graphitelemente werden in der erforderlichen

Form aus einem größeren Stück flexibel gewebten Stoffes ausgeschnitten und können nötigenfalls rasch und bequem ausgewechselt werden.

Beim Betrieb des mit einer erfindungsgemäßen Widerstandsheizung ausgerüsteten Ofens wird das zur Wärmebehandlung vorgesehene Werkstück auf die Arbeitsplatte 114 gelegt und der Arbeitsraum durch Auflegen des Deckelteiles 16 geschlossen. Die Stromzuführungsstäbe 72 werden unter Strom gesetzt, und die gewebten Graphittuch-Heizelemente heizen auf die gewünschte Temperatur auf. Da die Heizelemente 80 aus Graphitmaterial bestehen, kann mit hohen Spannungen und niedrigen Strömen gefahren werden, so daß die bei metallischen Heizelementen erforderlichen schweren Transformatoren, Kabel usw. entfallen. Das Aufheizen der dünnen Graphitelemente erfolgt innerhalb weniger Sekunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Widerstandsheizung, insbesondere für Vakuumöfen, bestehend aus einem länglichen, frei herunterhängenden und im wesentlichen rohrförmigen Graphit-Heizkörper, der in mehrere längliche Heizelemente unterteilt ist, wobei jedes Heizelement an seinem oberen Ende vermittels eines zugeordneten Stromzuführungsstabes gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der.rohrförmige Heizkörper aus mehreren, unabhängig voneinander geschnittenen Heizelementen (80) aus einem gewebten flexiblen Graphitmaterial besteht; daß die Halterung jedes Heizelementes aus zwei aneinanderliegenden Kreissegmenten (84, 90) besteht, die vermittels des in sie eingeschraubten Strcmzijführungsstabes (72) gegeneinander verspannt sind; daß die aneinanderliegenden Flächen der Kreissegmente mit korrespondierenden Vor- und Rücksprüngen (91 bzw. 93) versehen sind und zwischen ihnen das Graphitmaterial eingeklemmt ist; und daß die frei herunterhängenden Heizelemente an ihrem unteren Ende vermittels eines Ringleiters (96, 98) elektrisch miteinander verbunden sind.

2. Widerstandsheizung nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Kreissegmente (84) jeder Halterung mit zwei parallel verlaufenden, vorspringenden Rippen (91) und das gegenüberliegende Kreissegment (90) mit zwei korrespondierenden Vertiefungen (93) versehen sind und daß der Abstand der von den Rippen und den Vertiefungen eingeschlossenen Flächen (86, 92) voneinander im verspannten Zustand der Kreissegmente etwas größer ist als die Dicke des eingeklemmten Graphitmaterials (80).

3. Widerstandsheizung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringleiter aus zwei ineinanderliegenden, das Graphitrriaterial (80) zwischen sich einklemmenden Ringen (96, 98) besteht, wobei der Innenring (98) eine glatte, nach unten sich konisch erweiternde Außenfläche (106) besitzt, und der Außenring (98) auf seiner Innenfläche mit zwei parallel verlaufenden, vorspringenden, der konischen Abschrägung der Außenfläche des Innenringes angepaßten Rippen (102, 104) versehen ist.

4. Widerstandsheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Graphitmaterial (80) in einer Tuchbindung gewebt ist.