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Heizelement für elektrische Widerstandserhitzung
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plastische Verformung der Elementschenkel und scheint somit auf Heizleiter aus plastisch verformbarem
Material beschränkt. Für spröde Heizleitermaterialien wie z. B. Kohlestäbe wurden Anordnungen vorge- schlagen, die im Kopfteil des Elementes mit einer Lasche eines leitenden Materials verbunden sind, welches in seiner Querausdehnung der der Kontaktenden entsprechen muss.
Die Anwendung des Prinzips eines gemeinsamen mechanisch fest verbundenen Kontaktendes auf die sehr spröden Hochtemperaturheizleiter aus Hartstoffen auf Siliziumbasis wird nun erfindungsgemäss durch eine besondere Ausgestaltung dieser Heizleiterform ermöglicht. So werden die ausserhalb der Heizzone liegenden gleichlaufenden Stromzuführungsschenkel des Elementes mechanisch fest und gegenseitig iso- liert in einem durch die Isoliervorrichtung bedingten kleinstmöglichen Abstand miteinander verbunden, der wesentlich kleiner als der Schenkelabstand im strahlenden Heizleiterteil ist und nur einen Bruchteil der Länge des Elementes beträgt.
Dieser Minimalabstand der starr verbundenen Stromzuführungsschenkel bei einer ausreichenden Län- ge des Elementes ermöglicht wohl die Anwendung der einseitigen Stromzuführung auf sehr spröde, aus einem Stück bestehende Elemente, bringt jedoch eine weitere grosse Gefahr für derartige Elemente mit sich, nämlich die der Überhitzung des Elementes durch gegenseitige Anstrahlung der nahe beieinander liegenden Schenkel.
Es ist z. B. bekannt, dass man für die aus Siliziumkarbid bestehenden Hochtemperaturheizleiter einen Mindestabstand des Elementes von einem andern Element oder von einer Ofenwandung einhalten muss, der dem Produkt aus Stabdurchmesser X7r (3, 142) entspricht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei derartigen grossen Schenkelabständen die thermische Querausdehnung des Elementes durch den sprö- den Werkstoff nicht kompensiert wird.
Eine Anordnung, wie sie etwa dem bereits bekannten Vorbild von geschlitzten Graphitstäben entsprechen würde, kann also auf Heizelemente aus Hartstoff auf Siliziumbasis nicht übertragen werden.
Bei Graphit als Heizleitermaterial mag die Gefahr der Überhitzung von geringerer Bedeutung sein. Graphit ist ja tatsächlich einer unserer höchstschmelzenden Feststoffe überhaupt. Die Arbeitstemperaturen für Graphitheizstäbe liegen etwa bei 50-60% der absoluten Schmelztemperatur des Heizleiterelementes.
GegenseitigeAnstrahlungen und dadurch Überhitzung der gegenüberliegenden Schenkelseiten mag somit bei einem Graphitelement nicht von ausschlaggebender Bedeutung sein.
Bei den dieser Erfindung zugrunde liegenden Materialien jedoch bewegt man sich bei den höchstzulässigen und meist anzustrebenden Arbeitstemperaturen, z. B. beim Molybdändisilizid bei 17000C bereits bei 901a der absoluten Schmelz- bzw. Zersetzungstemperatur. Eine nur geringfügige Überhitzung der einander zugekehrten Schenkelflächen führt erfahrungsgemäss sofort zum Ausfall des Elementes. In oxydierender Atmosphäre muss diese obere Grenztemperatur ganz besonders exakt eingehalten werden, weil die Grundlage der Verwendbarkeit derartiger Siliziumheizleiter die schützende SiO-Schicht ist.
Diese schmilzt bekanntlich oberhalb 17000C und schützt daher bei Überhitzungen nicht mehr den dar- unterliegenden Werkstoff.
DieAnwendung der Erfindung auf Heizelemente auf Siliziumbasis ist also noch an eine zweite Voraussetzung geknüpft. Erfindungsgemäss ist das zweite heisse Ende des Heizelementes, welches freistrahlend, eventuell durch hochwarmfeste, elektrisch nicht leitende Materialien gestützt, in den Ofenraum hineinragt, zur Vermeidung von Überhitzungen durch gegenseitige Anstrahlung derartig schleifenförmig ausgebildet, dass der Schenkelabstand im Heizteil grösser ist als der Schenkelabstand im kalten Anschlussteil.
Diese erfindungsgemässe Ausgestaltung von Heizelementen aus Hartstoffen auf Siliziumbasis ermöglicht nicht nur ein Abfedern der Spannungen, welche infolge der thermischen Querausdehnung des Elementes gebildet werden, durch die Heizleiterschenkel, sondern gewährleistet auch die allseitig günstige Abstrahlung der im Heizteil erzeugten Wärme auf das Heizgut. Ausserdem ermöglicht eine derartige Anordnung des Elementes ein leichtes Einführen des Heizelementes durch die vorzugsweise nur im Ofenboden oder nur in der Ofendecke oder nur in einer Ofenseite angebrachten Einführungsöffnungen.
Bei diesen erfindungsgemässen Heizelementen kann durch die gekoppelten Stromanschlussenden der elektrische Anschluss ebenfalls starr erfolgen. Der Heizleiter selbst kann daher viel schwächer als bei den üblichen Ausführungsformen dimensioniert werden, weil er mechanisch nur durch das Eigengewicht ohne Kontakte belastet wird.
Diese Tatsache ist, wie bereits aufgezeigt worden ist, bei den neuen Höchsttemperaturheizleitern von grösster Bedeutung. Bei grösseren Ausführungsformen der Heizelemente hat es sich bewährt, hochfeuerfeste Stützen aus nichtleitendem Material anzubringen. Als Materialien für die erfindungsgemässen
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elektrisch leitend bekannte Materialien eventuell mit Zusätzen von hochschmelzenden Oxyden, Kar- biden, Boriden und/oder Nitriden in Frage.
Als Beispiele der Grundformen der erfindungsgemässen Heizleiter werden in Fig. 1 eine n-Form, in Fig. 2 eine M- (Meander) Form und in Fig. 3 eine Birnenform wiedergegeben. Mit 1 ist jeweils der Heizteil, mit 2 sind die kalten Stromzuführungsteile und mit 3 ist die isolierende Verbindung der
Elementschenkel bezeichnet. Sämtliche Formen können mit runden, quadratischen od. ähnl. Querschnitten ausgeführt werden. Eine Profilierung der Oberfläche erleichtert in an sich bekannter Weise die Ab- strahlung. Auch wirkt eine profilierte Oberfläche versteifend und somit festigkeitserhöhend im Hoch- temperaturheizteil.
Bei der Verwendung von molybdänhaitigen Hartstoffen hat sich eine besondere Ausbildungsform der kalten Enden bewährt. Es ist bekannt, dass molybdänhaltige Hartstoffe in dem Temperaturbereich von 300 bis 7000C einem sehr raschen oxydativen Zerfall unterliegen. Dieser Zerfallserscheinung kann nun durch besondere Ausgestaltung der kalten Stromzuführungsteile entgegengewirkt werden.
Es ist bekannt, Heizleiterenden verdickt auszubilden, wodurch die Bildung von Stromwärme in diesen Enden weitgehend vermieden wird. Erfindungsgemäss wird nun bei molybdänhaitigen Heizelementen diese Verdickung derartig stufenförmig, also plötzlich ausgebildet, dass die kritische Temperaturzone (300-7000C), bei welcher molybdänhaltige Hartstoffe nicht sehr gut beständig sind, bei Arbeitstemperatur des Elementes in den quer zur Elementachse liegenden Verdickungsteil fällt, wie dies in Fig. 4 erläutert ist. Hiedurch wirkt sich eine durch oxydativen Zerfall bedingte Abtragung des Hartstoffes an diesem Querteil nicht auf den Widerstand des Heizelementes in Stromflussrichtung aus. Ausserdem konnte gefunden werden, dass dieser Angriff zwischen 300 und 7000C verzögert werden kann, wenn man eine Luftströmung in diesem Teil verhindert.
Dies ist auf einfache Weise durch Dichtung dieses Teiles gegen Luftströmung realisierbar.
Endlich soll offenbart werden, wie diese neuen Elementformen aus den spröden Hartstoffen auf Siliziumbasis hergestellt werden können. Es ist dies durch Anwendung von flüssigen Siliziumverbindungen oder Lösungen derartiger Siliziumverbindungen als für die Siliziumwerkstoffe spezifisch wirkende Bindemittel, die während der Trocknung hydrolysieren, wie dies bereits vorgeschlagen worden ist, ermöglicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Heizelement für die elektrische Widerstandserhitzung aus spröden Hartstoffen auf Siliziumbasis, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Wärmeabgabe durch Strahlung bestimmte, das eine Ende des Heizelementes bildende Heizleiterteil (1) zur Vermeidung von Überhitzungen durch gegenseitige Anstrahlung in an sich bekannter Weise schleifenförmig ausgebildet ist und dass die ausserhalb der Heizzone des Ofens liegenden, das andere Ende des Elementes bildenden, gleichlaufenden Stromzuführungsschenkel (2) des Elementes mechanisch fest und voneinander isoliert in einem durch die Isoliervorrichtung (3) bedingten kleinstmöglichen Abstand miteinander verbunden sind, der wesentlich kleiner als der Schenkelabstand im strahlenden Heizleiterteil (1)
ist und nur einen Bruchteil der Länge des Elementes beträgt.