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Dokumentenidentifikation DE69808992T2 18.06.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0884547
Titel Heizelementträger für einen elektrischen Wärmebehandlungsofen
Anmelder Ipsen International, Inc., Cherry Valley, Ill., US
Erfinder Moller, Craig A., Roscoe, Illinois 61073, US
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69808992
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.05.1998
EP-Aktenzeichen 983038449
EP-Offenlegungsdatum 16.12.1998
EP date of grant 30.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse F27D 1/00
IPC-Nebenklasse H05B 3/66   F27B 5/14   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Öfen zur Wärmebehandlung von Metallen und insbesondere einen Träger oder Aufhänger für die elektrischen Heizelemente, die in solchen Öfen verwendet werden.

Allgemeiner Stand der Technik

Elektrische Wärmebehandlungsöfen verwenden aus Molybdän oder Graphit hergestellte elektrische Heizelemente als Strahlungswärmequelle. Die elektrischen Heizelemente sind in der Regel um den Umfang der Heißzone des Ofens angeordnet. In den US-Patenten Nr. 5,502,742; 4,612,651; 4,559,631 und 3,812,276, auf deren Offenbarungen hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, werden typische Anordnungen von Wärmebehandlungsöfen, die elektrische Heizelemente aufweisen, gezeigt und beschrieben.

Bei den bekannten Öfen werden die elektrischen Heizelemente durch Aufhänger oder Trägerglieder, die an einem Ende an der Ofenwand befestigt sind und an ihrem anderen Ende Beschläge zur Befestigung des Heizelements daran enthalten, von der Ofenwand getragen. In der Regel enthält der Heizelementträger elektrisch isolierende Komponenten, so dass das Heizelement von dem an der Ofenwand befestigten Teil des Elementträgers elektrisch isoliert ist. Die elektrisch isolierenden Komponenten sind in der Regel aus einem keramischen Material hergestellt. Bei wiederholtem Betrieb des Ofens wird die Oberfläche der keramischen Komponenten im Laufe der Zeit von auf sie heruntergefallenen Materialien oder durch zunehmende Metallisierung verunreinigt. Eine solche Verunreinigung führt zu elektrischen Kurzschlüssen, die den Ofenbetrieb stören und zu einer Beschädigung führen können.

Bei elektrischen Wärmebehandlungsöfen, die Zwangsgaskühlsysteme enthalten, sind die keramischen Isolierkomponenten durch Thermoschock hohen Spannungen ausgesetzt, die zu Rissbildung und Versagen der Komponente führen können. In den Öfen stehen die keramischen Isolierkomponenten in direktem Kontakt mit dem Heizelement und Spannungen ausgesetzt, wenn sich das Heizelement während Heiz- und Kühlzyklen ausdehnt oder zusammenzieht. Des Weiteren können bei Ofenbetrieb oder -wartung Heizelementträger auf dem Grund oder Boden der Heißzone eines Ofens von herabfallenden Teilen oder Werkzeugen getroffen werden, wodurch die keramischen Komponenten aufplatzen oder zerbrechen.

Viele der bekannten Heizelementträger enthalten eine Stützwelle, die in die Wand der Heizzone oder des Ofens geschraubt ist. Ein solcher Heizelementträger ist durch Temperaturwechselbeanspruchung im Ofen Verformung und Verschleiß ausgesetzt. Die Verformung und der Verschleiß bewirken ein Festfressen des Gewindeteils der Strebe, wodurch ein Ausbau des Heizelementträgers schwierig wird, wenn er repariert oder ausgetauscht werden muss.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Heizelementträger besteht darin, dass sie speziell entweder für Graphit- oder Metallheizelemente konstruiert werden müssen, da ein Graphitheizelement bedeutend dicker ist als ein Metallheizelement.

In Anbetracht des Obigen wäre es höchst wünschenswert, einen Träger für ein elektrisches Heizelement in einem elektrischen Wärmebehandlungsofen vorzusehen, der die Nachteile der bekannten Heizelementträger überwindet.

Kurzdarstellung der Erfindung

Die mit den bekannten Heizelementträgern für Öfen verbundenen Nachteile werden in hohem Maße durch einen Heizelementträger gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst. Ein Träger für ein elektrisches Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Trägerarm mit einem ersten und einem zweiten Endteil. Eine erste und eine zweite keramische Hülse erstrecken sich in Querrichtung durch den Trägerarm, und eine Halterung umgibt mindestens drei Seiten des Trägerarms. Die Halterung ist so dimensioniert und positioniert, dass sie das elektrische Heizelement in Eingriff nimmt und es dadurch stützt. Die innere Querabmessung der Halterung ist größer als die Länge der ersten bzw. der zweiten keramischen Hülse. Ein Paar erster keramischer Abstandshalter ist ringförmig an der ersten keramischen Hülse angeordnet, und ein Paar zweiter keramischer Abstandshalter ist ringförmig an der zweiten keramischen Hülse angeordnet. Die keramischen Abstandshalter sind zwischen der Halterung und dem Trägerarm angeordnet und verhindern so einen Kontakt zwischen dem Trägerarm und der Halterung. Sowohl in der ersten als auch in der zweiten keramischen Hülse ist ein Stift angeordnet. Die Stifte erstrecken sich durch die Halterung, um die keramischen Hülsen, die keramischen Abstandshalter und die Halterung am Trägerarm zu stützen und festzuhalten. Es sind Klammern zum Festhalten der Stifte in den keramischen Hülsen und der Halterung vorgesehen. Bei dieser Anordnung liegt das Heizelement an der metallischen Halterung an und verursacht keinen Verschleiß und keine Beschädigung der keramischen Elemente. Des Weiteren bildet die Halterung einen Schutz gegen Verunreinigung und Metallisierung der keramischen Komponenten.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der Heizelementträger eine über dem ersten Endteil des Trägerarms und einem danebenliegenden Teil der Halterung angeordnete Kappe. Der nach innen ragende Haltestift erstreckt sich auch durch die Kappe, um diese an der Halterung und dem Trägerarm festzuhalten. Die Kappe bildet einen Schutz für die keramischen Komponenten, insbesondere jene, die entlang dem Boden oder Grund der Heißzone des Ofens angeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der Heizelementträger eine Buchse, die zur Befestigung an einer Wand des Wärmebehandlungsofens ausgeführt ist. Die Buchse ist zum Aufnehmen und Ineingriffnehmen des zweiten Endteils des Trägerarms ausgebildet, so dass der Heizelementträger im elektrischen Wärmebehandlungsofen montiert werden kann. Bei dieser Anordnung weist der Trägerarm eine quer im zweiten Endteil ausgebildete Kerbe auf, und die Buchse enthält einen Stift oder ein anderes Mittel zur Ineingriffnahme der Kerbe zum Festhalten des Trägerarms in der Buchse. Für die Ineingriffnahme wird der Trägerarm in die Buchse eingeführt verdreht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorhergehende Kurzdarstellung sowie die folgende ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich; es zeigen darin:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Heizelements und eines Trägers dafür gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Unteransicht des in Fig. 1 gezeigten Heizelementträgers mit Blickrichtung entlang Linie 2-2 darin;

Fig. 3 eine als Teilschnitt ausgeführte Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten Heizelementträgers mit Blickrichtung entlang Linie 3-3 darin; und

Fig. 4 eine Vorderansicht des in Fig. 1 gezeigten Heizelementträgers.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen sich in sämtlichen Ansichten gleiche Bezugszahlen auf die gleichen Komponenten beziehen, wird ein Teil eines elektrischen Heizelements 10 jener Art gezeigt, die in einem elektrischen Wärmebehandlungsofen verwendet wird. Das Heizelement 10 weist eine Öffnung 11 auf, die zur Aufnahme eines Heizelementträgers 12 darin ausgebildet ist. Der Heizelementträger 12 enthält ein längliches Stabglied 14, das einen innen liegenden Endteil 16 und einen außen liegenden Endteil 18 aufweist. Bei der in den Zeichnungsfiguren gezeigten Ausführungsform weist das Stabglied 14 einen allgemein rechteckigen Querschnitt auf. Eine U-förmige Halterung 20 umgibt den innen liegenden Endteil des Stabglieds 14 auf mindestens drei Seiten davon. Die U-förmige Halterung 20 enthält ein Paar gegenüberliegender Seitenwände 21a und 21b und einen sich zwischen den Seitenwänden erstreckenden oberen Teil 22. Die Öffnung 11 ist bezüglich der Querschnittsfläche der Halterung 20 überdimensioniert, um einen Einbau zu gestatten, wenn das Heizelement 10 am Träger 12 montiert wird. Das Übermaß der Öffnung 11 kann auch einer gewissen Ausdehnung der Halterung 20 bei Betrieb des Wärmebehandlungsofens bei erhöhter Temperatur Rechnung tragen.

Eine Kappe 23 mit einem U-förmigen Teil 24 und Flanschteilen 26a und 26b ist am innen liegenden Ende des Stabglieds 14 angebracht. Der U-förmige Teil 24 überlappt einen Teil der Halterung 20 neben dem innen liegenden Endteil 16 des Stabglieds 14, um das offene Ende der Halterung 20 zu verschließen. Die Flanschteile 26a und 26b der Kappe 23 sind so angeordnet und ausgerichtet, dass sie an die Innenfläche des elektrischen Heizelements 10 anstoßen.

Keramische Hülsen 28a und 28b erstrecken sich durch im Stabglied 14 ausgebildete Löcher. Die Länge der keramischen Hülsen 28a, 28b ist etwas kleiner als die innere Querabmessung der Halterung 20, so dass sie die Montage der Halterung 20 auf das Stabglied 14 nicht behindern. Ein Paar keramischer Abstandshalter 32a, 32b ist auf gegenüberliegenden Seiten des Stabglieds 14 ringförmig an der keramischen Hülse 28a angeordnet. Auf ähnliche Weise sind keramische Abstandshalter 32c und 32d auf gegenüberliegenden Seiten des Stabglieds 14 ringförmig an der keramischen Hülse 28b angeordnet. Die keramischen Abstandshalter 32a, 32b, 32c und 32d befinden sich somit zwischen dem Stabglied 14 und den Seitenwänden 21a und 21b der Halterung 20, um einen Kontakt dazwischen zu verhindern.

Ein Metallstift 34a ist in der keramischen Hülse 28a angeordnet und erstreckt sich durch die Löcher in den Seitenwänden der Halterung 20 nach außen und in den U- förmigen Teil 24 der Kappe 23. Auf ähnliche Weise ist ein zweiter Metallstift 34b in der keramischen Hülse 28b angeordnet und erstreckt sich durch Löcher in den Seitenwänden der Halterung 20. Die Enden der Metallstifte 34a und 34b erstrecken sich über die Seitenwände der Halterung 20 hinweg. Im Falle von Stift 34a gewährleistet die zusätzliche Länge, dass die Kappe 23 an der Halterung 20 befestigt ist, wodurch verhindert wird, dass das Heizelement 10 von der Halterung 20 rutscht. Halteklammern 40a, 40b und 40c, 40d sind außerhalb der Seitenwände 21a, 21b der Halterung 20 durch in den Metallstiften 34a bzw. 34b ausgebildete Löcher gesteckt, um zu verhindern, dass die Metallstifte 34a, 34b aus den keramischen Hülsen 28a, 28b und der Halterung 20 herausrutschen. Die Flansche 26a und 26b der Kappe 23 sind zwischen dem Metallstift 34a und dem Heizelement 10 positioniert, um das Festhalten des Heizelements 10 am Träger 12 zu unterstützen und Verschleiß oder Abrieb des Heizelements durch den Stift 34a zu verhindern.

Eine Unterlegscheibe 46 ist um die U-förmige Halterung 20 herum außerhalb des Heizelements 10 verschiebbar angeordnet. Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform ist das elektrische Heizelement durch einen Metallstreifen oder ein Metallband realisiert. Wie oben erwähnt, verwenden einige elektrische Wärmebehandlungsöfen jedoch Graphitstäbe für die Heizelemente. Die Metallstifte 34a und 34b sind ausreichend weit voneinander beabstandet, so dass ein Graphitstab-Heizelement dazwischen passt. Wenn ein Graphitstab-Heizelement verwendet wird, stößt die Unterlegscheibe 46 an die Außenfläche des Graphitstab- Heizelements, um sie am Träger 12 festzuhalten und Abriebverschleiß des Graphitheizelements durch den Stift 34b zu verhindern.

Es ist eine Buchse 48 vorgesehen, die den Heizelementträger 12 an einer Wand des elektrischen Wärmebehandlungsofens befestigt. Bei der in den Zeichnungsfiguren gezeigten Ausführungsform besteht die Buchse 48 aus einem zylindrischen Metallteil mit einer mittleren Öffnung 49 zur Aufnahme des Endteils 18 des Stabglieds 14. Ein Stift 50 oder ein anderes Mittel, wie zum Beispiel eine Rippe, eine Lippe oder ein Keil, ist quer im Buchsenglied 48 angeordnet, um eine im außen liegenden Endteil des Stabglieds 14 ausgebildete Querkerbe 52 in Eingriff zu nehmen. Die Buchse 48 ist vorzugsweise durch Verschweißen an der Ofenwand befestigt. Der Heizelementträger 12 wird durch Einführen des äußeren Endes 18 in die mittlere Öffnung 49 der Buchse 48 und dann Drehen des Stabglieds 14, bis die Kerbe 52 mit dem Stift 50 in Eingriff gelangt, im Ofen angebracht. Durch Umkehren des Installierungsvorgangs lässt sich der Heizelementträger 12 leicht ausbauen. Diese Anordnung wirkt einem Festfressen stark entgegen.

Bei einem elektrischen Ofen, der einen Hitzeschutz um die Heißzone herum aufweist, kann der Heizelementträger 12 so ausgeführt werden, dass er als Halter für den Hitzeschutz fungiert. Dabei ist eine zweite (nicht gezeigte) Unterlegscheibe einwärts der Hitzeschutzauskleidung um das Stabglied 14 herum angeordnet. Quer durch das Stabglied 14 ist ein Loch 54 ausgebildet, das eine Halteklammer oder einen Haltedraht aufnimmt, um die Halteunterlegscheibe am Hitzeschutzmaterial festzuhalten.

Die metallischen Komponenten des oben beschriebenen Heizelementträgers sind aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt, das bzw. die einer Verformung entgegenwirkt, wenn sie den zur Wärmebehandlung von Stahllegierungen oder anderen Metallen verwendeten Temperaturen ausgesetzt sind. Vorzugsweise bestehen die Metallkomponenten, wie zum Beispiel das Stabglied 14, die Halterung 20, die Kappe 23 und die Stifte 34a, 34b, aus Molybdän. Die keramischen Elemente sind aus einem festen keramischen Material hochwärmebeständiger Qualität, wie zum Beispiel einem Material mit aluminiumoxidreicher Qualität, hergestellt.

Angesichts der obigen Offenbarung, sind nunmehr einige der vielen neuartigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung offensichtlich. Es ist zum Beispiel ein neuartiger Heizelementträger beschrieben worden, der eine Metallhalterung enthält, die mit dem elektrischen Heizelement eine Grenzfläche bildet, so dass das Heizelement nicht direkt an irgendwelche keramischen Komponenten anliegt. Die Halterung 20 und die Kappe 23 sind so ausgeführt und am Heizelementträger 12 angeordnet, dass eine Verunreinigung oder Metallisierung der Oberfläche der keramischen Komponenten, die zu einem Kurzschluss zwischen dem Heizelement 10 und dem Trägerstab 14 führen kann, auf ein Minimum reduziert wird. Des Weiteren schützen die Halterung 20 und die Kappe 23 die keramischen Komponenten vor Teilen, Werkzeugen oder anderen Objekten, die die keramischen Teile beschädigen können. Der offenbarte Heizelementträger lässt sich leicht auswechseln, da zum Abbau des Trägers vom Heizelement nur eine einzige Klammer und ein einziger Stift entfernt werden müssen, und der gesamte Träger wird durch eine einfache Vierteldrehung vom Ofen abgenommen oder daran installiert. Des Weiteren ist der Heizelementträger gemäß der vorliegenden Erfindung insofern universal als er an die Verwendung sowohl mit Metallheizelementen als auch mit Graphitstabheizelementen angepasst werden kann.

Für Fachleute liegt auf der Hand, dass sich an der oben beschriebenen Erfindung Änderungen und Modifikationen durchführen lassen, ohne vom allgemeinen Erfindungsgedanken abzuweichen. Es versteht sich deshalb, dass die Erfindung nicht auf die hier offenbarten besonderen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Modifikationen und Änderungen mit umfassen soll, die in dem in den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung liegen.


Anspruch[de]

1. Träger (12) für ein elektrisches Heizelement (10) in einem elektrischen Wärmebehandlungsofen, der folgendes umfasst:

einen Trägerarm (14) mit einem ersten und einem zweiten Endteil (16 und 18);

eine den ersten Endteil (16) des Trägerarms umgebende Halterung (20), die mindestens drei Seiten (21a, 21b, 22) aufweist;

elektrisch isolierende Elemente (28a-b, 32a-d), die so zwischen dem Trägerarm (14) und der Halterung (20) angeordnet sind, dass der Trägerarm (14) von der Halterung (20) elektrisch isoliert ist; und

ein Mittel (34a-b, 40a-d) zum Festhalten der Halterung (20) am Trägerarm (14) und zum Festhalten der elektrisch isolierenden Elemente (32a-d) zwischen dem Trägerarm (14) und der Halterung (20).

2. Heizelementträger (12) nach Anspruch 1, der eine über dem ersten Endteil (16) des Trägerarms (14) und einem danebenliegenden Teil der Halterung (20) angeordnete Kappe (23) umfasst, wobei die Kappe (23) durch das Haltemittel (34a, 40a-b) an dem Trägerarm (14) und der Halterung (20) festgehalten wird.

3. Heizelementträger (12) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Isolierelemente folgendes umfassen:

eine sich quer durch den Trägerarm (14) erstreckende erste keramische Hülse (28a); und

ein Paar erster keramischer Abstandshalter (32a, 32b), die ringförmig an der ersten keramischen Hülse (28a) und auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerarms (14) angeordnet sind, um einen Kontakt zwischen dem Trägerarm (14) und der Halterung (20) zu verhindern.

4. Heizelementträger (12) nach Anspruch 3, bei dem das Haltemittel (34a) durch die erste keramische Hülse (28a) angeordnet ist und sich durch zwei gegenüberliegende Seiten (21a, 21b) der Halterung (20) erstreckt.

5. Heizelementträger (12) nach Anspruch 3, bei dem die Isolierelemente weiterhin eine zweite keramische Hülse (28b), die quer durch den Trägerarm (14) angeordnet und von der ersten keramischen Hülse (28a) beabstandet ist; und ein Paar zweiter keramischer Abstandshalter (32c, 32d) umfassen, die ringförmig an der zweiten keramischen Hülse (28b) und auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerarms (14) angeordnet sind, um einen Kontakt zwischen dem Trägerarm (14) und der Halterung (20) zu verhindern.

6. Heizelementträger (12) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Haltemittel mindestens einen Stift (34a, 34b) umfasst, der sich durch gegenüberliegende Seiten (21a, 21b) der Halterung (20), durch die Isolierelemente (28a-b, 32a-d) und durch den Trägerarm (14) erstreckt.

7. Heizelementträger (12) nach Anspruch 5, bei dem das Haltemittel einen ersten Stift (34a), der sich durch die gegenüberliegenden Seiten (21a, 21b) der Halterung (20) und durch die erste keramische Hülse (28a) erstreckt, und einen zweiten Stift (34b), der sich durch die gegenüberliegenden Seiten (21a, 21b) der Halterung (20) und durch die zweite keramische Hülse (28b) erstreckt, umfasst.

8. Heizelementträger (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Buchse (48) zur Befestigung an einer Wand des elektrischen Wärmebehandlungsofens zum Aufnehmen und Ineingriffnehmen des zweiten Endteils (18) des Trägerarms (14), um eine Befestigung des Heizelementträgers in dem elektrischen Wärmebehandlungsofen zu gestatten, umfasst.

9. Heizelementträger (12) nach Anspruch 8, bei dem der Trägerarm (14) eine quer im zweiten Endteil (18) ausgebildete Kerbe (52) aufweist und die Buchse (48) ein Mittel (50) zur Ineingriffnahme der Kerbe (52) zum Festhalten des Trägerarms (14) in der Buchse (48) umfasst.

10. Heizelementträger (12) nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, sofern von Anspruch 7 abhängig, mit einer Unterlegscheibe (46), die zwischen dem ersten und dem zweiten Stift (34a, 34b) verschiebbar um die Halterung (20) herum angeordnet ist.

11. Elektrischer Wärmebehandlungsofen, der mit einem Heizelementträger (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.

12. Träger (12) für ein elektrisches Heizelement (10) in einem elektrischen Wärmebehandlungsofen, der folgendes umfasst:

einen Trägerarm (14) mit einem ersten und einem zweiten Endteil (16 und 18);

eine sich quer durch den Trägerarm (14) erstreckende erste keramische Hülse (28a);

eine mindestens drei Seiten des Trägerarms (14) umgebende Halterung (20), deren innere Querabmessung größer ist als die Länge der ersten keramischen Hülse (28a);

ein Paar erster keramischer Abstandshalter (32a, 32b), die zwischen dem Trägerarm (14) und der Halterung (20) ringförmig an der ersten keramischen Hülse (28a) angeordnet sind, um einen Kontakt zwischen dem Trägerarm und der Halterung zu verhindern;

einen in der keramischen Hülse (28a) angeordneten Stift (34a), der sich durch die Halterung (20) erstreckt, wodurch die erste keramische Hülse (28a) und die Halterung (20) am Trägerarm (14) gestützt und festgehalten werden, und ein Mittel (40a, b) zum Festhalten des Stifts in der ersten keramischen Hülse (28a) und der Halterung (20).







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