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Endverschluss für Heizstäbe.
Für die Herstellung von elektrischen Heizstäben zur Erzeugung hoher Temperaturen eignen sich am besten hoehsehmelzende Metalle, wie z. B. Molybdän, Wolfram oder Tantal. Da jedoch diese Metalle bei Anwesenheit von Luft schon bei Temperaturen zwischen 500 und 700"C lebhaft zu oxydieren beginnen, konnte man sie zunächst nur für Heizstäbe anwenden, die in einer Atmosphäre reduzierender oder inerter Gase oder im Vakuum erhitzt werden.
Um die vorteilhafte Eigenschaft des hohen Schmelzpunktes der genannten Metalle auch für andere Heizzwecke-beispielsweise für Hochtemperaturöfen-ausniitzen zu können, ist schon vorgeschlagen worden, den eigentlichen Heizdraht aus hoehsdlIl1l'lzendem Metall mit einem kera- mischen Mantel zu umgeben, der den Zutritt von Gasen, insbesondere von atmosphärischem Sauerstoff, zu dem oxydationsempfindlichen Metallkern zuverlässig und vollkommen verhindert. Der keramische Mantel wurde dabei aus hochschmelzenden Metalloxyden nach dem Sinterverfahren hergestellt, u. zw. derart, dass eine entsprechend zusammengesetzte Hülle in kolloidaler Form aufgebracht und dann aufgefrittet bzw. aufgesintert wurde, oder man hat einen fertigen Mantel in Form eines Rohres aufgeschrumpft und dann aufgefrittet bzw. aufgesintert.
Auf diese Weise ist es ermöglicht worden, die leicht zur Oxydation neigenden hochschmelzenden Metalle für Heizdrähte anzuwenden, die nicht an eine reduzierende oder inerte Umgebung oder an ein Vakuum gebunden waren. Hiebei ergibt sich die besondere Aufgabe, Endverschlüsse für die Heizdrähte derart auszubilden, dass ein Hindurchdiffundieren der Luft zum Heizdraht verhütet wird.
Zunächst wurde versucht, solche Endversehliisse in der Weise auszuführen, dass der Heizdraht am Ende aus dem keramischen Mantel herausgeführt, auf dieses freie Ende eine Steckerhülse aufgeschoben und an der Stossstelle mit dem keramischen Mantel verbunden wurde. Diese Lösung hat sich als unzureichend erwiesen, da nach verhältnismässig kurzer Betriebszeit Luft zwischen der Hülse und dem Heizdraht hindurchdiffundierte und Oxydation herbeiführte.
Diese Nachteile der ursprünglich versuchten Lösung werden vermieden, indem Endversehlüsse für Heizstäbe der oben geschilderten Art in der Weise ausgeführt werden, dass der keramische Schutzmantel über den Heizdraht hinaus verlängert wird und in dieses freie Ende des Schutzmantels ein z. B. aus Kupfer, Nickel oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehender Metallstift eingebracht und mit dem Heizdraht leitend verbunden wird und schliesslich auf den aus dem Schutzmantel hinaus- ragenden Teil des Metallstiftes die Steckerhülse aufgezogen wird. Die Verbindung zwischen Metallstift und Heizdraht wird am besten durch Aufschmelzen oder Aufgiessen bewirkt.
In einem solchen Endverschluss bildet demnach der in den keramischen Mantel als Ansatz zum Heizdraht hineinragende Metallstift den gasdichten Verschluss, der den Luftzutritt zu dem aus hochschmelzendem Metall bestehenden Heizdraht veihindert. Da der Ausdehnungskoeffizient des den Stift bildenden Metalls, z. B. Kupfer, höher ist als der Ausdehnungskoeffizient der Keramik, presst sich der Kupferstift während der Erhitzung sehr dicht an den metallkeramischen Mantel an. Die Verschlusswirkung kann wesentlich noch dadurch gesteigert werden, dass die Temperatur an der Verbindungsstelle zwischen Metallstift und Heizdraht so hoch gehalten wird, dass der in den keramischen
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Der Gasabschluss und der Stromübergang erfolgt also bei diesem Endverschluss an beiden Enden des Heizdrahtes mittels eines glühenden, teigig-plastischen Metallpfropfens. Als Material für den Metallstift kommt jedes gut leitende Metall in Betracht, wie Kupfer, Silber, Nickel usw., oder eine gut leitende Legierung, wie z. B. Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, die bei der Temperatur am Heizdrahtende genügend Plastizität besitzen, um vermöge ihrer Wärmeausdehnung die Pfropfenwirkung herbeizuführen und gasdichten Verschluss zu geben.
Der in die Keramik hineinragende Metallstift bildet also einen gasdichten Verschluss, der noch verfestigt werden kann, wenn die Temperatur an dem dem Heizdraht zugekehrten Ende des Metallstiftes so hoch gehalten wird, dass der in die Keramik hineinragende Teil des Stiftes in teigig-plastischen Zustand übergeht, so dass der Metallstift den keramischen Mantel pfropfenartig abschliesst.
Dabei hat es sich jedoch gelegentlich gezeigt, dass der Pfropfen, besonders wenn er örtlich zum Schmelzen kommt, infolge der plötzlich auftretenden Temperaturunterschiede, den keramischen Mantel sprengt und damit eine rasehe Zerstörung des Heizkörpers herbeiführt. Um derartige plötzlich auftretende Temperaturdifferenzen an den Enden des Heizstabes zu vermeiden und einen dauerhaften gasdichten Verschluss der Heizstabenden zu bewirken, wird gemäss der Erfindung die am äussersten Stabende herrschende Temperatur durch Wahl und Bemessung des in die Keramik eingeführten Metallstiftes gesteuert.
Je tiefer der Metallstift in die Keramik hineinragt, je reichlicher er im Durchmesser bemessen ist und je besser seine Leitfähigkeit ist, um so wirksamer wird die durch ihn bewirkte Wärmeabfuhr sein und um so niedriger werden die am Stabende auftretenden Temperaturen sein.
Zur Forderung dieser Wirkung kann es sich als zweckdienlich erweisen, den Metallstift der Länge nach aus verschiedenen Metallen zusammenzusetzen, u. zw. derart, dass, ausgehend vom Heizdraht, zwischen diesem und der Steckerhülse Teillängen mit steigender Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Dabei ist zu beachten, dass das jeweils der Heizstabmitte näher gelegene Ende nicht über den Flüssigkeitspunkt erhitzt und so bemessen wird, dass es sich beim Erhitzen nicht stärker ausdehnt als der Innendurchmesser der Keramik.
Um an den Übergangsstellen eine allmähliche Abnahme der Wärmeentwicklung und ebenso allmähliche Zunahme der mittleren Wärmeleitfähigkeit des Querschnittes zu erreichen, können die Übergänge von einem Material zum anderen im Durchmesser abgestuft werden.
Grundsätzlich kommt es gemäss der Erfindung darauf an, den Metallstift so zu bemessen, dass am Ende des Heizstabes nur noch eine so niedrige Temperatur auftritt, dass zur Abdichtung des aus dem keramischen Schutzmantel herausragenden Metallstiftendes bzw. der darauf aufgezogenen Steckerhülse einerseits und der Keramik anderseits Dichtungsmittel (Kitte) verwendet werden können, die bei den dort vorkommenden Temperaturen nicht über den für die Abdichtung erwünschten teigigplastischen Zustand hinaus erweichen.
Als solche Dichtungsmittel eignen sich im Sinne der Erfindung in erster Reihe anorganische Dichtungskitte. Je nach den vorkommenden Temperaturen können metallische Kitte, z. B. Lote, wie Zinn-, Blei-, Messing-, Silber-Lote, verwendet werden. Da diese Lote an keramischen Massen schlecht haften, ist es vorteilhaft, die Keramik vorher in bekannter Weise zu metallisieren. Als besonders geeignet haben sich auch andere anorganische Kitte, wie Silberchlorid, Bleioxyd mit Glyzerinzusatz, Asbest-Wasserglas, Quarzwasserglas, Weich-und Hartgläser, erwiesen. Bei besonders wirksamer Wärmeableitung, als etwa bei Temperaturen unter 200 C, können auch organisehe Kitte, z. B. Kunstharze, verwendet werden.
Allgemein gilt für die Verwendung der genannten Kitte als Voraussetzung, dass bei den örtlich auftretenden Temperaturen die Kitte in halbfesten plastischen Zustand gelangen, an der Keramik und am Metall gleich gut festhaften und auf die Dauer mit ihnen nicht reagieren.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in vier Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 1 bis 4 dargestellt.
Allen Beispielen ist gemeinsam, dass der Heizdraht 1, z. B. aus Molybdän, Tantal oder Wolfram, von einem keramischen Mantel 2 umgeben ist, wobei erfindungsgemäss der Mantel über das Ende des
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Einen aus Teilstüeken T,-T', 3'"von verschiedener, auf das Heizstabende zu ansteigender Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzten Metallstift zeigt Fig. 3. Zur wirksameren Regelung der Wärmeentwicklung bzw. Wärmeabfuhr kann der Metallstift, einerlei ob er ein-oder mehrteilig bzw. aus einem oder mehreren verschiedenen Metallen hergestellt ist, mit allmählich oder stufenweise mit
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