DE2855382A1

DE2855382A1 - Elektrische heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2855382A1
Application number: DE19782855382
Authority: DE
Inventors: Ewald Roman Werych
Original assignee: General Signal Corp
Current assignee: SPX Technologies Inc
Priority date: 1977-12-21
Filing date: 1978-12-21
Publication date: 1979-06-28
Anticipated expiration: 1998-12-22
Also published as: CA1115761A; GB2011768B; DE2855382C2; GB2011768A; MX4476E; JPS6313314B2; JPS5487951A; DE7837914U1

Description

Mbi£i? ■ Müller . STEINMEISTER General Signal Corp.

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. 5

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit elektrischen Heizvorrichtungen, die gewickelte Widerstands-Heizelemente umfassen, die in Isolierkörper eingebettet sind.

Die US-PS 3 500 444 beschreibt eine leichte Keramikfaser-Isolierung. Aus Gründen der Energieersparnis wird eine derartige Keramikfaser-Isolierung häufig anstelle dichterer, gebrannter Ziegel zur Ofenauskleidung verwendet. Diese Anwendungsfälle beziehen sich auf öfen, die mit öl oder Gas betrieben werden. Es besteht jedoch ein zunehmender Bedarf an der Verwendung elektrischer Heizelemente, bei denen die Heizwicklungen unmittelbar in Keramikfaser-Isolierkörper eingebettet sind, wie sie in der obigen US-PS beschrieben werden. Gemäß dieser US-PS liegt ein Teil der Heizwicklungen oberhalb der Oberfläche des Isolierkörpers, damit sich eine wirksame Wärmeübertragung 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-

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TER meer · Müller . Steinmeister General Signal Corp.

lung zu schaffen, die einfacher herzustellen ist als die bekannte Heizvorrichtung. Insbesondere soll es nicht erforderlich sein, die Wicklungen teilweise aus dem Isolierkörper herausragen zu lassen.
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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. Anschliessend wird die Flüssigkeit aus dem Schlamm abgezogen, so daß sich ein Isolierkörper aus Keramikfasern in der Form ablagert und die Heizwicklung unmittelbar einbettet.

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Vorzugsweise werden die Heizwicklungen zunächst mit unmittelbar angrenzenden Windungen gewickelt und in diesem Zustand abgeflacht und später in Längsrichtung gedehnt.

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 Heizvorrichtung 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 Veranschaulichung einer abgeflachten Heizwicklung und eines Kontaktstiftes;

Fig. 4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung

von Testergebnissen eines Vergleichs zwischen runden und abgeflachten Wicklungen;

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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TER meer · Müller · STEINMEISTEP General Signal Corp.

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 US-PS 3 500 444 beschrieben sind, und kann mit einer Stufe 34 auf drei Seiten sowie einem überhängenden Abschnitt 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 durc¹"» 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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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 K) 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 aufweist, 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 Wicklungen 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

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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 Fig. 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 Verbindungsdrähten und Kontaktstiften verschweißt und am Boden einer Form in der endgültigen Anordnung der Figuren 1 bis 3 untergebracht, wobei sich die Kontaktstifte 40 und 42 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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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 einbetten, sollten diese Verankerungseinrichtungen zweckmäßigerweise relativ dünn in einer waagerechten Ebene sein. Bei der geschilderten bevorzugten Ausführungsform wiesen die Verankerungs-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 Stabiiität der Flügel selbst. 25

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, 3,2mm 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-

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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 1.257°C, die Temperatur an der Rückseite der abgeflachten Wicklung 56 dagegen nur 1.212°C, so daß sich ein Unterschied von 45°C ergab. Bei einer vorgegebenen Temperatur der heißen Oberfläche von 1.093⁰C war daher die Temperatur, auf die die abgeflachte 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 Wicklungen entsprechen, die Temperatur an der Rückseite der runden Wicklung auf 1.382⁰C angestiegen, während die Temperatur an der Rückseite der abgeflachten Wicklung nur 1.33O⁰C betrug, so daß sich ein Unterschied von 52°C ergab.

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Die obigen Testergebnisse zeigen an, daß für einen Heizvorgang mit gegebenem Temperaturniveau die Temperatur der

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Gansral Signal Corp.

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 Ofentemperatüren, 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 nicht auf Heizvorrichtungen der oben angegebenen Dimension beschränkt. Die Abmessungen der Wicklungen können geändert werden, und ebenso kann die Tiefe des Isolierkörpers durch Änderung der Tiefe des Keramikfaser-Schlamms während des Formprozesses verändert werden. Die Abmessungen der Wicklungen und des Isolierkörpers ergeben sich aus den Leistungsanforderungen, den Betriebstemperaturen, physikalischen Grenzen der Ofenkammern und so fort.

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 Heizwicklungen 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 ein Ofen 68 eine isolierte Deckplatte 70, einen isolierten Boden 72' und isolierte Seitenwände 74 und 76. In diese Seitenwände können elektrische Heizelemente eingebettet

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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 dünneren Isolierkörper eingebettet werden als eine runde Wicklung. Dieser Vorteil ergibt sich zusätzlich zu den Vorteilen eines wirksamen Heizbetriebes und einer einfachen Herstellung.

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Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000>.MUnchen 22 . LI-106 D-4800 Bielefeld Triftstraße 4 St/ri Siekerwall 7

285b382

21. Dez. 1978

General Signal Corporation High Ridge Park, Stamford, Connecticut 06094 U.S.A.

ELEKTRISCHE HEIZVORRICHTUNG

PRIORITÄT: 21. Dezember 1977, U.S.A., No. 862,907

PATENTANSPRÜCHE

(1. Elektrische Heizvorrichtung mit einer Widerstands-Heizwicklung, die in einen Keramikfaser-Isolierkörper entlang der Oberfläche des Isolierkörpers 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.
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2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n-

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ORIGINAL INSPECTED

K' mi i-H · möller ■ STEINMEISTER 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 ekennzeichnet, daß die Dicke des Isolierkörpers (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 Isolierkörpers (31) um etwa 90° gebogen ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Heizvorrichtung gemaß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Heizwicklung kreisförmig aufwickelt, daß man die Heizwicklung abflacht, daß man die abgeflachte Heizwicklung am Boden einer Form in Keramikfasern einbettet und daß man die Flüssigkeit von einem die Keramikfasern einschließenden Schlamm abzieht,

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß man die kreisförmig gewickelte Heizwicklung mit engem Windungsabstand wickelt und nach dem Abflachen in Längsrichtung streckt.

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