DE1615334A1

DE1615334A1 - High voltage heating element

Info

Publication number: DE1615334A1
Application number: DE19671615334
Authority: DE
Inventors: Kluge Dipl-Ing Helmut; Dipl-Ing Klaus
Original assignee: INST SCHIENENFAHRZEUGE
Current assignee: INST SCHIENENFAHRZEUGE
Priority date: 1967-08-26
Filing date: 1967-08-26
Publication date: 1970-10-08

Description

ffochsparinungehezzelement-- _ Die Erfindung betrifft- ein elektrisches Heizelement zur Gas-: und Flüssigkeitserwärmung: mittels hochgespannter Elektroenexgie.. -Es ist bereits bekannt, Heizkörper für Raumhezzweoke zuverwendeng bei denen ein. meist spiralförmig verdrillter Heizdraht in einem in bekannten Formen gebogenem Rohr uritergebracht ist. Der- hierbei entweder auf einen Trägexkörper aufgewickelte oder ohne einen solchen in diese Ummantelung. eingesetzte Heizdraht ist dabei in eine Isoliermasse -eingebettet" .die aus pulverisiertem Füllstoff bzw. Sand besteht. Dieser, füll- bzw. Isolier@stoff_wurde zwecks Erhöhung der Heizleistung dieser Heizkörper durch mechanische Einwirkung oder reit Hilfe chemischer Reaktionen der Isolierstoffbestandteile zusätzlich verdichtet und damit eine Vergrößerung der -Wärmeleistung innerhalb; des Füllstoffes erreicht. -Die o. g.: Heizelemente müsseng sofern sie mit Hochspannung betrieben werden sollen' mit einer dickeren- Isolierstoffschicht und einer damit verbundenen wesentlich größeren Masse von Isolierstoff ausgerüstet werden' als für das Betreiben mit Niederspannung. Jede Vergrößerung der Isolier-Stoffmasse vergrößert aber die Möglichkeit: von Feuchtigkeitseinschlüssen innerhalb der Heizelemente und erhöht damit die Gefahr ihrer explosionsartigen Zerstörung.-Weiterhin . ist ein Heizkörper bekanntf bei dem der Hohlkörper in dem der Heizleiter angeordnet ist, aus einem: hochschmelzenden Isolationsmateriale insbesondere einem hochschmelzenden Glas mit hohem Siliziumoxydgehalt hergestellt-und-von einem festhaftenden Metallgußa beispielsweise aus GraugußAlu.-minium, einer .Aluminiumlegierung? Kupfer> Bronze oder Silber umschlossen ist. Vorzugsweise ist der Heizleiterträger aus Siliziumdioxydy, insbesondere aus Quarzgut-x hergestellt und von dem Metallguß umsohlossen. Weiterhin wurde hierbei vorgesehene daß der den Heizleiter enthaltende Hohlkörper als Rohr ausgebildet ist, das der Form des jeweiligen Heizgerätes angepaßt wurde. Sofern das Rohr aus Quarzgut bestehen solltet wurde es durch bekannte Verfahrens beispielsweise durch Widerstands# erhitzung,. nach dem Schleudergußverfahren oder nach dem Sinterverfahren hergestellt. In dieses Rohr konnte die Heizspirale auswechselbar eingeschoben werden. Diese Heizkörper hatte man für alle die Anwendungsgebiete vorgesehene bei denen überhaupt bisher-elektrische Heizungen benutzt wurden: Ihre Heizwirkung beruhte auf der Übertragung der in dem Heizdraht entstehenden durch Wärmestrahlung und 11ärmeleitung auf den aus Isolationsmaterial bestehenden Hohlkörper bzw. au.das Quarzgu.t;rohr übertragenen und von diesem auf den festhaftenden Metallguß durch Wärmeleitung übergegangenen Wärmeg die dann durch Strahlung, Zeitung und Konvektion an die Umgebung des Heizkörpers abgegeben wird. Durch die Einbettung des Quarzgu.trohres in einen Metallguß. wird die isolierende Hülle des Heizkörpers so widerstandsfähig-gegenüber mechanischen Beanspru.chungen, daß sie zu,Boden fallen kann ohne nach innen au.szu,splittern - _-Der. vorgenannte Heizkörper kann nicht für Hochspannung (Prüfspannung U = 10. kV) bei einer spezifischen Hetzleistung von beispielsweise w = 2,5 W/cm2 eingesetzt werden. Durch die metallische Umhüllung kann man die bei Verwendung von Quarz=-gut mögliche Energieübertragung durch WärmestrG@hlung nicht au.snu,tzeng sondern die .erzeugte Wärme muß `vom Heizleiter nur durch Wärmeleitung- abgeführt werden: Dadurch tritt ein hohes Temperaturgefälle zwischen Heizleiter und Außenwand des Heizkörpers auf und vermindert? die Isolationsfestigkeit des-Quarzgutes.. da dieses bei erhöhter Temperatur hälbleiteAde Eigen-. schaft annimmt. und -somit-keine . Hochspannungsfestigkeit gewährleistet. Außerdem kann es bei wiederholtem Auf- und Abhetzen dieser Heizkörper zum Auftreten von-Rissen in dein Quarzgutroter kommeng dä die hierbei entstehende @'lärmedehnung-bzw. Kontraktion der metallschen Hülle Spannungen in dem Quarz-. gutroter hervorruft. Wenn diese Risse auch so fein, .sind= dal3 sie nicht zum Au.ssplittern=von Quarzteilchen nach innen führen können. so stehen sie doch einer Anwendung dieser Heizkörperfür Hochspannungsheizungen eiitgegeny da esdann an diesen Rßatellen zu. .Spannungsduxchschlägen kommen -würde.: fleiterhin ist ein elektrisches; Heizelement bekannt! bei dem eine aus pulverförmigem Graphit, Siliziumkarbid--und Ferrocyankalium bestehende Widerstandsmasse: 1-n : ein Mantelrohr aus -Quarz-gasdicht eingesohlossen.istx wobei letzteres auch-n, einer metallischen Schutzhülle: auswechselbar untergebracht sein kann,- Diese Art von Heizelementen ist zur Raumheizung, zum Hinbau in:Tauchsieder- geeignet_und.überalltdort anzuwenden wo elektrische- Energie in Märme- umgewandelt werden .soll.ffochsparinungehezzelement-- _ The invention relates to an electrical heating element for gas: and liquid heating: by means of high-tension electroenexgy .. -It is already known to use radiators for space heating in which a. mostly spirally twisted heating wire is uriter brought in a tube bent in known shapes. The one here either wound onto a carrier body or without one in this sheathing. The heating wire used is embedded in an insulating compound, which consists of powdered filler or sand. This filler or insulating material was additionally compressed by mechanical action or chemical reactions of the insulating material components in order to increase the heating capacity of these heating elements Enlargement of the heat output achieved within the filler -The above: heating elements must, if they are to be operated with high voltage, 'be equipped with a thicker layer of insulating material and a much larger mass of insulating material associated with it' than for operation with low voltage However, the mass of insulating material increases the possibility of moisture inclusions within the heating elements and thus increases the risk of their explosive destruction.-Furthermore, a heating element is known in which the hollow body in which the heating conductor is arranged consists of a high-melting insulation nsmateriale in particular a high-melting glass with a high silicon oxide content produced-and-from a firmly adhering metal casting, for example from gray cast aluminum, an .aluminum alloy? Copper> bronze or silver is enclosed. The heating conductor carrier is preferably made of silicon dioxide, in particular of quartz material-x, and is enclosed by the cast metal. Furthermore, it was provided here that the hollow body containing the heating conductor is designed as a tube which was adapted to the shape of the respective heater. If the tube should consist of fused silica, it was heated by known methods, for example by resistance heating. manufactured by the centrifugal casting process or by the sintering process. The heating coil could be inserted into this tube in an exchangeable manner. These radiators were intended for all the areas of application in which electrical heaters were used at all: Their heating effect was based on the transfer of the heat radiation and thermal conduction created in the heating wire to the hollow body made of insulating material or the quartz tube transferred and transferred from this to the firmly adhering cast metal by conduction, which is then given off by radiation, newspaper and convection to the environment of the radiator. By embedding the quartz cast tube in a metal casting. the insulating shell of the radiator becomes so resistant to mechanical stresses that it can fall to the ground without splintering inwards - _-The. aforesaid radiator can not apply high voltage (test voltage U = 10 kV) at a specific Hetzleistung of, for example w = 2, 5 / W used cm2. Due to the metallic shell can be the possible energy transmission -good when using quartz by WärmestrG = @ COUNTING not au.snu, Tzeng but the heat must .erzeugte `discharged from the heating conductor only by Wärmeleitung- w ill: this occurs a high temperature gradient between the heating conductor and outer wall of the radiator up and down? the insulation strength of the quartz material .. because this is semiconductive at elevated temperature. society accepts. and -so-none. High voltage resistance guaranteed. In addition, when these radiators are repeatedly turned up and down, cracks may appear in your quartz red because the resulting @ 'noise expansion or. Contraction of the metallic shell stresses in the quartz. good red causes. Even if these cracks are so fine, they cannot lead to the splintering of quartz particles inwards. so they are against an application of these radiators for high-voltage heating, since it is then entitled to these radiators. .Tension surges would come: fleiterhin is an electrical one; Known heating element! in which a resistance mass consisting of powdered graphite, silicon carbide and ferrocyanic potassium: 1-n: a jacket tube made of -quartz-gas-tight enclosed.istx where the latter can also be -n, a metallic protective cover: can be exchanged, - this type of heating element is for space heating, for installation in: immersion heater- suitable_and.to be used everywhere where electrical energy is to be converted into myths.

Die für das vorgenannte Heizelement verwendete Widerstandsmasse birgt die Gefahr von Feuchtigkeitseinschlüssen' die im. ,Heizungsfall- zu' ehern inneren Oberdruck und damit zur explosionsartigen Zerstörung seiner Außenummantelungführen können. Außerdem ist die Herstellung derartiger Heizelemente.teuerg da die exakte Definition des Heizl:eiteTwidcrstandes durch die genau. zu bestimmende und Wagetechnisch zu erfassende chemisehe Zusammensetzung der Widerstandsmasse äußerst aufwendig ist.The resistance mass used for the aforementioned heating element harbors the risk of moisture inclusions' the im. 'Heating case- to' brazen inner Upper pressure and thus lead to the explosive destruction of its outer casing can. In addition, the production of such heating elements is expensive because the exact one Definition of the heating oil resistance by the exact. to be determined and weight-wise chemical composition of the resistance mass to be detected is extremely complex.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitfgung der Ge-'fahr einer explosionsartigen Zerstörung von Hochspannung!-heizelemeuten. - Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein sowohl für stationäre als auch transportable bzw. oxtsveränderliche .Anlagen einsetzbares Heizelement zu entwiokeln9 das zur Erwärmung von Gasen und Flüssigkeiten geeignet ist und mit hochgespannter Elektroenergie gespeist werden kann. Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe dadurch gelost, daß ein elektrisches Heizelement entwickelt, wurdeg das aus einem in einer rohrförmigen Ummantelung untergebrachten Heizleiter bestehtg wobei -diese Ummantelung in' an sich bekannter Weise] z. B. als Stab y Spirale -oder Mäander ausgebildet ist und aus einem Quarzgu.t@mit hohem Strahlungsdurchlässigkeitsvermögen hergestellt ist,;.The purpose of the present invention is to eliminate the hazard explosive destruction of high voltage heating elements. - Of the The invention is therefore based on the object, a for both stationary and to develop transportable or variable which is suitable for heating gases and liquids and with a high voltage Electric energy can be fed. According to the invention, this object was thereby achieved Solved that an electrical heating element was developed, that of one in one tubular sheathing housed heating conductor consistsg where -this sheathing in 'a manner known per se] z. B. formed as a rod y spiral or meander and made of a quartz gu.t@highlight permeability is,;.

Der Innenraum -der rohrförmigen Ummantelung, d. h.. des Quarzgutrohresl steht unter Normaldruck bzwö unter geringem Luftdruck oder unter: Ga@dru.ckwobei die Rohrenden über als Energiezuführungselemente dienende Verschlußkappen hermetisch verschlossen sind.The interior of the tubular casing, i.e. h .. of the quartz tube is under normal pressure or under low air pressure or at: Ga@dru.ckwobei the pipe ends are hermetically sealed by means of sealing caps that serve as energy supply elements are locked.

Bei einseitigem Elektroanschluß wird die Hochspannungsdurchführung durch einen mit der rohrförmigen Ummantelung stoffschlüssig -verbundenen Isolator gebildete -der aus Quarzgut besteht: Die rohrförmige: Ummantelungy d. h. das .nur einseitig offene Quarzgutrohr,-von zur Flüssigkeitsheizung vorgesehenen Heizelementen ist mittels aushärtbarer Masse in einem Flansch befestigt.With a one-sided electrical connection, the high-voltage bushing by means of an insulator that is firmly bonded to the tubular casing formed -which consists of fused quartz: The tubular: Ummantelungy d. H. that only Quartz tube open on one side, -of heating elements provided for liquid heating is fixed in a flange by means of a hardenable compound.

Da bei den erfindung$gemäßen Heizelementen die erzeugte Wärme vom Heizleiter vorwiegend durch Strahlung direkt an das zu. erwärmende Medium übertragen wird bleibt die Isolationsfestigkeit des Quarzgutes infolge 'seiner hierbei nur .geringen auftretenden Ervvrmung erhalten. Außerdem ist eine explosionsartige Zerstörung der erfindungsgemäßen Heizelemente auf Grund von örtlicher Überhitzungy Spannungsdurchschlag bzw. Feu.chtigkr_-itseintr,tt xziclit möglich. Durch das teilweise Evakuieren des Innenraumes der rohrförmigen Ummantelung bzw. durch das Einbringen- von Gas in diesen Innenraum erreicht man eine-Erhöhüng der Lebensdauer der Heiz-Leiter der erfindungsgemäß, ausgebildeten He-izelemert:e. Nachstehend wird die Erfindung an Hand von ,mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Zn den zugehörigen Zeichnungen zeigen; -Fig. lein erfindungsgemäßes -Heizelement für Luftheizungen, im Schnitt dargestellt Fig. 2: ein für Flüssigkeitsheizungen vorgesehenesq erfindungsgemäß ausgebildetes Heizelement im Schnitt.Since the heating elements according to the invention, the heat generated by the Heating conductor mainly through radiation directly to the too. transferring warming medium the insulation strength of the quartz material remains as a result of this only .mightly occurring warming received. In addition, there is an explosive destruction of the heating elements according to the invention due to local overheating and voltage breakdown or Feu.chtigkr_-itseintr, tt xziclit possible. Partly through that Evacuation of the interior of the tubular casing or by introducing gas in this interior increases the service life of the heating conductor the heating element designed according to the invention: e. The following is the invention explained in more detail on the basis of several exemplary embodiments. Zn the associated Show drawings; -Fig. l a heating element according to the invention for air heaters, shown in section Fig. 2: a provided for liquid heating according to the invention formed heating element in section.

In ein in Fig. 1 dargestelltes Qüarzgütrohr 'l ist ein Heizleiter 2 eingezogen. Die Enden des .Quarzgutrohres 'l sind durch Anschlu,ßkappen' 3 verschloeseng die auf. ersterem duzch ein Bindemittel: 49 beispielsweise Epoxydharz$ gasdicht befestigt sind. Die Ansohlußkappen 3 weisen je eine Bohrung 5-auf, durch welche die als elektrische Anschlüsse: ausgebildeten Heizleiter.-enden 6 durchgeführt sind.- -Sofern das Quarzgutrohr ß zur Erhdhung derZebensdäu.er des Heizleiters 2 evakuiert oder mit einem Gasgefüllt sen, soll sind die Bohrungen 5 nach Durchführung der Heizleterenden 6 abgedichtet (.nicht dargestellt):.In a Qüarzgütrohr'l shown in Fig. 1 is a heating conductor 2 moved in. The ends of the .Quarzgutrohres'l are closed by connection, ßkappen'3 the on. The former with a binding agent: 49 for example, epoxy resin, gas-tight are attached. The Ansohlußkappen 3 each have a bore 5 through which which are carried out as electrical connections: formed heating conductors.-ends 6.- -As long as the quartz tube ß is evacuated to increase the auxiliary substances of the heating conductor 2 or with a gas filled sen, are the holes 5 after implementation of the heater ends 6 sealed (.not shown) :.

Ebenso ist es möglehy die Heizleiterenden 6 in micht-dargestellter Weise von innen mit den hierfür ohne die Bohrung 5 ausgeführten Arischlußkappen 3. elektrisoh leitend zu; verbinden und diese selbst zur Zuführung von Elektroenergie- zum Heizleiter 2 zu, benutzen.It is also possible to use the heating conductor ends 6 in the not-shown Way from the inside with the Arischlußkappen designed for this purpose without the hole 5 3. elektrisoh conductive to; and connect them to the supply of electrical energy to heating conductor 2 to, use.

Bei dem in: Fig.@ 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Heizleiter 7 in. einem lediglich einseitig offenen Quarzgutrobr 8 untergebracht. Der Heizleiter 7 ist auf einen rohrförmigen Hezleiterträger 9 gewickelt, der das durch ihn durchgeführte Heizleiterende 10 gegenüber dem Heizleiter elektrisch isoliert.In the embodiment of the invention shown in: Fig. @ 2 A heating conductor 7 is accommodated in a quartz material tube 8 that is only open on one side. The heating conductor 7 is on one tubular Hezleiterträger 9 wound, the heating conductor end 10 passed through it electrically with respect to the heating conductor isolated.

Das offene Ende des Quarzgutrohres 8 ist mit einem aus Quarzgut bestehenden rohrförmigen Isolator 12 durch Schweißung 15 verbunden. Der Isolator 12 ist mit Hilfe des Bindemittels 11 in einem Flansch 13 befestigt. Über den Flansch 13 wird das erfindungsgemäße Heizelement: in nicht näher dargestellter Weise .p z.B. an einem entsprechenden Einsatz eines Heizkessels, befestigt.! so daß es in' die in diesem vorgesehene Flüssigkeit hineinragt, In dem Isolator 12 ist ein den Heizleiterträger 9 aufnehmendes Rohr 14 untergebracht. Der Isolator 12;1 das Rohr 14 und der Heizleiterträger 9 sind an ihren oberen Enden. durch Schweißung 15 verbunden. Durch den zwischen dem Rohr 14 und dem Heizleiterträger 9 bestehenden Hohlraum 16 ist das zweite Heizleiterende 10 hindurch nach außen geführt. Mit den Heizleiterenden 10 werden die hier nicht dargestellten elektrischen Anschlüsse verbundeng über die dem Heizleiter die entsprechende Elektroenergie zugeführt wird.The open end of the fused quartz tube 8 is connected by welding 15 to a tubular insulator 12 made of fused quartz. The insulator 12 is fastened in a flange 13 with the aid of the binding agent 11. The heating element according to the invention is fastened via the flange 13: in a manner not shown in detail .p, for example, to a corresponding insert of a heating boiler. so that it protrudes into the liquid provided therein. In the insulator 12 , a tube 14 receiving the heat conductor carrier 9 is accommodated. The insulator 12; 1, the tube 14 and the heat conductor carrier 9 are at their upper ends. connected by welding 1 5. The second heating conductor end 10 is guided to the outside through the cavity 16 existing between the pipe 14 and the heating conductor carrier 9. The electrical connections, not shown here, are connected to the heating conductor ends 10 via which the corresponding electrical energy is supplied to the heating conductor.

Das untere Ende des Quarzgutrohres 8 ist mit Asbestwolle 17 gefüllt.The lower end of the quartz tube 8 is filled with asbestos wool 17.

Claims

Claims :. Electric heating element, for gas and liquid heating by means of high tension. Electrical energy for stationers and mobile systems consisting of a heating element housed in a tubular casing, characterized by: "that - the tubular - in a known manner, e.g. as a rod spine: or P ; Räe, nder s; u: sgebldee cladding ( 1 8) is made from a quartz tube with high radiation permeability.

2. Electrical heating element nach.Anspru, ch -iy characterized by $ that the interior of the Qüarzg'utrohres ('1y8) _ under low air pressure or under gas pressure stands and the Rährenden- as Energiezufühxungselement.e- trained connection caps (3) are hermetically sealed:

3. Electrical heating element according to, Anspru.ch -1 i characterized by the fact that a high voltage penetration is used Fused quartz tsolater (`I2) with a tubular heat conductor support (9) and with the Quarzgutrohr- (8) is connected by welding (15).

4. Electrical heating element according to claim h-1 and 2i, characterized in that the quartz tube (1; 8), mitt..els a binder (I1) q, for example, au.shärtbaren mass in a flange (13) is attached. List of the reference numbers used for the patent application. "Hochspannungshezelement't 1 == quartz tube 2 = heating conductor - 3 = connection cap 4 = binding agent 5 = hole 6 = heating conductor end 7 _ heating conductor quartz tube ga stimulus conductor carrier" 10 _ heating conductor end 11. a binding agent 12 a insulator 13 a flange 14 =. Tube $ 15 - Sohweißung 16. _ Cavity 17 a asbestos wool