Die Erfindung betrifft ein Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, wobei das Gaserhitzer-Heizelement wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Monolithen aufweist, in dem Monolithen eine Trag - und Kanalstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist, das elektrische Heizelement in den Kanälen der Trag- und Kanalstruktur geführt ist, von dem Heizelement Wärme innerhalb der Kanäle auf ein durch die Kanäle strömendes Gas zur Erwärmung des Gases und/oder zur Erzielung von hohen Gastemperaturen übertragbar ist.
Der Gaserhitzer ist insbesondere für eine vertikale Durchströmung, aber auch horizontale Verwendung, sowie insbesondere für Gastemperaturen von 800 °C bis 1200 °C konzipiert. Dabei ist der Gaserhitzer herkömmlichen Heizern aufgrund seiner Geometrie bezüglich des zuverlässigen Erreichens der gewünschten Gastemperatur im genannten Temperaturbereich sowie gleichzeitig vergleichsweise langen Betriebsdauern bis zu einem Versagen des Heizdrahtes überlegen.
Das Design des Gaserhitzer-Heizelementes basiert auf dem Patent
Die Druckschrift
Ebenso betrifft die Druckschrift auch einen Prozessheizer mit einem Gehäuse mit einer Gaszufuhr und einem Gasauslass, einem Heizraum zwischen Gaszufuhr und Gasauslass zur Aufnahme eines Heizelementes und elektrischen Anschlüssen für mindestens ein Heizelement. Entsprechende Heizelemente sind seit langem bekannt. Sie bestehen aus mindestens einem von Gas zu durchströmenden Rohr, das zum Zwecke der Durchströmung beidseitig offen ist, wobei in dem Rohr ein Heizdraht angeordnet ist, an welchem das Gas vorbeiströmt und sich durch den direkten Kontakt mit dem Heizdraht erhitzt.
Der Begriff Heizdraht wird gemäß
Der Begriff Rohr wird in der Druckschrift
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten von Heizelementen mit verschiedenen Herstellungsverfahren bekannt.
Das Heizelement aus
Die Herstellung der Heizelemente für den Gaserhitzer ist mit einem hohen Fertigungsaufwand und hohen Fertigungskosten durch unter anderem den kleinteiligen Aufbau und die kostenintensive Keramik bezüglich Fertigung und verwendeter Materialien verbunden. Der vertikale Einbau der Heizelemente sowie die vertikale Gasdurchströmung sind technisch kompliziert und somit nochmals kostenintensiv herstellbar. Die Realisierung großer, leistungsstarker Gaserhitzer ist mit dem Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik der Heizelemente aus
Die Druckschrift
In der Druckschrift wird die Keramik durch das Sintern eines Grünlings erzeugt. Die benötigten Kühlkanäle in den Keramikbremsscheiben werden durch Ausbrennen eines Opfermaterials erzeugt. Die Druckschrift bezieht sich ausschließlich auf die Herstellung von Keramikbremsscheiben. Durch das Ausbrennen des Opfermaterials werden Kühlkanäle freigelegt, welche auch ausschließlich hierfür genutzt werden. Es wird kein Heizdraht in die Kanäle des Keramikkörpers eingebracht.
Die Druckschrift
In der Druckschrift wird ein keramisches Heizer-Heizdraht-Verbundprodukt über ein Stranggussverfahren und durch Sintern der Keramik hergestellt. Strömungskanäle werden als separate Kanäle in die Keramik eingeformt. Der Raum um die Heizdrähte wird explizit dicht ausgeführt, um den Kontakt mit dem aufzuheizenden Medium auszuschließen. Die Strömungskanäle werden nicht durch das Ausschmelzen / Ausbrennen eines Opfermaterials erzeugt, sondern durch das Stranggussverfahren in die Keramik eingeformt.
Die Druckschrift
Der Sinterkörper dient zur Herstellung eines Keramikheizers und wird über ein Keramikformgussverfahren hergestellt. Der Keramikheizer wird als Strahlungsheizer für das Erwärmen von Siliziumwafern genutzt. Aufgrund der hohen Reinheitsanforderungen der Siliziumwafer erfolgt eine besondere Auswahl des keramischen Materials.
In der Druckschrift handelt es sich ausschließlich um einen Strahlungsheizer für Siliziumwafer und nicht um einen Gaserhitzer. Es werden keine Gasströmungskanäle durch Ausbrennen eines Opfermaterials erzeugt.
Die Druckschrift
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass die Herstellung der Heizelemente für einen Gaserhitzer sowohl zeit- als auch kostenintensiv ist und der Einbau technisch kompliziert erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Gaserhitzer-Heizelemente bereitzustellen, dass sowohl für die Realisierung kleiner als auch großer, leistungsstarker Gaserhitzer-Heizelemente praktikabel ist und aufgrund von verringertem Fertigungsaufwand und verringerten Fertigungskosten wirtschaftlich umsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren gemäß Hauptanspruch.
Das Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, wobei das Gaserhitzer-Heizelement wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Monolithen aufweist, in dem Monolithen eine Trag - und Kanalstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist, das elektrische Heizelement in den Kanälen der Trag - und Kanalstruktur geführt ist, von dem elektrischen Heizelement Wärme innerhalb der Kanäle auf ein durch die Kanäle strömendes Gas zur Erwärmung des Gases und/oder zur Erzielung von hohen Gastemperaturen übertragbar ist, weist die folgenden Schritte auf:
Durch dieses Verfahren ist es erstmalig möglich, einen entsprechenden Gaserhitzer-Heizelement kostengünstig herzustellen. Insbesondere spielt auch die Dimensionierung keine Rolle mehr, da dieses offenbarte Verfahren große als auch kleine Gaserhitzer-Heizelemente wirtschaftlich realisierbar macht.
Als besonderer Vorteil des hier offenbarten Herstellungsverfahrens lässt sich das Herstellen der Kanalstruktur vor der eigentlichen Herstellung der monolithischen Struktur herausstellen. Durch das Entfernen des Beschichtungsmaterials nach der Herstellung der monolithischen Struktur müssen keine Kanäle in die monolithische Struktur nach dessen Herstellung eingebracht werden, die dann mit den entsprechenden elektrischen Heizelementen konfektioniert werden müssten. Daher stellt das simple Beschichten des elektrischen Heizelementes vor der Monolithherstellung zur definierten Bildung des späteren Zwischenraums durch die zu entfernende Beschichtung einen besonderen Herstellungsschritt dar.
Aus dem erfindungsgemäßen Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsprozess erfolgt eine erhebliche Kostenreduktion für die Herstellung des Gaserhitzer-Heizelementes, da sich der Fertigungsaufwand und die Fertigungszeit verringern. Es ist nun möglich durchgängige, also einteilige, auch maschinell gefertigte Gaserhitzer-Heizelemente zu verwenden.
Gegenüber dem Einsatz von im Stand der Technik bekannten Keramikstäbchen zur Herstellung einer Trag- und Kanalstruktur wird eine deutliche Reduzierung der Teileanzahl erwirkt. Es wird ein selbstragender Aufbau, was die Kombination von elektrischem Heizelement mit Trag- und Kanalstruktur in einem Bauteil bedeutet, ermöglicht. Zudem sind weitere mögliche Funktionskombinationen wie beispielsweise thermische Dämmung, elektrische Isolation, Gasführung oder Katalysatortragstruktur gegeben.
Nachfolgend sind weitere Ausgestaltungsvarianten des Herstellungsverfahrens angeführt, die das zuvor aufgezeigte Verfahren weiter verbessern und es auch weiter spezialisieren können.
Das elektrische Heizelement kann insbesondere als Heizdraht und/oder als Heizdraht mit variablem Durchmesser und/oder als Heizdraht mit variabler geometrischer Struktur und/oder mehrere unterschiedliche Heizdrähte und/oder als Heizgitter und/oder als Heizgitterstrukturen ausgebildet sein. Hierdurch können unterschiedliche Wärmemengen in einzelnen Bereichen oder Abschnitten des Gaserhitzer-Heizelementes in Abhängigkeit der Heizelementgeometrie eingebracht werden. Insbesondere kann das elektrische Heizelement homogen oder inhomogen oder abschnittsweise homogen und abschnittsweise inhomogen ausgebildet angeordnet und/oder ausgeformt sein, um entsprechende Forderungen an die benötigte Wärmemenge zu erfüllen.
Das elektrische Heizelement und insbesondere der Heizdraht kann beliebig ausgeformt und unterschiedlich dicht angeordnet sein. In einer speziellen Variante kann auch eine inhomogene Verteilung der elektrischen Heizelemente innerhalb des Gaserhitzer-Heizers realisiert werden, die einer möglichen ungleichmäßigen Gaserwärmung entgegenwirken kann, bspw. in Randbereichen des Heizers. Hierzu kann entsprechend den Strömungsprofilen der Heizer mit den elektrischen Heizelementen ausgestaltet werden. Zur weiteren Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung lassen sich in Randbereichen und/oder im Außenbereich der monolithischen Struktur Reflektorelemente zur Reflektion von Wärmstrahlung einbetten oder anbringen.
Als elektrische Heizelemente kommen Heizdrähte, Heizplatten und Heizstäbe als auch Heizgitter sowie Kombinationen aus den zuvor genannten in Frage. Weitere spezielle Ausgestaltungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Weiter kann das elektrische Heizelement aus drei Abschnitten ausgebildet werden, nämlich einem ersten Verbindungsabschnitt, der außerhalb des Monolithen und auf einer Gaseinströmseite ausgebildet wird, einem Kanalabschnitt, der innerhalb des Monolithen ausgebildet wird und einem zweiten Verbindungsabschnitt, der außerhalb des Monolithen und auf einer Gasausströmseite. Hierdurch werden die einzelnen Heizdrähte bzw. elektrische Heizelemente innerhalb des Monolithen bzw. der monolithischen Struktur entsprechend elektrisch außerhalb der monolithischen Struktur verbunden. Eine mechanische Verbindung zwischen mehreren Segmenten kann ebenfalls hierüber erfolgen oder aber auch in den Kanälen der monolithischen Struktur erfolgen.
Zur Herstellung des Monolithen kann eine Gussform verwendet werden, wobei hierzu das Herstellungsverfahren insbesondere die folgenden Schritte aufweisen kann:
Temperaturen höher als 800 °C temperaturbeständig ist, und einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist
und
Als temperaturbeständiges Material für das Aufgießen der Gussform kann beispielsweise Beton oder auch ein anderes keramisches Einbettungsmaterial, das den Anforderungen entspricht, verwendet werden. Das Material wird durch Aufgießen in die Gussform eingebracht und anschließend hinreichend für nachfolgende Prozessschritte ausgehärtet, bis es die nötige Festigkeit erreicht hat. Auf diese Weise wird verhindert, dass die auszuformende Kanal- und Tragstruktur während des Entfernens des Füllmaterials oder des Brennens ungesteuert verformt werden kann.
Weiter kann alternativ die Herstellung des Monolithen in einer Pressform erfolgen und hierbei insbesondere die folgenden Schritte aufweisen:
Als Drucktransfermaterial eignet sich beispielsweise Sand oder auch ein anderes entsprechendes Material. Als Sintermaterial kann beispielsweise Keramikpulver oder auch ein anderes den Anforderungen entsprechendes Material eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Variante kann das Entfernen der Beschichtung des elektrischen Heizelementes durch Ausschmelzen und/oder durch Ausbrennen und/oder durch chemisches Entfernen erfolgen. Je nach verwendetem Material der Beschichtung kann ein entsprechender Verfahrensschritt vorgenommen werden. Bspw. können Lacke durchaus gut über ein chemisches Entfernen entfernt werden. Hingegen können Wachse sehr gut Ausgeschmolzen werden.
In einer Ausführungsvariante können die Schritte des Entfernens der Beschichtung des elektrischen Heizelementes und / oder des Entfernens des entfernbaren Füllmaterials und / oder das Brennen bzw. Sintern des temperaturbeständigen Materials in einem Verfahrensschritt kombiniert werden.
Generell muss das Füllmaterial entfernt werden. Besonders bevorzugt kann das entfernbare Füllmaterial und die Beschichtung des Drahtes in demselben Prozessschritt entfernt werden. Das Füllmaterial sollte daher bezüglich des Schritts des Entfernens bevorzugt mit ähnlichen Materialeigenschaften wie die Beschichtung gewählt werden. Beispielsweise kann als Füllmaterial ein Gießharz oder Wachs verwendet werden.
Wird bspw. ein Wachs verwendet, kann ein Ausschmelzen auch ohne direkten Kontakt mit Luft / Sauerstoff erfolgen. Das Wachs kann ausschmelzen und in das Drucktransfermaterial hinlaufen / dort eindringen. Wird eher auf ein Entfernen durch Ausbrennen gesetzt, braucht es hingegen Kontakt mit Luft / Sauerstoff.
Je nachdem, welches Material als Sintermaterial verwendet wird und wie der Prozess des Verpressens gefahren wird, kann zudem, wenn der Grünling mit dem eingebetteten Heizdraht bzw. elektrischen Heizelement eine ausreichende Stabilität aufweist, vor dem Sintern und gleichzeitigem Entfernen der Beschichtung, insbesondere durch Ausbrennen, das Drucktransfermaterial entfernt werden.
Alternativ kann das Entfernen der Beschichtung bzw. des Füllmaterials vor dem Brennen erfolgen.
Das wenigstens eine Beschichtungsmaterial kann zudem derart gewählt wird, dass es eine geringere Schmelztemperatur und einen geringeren Flammpunkt als das temperaturbeständige Material aufweist.
Weiter kann das Formen des elektrischen Heizelementes in Form eines Heizdrahtes durch Biegen und/oder Wickeln des Heizdrahtes zu Heizdrahtreihen und/oder durch Falten zu Heizdrahtpaketen erfolgen. Dies stellt eine sehr einfache Art der Herstellung des benötigten elektrischen Heizelementes dar.
Insbesondere kann das elektrische Heizelement als Heizdraht, besonders bevorzugt als ein einzelner durchgehender Heizdraht ausgebildet werden.
Das Formen des Heizdrahtes umfasst sowohl das Biegen oder Wickeln des Heizdrahtes zu Heizdrahtreihen als auch das anschließende Falten zu Heizdrahtpaketen, so dass sich verschiedene Varianten bezüglich Länge und Form des geformten Heizdrahtes ergeben und das Aussehen des fertig geformten Heizdrahtes je nach Bedarf optimiert werden kann.
Wird der Heizdraht zu Heizdrahtreihen gebogen, so ergibt sich Verfahrens- beziehungsweise maschinenbedingt eine begrenzte Schenkellänge des Heizdrahtes. Bei Wicklung des Heizdrahtes über einen Dorn ist die Schenkellänge je nach Größe des Dorns variabel einstellbar. Es ist auch möglich, den Heizdraht über andere Wicklungsverfahren, wie beispielsweise das Doppelstiftwicklungsverfahren, zu biegen
Zudem kann ein Warmbiegen oder Spannungsfreiglühen bedarfsabhängig erfolgen, wobei dies abhängig von der Dimensionierung des Gesamtaufbaus ist und ob sich dieser durch Spannungen verziehen kann bzw. schert.
Wenn allgemein oder insbesondere nach dem Spannungsfreiglühen des Heizdrahtes bzw. allgemein des elektrischen Heizelementes und vor dem Beschichten des Heizdrahtes / elektrischen Heizelementes Zentrierprofile auf die nicht-gebogenen Abschnitte des Heizdrahtes aufgebracht werden, so wird der Heizdraht bzw. das elektrische Heizelement in der späteren Kanal- und Tragstruktur besser zentriert. Dies bedingt eine optimierte Durchströmung von Gas durch die Trag- und Kanalstruktur. Zudem lassen sich Führungselemente verwenden, in denen der geformte Draht einsetzbar ist, um diesen in Form zu halten.
Insbesondere kann als das wenigstens eine Material des Beschichtungsmaterials Wachs und / oder Kunststoff und/oder Gel und/oder Lacke verwendet werden.
Das Beschichtungsmaterial kann in einer weiter verbesserten Ausführungsform wenigstens eine Schicht aus einem viskosen oder pastösen Trennmittel und wenigstens eine Schicht aus einem nicht viskosen Material umfassen. Als nicht viskoses Material kann insbesondere Polyethylen oder ein anderes geeignetes Polymer verwendet werden.
Ferner kann das Beschichten des Drahtes mit einem Material bzw. einem Materialsystem mit geringerem Schmelzpunkt bzw. Flammpunkt erfolgen, wobei sich "geringerer" oder "niederer" nämlich auf das Material, mit dem die Gussform ausgefüllt wird, bezieht.
Die für ein Ausschmelzen oder Ausbrennen der Beschichtung notwendigen Temperaturen sind insbesondere abhängig von der Art des Beschichtungsmaterials, insbesondere von dessen Schmelz- und/oder Flammtemperatur. Da als niederschmelzendes bzw. -entflammbares Beschichtungsmaterial beispielsweise Wachs und / oder Kunststoff verwendet werden, können die für das Schmelzen oder Ausbrennen der Beschichtung notwendigen Temperaturen deutlich unter denen für das Sintern oder Brennen des Monolithen notwendigen Temperaturen liegen. Hierdurch lassen sich mit Vorteil die Schritte des Entfernens und des Brennens bzw. Sinterns in einem Verfahrensschritt kombinieren.
Durch das Ausbilden des Monolithen um den final geformten, durchgehenden Heizdraht herum, können je nach Form des beschichteten Heizdrahtes unterschiedliche Trag- und Kanalstrukturen ausgebildet werden. Der Strömungskanalquerschnitt entlang der Gasströmungsrichtung ist einstellbar, je dicker die Beschichtung des Heizdrahtes ausgebildet ist, desto größer sind die gebildeten Hohlräume, also die finalen Gaskanäle, zwischen Heizdraht und Monolithenkörper.
Für ein spezielles Herstellungsverfahren, bei dem der Draht mit einem Material eines gegenüber dem zum Vergießen gewählten Materials geringerem Schmelzpunktes gewählt wird, kann für das Ausfüllen des unteren Bereichs der Gussform bis zum Bedecken der Biegungen, dasselbe Material oder ein ähnliches Material oder ein Material, welches in Bezug auf den Schritt des Entfernens, wenigstens ähnliche Eigenschaften aufweist, verwendet werden. Wird bspw. ein Harz oder ein Wachs verwendet, kann der Bereich um die Biegungen zusammen mit der Beschichtung des Drahtes geschmolzen oder aber auch weggebrannt werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann das Beschichtungsmaterial bezüglich seiner Dicke auf dem elektrischen Heizelement wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt ausgebildet werden. Hierbei können sich unterschiedliche Dicken auf dem elektrischen Heizelement ausbilden, was zu einer nicht homogenen Struktur der Kanal- und Tragstruktur in der monolithischen Struktur führt. Insbesondere ist hierdurch eine Große Variabilität in der Gestaltung der so bildbaren Kanal- und Tragstruktur möglich. Es können im Innenbereich der Kanalstrukturen größere Räume gestaltet werden, die dann durchaus einen positiven Einfluss auf die Erwärmung des strömenden Gases haben können. Es können aber auch komplexe innere Kanalstrukturen gebildet werden, um bspw. Strömungen zu beruhigen oder aber auch bewusst turbulent auszugestalten. Durch die dickenmäßig variable Beschichtung des Heizdrahtes ist es möglich den Strömungskanalquerschnitt gezielt einzustellen. Wird ein Materialsystem aus wenigstens einem nicht viskosen und wenigstens einem viskosen Material eingesetzt, kann das nicht viskose Material über seine Dicke dazu dienen, den Durchmesser der auszuformenden Kanal- und Tragstruktur zu definieren, während das viskose Material als Trennmittel zwischen dem mit dem nicht viskosen Material beschichteten Heizdraht und dem temperaturbeständigen Material dient und so die Verarbeitung erleichtert.
Das Gaserhitzer-Heizelement, hergestellt nach einem der erfindungsgemäßen Gaserhitzer-Heizelement-Herstellungsverfahren, weist anordnungsgemäß einen Monolithen / monolithischen Körper mit einer Trag- und Kanalstruktur auf, wobei die Trag- und Kanalstruktur in einem Monolithenherstellungsprozess ausgebildet und nicht-nachträglich eingebracht ist, und wenigstens ein durchgängiges elektrisches Heizelement geführt durch die Trag- und Kanalstruktur in dem Monolithen.
Die Trag- und Kanalstruktur des Monolithen / monolithischen Körpers bezüglich des Innendurchmessers der Trag- und Kanalstruktur kann wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt sein.
Weiter kann die Trag- und Kanalstruktur Monolithen / monolithischen Körper bezüglich des Abstands der Kanäle des Kanalabschnitt der Trag- und Kanalstruktur wenigstens abschnittsweise ungleichmäßig ausgeformt sein.
Das Gaserhitzer-Heizelement kann zudem einen bzw. mehrere Monolithen / monolithischen Körper mit einer bzw. jeweiliger Trag- und Kanalstruktur und entsprechendem elektrisches Heizelement aufweisen. Hierbei können die Monolithen nebeneinander als auch hintereinander angeordnet werden.
Da auch der Monolith in der Formgebung variabel ausgestaltbar ist, ist eine Integration des Gaserhitzer-Heizelementes in verschiedene Gehäuse möglich. Zudem ist eine vertikale Integration des Gaserhitzer-Heizelementes einfach durchführbar. Der Monolith kann weiterhin Reflektorelemente zur Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen, die in Randbereichen und/oder im Außenbereich der monolithischen Struktur eingebettet oder angebracht sind.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Abbildungsbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern soll und nicht beschränkend zu werten ist:
Es zeigen:
In den nachfolgenden Abbildungsbeschreibungen sind funktionsgleiche Bauteile mit einheitlichen Bezugszeichen versehen.
In
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Der Aufbau des Gaserhitzer-Heizelementes 1 ist selbsttragend. Der Heizdraht ist in einem Bauteil mit der Trag- und Kanalstruktur 11 kombiniert. Kennzeichnend ist, dass der die Trag-und Kanalstruktur 11 enthaltende Monolith 12, wie in den obigen Abbildungen verdeutlicht wird, in einem Vorgang ausgebildet ist. Weitere Funktionskombinationen wie beispielsweise thermische Dämmung, elektrische Isolation, Gasführung oder Katalysatortragstruktur sind möglich.
Die
Die zuvor genannten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung erläutern, jedoch nicht in dessen Schutzumfang beschränken.
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