194469. lajstromszámú szabadalom • Grafit fűtőelem
1 194.469 2 A találmány tárgya grafit fűtőelem. Jelentős tudományos és technológiai érdek fűződik ahhoz, hogy a termoanalitikai vizsgálatokat az 1500 °C fölötti hőmérséklet-tartományra is ki lehessen terjeszteni. Ennek a lehetőségnek az szab határt, hogy kevés anyag alkalmas olyan kemence fűtőelem előállítására, amely 1500 °C fölé hevíthető. A grafit azonban ezen kevesek közé tartozik. Újabban azonban számos kedvezőtlen tulajdonsága ellenére gyakran alkalmazzák fűtőelemként A grafit fűtőelemet rendszerint hengerpalást alakúra készítik. Ennek az alakzatnak több előnye is van. A tengely szimmetrikus hengerpalást alak a kemencének nagy hőszimmetriát biztosit, ami a termoanalitikai készülékek szempontjából alapvető fontosságú. További előny, hogy a körkeresztmetszet növeli a szilárdságot. Technológiai szempontból nem elhanyagolható az sem, hogy a fűtőelemet adott esetben forgácsolással pontos méretre lehet készíteni. A grafit szilárdsága a fémekhez vagy kerámia úton előállított anyagokhoz (például szilit) viszonyítva lényegesen kisebb. Ezért a grafit fűtőelemeket viszonylag nagy falvastagságúra kell készíteni. Ugyanakkor á grafitnak közismerten jó az elektromos vezetőképessége, A két körülmény együtt azt eredményezi, hogy csak kicsi feszültségű és nagy intenzitású elektromos árammal lehet azt fűteni. Ezért a fűtőelemhez az áram hozzávezetése csak nagy keresztmetszetű kábelekkel és különleges kiképzésű, nagy érintkezési felületet biztosító csatlakozókkal oldható meg. A grafitnak a villamos vezetőképességén túlmenően a hővezetőképessége is viszonylag jó. Ezért az 1500 °C fölé hevített fűtőelemek azon pontja, ahol a fűtőelemhez a kábel csatlakozik még magas hőmérsékletű. A grafit és a kábel közötti csatlakozók kiképzése és anyaguk megválasztása tehát még az előbbinél is nehezebben megoldható feladat. A találmány célja olyan grafit fűtőelem kialakítása, amely az ismert grafit fűtőelemeknek ezt a kétféle hátrányos tulajdonságát küszöböli ki. A találmány felismerése az volt, hogy a fűtőelem ellenállása növelhető és a villamos csatlakozónál a veszteségek csökkenthetők, ha a grafit fűtőelemet két részre, és a fűtőrész hatáskeresztmetszetét az ellenállásának növelése érdekében csökkentjük, a csatlakozó rész hatáskeresztmetszetét pedig az ellenállás csökkentése érdekében megnöveljük. Ehhez a találmány értelmében a hengerpalást alakú grafit fűtőelemet úgy képeztük ki, hogy a fűtőelem egy nagyobb falvastagságú elektromos csatlakozó alsó részre és egy ennél kisebb falvastagságú fűtő felső részre van tengelyirányban osztva, a felső rész a hengerpalást szimmetriatengelyével párhuzamos, egymással összefüggő szeletekre van osztva, az alsó rész pedig a hengerpalást szimmetriatengelyére merőlegesen van egymással párhuzamos, összefüggd szeletekre osztva, és a villamos csatlakozók az alsó részen vannak kiképezve. A találmány szerinti fűtőelemek az egyszerűbb gyártása érdekében előnyös azon kiviteli alakja, ahol az egymással összefüggő szeletek forgácsolással vannak kimunkálva. Egy másik előnyös kiviteli alak kialakítható úgy is, hogy az egymással összefüggő szeletek préseléssel vannak kiképezve, vagy adott esetben a fűtőelem részben forgácsolással, részben préseléssel van kiképezve. A találmány szerinti fűtőelemet a továbbiakban példaként! kiviteli alakja segítségével, a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben, ahol az 1. ábrán az ismert kialakítású grafit fűtőelem látható, a 2. ábrán látható a találmány szerinti fűtőelem oldalnézetben, a 3. ábrán láfiiató a 2. ábra felülnézete, és a 4. ábrán pedig a fűtőelemet képező palást kiterítve látható. Ahogyan erre a bevezetőben is utaltunk, az ismert grafit 1 fűtőelemek hengeralakúra vannak kiképezve úgy, hogy a hengerpalást alsó és felső végén 2 és 3 kivezetések vannak kiképezve, amelyeknek segítségével a fűtőáram az 1 fűtőelemre csatlakoztatható. A 2. ábrán és a 3. ábrán látható a találmány szerint kialakított grafit 1 fűtőelem, aholis jól látszik, hogy a hengerpalást villamos csatlakozáshoz kiképzett 4 alsó része vastagabbra van kiképezve, mint a tényleges fűtést szolgáló 9 felső rész, amely viszont keskenyre van kiképezve. A 4. ábrán látható az 1 fűtőelem kiterített rajza, ahol látható, hogy a villamos 7 és 8 csatlakozások a 4 alsó részt képező, a hengerpalást szimmetriatengelyére merőleges, azaz vízszintes 6 szeleteken keresztül vannak a tényleges fűtést ellátó 9 felső résznek a hengerpalást szimmetriatengelyével párhuzamos 5 szeleteihez csatlakoztatva. A hengerpalást alakú grafit 1 fűtőelemek fűtő 9 felső részének az ellenállása ílymódon két-három nagyságrenddel megnövelhető, ha azt a 4. ábrán bemutatott alakúra Vagy ahhoz hasonlóra szabdaljuk. A példa szerinti esetben az 1 fűtőelem ellenállása kb. 200-szorosára nőtt, a függőleges 5 szeletek hossza a hengerpalástéhoz viszonyítva ui. több, mint a 10-szeresére nőtt, hatáskeresztmetszete pedig a tizedénél is kisebb lett. A 4 alsó részen a villamos csatlakozáshoz kiképezett vízszintes 6 szeletek hőmérsékletét egyrészről az ellenállásukkal arányos Joule-hő, másrészről a nagy hőmérsékletű függőleges 5 szeletektől elvezetett' hő mennyisége együtt fogja megszabni. Ha a vízszintes 6 szeletek hosszát és hatáskeresztmetszetét helyesen választjuk meg, akkor elkerülhető, hogy a fémes kábel-csatlakozók olyan magas hőmérsékletre kerüljenek, hogy azok már károsodjanak. A példa szerinti esetben a vízszintes 6 szeletek hatáskeresztmetszete mintegy 5-10-szer nagyobb, mint a függőleges 5 szeleteké, ezért a vízszintes 6 szeletekben viszonylag kevés hő fog fejlődni. Az elvesztett hő mennyisége a vízszintes 6 szeletek és függőleges 5 szeletek érintkezési felületével lesz arányos. Ezen érintkezési felület és a villamos 7 és 8 csatlakozások között kialakuló hőmérséklet-különbség, ami az elvezetett hő szétszóródása miatt áll elő, annál nagyobb lesz, minél nagyobb közöttük a távolság. Könnyű belátni, hogy mind az érintkezési felület nagysága, mind az út hossza, a találmány szerinti megoldásnál messze kedvezőbb, mint az eredeti, egyszerű hengerpalást alakú 1 fűtőelem esetében. Az 1 fűtőelem hengerpalástját nem célszerű a találmány szerinti, ábrán bemutatottól eltérő módon, például spirális alakban felhasítani annak ellenére, hogy így könnyebb lenne kivitelezni. A spirálisan futó grafit vezető belsejében ugyanis elektromágneses tér alakul ki, ami megakadályozná, hogy például az ilyen 1 fűtőelemmel felszerelt termomérleggel vas, nikkel, kobalt stb. vegyületeket vizsgáljanak! Ezek 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
