DE3004188C2

DE3004188C2 - Verfahren der Formgebung eines Heizelementes

Info

Publication number: DE3004188C2
Application number: DE3004188A
Authority: DE
Inventors: Joseph Anthony Hadzor Droitwich Worcestershire McWilliams
Original assignee: MICROPORE INTERNATIONAL Ltd DROITWICH WORCESTERSHIRE GB
Current assignee: MICROPORE INTERNATIONAL Ltd DROITWICH WORCESTERSHIRE GB
Priority date: 1979-02-07
Filing date: 1980-02-06
Publication date: 1990-01-25
Anticipated expiration: 2000-02-07
Also published as: BE881567A; AT374328B; GB2044056A; US4308080A; ZA80694B; FR2448832B1; CH644399A5; NZ192820A; IT1149878B; AU531963B2; IT8019768A0; ATA65180A; AU5526380A; CA1137860A; DE3004188A1; FR2448832A1; GB2044056B; SE8000899L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Formgebung eines Heizelementes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herde mit ebenen Kochplatten sind Herde, deren Deckplatte völlig eben und die normalerweise eine Glaskeramikplatte ist. Unter dieser Deckplatte sind in freiem Abstand ein oder mehrere in der Regel kreisförmige elektrische Strahlungsheizelemente angeordnet, die sich jeweils auf einer Grundschicht aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Werkstoff befinden.

Zum Gebrauch werden Kochgefäße an den Stellen auf die Deckplatte gestellt, an denen die ebene Platte durch die darunter in Abstand angeordneten Strahlungsheizer mittels Wärmestrahlung und Wärmeleitung durch die Luft erhitzt werden. Die Heizelemente werden deshalb als Strahlungsheizer bezeichnet. Das unter den eigentlichen Heizelementen angeordnete isolierende Material verhindert seitlichen und nach unten gerichteten Wärmeabfluß, so daß die Wärme überwiegend nach oben an die Deckplatte abgegeben wird. Die vorzugsweise für die ebenen Deckplatten verwendeten Materialien sind im wesentlichen thermisch nicht leitend, so daß sich nur die Stellen, denen Wärme zugeführt wird, erwärmen. Um diese erwärmten Stellen besser zu lokalisieren und Zufuhr von Wärme zu Stellen, die normalerweise nicht von den Kochgefäßen abgedeckt werden, zu vermeiden, weisen die darunter angeordneten Strahlungsheizer einen Außenrand aus wärmeisolierendem Material auf, die üblicherweise den gesamten Strahlungsheizer umschließt

Für derartige Strahlungsheizer wird üblicherweise als eigentliches Heizelement eine spiralförmige blanke Drahtwendel aus Eisen-Chrom-Aluminium-Widerstandsheizdraht verwendet, die von Natur aus stark federnd ist Derartige Strahlungsheizer sind z. B. in der prioritätsgleichen britischen Patentanmeldung 79 04 289 beschrieben.

In derartigen Strahlungsheizern werden die als Heizelemente dienenden Heizdrahtwendeln neuerdings in komplizierten und stark gewundenen Formen angeordnet Eine solche Anordnung verlangt eine sehr feste Fixierung und Sicherung der Heizdrahtwendel im Strahlungsheizer, um die Wendel in der gewünschten Form an ihrem Platz zu halten. Dabei kann eine Beschädigung des aus Isoliermaterial bestehenden Trägers eintreten.

GB-PS 7 73 496 bezieht sich auf die Herstellung von Heizdrahtwendeln, die als Heizelemente für Kathodenstrahlröhren und dergleichen dienen sollen. Um den Heizdraht als Drahtwendel zu stabilisieren, wird der Draht mittels elektrischen Stromes auf 800°C erwärmt.

Aus GB-PS 9 33 415 ist ein Heizelement für elektrische Kochplatten bekannt, das aus einem geraden Widerstandsheizdraht, umgeben von Isoliermaterial und einer metallischen Ummantelung, besteht. Um dieses Heizelement in die für Kochplatten geeignete Form zu bringen, wird es auf einen der gewünschten Form entsprechenden Körper aus elektrisch isolierendem Material aufgewickelt und Strom durch die Außenhülle geleitet, um die Biegespannungen im Mantel aufzuheben.

Ein solches, aus einem ummantelten, glatten Heizdraht bestehendes Heizelement ist jedoch zur Verwendung in Strahlungsheizern ungeeignet, wenn das eigentliche Heizelement in komplizierte, unregelmäßige Formen gebogen werden muß, um den heutigen Anforderungen an Strahlungsheizkörpern für Herde mit Glaskeramikplatten zu genügen. Diesen Anforderungen kann am besten entsprochen werden, wenn man als eigentliches Heizelement eine blanke Drahtwendel aus Widerstandsheizdraht verwendet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mittels dessen Heizdrahtwendeln zu komplizierten, unregelmäßigen Formen gebogen und in dieser gebogenen und gekrümmten Form so stabilisiert werden, daß keine o'der nur noch minimale Biegespannungen vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung und dessen vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 4—6 beschrieben.

Um die Biegespannungen zu beheben, ist es normalerweise ausreichend, das Material auf die sogenannte Temper-Temperatur des als Heizelement verwendeten Materials aufzuheizen. Für die üblichen Widerstandsheizdrähte, z. B. aus Eisen-Chrom-Aluminiüm-Legierungen, liegt diese Temperatur zwischen 700

und 900⁰C Ein Widerstandsheizdraht aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung erfordert etwa die gleiche Temperatur zur Beseitigung von durch Biegen entstandenen Spannungen. Das Erwärmen kann durch Hindurchleiten elektrischen Stromes in der gleichen Weise wie beim späteren Betreiben des Heizelementes erfolgen. Die dabei anzuwendende Spannung ist nicht kritisch, aber sie soilte üblicherweise größer sein als die spätere Betriebsspannung des Heizelementes. Eine Spannung von 500 V ist für Heizelemente mit einem 6 mm Standarddurchmesser aus Eisen-Chrom-Aluminium-Widerstandsdraht, die üblicherweise bei 220 bis 250 V betrieben werden, ausreichend, um die erforderliche Temperatur zu erreichen. Die Temper-Temperatur eines Metalls oder einer Legierung ist die Temperatur, bei der eine Rekristallisation eintritt. Wenn ein Material, wie ein Heizelement bei der vorliegenden Erfindung, verformt worden ist, bildet sich bei der Temperung eine neue Kristallstruktur in Form eines stabilen Ghichgewichts aus, und der verformte Gegenstand verliert die Neigung, seine ursprüngliche Gestalt wieder anzunehmen. Wegen des Prinzips der Temperung von verformten Metallkörpern wird verwiesen auf »Process and Physical Metallurgy« von James E. Garside, 2. Auflage, Charles Griffin and Company (1957), Seite 225 ff.

Als Formkörper für die Drahtwendel dient ein Block aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, der an seiner Oberfläche mit einer Nut versehen wird. Diese Nut hat die Form, die dem spiralförmigen Heizdrahtwendel vermittelt werden soll, und läßt sich einfach und ohne Probleme auch bei komplizierten Krümmungen aus dem Isolationsmaterial herausarbeiten. Es sind kreisförmige, viereckige und unregelmäßig verlaufende Nuten möglich. Bevorzugt wird jedoch eine Nut, deren Längsausdehnung so ist, daß beide Enden benachbart am Außenrand der späteren Heizfläche liegen, wobei die Nut so gewunden und verschlungen ist, daß im Zentrum eine Fiäche freibleibt.

Als elektrisch und thermisch isolierendes Material für diesen Formblock sind beispielsweise keramische Werkstoffe oder ein Asbestzement besonders geeignet. Die Nut ist üblicherweise tief genug, um die zunächst federnde Drahtwendel ohne zusätzliche Hilfsmittel in der Nut festzuhalten. Der Querschnitt der Nut kann quadratisch, rechteckig, halbkreisförmig und dergleichen sein. Bevorzugt wird ein Querschnitt, bei dem die Nut am Boden etwas breiter ist als an der Oberfläche der Form. Die Breite der Nut ist in der Regel etwa 0,5 bis 5% größer als der Querschnitt der einzulegenden und zu verformenden Drahtwendel. Dabei kommt es jedoch nicht so sehr auf die Tiefe der Nut, sondern in erster Linie auf die Breite der Nut an. Diese gegenüber der Heizdrahtwendel vergrößerte Abmessung der Nut soll das Einlegen und das Herausnehmen erleichtern. Während des Temperns tritt ein sehr geringes Schrumpfen der Drahtwendel ein, das typischerweise bei etwa 1,25% ihres Volumens liegt.

Die Nuten haben in der Regel einen Durchmesser zwischen 3 und 10 mm, entsprechend den Durchmessern der zu verformenden Heizdrahtwendeln. In Sonderfällen sind auch geringere oder größere Durchmesser möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die Spirale mit niedrigen Wenderadien in Zickzack-, Bogen- oder Kreisform zu bringen, ohne dabei die eigentliche Wendel zu deformieren oder die Spirale aufzuwickeln. Auch ist das Einlegen des Heizelementes in die Nut ohne besondere Hilfsmittel möglich. Nach Abschalten des Stromes zum Erwärmen kühlt sich das Heizelement relativ leicht und schnell ab und läßt sich bereits nach kurzer Zeit aus der formgebenden Nut herausnehmen und behält in Längsrichtung die durch den Nutverlauf festgelegte Form.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es also möglich, Heizelemente so vorzuformen, daß sie den Anforderungen an Strahlungsheizer, die eine, bezogen auf die Heizfläche möglichst gleichmäßige Wärme ίο abstrahlen sollen, genügen; dazu ist insbesondere eine möglichst gleichmäßige Drahtverteilung über die gesamte Heizfläche erwünscht. Besonders zu vermeiden sind vor allem Dehnungen oder Stauchungen der Spiralen an engen Wendepunkten, weil derartige is Unregelmäßigkeiten auch entsprechend unterschiedliche Strahlungshitze erzeugen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dafür geeigneten Vorrichtung vorgeformten Heizelemente lassen sich besonders schnell und einfach in Strahlungsheizer einbauen, ohne daß besondere Hilfsmittel erforderlich sind oder die Spiralen in den Strahlungsheizern mittels besonderer Sicherungen fixiert werden müssen, infolgedessen wird die Montage von Strahlungsheizern, insbesondere bei Serienherstellung, erleichtert, beschleunigt und damit erheblich billiger. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeformten Heizelemente aus blanken Heizdrahtwendeln besteht darin, daß sie beim Einbau in Strahlungsheizern auf den glatten oder mit flachen Nuten versehenen Oberflächen des isolierenden Trägermaterials ohne weiteres durch nur wenige Heftklammern oder Einkitten an einigen Punkten befestigt und zuverlässig in dieser Stellung fixiert werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür geeignete Vorrichtung sind besonders geeignet zum Vorformen von Heizelementen aus Heizdrahtwendeln für Strahlungsheizer für Herde mit elektrischen Kochplatten, wobei die Abdeckung durch eine glatte und ebene, vorzugsweise aus Glaskeramik bestehende Platte, erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine Aufsicht auf die Form mit Nuten, in die das Heizelement vor dem Erwärmen eingelegt wird. Fig. 2 zeigt in perspektivischer Sicht ein Gerät mit darin angeordneter Form zum Erwärmen der Heizelemente.

F i g. 3 zeigt im Detail die Ausbildung der beiden Endnuten in der Form mit den Einrichtungen zur Stromzufuhr.

In F i g. 1 ist eine Form 2 wiedergegeben, mit der ein Heizelement für einen Strahlungsheizer mit kreisförmiger Heizfläche geformt werden soll. Die Form 2 besteht aus einem Block aus Asbestzement, in den eine Nut 4 zur Aufnahme des Heizelementes 6 eingearbeitet wurde. Aus der Abbildung ist zu erkennen, daß sich die Nut längs eines stark gewundenen und gekrümmten Weges erstreckt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung

feo über die gesamte kreisförmige Heizfläche zu erreichen. Im Zentrum der Form 2 ist ein Stück ausgespart, um diese Fläche vom Heizelement 6 freizuhalten. Diese Fläche wird im fertig montierten Strahlungsheizer für die üblicherweise vorgesehene Überhitzungsschutzein-

b5 richtungen benötigt und muß deshalb beim Vorformen entsprechend als freie Fläche berücksichtigt werden. Der in F i g. 1 wiedergegebene Längsverlauf der Nut ist besonders vorteilhaft, weil die Enden unmittelbar

benachbart am Außenrand der späteren Heizfläche liegen und auf diese Weise ein Heizelement mit benachbarten Stromzuführungen entsteht. Es sind aber auch Nutenführungen möglich, bei denen beispielsweise das zweite Ende der Nut im Zentrum oder in der Nähe ϊ des Zentrums der zu bildenden Heizfläche liegt. An den Enden der einzulegenden Heizdrahtwendel sind Verbindungsplatten 8 angeschweißt, die in die Öffnungen 10 hineinreichen zur Verbindung mit einer nicht gezeigten elektrischen Spannungsquelle für das Erwärmen des ι ο Heizelementes. Die Nut ist so tief ausgebildet, daß sie etwa 60% der Dicke der Form 2 erreicht und bei gegebenem Durchmesser der Heizdrahtwendel etwas tiefer ist als der Durchmesser der Heizdrahtwendel. Die oberen Kanten der Nut sind etwas abgerundet, um das Einlegen des Heizelementes in die Nut zu erleichtern. Die Nut ist vorzugsweise zwischen 0,5% und 5% breiter als der Durchmesser des Heizelementes 6.

Die in den F i g. 2 und 3 wiedergegebene Einrichtung besteht aus einem Basisblock 12 mit einer darauf angeordneten, T-förmig ausgebildeten Platte 14. Durch die Basis der T-förmigen Platte 14 erstrecken sich zwei elektrische Federkontakte 16, in die die Verbindungsplatten 8 eingreifen, wenn die Form 2 mit eingelegtem Heizelement 6 in die Einrichtung eingebracht wird. Ein Deckel 18, der an der Kante 20 angeschlagen ist, weist eine Platte 22 zum Eingriff mit der Form 2 auf, um zu verhindern, daß das Heizelement 6 von selbst aus der Form 2 herausspringt. Die Platte 22 ist in der Form so ausgebildet und breit genug, daß der Eingriff mit der Form 2 besonders an den Stellen erfolgt, bei denen die Nut eine besonders starke Krümmung 5 mit engen Krümmungsradien aufweist, denn besonders an diesen Punkten besteht die Neigung des Heizelementes, von selbst aus der Nut herauszuspringen, solange die Biegespannungen nicht aufgehoben sind.

Die Figuren zeigen, daß das Heizelement und die Form nicht durch besondere Maßnahmen gegenüber der Umgebung wärmeisoliert sind, denn eine maximale Wärmeabfuhr aus der Form und dem Heizelement ist erwünscht, um eine rasche Abkühlung des Heizelementes zu ermöglichen. Deshalb kann das Heizelement in der Regel unmittelbar nach der Wärmebehandlung aus der Form entnommen werden. Die Heizdrahtwendel aus Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung wird an den «5 Enden mit Verbindungsplatten 8 versehen, etwas ausgezogen und in die Nut 4 der Form 2 eingelegt, so daß die Verbindungsplatten 8 in die Öffnungen 10 hineinreichen. Die Form 2 wird dann in die Einrichtung derart eingebracht, daß die Platten 8 mit den Federkontakten 16 zum Eingriff kommen. Anschließend wird der Decke! 18 geschlo&sen und ein Schalter der Steuereinrichtung 24 betätigt Dadurch wird eine Spannung von annähernd 500VoIt über die Verbindungsplatten 8 an das Heizelement für eine Zeit von etwa 20 Sekunden angelegt. Diese Spannung und Zeit ist im allgemeinen ausreichend, um ein Heizelement der in den Abbildungen wiedergegebenen Form mit einem Formdurchmesser von 200 mm so weit zu erwärmen, daß die Biegespannungen beseitigt sind und das ^b0 Heizelement die Form nach dem Kühlen behält Die Höhe der elektrischen Spannung und die Zeitdauer des Stromflusses ist nicht besonders kritisch, entscheidend ist, daß das Heizelement während des Aufenthaltes in der Nut auf einer Temperatur zwischen 700°C und 900⁰C erwärmt wird. Die Temperatur würde auch bei niedrigeren elektrischen Spannungen erreicht werden, aber zur Abkürzung der Heizperiode wird eine entsprechend höhere Spannung bevorzugt. Am Ende der Heizperiode, beispielsweise nach 20 Sekunden, wird der Strom durch die Steuereinrichtung 24 automatisch abgeschaltet und durch ein Signal, beispielsweise ein Lichtsignal oder ein akustisches Signal, das Ende des Arbeitstaktes angezeigt, so daß der Deckel vom Bedienungspersonal angehoben und das Heizelement aus der Form entnommen werden kann. Das Heizelement behält nun die ihm erteilte Form bei. Das vorgeformte Heizelement wird an der Luft abkühlen gelassen und dann dem nächsten Verarbeitungsschritt bei der Montage von Strahlungsheizern zugeführt. Mit diesem Verfahren lassen sich beispielsweise Heizelemente aus handelsüblichen Legierungen, z. B. aus 22% Chrom, 4,5% Aluminium und Eisen als Restbestandteil oder aus 15,8% Chrom, 4,8% Aluminium, 03% Yttrium, 0,3% Silicium, 0,03% Kohlenstoff und Eisen als Restbestandteil, verformen.

Bei der in den Abbildungen wiedergegebenen Einrichtung ist ein Deckel 18 mit einer Platte 22 vorgesehen, um die Drahtspirale während des Verfahrensablaufes in der Nut 4 der Form 2 zu halten.

Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Nut 4 so ausgebildet, daß ein zusätzliches Sichern des Heizelementes 6 während des Verfahrensablaufes durch eine Einrichtung wie die Platte 22 nicht erforderlich ist. Dies wird durch eine entsprechend tiefe Nut oder durch eine Querschnittsform der Nut ermöglicht, bei der die Nut nach unten zu breiter wird und die Öffnung an der Oberfläche nur so breit ist, daß die Drahtwendel ohne Schwierigkeiten eingelegt werden kann. Durch eine solche Ausbildung wird das öffnen und Schließen des Deckels oder das Anbringen und Entfernen von Halteeinrichtungen während der Ausführung des Verfahrens vermieden und die Gesamttaktzeit für den Arbeitsschritt des Vorformens von Heizelementen bei der Herstellung von Strahlungsheizern, wie sie beispielsweise in der prioritätsgleichen britischen Patentanmeldung 79 04 289 beschrieben sind, verringert

Bezugszeichenliste

2 Form

4 Nut

5 Punkte maximaler Biegung mit niedrigem Radius

6 Heizelement, Heizdrahtwende!

8 Verbindungsplatten, Verbindungskontakte

Öffnungen

Grundblock

T-förmige Platte

elektrische Federkontakte

Deckel

Deckelanschlagstelle

Platte zum Eingriff mit der Form 2 Steuereinrichtungen

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren der Formgebung eines Heizelementes zur Verwendung in Herden, wobei das Heizelement mittels einer Formplatte o. dgl. in die gewünschte Form gebracht wird und dann das Heizelement mit Stromwärme für eine bestimmte Zeit derart aufgeheizt wird, daß die bei der Formung des Heizelementes entstandenen Biegespannungen aufgehoben werden, gekennzeichnet durch Einbringen und Festhalten eines Heizelementes aus einer blanken Drahtwendel in eine in der Formplatte befindlichen Nut und Hindurchleite·; von Strom durch die Drahtwendel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Heizelement auf eine Temperatur zwischen 700⁰C und 900⁰C durch Hindurchleiten elektrischen Stromes erwärmt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwendel aus Eisen-Chrom-Aluminium-Widerstandsheizdraht besteht

4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (2) aus einem Block aus feuerfestem Material mit einer Nut (4) besteht und eine Platte (22) zum Eingriff mit der Form (2) vorgesehen ist, wobei die Platte (22) mindestens einen Teil der Nut (4) abdeckt, um dadurch das Heizelement (6) in der Form (2) an seinem Platz zu halten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (22) so angeordnet ist, daß der Eingriff mit der Form (2) an den Stellen (5) erfolgt, an denen das Heizelement (6) seine maximale Krümmung aufweist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (4) in ihrer Weite 0,5% bis 5% breiter ist als der Durchmesser der Heizdrahtwendel (6).