NO135158B - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et varmeelement av den art som er beskrevet i innledningen til patentkrav 1.

Ved varmeelementer av. denne kjente art, som hvert av-grenser et oppvarmingshulrom enten alene eller slik at de danner flere oppvarmingshulrom med lik form og dimensjoner, er det nødvendig å benytte midler for varmebortførsel som er plass-krevende og ofte omfattende, dersom ikke den side som vender bort fra oppvarmingshulrommet skal anta en for høy temperatur.

Oppfinnelsen har derfor til formål å skaffe et varmeelement som har stor iboende temperaturforskjelle.' mellom "kald" og "varm" side.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved hjelp av et varmeelement som er utformet i overensstemmelse med den karak-teriserende del av patentkrav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene.

I tegninger viser:

fig. 1, 2 og 3 hhv. i perspektiv for den første og i planriss for de to øvrige, tre varianter av en første utførelsesform av oppfinnelsen,

fig. 2a og 3a snitt etter linjene hhv. Ila-IIa og Illa-IIIa i fig. 2 og 3,

fig. 4, 5 og 6 planriss av tre varianter av en andre utførel-sesform av oppfinnelsen,

fig. 4a, 5a og 6a snitt etter linjene hhv. IVa-IVa, Va-Va og Vla-VIa i fig. 4-6,

fig. 7-10 viser i perspektivriss sammenføyningen av flere varmeelementer utformet ifølge oppfinnelsen,

fig. 11 viser et planriss av en fjerde variant av den først-nevnte utførelsesform,

fig. 12 og 13 viser hhv. et planriss og et delvis oppsnittet enderiss etter linjen: XIII-XIII i fig. 12 av en femte variant

av den første utførelsesform av oppfinnelsen.

Den generelle form til det beskrevne varmeelement, som er fremstilt av et ildfast materiale som er motstandsdyk-tig mot oksydasjon og av den type som benyttes for fremstilling av visse elektriske motstander, er parallellepipedisk eller tilnærmet parallellepipedisk. Det fremtrer således generelt med murstensform hvor lengden L er større enn høyden H som er stør-re enn tykkelsen E.

Mellom to motstående flater som er betegnet Fl og F2 (vanligvis de som er adskilt med en avstand som er lik elementets høyde H) og etter en retning som er stort sett vinkelrett på de to flater, er strukturen til elementet ikke-homogen slik at en av de to flaterFl og F2, f.eks. flate Fl blir holdt på en temperatur som er tilstrekkelig til å gi elektrisk ledningsevne mens den andre blir holdt tilstrekkelig kald til å være stort sett ikke-ledende, og flaten F2 og det grunnmateriale som finnes mellom flatene Fl og F2 vil gi varmeelementet god varme-isolasjon. Dessuten vil denne struktur oppta den bevegelse som oppstår på grunn av forskjellige utvidelser.

I praksis innretter man det slik at forskjellen i temperatur mellom de to flater Fl og F2 er slik at motstanden i .den kalde flate er minst 100 ganger høyere enn motstanden i den varme flate.

Tilførselen av elektrisk strøm til varmeelementet skjer ved elementets ender i lengderetning, for eksempel ved hjelp av platinakontakter.

Generelt er grunnmaterialet i elementer ifølge oppfinnelsen av delvis eller fullstendig "stabilisert" zirkon i sin stabile form ved, høye temperaturer, dvs. i sin kubiske form.

Denne stabilisering oppnås ved tilsetting av kalk, yttriumoksyd, oksyder av sjeldne jordarter, magnesiumoksyd eller andre.

Elementene ifølge oppfinnelsen kan likeledes bestå av en sammensetning som kan betegnes pyroklor på basis av zirkon, med formelen lx ^ ^O^, hvor T er et metall, fortrinnsvis en sjelden jordart.

Den beskrevne uhomogenitet i oppbygningen kan rea-liseres på forskjellige måter.

Ifølge et første alternativ vil denne mangel på ho-mogenitet, som forårsaker at overføring av varme fra flaten Fl mot flaten F2 forblir på en temperatur hvorved den ikke er ledende, bli oppnådd med de hull og utsparinger som finnes i varmeelementet i en retning som står stort sett perpendikulært på flatene Fl og F2, idet forholdet åpning/masse i det tilfelle at elementets grunnmateriale er helt eller delvis stabilisert zirkon, er valgt i området 0,1 - 0,2 til 3.

Plasseringen og formen til de nevnte hull og utsparinger er valgt slik at dersom grunnmaterialet i elementet som er plassert opptil flaten Fl holdes ved en temperatur under den hvorved det blir ledende, vil den elektriske strøm føres effek-tivt bare i nærheten av flaten Fl.

I figurene 1, 2 og 3 finnes tre varianter av dette første alternativ.

Ved varianten ifølge fig. 1 er varmeelementet, som

er betegnet med 1, forsynt med et flertall hull 2 og utsparinger 3 i form av en sliss etter en knekket linje omfattende partier parallelle med en bestemt sideflate (ved 3a med flaten Fl) og partier som står stort sett vinkelrett på denne (ved 3b og 3c), idet det hele er slik at flaten Fl er skilt fra flaten F2 av elementpartier eller steg 4, som på grunn av valget av utsparingene 3,har forholdsvis tynt tverrsnitt. Som en følge av denne utforming blir varmeoverføringen fra Flaten Fl mot flaten F2 meget redusert.

Videre er plasseringen av partiene 3a valgt slik at tykkelsen på elementet på høyde med flaten Fl med hensyn til strømføring er forholdsvis liten.

I praksis er denne dimensjon, som i figuren er betegnet Dl, likeledes som dimensjonen til stegene 4, som er betegnet med D2, i størrelsesorden 1-3 til 5-10 mm.

Det er fordelaktig å anordne ved elementets ender (regnet i elementets lengderetning) hull med stort tverrsnitt 5 og med den form som er vist i fig. 1 og som delvis tjener til opphengning av elementet, delvis til plassering av strøm-tilførslene 6, hvilke som vist i figurene fortrinnsvis er anbragt ved den kant av hullene 5 som befinner seg opptil flaten Fl. Strømtilførselene kan bestå av platinaplater som er klebet

under trykk eller innstøpt.

Det kan være fordelaktig å utforme varmeelementet 1 slik at temperaturen som oppstår på flaten Fl forandrer seg over i det minste en del av dens lengde. Således kan man eksempelvis foretrekke ved varianten ifølge fig. 1 at utviklingen som skjer på denne måte øker i pilens Fl retning.

For å oppnå dette resultat er det tilstrekkelig å velge tverrsnittet og plasseringen på hullene og utsparingene slik at det dannes en stigende motstand i flatens Fl nivå i retning av pilen Fl. For eksempel kan man, som vist i fig. 1, anbringe i den første utsparing 3 et parti 3d som er plassert mellom partiet 3b og 3a og som er utslått slik at den del som dette parti gjør ledende under elementets drift er avtakende som vist.

For å motvirke forringelse og utkobling av elementet for vedlikehold ved dannelse av et brudd som kan avbryte den elektriske strøm og som kunne starte ved flaten Fl, er det fordelaktig å dele oppflaten Fl som vist i fig. 1 i et antall lameller 7a som er skilt av spalter 7b som står vinkelrett på flaten Fl.

Ved de varianter som er vist i fig. 2 og 3 er det benyttet samme grunnprinsipper som ved utførelsesformen i fig. I selv om hullene og utsparingene har forskjellig form..

I virkeligheten er det med rektanglene 8 og de U-formete eller I-formete utsparingene 9 i fig. 2 og med sirkel-runde hull 10 i fig. 3, idet disse elementer er utformet slik at flatene Fl og F2 ikke er forbundet med annet enn de forholdsvis trange "broer" P, oppnådd at varmeoverføringen fra flaten Fl mot flaten F2 blir tilstrekkelig redusert. Videre er hullene og utsparingene valgt slik (i eksemplene i fig. 2 og 3 har man særlig benyttet en skråttstilt, langstrakt utsparing II med plassering og dimensjonering som vist i de nevnte figu-rer) at den elektriske strøm ikke kan løpe andre steder enn langs flaten Fl.

Som ved eksempelet vist i fig. 1 er hullene og utsparingene 8, 9 og 10 plassert mellom to hull 5 i nivåer som passer for strømtilførslene som ikke er vist. Dessuten er, på samme måte som i fig. 1, fordelingen av hullene og utsparingene 8; 9 og 10 fortrinnsvis valgt som vist, slik at man oppnår en temperaturgradient i pilens fl retning.

Tverrsnittformene til elementene 1 i variantene i- >.-følge figurene 2 og 3 er vist i figurene 2a og 3a.

Likeens som ved utførelsesformene ifølge figurene 2 og 3, har man ved den variant som er vist i fig. 11 beholdt de prinsipper som ligger til grunn for utførelsen ifølge fig. 1. Her har man imidlertid ikke søkt å oppnå en temperaturutvikling langs flaten Fl. Derimot er utsparingen i praksis symmetriske i forhold til en midtlinje X-X. Selv om den generelle form av-viker som vist på figuren, gjenfinner man hullene 2, utsparingene 3a og 3b og hullene 5 fra de utførelsesformer som er beskrevet foran. Man gjenfinner likeledes i en form som er spe-siell for fig.. 11 stegene 4 som forbinder flatene Fl og F2. Tykkelsen Dl på elementet ved flaten Fl og partiene 3a såvel som tykkelsen D2 på stegene 4 retter seg etter de kriterier som er nevnt foran.

Det er fordelaktig anordnet utsparinger 20 vinkelrett på flaten Fl som vist og med en lengde h på 5-30 mm. Utsparingene 20 er anbragt på høyde med stegene 4.

Elementet som er utført som vist i fig. 11 gir god termisk og elektrisk isolering, godt forhold mellom effekt og temperatur, særlig på høyde med hullene 5, god elastisitet, god reaksjon på utvidelseskrefter og en betydelig varmeflate.

Man antar at ved driften av et element j vil utvid-elsen bli absorbert av stegene 4 som forener flatene Fl og F2 1 eksemplene i fig. 1 og 11 og av broene P i eksemplene i fig.

2 og 3.

Mens forholdet hulrom/masse er i nærheten av 1 ved variantene ifølge fig. 1 til 3 og 11, er dette forhold i nærheten av den nevnte nedre grense 0,1 ved den utførelsesform som er vist i fig. 12.

Elementet ifølge denne utførelsesform omfatter like-som det som er vist i fig. 11 en varmeflate Fl med konstant temperatur i det aktive område.

Dette element omfatter to viktige utsparinger 20 i en retning og stort sett parallelt med flate Fl i avstand Dl, fra denne flate Fl (Dl er avhengig av de nevnte kriterier) og som er forbundet med Flaten F2 over to utsparinger 21 i en retning stort sett vinkelrett på Fl med unntak av et parti 21a i nærheten av.utsparingene 20 som danner omtrent 45°. Utsparingene 21 er åpne mot flaten F2. Ved denne flate F2 er således elementet dannet av tre partier 22, 23 og 24 som omfatter hver sin utsparing hhv. 25,26 og 27, hvorav den første og den tredje tjener som feste for strømtilførselen (ikke vist) som derved blir lett tilgjengelig, mens den andre har til formål å lette hele elementet.

I labbene 25a, 25b, 26a, 26b, 27a og 27b (ved de tilsvarende utsparinger) finnes hull 28-33 for opphengning av elementet.

Det med 45° skråttstilte parti 21a av utsparingen

vil skjerme og sikre varmeisoleringen av varmeflaten Fl.

I tillegg til utsparingene 20 og 21 finnes: utsparinger 34 i en retning stort sett vinkelrett på flaten Fl og plassert i elementets masse mellom utsparingene 20 og utsparingene 25, 26 og 27, idet disse utsparinger 34, hvis utforming og plassering fremgår av figuren, sikrer cn god kana-lisering av strømmen og lokaliserer eventuelle mekaniske kref-ter som kan oppstå på grunn av tekniske sjokk og ved sihtring av grunnmaterialet.

utsparinger 35 anordnet i nærheten av elementets ender, som står vinkelrett på flaten Fl og er åpne mot denne, idet disse utsparinger har til oppgave å skjerme for varme og frigjøre utvidelseskrefter.

For å bevirke at tykkelsen i den varmegivende del ved flaten Fl blir noenlunde konstant er det anbragt et hull 36 mellom utsparingene 20.

Endelig er flaten Fl, i tillegg til de: langsgående slisser 7b som er analoge med dem som er anordnet ved utførél-sesformen ifølge fig. 1, c1; oppdelt eksempelvis av to utsparinger 57 og 58 som gir den T- eller U-formet profil som vist i fig. 15 og som gir en bedre bestandighet mot flytning.

På høyde med flaten F2 er det fordelaktig anordnet

en langsgående utsparing eller sliss som vist i fig. 13.

Elementet ifeSlge denne utførelsesform er ikke så lett som de ovrige beskrevne, idet forholdet åpninger/masse er litt dårligere. Derimot tillater det en hurtig og lettvint fremstilling ved reduksjon av utsparingen likeens som utviklingen av sprekker hindres. Av hensyn til den økte vekt er an-tallet festepunkter blitt øket.

Som det vil fremgå blant annet av figurene, vil strømmen også ved de utførelsesformer som er vist i figurene 11 og 12 være tvunget til å følge flaten Fl.

Eksempelvis kan temperaturen på flaten F2 være under 1200°K, mens den på flaten Fl er 2200° K i det tilfelle hvor grunnmaterialet i elementet er zirkon med A% kalk.

Ifølge en andre hoved-utførelsesform (fig. 4-6) gir man elementet 1 den nevnte uhomogene struktur i en retning som står stort sett vinkelrett på flatene Fl og F2 ved å la elementet omfatte et parti A med lav porøsitet under 10% ved flaten Fl, som er beregnet på å utvikle ledningsevne, idet dette parti med lav porøsitet er kombinert med et parti B med høy porøs-itet over 30°a ved flaten F2, idet det hele er innrettet slik at når flaten Fl gjøres tilstrekkelig varm til å bli elektrisk ledende forblir flaten F2 tilstrekkelig kald til å være praktisk ikke-ledende.

Partiet med lav porøsitet kan bestå av stabilisert zirkon på samme måte som elementene 1 ifølge figurene 1 til 3.

Partiet med høy porøsitet, hvor porene spiller utsparingenes rolle i de foran beskrevne varianter, kan bestå av samme slag materiale som partiet med lav porøsitet eller et mer økonomisk materiale, så som eutektikumet Zr02 - A1203, aluminiumoksyd eller et annet ildfast materiale som ikke virker kjemisk på zirkon eller påvirkes kjemisk av dette.

I praksis kan det svakt porøse parti som danner flaten Fl ha en tetthet i størrelsesorden 4.5 og det porøse parti som danner flaten F2 en tetthet i størrelsesorden 2.

For å fremstille en ildfast masse med en tilstrekkelig porøsitet til å danne partiet B som omfatter flaten F2, kan man benytte klassiske teknikker fra keramikken, særlig støp-ning, pressing eller sintring (se for eksempel "Ceramic Fabri-cation Processes" av W.D. Kingery 1958, John Wiley).

Når partiet B er fremstilt anbringes partiet A på partiet B for eksempel ved påsprøyting ved benyttelse av kjente teknikker med plasmaflamme.

I et bestemt eksempel ble det fremstilt et element

1 med en avstand mellom flatene Fl og F2 på 110 mm og hvor partiet som dannet flaten Fl var fremstilt av stabilisert zirkon med en porøsitet på 6% og ble holdt på en temperatur av 2200° K, mens temperaturen på det parti som dannet flaten F2 holdt seg under 1200° K på flaten F2, idet dette parti var fremstilt av porøst zirkon eller en annen oksydblanding med en porøsitet på 35*

I figurene 4, 5 og 6 er det vist tre varianter av elementet 1 utformet ifølge dette andre alternativ.

Variantene i figurene 4 og 6 er symmetriske i forhold til et midtplan som deler elementet i lengderetningen.

Man vil i fig. 4 iaktta hull 5 som er analog med tilsvarende hull vist i fig. 1-3 og i fig. 6 vil de påsatte partier 13 likeledes danne hull 5.

Ifølge denne utførelsesform er de ikke viste strøm-tilførsler plassert mot de flater som tilsvarer partiene A på høyde med hullene 5.

På grunn av symmetrien ved utførelsesformene ifølge fig. 4 og 6 finnes det ingen temperaturgradient ved flaten Fl.

For å oppnå en temperaturgradient kan man anordne partiet A som vist i fig. 5, slik at det får et avtagende tverrsnitt i retning av pilen fl som angir temperaturstigningen.

Som vist omfatter elementet ifølge fig. 5 et hull T for opphengning.

Fig. 4a, 5a og 6a visef snittformen til elementene

i de respektive fig. 4-6.

Varmeelementene ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved en fremragende bestandighet og følgelig lang levetid.

Et element tilsvarende den variant som er vist i fig. 1 og hvor flatene Fl dannet varmeveggen i en ovn, virket således perfekt i 500 timer. Ved utførelsen av dette eksperiment tillot ikke granskingen av elementet påvisning av noen forringelse eller noen forandring av dets egenskaper.

De tallmessige kjennetegn for dette eksperiment var. følgende:

temperatur i ovnskammeret 2073° K

kammerets dimensjon 110 x 25" x 16 mm

elementets dimensjon 220 x 110 x 30 mm

tykkelsen på varmesonen (Dl i fig. 1) 3,5 mm

På elementets overflate var det ved slutten av eks-perimentet å oppdage forskjellig farvete soner avgrenset av kurvene Cl, C2, C3 og C4 i fig. 1.Disse kurver er isotermer som tilsvarer henholdsvis 1400°K, 1600°K, 1900°K og 2025°K.

Ved hjelp av varmeelementer ifølge oppfinnelsen er det mulig å konstruere ovner med alle slag utforminger og dimensjoner.

I fig. 7-10 er det vist forskjellige muligheter for

oppbygging av ovner.

I fig. 7 er det først vist en buet ovn med horisontal akse som er bygget opp ved hjelp av elementer 1 med trapes-formet tverrsnitt og av den type som er vist i fig. 2. De forskjellige elementer hviler mot hverandre uten at det er nødven-dig å benytte spesielle bindemidler.

Som det fremgår er strømtilførslene 6 anbragt som vist i fig. 1. Man har vist de tråder 15 som forbinder strøm-tilførselen 6 med strømkilden.

Elementene 1 som er benyttet til byggingen av den rektangelformete ovn som er vist i fig. 8 likner på de som er vist i fig. 1. Også her er strømtilførslene 6 og trådene 15 vist. De tre elementer 1 som danner ovnens tak er holdt på plass av en mekanisk bærer, fortrinnsvis av en holder av ildfast stål.

Som vist i fig. 9 er det mulig å bygge en trapes-formet, buet ovn ved å bruke elementer 1 av den type som er vist i fig. 3, idet avstandselementer 16 som ikke er elektrisk ledende og som kan være fremstilt av for eksempel porøs zirkon eller aluminiumoksyd, er innskutt mellom to elementer 1. Elementene 1 og 16 kan være holdt på^plass mot hverandre av en mekanisk bærer (man kan også la den ene hvile mot den andre som ved byggeklosser).

De tre viste ovner danner varmekammer med horison-tale akser.

Derimot viser fig. 10 en variant med vertikal akse.

I dette tilfelle er det benyttet fire elementer 1 av den type

som er vist i fig. 1, idet-avstandselementer 17 er anbragt mel-

kom disse elementene.

Sammenføyningen av elementene 1 og 17 er oppnådd ved

hjelp av en omsluttende form som opptar og holder det hele på

plass.

For å sikre den foroppvarming som er nødvendig for

å starte elementene 1 som danner ovnene, kan man på kjent måte benytte et ikke vist varmeelement som føres inn i varmekammer-

et for å heve temperaturen på flatene Fl til elementene i ovnen til det nivå som kreves for å gjøre materialet i elementene ledende. På grunnlag av dette, som er den foretrukne utførel-

sesform, har man kunnet fremstille varmeelementer hvis egen-

skaper og virkemåte er vesentlig forskjellig fra de kjente og som gir flere fordeler sammenlignet med de eksisterende elemen-

ter, særlig:

de sikrer riktig varmeisolering

de tillater oppbygging av ovner med horisontal eller verti-

kal akse og med varmekammer som har en ønsket temperatur,

de har, i mangel av mekanisk festeanordninger, lang varig-

het på flere tusen timer etter hverandre med 2200°K på elementet,

- de sikrer en stabil drift selv med sprekker i varmeflaten,

- de tillater bygging av ovner i forskjellige former og stør-

relser,

- de tillater drift i oksyderende■atmosfærer.

Claims (10)

1. Varmeelement fremstilt med omtrent parallellepipedisk form av et ildfast, oksydasjonsbestandig materiale som blir elektrisk ledende over en viss temperatur og som er forsynt med anordninger for tilførsel av elektrisk strøm, karakterisert ved en slik fordeling av hulrom eller porøsitet mellom to innbyrdes parallelle sider (Fl og F2)

at når den ene siden blir oppvarmet til en ledningsgivende temperatur vil varmeoverføringen til den andre sidenbremses slik at denne holdes på en temperatur som ikke gir ledning, idet varmeelementet på i og for seg kjent måte er utformet for å oppta de bevegelser som oppstår på grunn av varmeutvidelses-forskj eller.

2. Varmeelement i samsvar med krav 1, karakt teri sert ved at det omfatter hull og utsparinger i elementets masse, idet forholdet hulrom/masse er valgt i området 0,1-0,2 til 3, fortrinnsvis tilnærmet lik 1.

3. Varmeelement i samsvar med krav 2, karakterisert ved at de to motstående flater er forbundet med hverandre med partier med forholdsvis lite tverrsnitt og at det er innrettet slik at den elektriske strøm konsentreres langs flaten med ledningsgivende temperatur.

4. Varmeelement i samsvar med krav 3, karakterisert ved at hullene og utsparingene er utformet og plassert slik at temperaturen forandrer seg langs den ledende flaten.

5. Varmeelement i samsvar med et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at det omfatter utsparinger (20) med en hovedretning parallelt med varmeflaten og som er forbundet med den andre flate ved hjelp av utsparinger (21) som løper vinkelrett på varmeflaten, idet enkelte av disse utsparinger omfatter et parti. (21a) som danner en vinkel på omtrent 45° med utsparingenes hovedretning, samt utsparinger (34) som står vinkelrett på varmeflaten og som er plassert i elementets masse mellom de utsparinger som er parallelle medjvarmeflaten og den andre flaten, utsparinger (35) som står vinkelrett på varmeflaten og som er åpne mot denne flate og utsparinger (25, 26, 27) som er åpne mot den ikke-oppvarmete flate.

6. Varmeelement i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det i en retning som står stort sett vinkelrett på de to motstående flater, omfatter suksessivt et første parti med liten porøsitet under 10%, som danner varmeflaten og et andre parti med høy porøsitet over 30%.

7. Varmeelement i samsvar med krav 6, karakterisert ved at det første partiet er fremstilt av stabilisert zirkon med tetthet omtrent 4,5 og det andre parti av et materiale som inneholder zirkon, eutektikumet zirkon A^Oj, eller aluminiumoksyd alene, og som har en tetthet på omtrent 2.

8. Varmeelement i samsvar med krav 7, karakterisert ved at det andre parti omfatter en seksjon med tverrsnittareal som avtar i lengderetningen.

9. Varmeelement i samsvar med et av kravene 1 til 8, karakterisert ved at varmeflaten er oppdelt i innbyrdes parallelle lameller ved hjelp av slisser (7b) som står vinkelrett på varmeflaten og som strekker seg i lengderetningen.

10. Varmeelement i samsvar med et av kravene 1 til 9, karakterisert ved at varmeflaten er forsynt med utsparinger (37,38) som gir dens tverrsnitt vinkelrett på lengderetningen T- eller U-form.