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Die Erfindung betrifft Heizelemente, die im Innenraum eines
Rohres aus hitzebeständigem Material, das für ausgesandte
Strahlung mehr oder weniger durchlässig ist, einen
Metallheizwiderstand umfassen. In diesen Elementen sind die
Heizwiderstände meist Wendel aus Eisen-, Chrom- und
Aluminiumlegierungen und die Rohre haben Quarz, Quarzglas oder Glaskeramik
zur Grundlage.
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Die Heizelemente des obengenannten Typs finden vielfache
Verwendung in zahlreichen Industriezweigen. Insbesondere werden
sie sehr häufig zum Trocknen (von Papier, Geweben,
Anstrichen, Holz, verbundenen Preßplatten oder
Schichtpreßstoffplatten und verschiedenen Granulaten) eingesetzt. Dabei sind
sie oft in Heizkästen installiert, wobei mehrere Rohre
parallel zueinander vor einer reflektierenden Metalltafel
angebracht sind.
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Es ist üblich, zwei Heizwiderstände parallel zueinander in
ein und demselben, beispielsweise aus Siliciumdioxid
bestehenden Rohr unterzubringen. Die elektrische Isolation der
beiden Drähte wird entweder durch eine Zwischenwand des
Rohres selbst, das dann einen 8-förmigen Querschnitt aufweist,
oder durch ein zweites kleineres Rohr, ebenfalls aus
Siliciumdioxid, das zwischen den beiden Drähten angeordnet ist,
sichergestellt. Von diesen beiden herkömmlichen Systemen
erfordert ersteres an der Außenseite des Rohrs an den beiden Enden
die Anbringung eines elektrischen Anschlusses. Dafür ist es
beim zweiten System möglich, das Innenrohr am äußersten Ende
leicht gekürzt vorzusehen, wodurch Platz für eine elektrische
Verbindung der beiden Drähte bleibt. Man kann auch eine im
Inneren des Innenrohres umlaufende Elektroleitung vorsehen,
wodurch ausgehend von einem einzigen Ende eine
Parallelverzweigung möglich wird.
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Oftmals sind die obengenannten aus Quarzglasrohren
bestehenden Heizelemente auf ihrer Rückseite mit einer dünnen
Goldschicht versehen, welche die Emission von Wärmestrahlung nach
hinten verringert. Diese Goldschicht ist jedoch mechanisch
anfällig, teuer und hat außerdem eine begrenzte
Einsatztemperatur.
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Die beiden eben beschriebenen Systeme weisen bestimmte
Nachteile auf. So ist bereits festgestellt worden, daß das erste
mit 8-förmigem Querschnitt an seinen beiden Enden
elek-trische Außenanschlüsse erfordert. Das zweite System weist
ebenfalls spezifische Nachteile auf, insbesondere beim Einbau der
Heizwiderstände und auf Grund von Schwingungserscheinungen
während des Betriebs.
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Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese
Nachteile einerseits durch Wegfallenlassen der Goldschicht und
Erhöhung der allgemeinen Energieausbeute und andererseits
durch Ermöglichung sämtlicher von einem einzigen Ende
ausgehenden Verzweigungsarten und Verhinderung der Lärmerzeugung
beim Auftreten von Schwingungen zu vermeiden.
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Die Betriebstemperatur der Strahler, deren aktives Element
aus einem der Luft ausgesetzten schraubenförmigen
Heizwiderstand besteht, ist begrenzt. Diese Grenze beträgt
beispielsweise 1000 ºC. Dafür gibt es verschiedene Gründe, und zwar
die Festigkeit des Metalls und seine Oxidationsbeständigkeit,
aber auch der Wunsch, daß die ausgesandte Infrarotstrahlung
keine zu kurze Wellenlänge aufweist, sondern im Gegenteil ein
sehr breites Emissionsspektrum um eine mittlere Wellenlänge
besitzt. Diese Temperaturgrenze bewirkt, daß die verfügbare
Wärmeenergie ebenfalls begrenzt ist, weshalb man gern mehrere
und meist zwei parallele Drähte miteinander verbindet.
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Gemäß den Eigenschaften jedes Drahtes wie Durchmesser, Länge
und Temperatur kann es günstig sein, die beiden verbundenen
Wendel entweder in Reihe oder parallel zu verzweigen. Wird
als Träger der Heizwiderstände ein Rohr mit 8-förmigem
Querschnitt aus durchsichtigem oder streuendem Material
verwendet, ist es erforderlich, an der Rohraußenseite an den beiden
Enden Anschlußdosen anzubringen, durch die entsprechend ihres
Typs eine parallele oder Reihenanordnung möglich wird. Wird
ein Rohr verwendet, das keine innere Zwischenwand enthält,
ist es günstig, um die Inneneinbauten trotz Stöße und
Schwingungen leicht an ihrem Platz halten zu können, wenn ein Rohr
mit ovalem Querschnitt zur Verfügung steht. In diesem Fall
sind die Drähte durch ein zweites kleineres Rohr voneinander
getrennt. Dabei muß jedoch die Gestaltung der Verdrahtung am
äußersten Ende des Rohrs bereits von Anfang an anders
ausgeführt sein, je nachdem, ob das Heizelement mit seinen beiden
Wendeln parallel oder in Reihe geschaltet werden soll. Es
wäre jedoch für die Monteure günstig, die in Maschinen
Elektrostrahlrohre installieren oder sie zu Kasetten
zusammenfassen, sämtliche Anschlüsse an einer einzigen Seite an ein und
demselben Rohrende anbringen, auch erst während des
Anschließens die am Ende anzuwendende Art der Schaltung, Reihe
oder parallel, entscheiden und schließlich sogar
unkompliziert von einer Anschlußart zur anderen wechseln zu können.
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Die herkömmlichen Strahlrohre sind, sollen sie nur eine
einzige Seite erhitzen, im allgemeinen auf der anderen Seite mit
einer Goldschicht überzogen, die beispielsweise im Vakuum
aufgebracht worden ist. Dieses Material ist teuer, seine
Abscheidung erfordert eine zusätzliche Herstellungsstufe und
darüber hinaus sein Einsatz zwingende Maßnahmen. Solange sich
das Rohr nicht an seiner Stelle befindet, muß jede Berührung
der Goldschicht mit einer harten Oberfläche, welche sie
ritzen könnte, verhindert werden. Außerdem ist jede Überhitzung
der Siliciumdioxid-Gold-Grenzfläche verboten, da sonst, falls
die Temperatur an dieser Stelle 800 ºC überstiege, die
Goldschicht praktisch nutzlos werden und für die Strahlung keine
Rolle mehr spielen würde.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, in denen andere Mittel als
eine Metallschicht zur Reflexion und Konzentration der von
einem Heizdraht ausgesandten Strahlung eingesetzt werden. Das
Patent US-A-4 001 622 offenbart beispielsweise einen
hocherhitzten geraden Wolframdraht, der im Inneren eines Quarzrohrs
mit kreisförmigem Querschnitt parallel zu dessen Achse
exzentrisch nach hinten angeordnet ist, wobei das Rohr derart in
einem koaxialen Halbzylinder aus Keramikfasern steckt, daß
die Strahlung entlang einer Geraden parallel zur Achse der
anderen Seite des Drahtes außerhalb des Rohres fokussiert
wird.
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Diese Vorrichtung, die ein besonderes Bedürfnis von
Photokopierverfahren befriedigt, ist nicht für das gestellte Problem
geeignet, da sie für die elektrische Isolation der beiden
Heizdrähte keine Lösung beiträgt, außerdem deren genaue
Positionierung nicht mehr erlaubt und darüber hinaus das Problem
des Anschlusses der beiden Drähte, entweder parallel oder in
Reihe, nicht löst.
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Die beiden obengenannten Reflexionsvorrichtungen, auf dem
Rohr aufgebrachte Goldschicht oder äußerer Reflektor auf
Fasergrundlage, beseitigen den Nachteil einer nutzlosen
Erhitzung der Rückwand des Rohrs nicht, die zweimal von der
Strahlung passiert wird, wodurch sich ihre Festigkeit und der
thermische Wirkungsgrad des Systems verringert. Das
französische Patent FR-A-1 380 190 offenbart ein Heizelement, das
über seinen gesamten Umfang abstrahlen soll. Es ist daher
nicht möglich, den allgemeinen energetischen Wirkungsgrad zu
erhöhen. Außerdem sind nur Reihenanschlüsse möglich, obwohl
sich der elektrische Anschluß an einem einzigen Ende
anbringen läßt.
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Das amerikanische Patent US-A-4 531 047 beschreibt ebenfalls
ein Heizelement. Dieses Element ist jedoch auf einen einzigen
Draht beschränkt und erfordert an jedem Ende einen
elektrischen Anschluß.
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Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Heizelement, das im
Innenraum eines hitzebeständigen Rohres wenigstens zwei
Heizdrähte, die sich Parallel zur Rohrachse im Inneren von
Führungen aus einem die Wärme reflektierenden, thermisch
isolierenden hitzebeständigen Material befinden, und einen
Metallstab umfaßt, der parallel zur Rohrachse steht und gegen die
Drähte derart elektrisch isoliert ist, daß an einem Ende des
Rohres zwischen dem Metallstab und den Drähten eine
elektrische Verbindung besteht.
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Der Metallstab kann verwendet werden, um den elektrischen
Strom bis zum äußersten Ende des Rohrs fließen zu lassen.
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Das Material besitzt bei 1000 ºC eine Wärmeleitfähigkeit von
unter 0,35 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ und vorzugsweise von unter 0,25 Wm&supmin;¹K&supmin;¹.
Es kann vorteilhafterweise Siliciumdioxid, das nach dem als
Schlickergießen bezeichneten Verfahren aus einem Schlicker
erhalten worden ist, oder keramische Fasern auf der Basis von
Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid zur Grundlage haben.
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Die Funktionsweise der Erfindung sowie die Vorteile, die sie
in bezug auf den Stand der Technik bietet, werden an Hand der
folgenden Beschreibung und Figuren erläutert, wobei
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-Figur 1 ein herkömmliches, mit zwei Drähten
ausgerüstetes Heizrohr,
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-Figur 2 eine Ausführungsform derselben Vorrichtung,
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-Figur 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform und
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-Figur 4 schematisch eine erfindungsgemäße elektrische
Ver- zweigung
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zeigt.
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Die erfindungsgemäßen Heizrohre sind für die Ausstattung von
Haushaltgeräten oder Industrieanlagen, entweder einzeln oder
mehrere zu einer Kasette zusammengefaßt, vorgesehen. Dabei
sollen sie die verschiedensten Materialien erwärmen, um sie
beispielsweise zu trocknen, backen, polymerisieren und
calcinieren. Es werden sowohl physikalische als auch praktische
Eigenschaften gefordert. Zunächst soll das Strahlungsspektrum
so breit wie möglich sein. Idealerweise wäre es erforderlich,
daß es von 1,5 bis 10 u reicht, um dem breitesten
Anwendungsbereich entsprechen zu können. Diese Eigenschaft wird oftmals
durch die Nutzung von Rückstrahlern erhalten, so wird eine
einzige Strahlungsquelle wie der Metalldraht 1 in Figur 1,
der beispielsweise aus einer Eisen-, Chrom- und
Aluminiumlegierung besteht, auf eine gegebene Temperatur, beispielsweise
800 ºC gebracht. Bei dieser Temperatur liegt das Maximum der
ausgesandten Strahlung bei 2,7 u. Die vom Draht emittierte
Strahlung wird teilweise durch die Hülle 2 umgewandelt, die
meist aus Quarzglas besteht. Ein gewisser Teil wird jedoch
von diesem Material absorbiert, das sich dabei auf eine
Temperatur unter derjenigen des Drahtes erhitzt und Energie in
dem Spektralbereich zurücksendet, in welchem es absorbiert,
d.h. im Bereich der größten Wellenlängen. In den meisten
Anwen-dungsfällen wird die emittierte Wärmestrahlung nur auf
einer Seite des Rohres genutzt, man versucht sie daher auf
der anderen Seite zu verhindern oder wenigstens zu
verringern. Deshalb ist die Rückseite des Rohres 3 mit einer
Goldschicht 4 überzogen. Diese reflektiert die direkt vom Draht 1
ausgesandte Strahlung und verhindert auf Grund ihres sehr
geringen Emissionsvermögens, daß das erhitzte Quarz 3 Strahlung
nach hinten aussendet. Dabei hat jedoch die Wärmestrahlung
die Rohrrückwand zweimal durchquert und nachteiligerweise zu
deren Erhitzung und zur Erhöhung der Wärmeverluste durch
Konvektion beigetragen.
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Weiterhin ist in Figur 1 zu sehen, wie durch die
Zwischenwand 5 die elektrische Isolation der beiden Drähte 1 und 6
realisiert wird.
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In Figur 2 ist eine Ausführungsform der Figur 1 gezeigt, in
welcher das ovale Außenrohr 7 keine Zwischenwand enthält. Die
beiden Drähte 8 und 9 sind hier durch ein Rohr 10 mit im
allgemeinen kreisförmigem Querschnitt getrennt. Auch hier kann
die Rückseite des Rohres 7 mit einer reflektierenden und
nicht emittierenden Schicht 11, beispielsweise aus Gold,
überzogen sein.
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Bezogen auf das vorhergehende System weist dieses den Vorteil
auf, daß es erlaubt, den Innenraum des Rohres 10 zu nutzen,
um einen (nicht dargestellten) elektrischen Leiter
hindurchzuführen. Dadurch wird es möglich, das Rohr 7 an einem seiner
Enden vollständig zu verschließen und auf Grund des
Rohres 10, das etwas kürzer als Rohr 7 ist, an diesem Ende im
Innenraum des Rohres 7 elektrische Anschlüsse anzubringen,
wodurch sämtliche elektrischen Verzweigungen ausgehend vom
anderen Ende desselben Rohres 7 vorgenommen werden können.
Ein solches System weist jedoch den Nachteil eines
schwierigen Zusammenbaus auf, da die beiden Wendel 8 und 9 und das
Rohr 10 gleichzeitig in das Rohr 7 eingebaut werden müssen.
Außerdem werden auf Grund des zwischen den Rohren 10 und 7
notwendigen Spiels Schwingungen des Rohres 10 möglich, die
durch Stöße auf das Rohr 7 Lärm erzeugen. Diese Erscheinung
stört mitunter.
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Zusammengefaßt verfügt man mit dem in den Figuren 1 und 2
dargestellten Stand der Technik über Systeme, die teuer und
leicht zu beschädigen sind und deren Temperatur wegen der
Goldschicht 4 oder 11 begrenzt ist. Im Fall der Figur 1 muß
außerdem die Verzweigung an beiden Enden erfolgen, da man
durch die zentrale Zwischenwand 5 gezwungen ist, das Rohr 2
zu verlassen, um die Drähte 1 und 6 elektrisch verbinden zu
können, während im Fall der Figur 2 der Zusammenbau schwierig
und der Betrieb mit Lärm verbunden ist. Darüber hinaus
erhitzt sich die Rückwand des Rohres nutzlos, wodurch der
thermische Wirkungsgrad sinkt.
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In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes Heizelement dargestellt.
Sie zeigt ein ovales Rohr 12 aus durchsichtigem
hitzebeständigen Material, beispielsweise Quarzglas. Der größere
Außendurchmesser des Querschnitts beträgt 18 mm, der kleinere 9 mm
und die Wanddicke 1,5 mm; weiterhin sind schraubenförmige
Drähte 13 zu sehen, die einzeln, zu zweit oder mehreren
parallel zueinander angebracht sind, aus einer Legierung auf der
Grundlage von Eisen, Chrom und Aluminium bestehen und deren
Durchmesser 2 bis 10 mm bei einem Durchmesser der
Einzeldrähte von 0,1 bis 1 mm beträgt. Diese Drähte sind flexibel,
in der Figur zu zweit angeordnet und von einer Führung 14 (in
der Figur einer doppelten) gehalten. Diese Führung dient
somit als Futteral für die Drähte wie 13 und besteht aus einem
hitzebeständigen Material, das zwei wesentliche Eigenschaften
besitzt, eine gute Wärmeisolation und eine gute Reflexion für
die vom Draht 13 ausgesandte Strahlung. Für die Herstellung
dieser Führung sind zwei Materialien mit Erfolg erprobt
worden, das erste auf der Grundlage von Keramikfasern und das
zweite auf der Grundlage porösen Siliciumdioxids. Das zweite
Material ist ein Siliciumdioxid, welches durch ein Verfahren
hergestellt wird, das Schlicker verarbeitet, dessen
Wasseranteil verdampft und der anschließend bei einer hohen
Temperatur gebrannt wird (ein als Kieselsäure-Schlickergießen
bezeichnetes Verfahren). Man erhält ein geformtes Erzeugnis mit
günstigen Toleranzen und einer entsprechend den
Herstellungsbedingungen geregelten Mikroporosität. Die Mikroporosität für
die Herstellung der erfindungsgemäßen Führung muß derart
sein, daß sie eine Leitfähigkeit von unter 0,35 Wm&supmin;¹K&supmin;¹
ergibt. Das betreffende Siliciumdioxid besitzt ein besonders
hohes halbkugelförmiges spektrales Reflexionsvermögen von
etwa 85 % für Wellenlängen von über 0,8 u. Wird die Führung
aus hitzebeständiger Faser hergestellt, kann
vorteilhafterweise Keramikfaser auf der Grundlage von Aluminiumoxid und
Siliciumdioxid wie beispielsweise die der Marke
KERLANE-Pyronappe 50 verwendet werden. Zur Herstellung der Form der
Führung wird vorzugsweise ein mineralisches Bindemittel auf
der Grundlage von Silicaten eingesetzt.
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Die in Figur 3 dargestellte für den Querschnitt der Führung
erhaltene Geometrie ist nur ein Beispiel. Die
erfindungsgemäße Form muß derart sein, daß sie einen leichten Einbau der
Einheit aus Führung und Drähten in den Innenraum des Rohres
12 und ein Gleiten über dessen gesamter Länge erlaubt.
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Außerdem soll diese Form eine genaue Positionierung der
Drähte 13 ermöglichen. Ein anderes wichtiges Kriterium ist
der verbleibende Zwischenraum zwischen Rückseite des Drahtes
13 und Rückwand des Rohres 12. Dieser Zwischenraum muß unter
Berücksichtigung der Leitfähigkeit des Materials, aus welchem
die Führung 14 besteht, so groß sein, daß die Erhitzung der
Rohrrückseite begrenzt bleibt.
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Bei einer Faser des oben beschriebenen Typs, deren
Leitfähigkeit bei 1000 ºC etwa 0,2 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ beträgt, hat sich ein
Zwischenraum von etwa 4 mm an der engsten Stelle als ausreichend
erwiesen.
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In Figur 3 ist an der nach hinten gerichteten, am wenigsten
heilen Seite des Rohres 12 ein Hohlraum 15 gezeigt. Dieser
ist für die Aufnahme eines nicht dargestellten Metallstabs
vorgesehen, dessen Aufgabe einerseits bei der Führung aus
Fasermaterial der mechanische Halt für den Einbau der Führung
in das Rohr 12 und andererseits immer die des elektrischen
Leiters ist. Dieser Stab besteht aus einem hitzebeständigen
Metall wie rostfreier Stahl und besitzt einen entsprechenden,
beispielsweise T-förmigen Querschnitt, der ihm in allen
Richtungen eine günstige Festigkeit verleiht.
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In Figur 4 ist der Verzweigungstyp gezeigt, der
vorteilhafterweise im Fall zweier schraubenförmiger Drähte verwirklicht
werden kann. Der schematisch als Linie dargestellte
Metallstab 16 erstreckt sich über die gesamte Länge des nicht
gezeigten Rohres parallel zu den Drähten 17 und 18. Die
Isolation der drei Elemente gegeneinander wird von der nicht
dargestellten Führung sichergestellt. Die drei Leiter sind
untereinander elektrisch an ihrem fernsten, d.h. äußersten Ende
verbunden. An dem Ende, an welchem die elektrische
Verzweigung stattfindet, enden die drei Leiter 16, 17 und 18 in den
Stiften 19, 20 bzw. 21, die eine Verzweigung der beiden
Drähte entweder in Reihe oder parallel ermöglichen, wobei in
Reihe der Strom zwischen 20 und 21 angeschlossen ist und
parallel die Stifte 20 und 21 elektrisch verbunden sind und der
Strom zwischen diesen Stiften und Stift 19 fließt.
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Diese Beschreibung hat gezeigt, daß die Erfindung ein
billigeres und praktischeres Verfahren, insbesondere für die
elektrische Verzweigung, als der Stand der Technik bereitstellt.