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IIeizelement fiir Hcehtemperaturofell.
Bei Heizelementen für Hochtemperaturöfen von 1300 bis 17000 C und darÜber muss der eigentliehe Heizleiter aus einem hochschmelzenden Metall oder einer Metallverbindung oder aus hoehgesintertem Kohlenstoff (Graphit) bestehen. Um das Heizelement vor der Verbrennung zu schützen, hat man in den Ofen selbst eine Sehutzatmosphäre eingeführt oder ihn evakuiert.
Da diese Massnahmen jedoch die Verwendung derartiger Öfen einschränken und ihre Handhabung unbequem machen, ist man neuerdings dazu übergegangen, jedes Heizelement selbst mit einer gasundurchlässigen Schutzschicht zu umgeben, die beispielsweise aus einem Rohr aus Porzellan, Sillimanit oder ändern silikathaltigen keramischen Materialien, beispielsweise auf Speeksteinbasis. oder auch aus hoehgesinterten Oxyden des Aluminiums oder Magnesiums besteht. Die Enden des Sehutzrohres, das den Heizleiter enthält, werden vakuum-und gassicher abgedichtet und meist mit Wasser gekühlt.
Die Montage dieser Heizleiter innerhalb der Öfen erfolgt in der Weise, dass die Enden des Heiz- leiters die Ofenwand durchdringen, so dass beispielsweise bei geradlinigen Heizleitern die elektrischen und Kühlwasseranschlüsse auf der Vorder-und Rückseite des Ofens herausragen.
Bei den bisher bekanntgewordenen Ausführungen derartiger Heizleiter mit keramischem Schutzmantel haben sich nun eine Reihe von Schwierigkeiten bezüglich der Ausführung der EndversehlÜ8sP und bezüglich der Kühlung ergeben, die teils konstruktiver und werkstofftechniseher Art waren, teils wesentlich die Wirtschaftlichkeit des Heizleiters im Betriebe beeinträchtigten.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten durch die Einführung einer Wärme-
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in keramischen Schutzrohren an.
Das Wesen der Erfindung soll an Hand dreier Ausführungsbeispiele in Fig. 1-3 näher erläutert werden.
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durch Strahlung oder Wärmeleitung die Wärme nach aussen weiter gibt, ohne schädliche Gase, insbesondere den Sauerstoff, von aussen zu dem Kernmetall, durchzulassen, so dass also dieser vor Oxydation geschützt ist. 3 bezeichnet die Abschlusskappe des Heizstabes, die an seinen Enden durch Glasoder Metallfluss auf das eventuell oberflächlich metallisierte Ende des Keramikrohres aufgeschmolzen oder aufgelötet ist. Die Verschlusskappe muss durch einen aufgesetzten Wasserkühlmantel intensiv gekühlt werden, damit sieh nicht der Endverschluss unter der Wirkung der hohen Temperatur ablöst und dadurch der elektrische Anschluss bzw. der gasdichte Abschluss verlorengeht.
Die Anordnung eines solchen Heizwiderstandes im Ofen erfolgt in der Regel so, dass die Kappe 3 mit dem Wasserkühlmantel 4 ausserhalb der Ofenwand liegt.
Die beschriebene Anordnung hat nun sehr viele Nachteile : Der Abschluss ist keineswegs sicher und erfordert eine intensive Wasserkühlung ; bei dem geringsten Naehlassen der Wasserzufuhr treten leicht Zerstörungen des Endverschlusses ein. Der grosse Wasserkühlmantel an den Enden erschwert das Auswechseln des Heizwiderstandes und macht ein Auswechseln während des Betriebes gänzlich unmöglich. Der Hauptnachteil des beschriebenen Widerstandes aber ist seine verhältnismässig schlechte Wirtschaftlichkeit. Ein grosser Teil der Heizenergien geht unnütz durch die Wasserkühlung verloren, die Wirkung der gekühlten Endversehlüsse erstreckt sich in axialer Richtung des Heizleiters weit in
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den Ofen hinein.
Das Bestreben des Ofenbauers muss aber dahin gehen. diejenige Strecke misslichst kurz zu halten, auf der die KÜhlwassertemperatur auf die volle Heizstabtemperatur ansteigt.
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kappe und dem eigentlichen Heizleiter innerhalb des keramischen Schutzrohres gelöst.
Fig. 2 gibt einen Schnitt durch einen Heizleiter mit der erfindungsgemässe'n Wärmedrossel.
1 bezeichnet wieder den eigentlichen Heizwiderstand, beispielsweise aus Molybdän, das keramische Schutzrohr. An den Heizleiter ist an den beiden Enden je ein Zapfen 5 von einem bestimmten Durchmesser il, der kleiner als der Durehmessser des Heizleiters ist, z. B. durch Abdrehen hergestellt. Dieser Zapfen ist seinerseits am anderen Ende mit Hilfe des Zwisehenstückes 6 mit der metallenen Endverschlusskappe 7 verbunden. Die Kappe 7 kann gegebenenfalls zum Ausgleich von Wärmeausdehnungs- differenzen durch Eindrücken von konzentrischen Dällen oder Nuten federnd ausgestaltet sein und mit Hilfe eines Aufsatzes durch Wasser gekühlt werden. Die Zuführung des elektrischen Stromes erfolgt z. B. durch einen aufgeklemmten Kontaktring 8.
Die Länge der Wärmedrossel 5 (in der Figur mit I bezeichnet) wird vorteilhaft etwa so gross gemacht, wie die Stärke des Ofenmantels beträgt, so dass man das Heizelement so im Ofen anheizen kann, dass die Wärmedrossel gerade innerhalb der Dureh-
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einmal die Temperatur an der Stirnfläche der Abschlusskappe von dem Werte ? \ ohne Wärmedrossel auf den Wert 1'2 mit Wärmedrossel herabgesetzt wird. was gleichzeitig mit einer Erhöhung des ortlichen Temperaturanstieges verbunden ist. Während die Temperatur an der Stelle A bei der alten Anordnung von dem Werte Tmax noch stark abweicht, ist bei der neuen Anordnung dieser Temperaturwert fast erreicht.
Da an der Abschlusskappe des Heizwiderstandes gemäss dem Diagramm in Fig. 3 bei Vorhandensein der Drossel eine viel niedrigere Temperatur 1'2 herrscht als ohne Drossel, kann man jetzt schon mit einer verhältnismässig geringen sekundlichen Wasserdurchflussmenge auskommen, wobei die Temperaturen zwischen Wasserzufluss-und-abfluss nur zirka erreichen. Es genügt jetzt beispielsweise eine einfache Frontalkühlung der Abschlusskappe nach Fig. 2.
Eine Aufheizung der Kappe durch Strahlung seitens des Heizleiters 1 oder der heissen Teile der Drossel 5 kann man leicht durch einen Strahlungsschirm, wie er beispielsweise bei 9 angedeutet ist, verhindern.
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gehalten werden kann und die Wasserkühlmäntel so klein gehalten werden können. dass sie in ihrem Durchmesser den Durchmesser des eigentlichen Heizstabes nicht zu überschreiten brauchen, ist bei Heizelementen gemäss der Erfindung das Auswechseln von beschädigten oder durchgebrannten Heizelementen schnell und einfach selbst während des Betriebes des Ofens durchführbar.
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gleicher Länge 1 der Drossel wie vorher und gleicher Wirkung der Drossel den Durchmesser d der Drossel zu vergrössern, was bei gewissen Konstruktionen des Heizleiters Vorteile bieten kann. In Fig. 4 ist mit 1 wieder der Heizleiter, mit.' das keramische Schutzrohr bezeichnet. Die Wärmedrossel 10 ist
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bei 11 mit diesem fest verbunden. Diese Verbundstelle muss besonders sorgfältig ausgeführt werden, da sie sich während des Betriebes dauernd auf hoher Temperatur befindet und Ubergangswiderstände
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der Drossel 10 im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre herzustellen.
Um eine mechanische Verklammerung der beiden zu verbindenden Metalle zu erreichen, wird dafür gesorgt, dass die Grenzlinie zwischen den beiden Metallen nicht senkrecht zur Achse der Drossel verläuft, sondern, wie in Fig. 2 bei 6 angedeutet, konisch verläuft oder, wie in Fig. 4 bei 11 gezeichnet, in Form einer axialsymmetrischen Schwalbenschwanzverbindung angefertigt ist. Das andere Ende der Drossel wird mit dem Metall der federnden Anschlusskappe 1. 3 bei 12 versehweisst oder verlötet.
Um eine Strahlungserhitzung der Dichtungsstelle 14 zwischen Kappe und Keramik nach Mög- lichkeit zu verhindern, ist bei der in der Fig. 4 dargestellten Konstruktion die Wärmedrossel 10 mit
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einer dünnen Oberflächensehieht schlechten Wärmeabstrahlungsvermögens versehen, beispielsweise versilbert oder vergoldet.
Statt der Kühlung durch fliessendes Wasser oder Thermosyphonkühlung kann, da infolge der Wärmedrossel die Temperatur an den Enden der Drossel 12 schon verhältnismässig niedrig gehalten werden kann, auch eine reine Luftkonvektionskiihlung vorgesehen werden. Zu diesem Zweck wird an der Kappe 13 nach aussen ein bekannter Wärmeradiator befestigt, der z. B. die Form von auf einen Mittelstab aufgereihten Bleehseheiben aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, besitzt. Eine andere Ausführungsform dieser Radiatorkühlung zeigt Fig. 5, bei der eine Reihe von Blechstreifen 17 auf die Aussenkappe derartig aufgelötet oder aufgeschweisst sind, dass die aufsteigende warme Luft zwischen den so gebildeten Zwischenräumen von unten nach oben hindurchstreichen kann.
In manchen Fällen ist es vorteilhaft, den Temperaturverlauf längs der Drossel so zu gestalten, dass an der Stelle, an der die Drossel in den eigentlichen Heizleiter übergeht, mit Bestimmtheit bereits die volle Temperatur herrscht, die der Heizleiter in seiner Mitte besitzt. In diesem Falle werden gemäss der weiteren Erfindung diejenigen Teile der Drossel, die dem Heizelement am nächsten liegen, höher erhitzt, als die Maximaltemperatur des Heizleiters selbst beträgt. Da die Drossel stromdurchflossen ist, lässt sich das durch entsprechende Schwächung des Durchmessers der Drossel in diesem Fall der dem Heizleiter benachbarten Teile ohne weiteres erreichen. Man kann beispielsweise, wie in Fig. 6 gezeigt, die Drossel konisch gestalten.
Um die Lebensdauer des Stabes bei dieser Massnahme nicht zu verringern, kann man den Teil der Drossel, der auf höhere Temperatur kommt als der Heizleiter selbst, aus einem Metall herstellen, das eine niedrigere Dampfdruckkurve in Abhängigkeit von der Temperatur und einen höheren Schmelzpunkt als das Heizleitermetall selbst besitzt. Besteht beispielsweise der Heizleiter aus Molybdän, so kann man den höher geheizten Teil der Drossel, z. B. wie Fig. 7 zeigt, aus Wolfram fertigen. Der Abbau des höher geheizten Teiles wird dann wegen der geringeren Verdampfungsgesehwindigkeit des Wolframs nicht schneller vor sieh gehen, sondern sogar langsamer als der des Heizleiters aus Molybdän, so dass trotz der höheren Temperatur eines Teiles der Drossel keine Verkürzung der Lebensdauer des gesamten Heizelementes eintritt.
'Durch die erfindungsgemässe Einführung der Wärmedrossel bei Heizleitern gelingt es also, die Wirtschaftlichkeit dieser Stäbe wesentlich zu verbessern und ein betriebssicheres Arbeiten, besonders hinsichtlich der Vakuumdiehtigkeit des Endverschlusses, zu erzielen sowie eine einfache und leichte Auswechselbarkeit der Heizelemente im Ofen zu ermöglichen. PATENT-ANSPRÜCHE :
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Schutzrohr, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abschlusskappen und dem eigentlichen Heizleiter innerhalb des keramischen Schutzrohres je eine Wärmedrossel aus dem gleichen oder einem andern Material als der Heizleiter eingebaut ist.