EP0105175A1

EP0105175A1 - Vakuumgeformte elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: EP0105175A1
Application number: EP83108349A
Authority: EP
Inventors: Josef Bös; Leo Saris
Original assignee: Kanthal GmbH; Bulten Kanthal GmbH
Current assignee: Kanthal GmbH
Priority date: 1982-09-07
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1984-04-11
Anticipated expiration: 2003-08-24
Also published as: MX153420A; US4617450A; EP0105175B1; CA1213635A; JPS5966094A; ATE32157T1; EP0105175B2; DE3233181A1; DE3233181C2

Abstract

Das Vakuum-Formverfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, bei dem eine Widerstands-Heizspirale (5) auf einen siebartigen Boden (1) über einem Saugkasten aufgelegt und ein Schlick aus keramischen Fasern aufgetragen wird, so dass sich unter der Saugwirkung eine keramische Faserschicht (4) aufbaut, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, den Siebboden (1) in Bereichen unter der Widerstands-Heizspirale (5) partiell zu verschliessen, insbesondere mit Distanzleisten (11), zu unterlegen, welche die Perforation des Siebbodens (1) teilweise abdekken, jedoch so, dass die undurchlässigen Bereiche des Siebbodens (1) schmäler sind als die Breitenabmessungen der Heizspirale (5). Durch diese Massnahmen wird erreicht, dass der Innenrraum (8) der Heizspirale (5) beim Vakuum-Formen frei bleibt von Fasermaterial, so dass die Temperaturdifferenz zwischen der strahlenden Seite (5) und der in der Masse des Faserblocks (4) liegenden Rückseite (7) der Heizspiralen (5) geringer ist als bei herkömmlichen Heizvorrichtungen dieser Art, bei denen die Gefahr einer Kristallisation der Fasern des Faserblocks (4) besteht. Durch die Verwendung von Distanzleisten (11) entstehen auf der strahlenden Seite (9) des Faserblocks (4) Haltestege (12), die eine sichere Verankerung der Heizspiralen (5) gewährleisten.

Description

Die Erfindung betrifft eine vakuumgeformte elektrische Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei der eine Widerstands-Heizspirale in einen aus Keramikfasermaterial bestehenden Isolierkörper so eingebettet ist, daß ein Oberflächenbereich der Heizspirale an der strahlenden Heizfläche freiliegt. Eine solche Heizvorrichtung wird auch als Heizmodul bezeichnet. Die Erfindung betrifft außerdem und in erster Linie ein Vakuum-Formverfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung.
Die prinzipielle Technik zum Vakuumformen von hier als "IIeizmoduln" bezeichneten elektrischen Heizvorrichtungen ist beispielsweise in der US-PS 3 500 444 sowie in modernerer Form in der US-PS 4 278 877 beschrieben. Bei nach diesen Vakuum-Formverfahren hergestellten Heizmoduln sind die Heizwendeln oder Heizspiralen in die keramische Fasermasse so eingebettet, daß der Innenraum der Heizspiralen im Normalfall mit Fasermaterial gefüllt ist.
Um den Ausgangspunkt für die Erfindung zu erläutern, wird zunächst das übliche Vakuum-Formverfahren anhand der Fig. 1 erläutert:

Auf einen siebartigen Boden 1, beispielsweise eine perforierte Platte, wird eine Heizspirale 5 aufgelegt. Unter dem Boden 1 befindet sich ein nicht dargestellter Saugkasten, durch den mittels des allgemein mit dem Bezugshinweis 2 angegebenen Vakuums Flüssigkeit aus einem oberseitig aufgefüllten Schlick 3 abgezogen wird, der aus einer Lösung von keramischen Fasern, Bindemittel und Wasser besteht. Der Flüssiganteil wird durch den siebartigen Boden 1 abgesaugt und es baut sich eine Schicht aus keramischen Fasern auf.

Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird in der Regel auch der Innenraum 8 der Heizspirale 5 mit keramischen Fasern gefüllt, und zwar wird die Dichte in diesem Innenraum 8 in etwa der Dichte der übrigen Masse des keramischen Faserblocks 4 entsprechen,die etwa 200 kgfm³ beträgt.
Die technischen Schwierigkeiten, die sich beim Gebrauch solcher Heizmoduln ergeben, werden nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 2 beschrieben:

Wird der freistrahlende Oberflächenbereich der Heizspirale 6 beispielsweise auf eine Betriebstemperatur von 1150°C gebracht, so wird auf der gegenüberliegenden, von allen Seiten in die keramische Fasermasse eingebetteten Seite (der Rückseite 7) der Heizspirale 5 eine beträchtlich höhere Temperatur auftreten. Dadurch ist es nicht möglich, die Heizspirale 5 auf ihrer freistrahlenden Oberflächenseite 6 bis zu einer maximal erwünschten Betriebstemperatur zu erwärmen, da dann die Rückseite 7 überhitzt werden würde. Ein damit verbundenes Problem beruht auf der maximal möglichen Anwendungs- oder Betriebstemperatur der für die Fasermasse ganz überwiegend verwendeten Aluminiumsilikatfasern, die aus wirtschaftlichen Gründen am häufigsten verwendet werden. Neuere Erkenntnisse haben ergeben, daß die maximal zulässige Betriebstemperatur für solche Aluminiumsilikatfasern bei etwa 1150°C liegen. Oberhalb dieser Temperatur findet eine übermäßige Kristallisation der Faser statt, wodurch die Faser ihre Struktur und erwünschten Eigenschaften völlig verliert. Heizt man nun die Heizspirale 5 an der freistrahlenden Oberflächenseite 6 auf bis zu 1150°C auf, so kann die Rückseite 7 der Heizspirale 5 eine Temperatur von ca. 1250°C erreichen. Diese Temperatur liegt dann um ca. 100°C über der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Faser und wird zu einer übermäßig schnellen Kristallisation des Fasermaterials führen. Damit verliert die Heizspirale 5 im überhitzten Teil der Fasermasse ihren Halt und wird sich mehr oder weniger rasch, vor allem bei Deckenelementen in einem Ofenraum, aus der Faser lösen. Die Heizspirale 7 wird dann zunächst an der strahlenden Seite 9 des Faserblocks 4 mehr und mehr hervorstehen und schließlich herausfallen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Heizmoduln der eingangs genannten Art sowie ein Vakuum-Formverfahren zu deren Herstellung zu schaffen, durch die erreicht wird, daß die Heizspirale sich in ihrer Verankerung in der Aluminiumsilikatfasermasse auch dann nicht lockert oder löst, wenn die Heizspirale auf eine optimale Betriebstemperatur aufgeheizt wird, derart, daß an der strahlendenseite des Moduls beispielsweise eine Temperatur von 1150°C auftritt.
Ein erfindungsgemäßer Heizmodul weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.
Ein Vakuum-Formverfahren zur Herstellung eines solchen Heizmoduls ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Innenraum der Heizspirale mehr oder weniger frei bleibt von Fasermaterial, so daß die Temperaturdifferenz an der Heizspirale zwischen der strahlenden Oberfläche des Heizmoduls und der Rückseite wesentlich verringert ist und die Heizspirale insgesamt auf einer deutlich höheren Betriebstemperatur betrieben werden kann, ohne daß die Gefahr einer allmählichen Lockerung aus der Verankerung innerhalb des Faserblocks besteht.
Dadurch, daß die Heizspiralen beim Vakuum-Fornen durch Unterlageelemente unterlegt sind, oder die Perforation im Siebboden unter den Heizspiralen ausgespart,d.h. nicht vorhanden ist, wobei die Unterlageelemente bzw. die undurchlässigen Bereiche des Siebbodens schmäler sind als die Breitenabmessungen der Heizspiralen in einer Ebene parallel zur strahlenden Oberfläche bzw. schmäler sind als der Durchmesser der Heizspiralen, wird erreicht, daß die Heizspiralen in ihrem Innenraum weitgehend frei bleiben von Fasermaterial, da ersichtlich die öffnungen des siebartigen Bodens in Längserstreckung der Heizspiralen während des Vakuum-Formvorgangs partiell verschlossen bzw. in diesen Bereichen nicht vorhanden sind.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Heizspiralen während des Vakuum-Formvorgangs durch leistenartige Elemente, im folgenden "Distanzleisten" genannt, unterlegt, so daß aus weiter unten noch erläuterten Gründen die Heizspiralen später zwar an der strahlenden Oberfläche des Heizmoduls freiliegen, jedoch insgesamt um die Dicke der Distanzleisten in den Faserblock hinein zurückversetzt sind, so daß eine optimale Verankerung erreicht wird, gleichzeitig jedoch der Innenraum der Heizspiralen frei bleibt von Fasermaterial.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 den bereits erläuterten Stand der Technik;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Vakuum-Formverfahrens;
Fig. 4 in schematischer Darstellung das Produkt als Ergebnis des Vakuum-Formverfahrens nach Fig. 3;
Fig. 5 ein zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Vakuum-Formverfahren; und
Fig. 6 wiederum in schematischer Darstellung das Produkt des Vakuum-Formverfahrens nach Fig. 5 zur Erläuterung bestimmter vorteilhafter Eigenschaften.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet.
Die Fig. 3 verdeutlicht eine erste Ausführungsform: Auf dem siebartigen Boden 1 (der perforierten Platte) werden beispielsweise Klebestreifen 10 aufgebracht, welche die Perforation in Längserstreckung der Heizspiralen 5, also in senkrechter Richtung zur Zeichenebene, abdecken. Diese Klebestreifen 10 werden direkt unter der anschließend auf die perforierte Platte aufgelegten und leicht fixierten Heizspiralen 5 angebracht. Durch das partielle Verschließen der Perforation entsteht an diesen Stellen keine durch das Vakuum 2 verursachte Saugwirkung, so daß der Innenraum 8 der Heizspiralen 5 weitestgehend frei bleibt von keramischem Fasermaterial.
Die Fig. 4 zeigt das Ergebnis des anhand der Fig. 3 erläuterten Herstellungsverfahrens. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 liegt auch hier die Heizspirale 5 bündig mit der strahlenden Seite 9 des Faserblocks 4. Der Innenraum 8 der Heizspiralen 5 ist jetzt hohl, also frei von Fasermaterial, so daß die Rückseite 7 der Heizspiralen 5 wesentlich freier abstrahlen kann. Damit ist erreicht, daß der Temperaturunterschied an der Heizspirale zwischen der freistrahlenden Seite 6 an der strahlenden Oberfläche 9 und der Rückseite 7 stark verringert ist, so daß eine unerwünschte Überhitzung im Bereich der Rückseite 7 der Heizspiralen 5 vermieden ist.
Diese erste prinzipielle Ausführungsform der Erfindung hat jedoch noch den Nachteil, daß die Heizspirale 5 jetzt insgesamt weniger gut mit dem keramischen Faserblock 4 verbunden ist, obgleich der oben erläuterte Effekt der Umkristallisation der Fasern aufgrund von partieller Überhitzung nicht mehr beobachtet wird. Die Heizspiralen 5 sind jedoch nur entlang ihres äußeren Umfangs von Fasermaterial umgeben und sie werden überdies an der freistrahlenden Seite 6 nicht gehalten, wie dies auch beim Stand der Technik nach Fig. 2 der Fall ist. Trotz des prinzipiellen Vorteils, daß die Kristallisation des Fasermaterials nicht mehr auftritt, kann jedoch auch bei dieser Konstruktion noch eine Schwierigkeit dadurch entstehen, daß die Heizspiralen wegen unzureichender Verankerung aus dem Faserblock herausfallen, insbesondere, wenn solche Heizmoduln für Deckenkonstruktionen in Ofenräumen eingesetzt werden.
Der wesentlich verbesserten Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 5 und 6 liegt die Idee zugrunde, die Heizspirale 5 einerseits so in die Masse des Faserblocks 4 einzubetten, daß deren Innenraum 8 frei bleibt von keramischen Fasern, ohne andererseits Gefahr zu laufen, daß die Heizspiralen 5 durch mangelhafte Haftung aus dem Faserblock 4 herausfallen können.
Das Prinzip der Herstellung wird zunächst anhand der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 5 erläutert: Auf dem siebartigen Boden 1 werden unterhalb der vorgesehenen Positionen der Heizspiralen 5 Distanzleisten 11 angebracht. Diese Distanzleisten 11 können z.B. aus Metall, Holz oder Kunststoff bestehen. Die Breite dieser Distanzleisten 11 sollte auf jeden Fall etwas geringer sein als der Durchmesser bzw. die Breitenabmessung der Heizspirale 5 in einer Ebene parallel zur strahlenden Oberflächenseite 9 des Faserblocks 4; die Dicke der Distanzleisten 11 sollte im Bereich von wenigstens 0,1 bis ca. 30 mm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 mm, liegen. Wird nun der Schlick 3 in den mit dem siebartigen Boden 1 ausgerüsteten nicht näher gezeigten Rahmen eingebracht und wird der Flüssiganteil durch den siebartigen Boden 1 abgezogen, so bauen sich die Fasern derart auf, daß die Distanzleisten 11 umschlossen werden, während der Innenraum 4 der Heizspiralen 5 weitgehend hohl, d.h. frei von Faserablagerungen bleibt.
Die Fig. 6 zeigt in einer prinzipiellen Schnittdarstellung das Produktergebnis: Die freistrahlende Seite 6 der Heizspirale 5 liegt jetzt nicht mehr bündig mit der strahlenden Seite 9 des Faserblocks 4, sondern liegt um die Dicke der Distanzleisten 11 in den Faserblock 4 zurückversetzt. Die aufgrund der Distanzleisten 11 entstehenden Haltestege 12 umschließen die freistrahlende Seite 6 der Heizspiralen 5 teilweise, ohne daß jedoch der Innenraum 8 mit Fasern gefüllt ist. Damit wurde das angestrebte Ziel erreicht, nämlich, den Innenraum faserfrei zu halten, so daß die Temperaturdifferenz zwischen der strahlenden Seite 6 und der Rückseite 7 der Heizspiralen 5 wesentlich geringer ist als bei der herkömmlichen Technik, bei der die Heizspiralen komplett, d. h. mit fasergefülltem Innenraum 8 in den Faserblock 4 eingebettet sind. Andererseits aber werden die Heizspiralen 5 durch die Haltestege 12 sicher gehalten, so daß keine Gefahr des Herausfallens mehr besteht, auch wenn ein solcher Heizmodul als Deckenelement in einem Ofen verwendet wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind, wie die Figuren erkennen lassen, sogenannte ovale Heizspiralen oder Heizwendeln 5 vorgesehen, wie sie auch in der oben erwähnten US-PS 4 278 877 mit den dort erwähnten Vorteilen beschrieben sind. Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich die Erfindung auch für Heizspiralen mit anderen Querschnitten, beispielsweise mit rundem Querschnitt oder zu einem Rechteck verformten Querschnitt, mit Vorteil einsetzen läßt.

Claims

1. Vakuumgeformte elektrische Heizvorrichtung mit einer Widerstands-Heizspirale, die in eine Keramikfaserschicht so eingebettet ist, daß ein Oberflächenbereich der Heizspirale an der strahlenden Heizfläche freiliegt, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Heizspirale (5) in ihrem Innenraum (8) im wesentlichen frei ist von Keramikfasermateriäl, und

- die an der Heizfläche freiliegenden Oberflächenbereiche (6) der Heizspirale (5) um einen geringen Abstand gegenüber der äußeren Oberfläche (9) der Keramikfaserschicht (4) nach innen versetzt sind.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der freiliegenden Oberflächenbereiche (6) der Heizspiralen (5) von der äußeren Oberfläche (9) der Keramikfaserschicht (4) 0,1 bis 30 mm, vorzugsweise 2 bis 10 mm beträgt.

3. Vakuum-Formverfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, bei dem eine Widerstands-Heizspirale auf einen siebartigen Boden eines Rahmens über einem Saugkasten aufgelegt und ein aus einer Aufschlämmung von keramischen Fasern, Bindemittel und Wasser bestehender Schlick in den Rahmen eingeleitet wird, so daß sich unter der Saugwirkung eine keramische Faserschicht aufbaut, die ausgehärtet wird und die Widerstands-Heizspirale als eingebettetes Heizelement enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die unter der Widerstands-Heizspirale liegenden Flächenabschnitte des siebartigen Bodens undurchlässig gestaltet, diese undurchlässigen Flächenabschnitte jedoch schmäler sind als die größte Durchmesser- oder Breitenabmessung der Heizspirale in einer zum siebartigen Boden parallelen Ebene.

4. Vakuum-Formverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Streifen vor dem Einlegen der Heizspirale zuvor auf den siebartigen Boden an den Positionen der Heizspirale aufgelegt werden.

5. Vakuum-Formverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Streifen zuvor an der Heizspirale auf der dem siebartigen Boden zuzukehrenden Seite leicht lösbar haftend befestigt werden.

6. Vakuum-Formverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Streifen als Distanzleisten mit einer Dicke von 0,1 bis 30 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 2 bis 10 mm, ausgebildet sind.

7. Vakuum-Formverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der siebartige Boden in den Flächenabschnitten unter der Heizspirale nicht perforiert ist.