DE19746872A1 - Heizelement und unter seiner Verwendung hergestellter Ofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement mit einer Heizwendel, die an einem Führungselement anliegend einen Heizraum in Form einer Spirale umgibt. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Ofen mit einem Gehäuse, in dem ein von einem Heizelement beheizbarer Heizraum ausgebil­ det ist, wobei das Heizelement eine an einem Führungselement anliegende Heizwendel auf­ weist, die den Heizraum in Form einer Spirale umgibt.

Ein gattungsgemäßes Heizelement und ein unter Verwendung des Heizelementes hergestell­ ter Dentalofen sind aus der Betriebsanleitung "Programat P 90" der IVOCLAR AG, Liechten­ stein, aus dem Jahr 1990 bekannt (Druckvermerk: Sch 457/1090/2/d/BVD). Der darin be­ schriebene Dentalofen ist in vorliegender Fig. 3 schematisch dargestellt. Der Heizraum 31 ist von einer ringförmigen Keramikmuffel 32 umschlossen, deren dem Heizraum 31 zugewandte Innenseite mit einer schraubenlinienförmigen Führungsrille versehen ist. In die Führungsrille ist eine Heizwendel 33 eingelegt und darin fest eingeklebt. Zur Wärmeisolierung ist die Keramik­ muffel 32 außen von Steinfuttersegmenten 34 ringförmig umgeben und nach oben durch eine Keramikhaube 35 abgedeckt.

Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Werk­ stoffe (metallische Heizwendel, Keramikmuffel, Kleber) kommt es beim Aufheizen und Abküh­ len des bekannten Dentalofens zu mechanischen Spannungen, die zu einer Alterung von Ke­ ramikmuffel 32 und Heizwendel 33 und letztendlich zum Ausfall des Ofens führen. Dabei von der Keramikmuffel 32 oder der Keramikhaube 35 abbröckelnde Teilchen können das Heizgut, beispielsweise eine Schmelze 36 aus einer Dentallegierung, verunreinigen. Dieses Problem wird durch eine hohe Betriebstemperatur oder durch eine die metallische Heizwendel 33 oder die keramische Muffel 32 korrodierende Atmosphäre noch verschärft.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit und langer Lebensdauer anzugeben und einen unter Ver­ wendung des Heizelementes hergestellten Ofen bereitzustellen, in dem die Gefahr einer Ver­ unreinigung des Heizgutes gering ist.

Hinsichtlich des Heizelementes wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebe­ nen Heizelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Führungselement als Innenspira­ le ausgebildet ist, über die mindestens ein Teil der Heizwendel lose gewickelt ist.

Als Führungselement im Sinne der Erfindung wird eine Innenspirale eingesetzt. Die Innenspi­ rale kann aus mehreren Teil-Spiralen zusammengesetzt sein. Aufgrund der Innenspirale wird der spiralförmige Verlauf der Heizwendel um den Heizraum herum vorgegeben. Die Innenspi­ rale und die "Heizwendel-Spirale" haben die gleiche Steigung und sie verlaufen um eine ge­ meinsame Spiral-Längsachse. Durch die Innenspirale erhält die "Heizwendel-Spirale" ihre Formstabilität. Üblicherweise ist die gesamte Heizwendel von der Innenspirale gestützt. Es kann aber auch genügen, wenn nur ein Teil der Heizwendel von der Innenspirale gestützt ist, wenn dennoch eine ausreichende Formstabilität der Heizwendel-Spirale gewährleistet ist. Die Innenspirale besteht aus einem bei der Betriebstemperatur des Heizelementes beständigen, elektrisch nicht leitenden Werkstoff. Aufgrund ihrer Form ist die Innenspirale sowohl in Rich­ tung der Spirallängsachse als auch quer dazu flexibel, so daß Längenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen ohne wesentliche mechanische Spannungen möglich sind. Als Spirallängsachse wird dabei diejenige Richtung verstanden, um die herum die Innenspirale und die Heizwendel-Spirale verlaufen.

Über die Innenspirale ist mindestens ein Teil der Heizwendel gewickelt. Aufgrund ihrer durch die Innenspirale aufgeprägten spiraligen Ausbildung erzeugen Längenänderungen infolge von Temperaturwechseln in der Heizwendel keine wesentlichen Spannungen. Wesentlich dafür ist aber, daß die Heizwendel an der Innenspirale lediglich anliegt, also nicht fest mit ihr verbunden ist, so daß mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungs­ koeffizienten zwischen dem Material der Heizwendel und der Innenspirale vermieden werden.

Das erfindungsgemäße Heizelement eignet sich aufgrund seiner guten Temperaturwechselbe­ ständigkeit insbesondere für den Einsatz in Öfen, die häufig ein- und ausgeschaltet werden und die mit hohen Heiztemperaturen betrieben werden. Es zeichnet sich durch eine lange Le­ bensdauer aus.

Es wird eine Ausführungsform des Heizelementes bevorzugt, bei dem die Innenspirale aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas besteht. Derartige Innenspiralen las­ sen sich einfach herstellen.

Eine weitere Verbesserung der Lebensdauer, insbesondere bei korrodierender Atmosphäre im Ofenraum wird erreicht, wenn die Innenspirale und die Heizwendel um koaxial zur Spirallängs­ achse angeordnetes Innenschutzrohr verlaufen. Das Innenschutzrohr kann die seitliche Be­ grenzung des Heizraumes bilden. Es gewährleistet einen Abschluß der Heizwendel und der In­ nenspirale von der Heizraum-Atmosphäre. Dadurch ist es möglich, im Heizraum eine korrodie­ rende Atmosphäre einzustellen. Umgekehrt werden auch aus der Heizwendel und der Innen­ spirale herrührende Verunreinigungen des Heizgutes durch das Innenschutzrohr verhindert. Für den Fall, daß die Heizwendel am Schutzrohr anliegt, besteht dieses vorteilhaft aus elek­ trisch isolierenden Werkstoffen, wie Glas oder Keramik.

Weiterhin kann das Innenschutzrohr als mechanische Begrenzung und als Lager für die Innen­ spirale dienen, wenn diese sich in Richtung auf den Heizraum verformt. Eine gasdichte Aus­ führung des Innenschutzrohres ist hierfür nicht erforderlich. Darüberhinaus vermindert das In­ nenschutzrohr die Gefahr einer unbeabsichtigten Berührung der heißen Heizwendel und es stellt gleichzeitig einen elektrischen Berührungsschutz dar. Außerdem kann um das Innen­ schutzrohr herum ein geeignetes Isoliermittel, wie Quarzglaswolle, vorgesehen sein, in das die Heizwendel-Spirale mitsamt Innenspirale eingebettet sind. Das Isoliermittel kann zur thermi­ schen und elektrischen Isolierung und zur Verbesserung der Formstabilität der Einheit von Heizwendel und Innenspirale beitragen.

Bewährt hat sich ein Innenschutzrohr aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas. Quarzglas oder hochkieselsäurehaltiges Gläser zeichnen sich durch hohe Temperatur­ wechselbeständigkeit aus. Darüberhinaus ist Quarzglas gegenüber den meisten Gasen - auch bei hohen Temperaturen - chemisch beständig.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausbildung des Heizelementes erwiesen, bei dem In­ nenspirale und Heizwendel mindestens teilweise auf einem Stützelement aufliegen. Bei sehr hohen Temperaturen kann es zu plastischen Verformungen der Innenspirale kommen. Bei ei­ ner Innenspirale aus Quarzglas sind plastische Verformungen beispielsweise etwa oberhalb 1250°C zu erwarten. Ein Stützelement oder mehrere Stützelemente, die mindestens ein Teil der Innenspirale stützen, können Verformungen vermindern oder verhindern. Das Stützele­ ment besteht vorteilhafterweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus Quarzglas.

Im Falle einer Stauchung durch plastische Verformung einer vertikal orientierten Innenspirale besteht die Gefahr, daß benachbarte Steigungen der schraubenlinienförmig verlaufenden Heizwendel in elektrischen Kontakt kommen, was zum Ausfall des Heizelementes führen wür­ de. Ein zwischen den Steigungen angeordnetes, elektrisch isolierendes Stützelement kann solche Kurzschlüsse verhindern.

Als gerade in dieser Hinsicht besonders geeignet hat sich ein Stützelement erwiesen, das in Form einer Stützspirale mit der gleichen Steigung wie die Innenspirale ausgebildet ist, und die mindestens einen Teil der Innenspirale und der Heizwendel untergreift. Das Stützelement ver­ läuft somit koaxial zur Heizwendel-Spirale als auch zur Innenspirale. Ein einfach herzustellen­ des und zu montierendes Stützelement besteht aus Quarzglas. Das Stützelement untergreift die Heizwendel-Spirale auf ihrer gesamten Länge und verhindert so auch bei plastischen Verfor­ mungen der Innenspirale und der damit einhergehenden Verformungen der Heizwendel-Spira­ le zuverlässig jeden elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Steigungen der Heizwendel-Spirale.

Vorteilhafterweise besteht die Stützspirale aus dem gleichen Material wie die Innenspirale und sie umschließt das Innenschutzrohr lose. Dadurch wird erreicht, daß sich die Stützspirale ent­ sprechend der Innenspirale verformen kann und somit die Innenspirale auch nach Verformun­ gen über ihre gesamte Länge von der Stützspirale untergriffen wird. Dies trägt zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse zwischen den Steigungen der Heizwendeln bei.

Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform des Heizelementes, bei dem die Innenspi­ rale von einem koaxial zur Spirallängsachse verlaufenden Außenschutzrohr umgeben ist. Bei dieser Ausführungsform sind Innenspirale und Heizwendel zwischen Außenschutzrohr und In­ nenschutzrohr eingeschlossen, wobei aber ihre Beweglichkeit sowohl in Richtung der Spi­ rallängsachse als auch senkrecht dazu gewährleistet ist. Die Heizwendel kann zwischen den jeweiligen Schutzrohren gasdicht eingekapselt sein, so daß sie vor jeglicher Atmosphäre si­ cher geschützt ist. Der Zwischenraum zwischen Außenschutzrohr und Innenschutzrohr kann mit einem geeigneten Gas oder mit einem geeigneten Füllstoff gefüllt sein. Wegen seiner Formstabilität bei honen Temperaturen besteht die Füllung des Ringspaltes vorteilhafterweise aus Quarzglaswolle.

Es wird eine Ausführungsform des Heizelementes bevorzugt, bei dem eine Abdeckung aus Quarzglas vorgesehen ist. Die Abdeckung verhindert eine Verschmutzung des Heizgutes durch herabfallende Teilchen.

Hinsichtlich einer hohen mechanischen Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit hat sich eine aus einem Rohr geformte Innenspirale als günstig erwiesen.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Ofen zeichnet sich ein Ofen nach der Erfindung durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Heizelement aus. Hinsichtlich der Ausbil­ dung und Anordnung des Heizelementes im Ofen wird auf die obigen Erläuterungen verwie­ sen. Aufgrund der Ausbildung des Heizelementes mit einer Innenspirale und seiner hohen Temperaturwechselbeständigkeit werden Material-Zermürbungen der Heizelement-Bauteile und andere Alterungserscheinungen sowie die damit einhergehenden Verschmutzungen des Heizraumes und des Heizgutes durch Bestandteile aus dem Heizelement vermieden. Dies trifft insbesondere für eine Ausführungsform des Ofens zu bei der der Heizraum von einem Innen­ schutzrohr aus Quarzglas umgeben ist.

Der erfindungsgemäße Ofen ist besonders geeignet für Anwendungen mit hohen Heiztempe­ raturen, bei denen gleichzeitig jede Verunreinigung des Heizgutes verhindert werden muß. Er wird beispielsweise als Dentalofen eingesetzt. Weiterhin ist er für Anwendungen in der Analy­ sentechnik geeignet, beispielsweise zur Veraschung von Proben oder beim Probenaufschluß.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeich­ nung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Dentalofen,

Fig. 2 einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Dentalofens in einer Vergrößerung und

Fig. 3 einen Dentalofen nach dem Stand der Technik.

Bei dem Dentalofen gemäß Fig. 1 ist ein Heizraum 1 für eine Schmelzprobe 2 von einem Ge­ häuse umschlossen, das aus einem Unterteil 3, einem ringförmigen Mittelteil 4 und einem Oberteil 5 besteht.

Die seitliche Begrenzung des Heizraumes 1 wird von einem Innenrohr 6 aus Quarzglas gebil­ det, das einen Innendurchmesser von 10 cm, eine Wandstärke von 1,5 mm und eine Länge von 10 cm aufweist.

Das Innenrohr 6 ist von einem Außenrohr 7 aus Quarzglas umgeben, das einen Innendurch­ messer von 12 cm, eine Wandstärke von 1,5 mm und eine Länge von 10 cm aufweist.

Im Zwischenraum zwischen Innenrohr 6 und Außenrohr 7 befindet sich eine Heizwendel 8 aus einem Heizdraht "Kanthal AF" mit einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm. Die Heizwendel 8 hat eine Länge von 1,80 m, wobei der Innendurchmesser der Wendel 6,5 mm beträgt. Die Heiz­ wendel 8 wird mit einer elektrischen Leistung von 1 kW beaufschlagt und erzeugt dabei Tem­ peraturen innerhalb des Heizraumes 1 bis zu 1400°C.

Die Heizwendel 8 ist in Form einer Spirale gebogen, der in den Fig. 1 und 2 insgesamt die Bezugsziffer 9 zugeordnet ist. Die Heizwendel-Spirale 9 erstreckt sich im Ausführungsbeispiel vom Boden des Heizraumes über einen Teil seiner Höhe, wobei sie sich um eine Spiralachse 10 windet, die der Mittelachse des Heizraumes 1 entspricht.

Die Heizwendel 8 ist über eine Innenspirale 11 gezogen, die aus einem Quarzglasröhrchen mit einem Außendurchmesser von 6 mm und einer Wandstärke von 1 mm gebogen ist. Die Quarz­ glas-Innenspirale 11 verleiht der Heizwendel-Spirale 9 die erforderliche Formstabilität, wobei die Heizwendel 8 jedoch auf der Innenspirale 11 nur locker aufliegt.

Ein Quarzglas-Stab mit einem Außendurchmesser von 4 mm ist - in Form einer Stützwendel 12 gewickelt - um das Innenrohr 6 angeordnet. Die Stützwendel 12 liegt dabei locker an der Außenwandung des Innenrohres 6 an. Die Stützwendel 12 weist die gleiche Steigung auf wie die Heizwendel-Spirale 9 bzw. wie die Innenspirale 11. Die Heizwendel-Spirale 9 umschreibt jedoch einen geringfügig größeren Innendurchmesser und stützt sich mit ihrer Unterseite auf der Stützwendel 12 ab.

Der Ringspalt 14 zwischen Innenrohr 6 und Außenrohr 7 ist im übrigen mit Quarzglaswolle 13 gefüllt, die in Fig. 1 zur Wahrung einer deutlicheren Darstellung nur schematisch anhand ei­ nes straffierten Bereiches 13 dargestellt ist.

Das Mittelteil 4 ist mit zwei Ringnuten versehen, in die das jeweilige untere Ende des Innen­ rohres 6 bzw. des Außenrohres 7 hineinragen. Der Heizraum 1 und der Ringspalt 14 sind nach oben mittels einer Quarzglasscheibe 15 abgedeckt. Durch die Abdeckung des Heizraumes 1 mittels der Quarzglasscheibe 15 wird ein Eintrag von Verunreinigungen in die Schmelzprobe 2 vollständig verhindert. Darüberhinaus verhindert der Abschluß des Ringspaltes 14 vom Heizraum 1 mittels der Quarzglasscheibe 15, daß eine korrosive Heizraum-Atmosphäre die Heizwendel 8 korrodiert.

In der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 sind Einzelheiten des erfindungsgemäßen Hei­ zelementes deutlicher zu erkennen. Dabei sind für die Bezeichnung der Bauteile bzw. Be­ standteile des Heizelementes die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet worden.

Nachfolgend werden anhand des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels Funktion und Wirkungen des erfindungsgemäßen Heizelementes bzw. Ofens näher erläutert.

Der Heizraum 1 wird mittels der Heizwendel 8 auf eine Temperatur von 1400°C gebracht. Die Temperaturerhöhung führt einerseits zu einer beträchtlichen Längenausdehnung der Heizwen­ del 8, andererseits zu einer Erweichung der den Heizraum 1 umgebenden Quarzteile, insbe­ sondere der Innenspirale 11 und der Stützwendel 12, die im übrigen auch einer, wenn auch geringen, Längenausdehnung unterliegen.

Die Längenveränderungen führen bei dem erfindungsgemäßen Heizelement jedoch nicht zu Spannungen. Längenänderungen der Heizwendel 8 werden durch die freie Beweglichkeit der Heizwendel-Spirale 9 kompensiert. Eine Kompensation wäre beispielsweise durch eine Ver­ größerung des von der Heizwendel-Spirale 9 umschriebenen Innendurchmessers oder durch eine Verlängerung in Richtung der Spiralachse 10, ebenso wie durch eine Vergrößerung des von der Heizwendel 8 selbst umschriebenen Durchmessers möglich. Dies wird dadurch er­ reicht, daß die Heizwendel 8 im Ringspalt 14 nicht über ihre Länge fixiert ist, sondern lediglich lose auf der Innenspirale 11 aufliegt.

Da auch weder die Innenspirale 11 noch die Stützwendel 12 innerhalb des Ringspaltes 14 über ihre Länge fixiert sind, können Längenänderungen dieser Bauteile gleichermaßen durch Veränderungen der jeweiligen Wendeldurchmesser oder -längen kompensiert werden.

Dies gilt gleichermaßen beim Abkühlen des Heizraumes 1 auf Raumtemperatur. Dadurch wird ein Altern des Heizelementes vermieden. Das Heizelement zeichnet sich deshalb durch eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit aus.

Plastische Verformungen der Innenspirale 11 bzw. der Stützwendel 12 führen bei der in Fig. 1 dargestellten vertikalen Anordnung zwar zu einer geringen Stauchung in Richtung der Spi­ ralachse 10, jedoch nicht zu einem Ausfall des Dentalofens. Dies wird im folgenden begründet.

Die Stützwendel 12 liegt an der Außenwandung des Innenrohres 6 locker an. Die Heizwendel- Spirale 9 wiederum liegt auf der Stützwendel 12 lose auf. Innerhalb der Heizwendel-Spirale 9 verläuft mit Spiel die Innenspirale 11. Beim Aufheizen auf ca. 1400°C kommt es aufgrund pla­ stischer Verformung zu einer Stauchung der Innenspirale 11 und dementsprechend zu einer Stauchung der Heizwendel-Spirale 9. Dabei besteht die Gefahr, daß sich benachbarte Stei­ gungen der Heizwendel-Spirale 9 berühren und dabei einen elektrischen Kurzschluß erzeu­ gen, was zum Ausfall des Heizelementes führen würde. Dies wird jedoch durch die Stützwen­ del 12 verhindert. Die Stützwendel 12 untergreift die Heizwendel-Spirale 9. Beim Stauchen der Heizwendel-Spirale 9 legt sich die Stützwendel 12 jeweils zwischen deren einzelne Wendeln. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Stützwendel 12 die gleiche Steigung aufweist, wie die Heizwendel-Spirale 9. Aufgrund ihrer elektrisch isolierenden Eigenschaft verhindert die Stützwendel 12 so einen Kontakt zwischen benachbarten Steigungen der Heizwendel-Spirale 9. Das Untergreifen der Heizwendel-Spirale 9 durch die Stützwendel 12 wird im Ausführungs­ beispiel durch einen ausreichend großen Außendurchmesser des die Stützwendel 12 bilden­ den Quarzglas-Stabes sichergestellt.

Eine zusätzliche Formstabilisierung wird durch das Einbringen von Quarzglaswolle 13 in den Ringspalt 14 erreicht. Das erfindungsgemäße Heizelement wurde Temperaturen bis zu 1400°C ausgesetzt. Ein ein Ausfall oder eine Beinträchtigung seiner Leistung wurde dabei nicht festgestellt.

Claims (13)

1. Heizelement mit einer Heizwendel, die an einem Führungselement anliegend einen Heizraum in Form einer Spirale umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsele­ ment als Innenspirale (11) ausgebildet ist, über die mindestens ein Teil der Heizwendel (8) lose gewickelt ist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenspirale (11) aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas besteht.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenspirale (11) und die Heizwendel (8) um ein koaxial zur Spirallängsachse (10) angeordnetes In­ nenschutzrohr (6) verlaufen.

4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenschutzrohr (6) aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas besteht.

5. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenspirale (11) und die Heizwendel (8) mindestens teilweise auf einem einem Stüt­ zelement aufliegen.

6. Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement in Form einer Stützspirale (12) ausgebildet ist, die die gleiche Steigung wie die Innenspirale (11) aufweist, und die mindestens einen Teil der Innenspirale (11) und der Heizwendel (8) untergreift.

7. Heizelement nach Anspruch 6 sowie einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützspirale (12), aus dem gleichen Material wie die Innenspirale (11) bestehend, das Innenschutzrohr (6) lose umschließt.

8. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenspirale (11) und die Heizwendel (8) von einem koaxial zur Spirallängsachse (10) verlaufenden Außenschutzrohr (7) umgeben sind.

9. Heizelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenschutzrohr (7) aus Quarzglas oder aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas besteht.

10. Heizelement nach Anspruch 7 oder 8 sowie einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ringspalt (14) zwischen Innenschutzrohr (6) und Außenschutz­ rohr (7) Quarzglaswolle enthält.

11. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Abdeckung (15) aus Quarzglas oder aus hochkieselsäurehaltigem Glas aufweist.

12. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenspirale (11) aus einem Rohr geformt ist.

13. Ofen mit einem Gehäuse, in dem ein von einem Heizelement beheizbarer Heizraum aus­ gebildet ist, wobei das Heizelement eine an einem Führungselement anliegende Heiz­ wendel aufweist, die den Heizraum in Form einer Spirale umgibt, gekennzeichnet durch ein Heizelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.