<Desc/Clms Page number 1>
Elektrischer Induktionsofen.
EMI1.1
gerufen wird.
Es sind schon verschiedene Ausführungen von elektrischen Induktionsöfen vorgeschlagen worden, bei welchen die Heizwirkung durch in dieser Weise hervorgerufene Ströme erzeugt wird. Unter diesen ist eine anzuführen, bei welcher ein entlüfteter Behälter mit einem rohrförmigen Mantel aus Kohle oder Graphit ausgestattet war, mit einer innerhalb dessen angeordneten Graphitspule, durch die Wechselstrom gesandt wurde. Im Graphitmantel war ausser Berührung mit der Spule ein Tiegel oder sonstiges zu erhitzendes Gefäss aufgestellt, auf welch letzteres die von der Spule ausgestrahlte Wärme wirkte.
Bei dieser Anordnung wird die beim Stromdurchgang durch die Spule entwickelte Wärme in allen Richtungen abgegeben und nicht notwendig auf den zu erhitzenden Gegenstand konzentriert ; ferner hält der rohrförmige Mantel zwar einen Teil der Wärme zurück und steigert dadurch die Temperatur beträchtlich, hat aber anderseits eine allseitige Ausstrahlung der Wärme in solchem Masse zur Folge, dass sehr hohe Temperaturen nicht erzielt werden können.
Bei einem andern Induktionsofen wird der Sekundärteil von einem ringförmigen Metalltiegel samt Inhalt gebildet, wobei der Tiegel in einem hitzebeständigen isolierenden ringförmigen Mantel innerhalb einer Primärwicklung mit Eisenkern, ähnlich einer Transformatorwicklung, ruht, der Wechselströme zugeführt werden. Das Ganze ist in einer entlüfteten Kammer enthalten. Bei dieser Anordnung ist es zwar möglich zum raschen Schmelzen verhältnismässig grosser Mengen von Eisen, Stahl u. dgl. erforderliche Wärmemengen zu erzielen, es ist aber ganz unmöglich zu sehr hohen Temperaturen zu gelangen, u. zw. wegen der grossen Verluste durch die von den verhältnismässig grossen Metallmassen des Kernes und der Bewicklungen aufgenommenen und ausgestrahlten Wärmemengen und wegen des verhältnismässig grossen Abstandes zwischen ihnen.
Bei einer weiteren bekannten Bauart von Induktionsöfen ist der zu erhitzende, den Sekundärteil einer Induktionsvorrichtung bildende Körper in einem entlüfteten Gefäss enthalten, auf dessen Aussenseite die mit Hochfrequenzströmen gespeiste Primärwicklung aufgebracht ist. Bei dieser Bauart werden durch Verwendung von Hochfrequenzströmen höhere Temperaturen erhalten, allein das Vorhandensein des umschliessenden Gefässes begrenzt die Koppelung und die erreichbare Temperatur und in manchen Fällen wird dieses Gefäss so heiss, dass eine künstliche Kühlung von aussen notwendig wird, wodurch die erzielbare Temperatur noch weiter verringert wird.
Ferner ist es bei allen bekannten Induktionsöfen unmöglich, eine wirksame Umwandlung elektrischer Energie in Wärme zu erzielen, weil nur eine verhältnismässig recht lose Koppelung zwischen dem Primär-und Sekundärteil erreicht werden kann u. zw. erstens wegen des grossen Zwischenraumes zwischen den beiden und zweitens wegen der Nähe von die Wärme aufnehmenden und ausstrahlenden Massen.
Daher waren die mit Hochfrequenzströmen erreichbaren Temperaturen bisher durch die erreichbare Koppelung beschränkt. Die Temperatur aber, auf welche der Primärteil durch die Wärmestrahlung vom Sekundärteil erhitzt wird, beschränkt wieder die anwendbare Koppelung und die im Primärteil anwendbare Spannung und Frequenz infolge des Stromiiberganups oder einer Entladung zwischen den benachbarten Primärwindungen sobald der Primärteil eine gewisse
<Desc/Clms Page number 2>
Temperatur erreicht. Tatsächlich war es nicht möglich mit den bisherigen Induktionsöfen Temperaturen zu erzeugen, welche 1500 C wesentlich übersteigen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf folgenden Erwägungen : Sehr hohe, das ist bedeutend über 1500 C und selbst 30000 C reichende Temperaturen können mit Hilfe der Induktion erhalten werden, wenn eine ausreichend enge Koppelung zwischen Primär-und Sekundärteil und Ströme von geeignet hoher Frequenz und Spannung verwendet werden, z. B. Primärströme von mehreren Tausend Volt und 100.000 Perioden pro Sekunde.
Bei sehr weitgehender Entlüftung erleidet der Sekundärteil Wärmeverluste. Hauptsächlich durch Strahlung und nur in einem sehr geringen Grad durch Leitung. Eine sehr enge Koppelung kann verwendet werden, wenn die Entlüftung sehr weit getrieben wird und wärmeleitende und ausstrahlende Massen vom Primärteil ferngehalten werden.
Eine ausreichende Kühlung kann ausserhalb des Primärteiles selbst bei weitgehender Entlüftung stattfinden, so dass dieser Primärteil genügend kühl bleibt um einen Elektronen-oder Stromübergang zwischen seinen Windungen zu verhindern und ein Zusammensacken des Primärteiles infolge Überhitzung hintanzuhalten.
Der Sekundärteil kann vom Primärteil so eng umschlossen sein, dass der letztere, namentlich wenn er eng gewickelt ist, gegenüber der vom Sekundärteil ausgestrahlten Wärme als abschliessender Schirm oder Muffel wirkt.
Die verhältnismässig niedrige Temperatur des Primärteiles steigert beträchtlich seine Stromführungsfähigkeit, so dass im Verein mit der ermöglichten engen Koppelung und der Konzentration der Heizwirkungen auf einen verhältnismässig kleinen isolierten Raum eine sehr wirksame Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme und damit eine sehr hohe Temperatur erzielt wird.
Die Gegenwart heisser Körper, wie Mäntel und umgebende Wände, wie sie früher verwendet wurden, macht es schwierig eine weitgehende Entlüftung aufrechtzuhalten und die Verunreinigung des erhitzten Stoffes durch Gase und flüchtige Stoffe zu verhüten, die aus solchen Körpern ausgetrieben werden.
Gemäss der Erfindung liegt der Sekundärteil dicht an einem mit Hochfrequenzströmen gespeisten Primärteil und diese beiden allein sind in einem hochgradig entlüfteten Raum, so dass eine sehr enge Koppelung zwischen beiden bestehen kann.
Der Primärteil kann aus einer einzigen Lage schraubenförmig und eng gewickelten Drahtes bestehen, und der zu erhitzende Stoff kann auf oder in einem leitenden Körper ruhen, der den Sekundärteil darstellt und innerhalb der Primärspule liegt. Das den Primär-und den Sekundärteil umschliessende Gefäss ist zweckmässig gross genug, dass seine Wände vom Primärteil so weit entfernt sind, dass sie ausserhalb der Zone starker Wärmeausstrahlung des Primärteiles liegen. Auf diese Weise bleibt das umschliessende Gefäss praktisch jederzeit kühl, so dass es niemals nötig ist, es künstlich zu kühlen. Es ist auch verhältnismässig einfach entlüftet zu halten, weil keinerlei Gase durch einen Stoff wie Glas im kalten Zustand diffundieren können. Ist der Behälter aus Glas, so kann man die Arbeit im Ofen von aussen beobachten.
Bei einem Ofen nach der Erfindung sind die Sekundärströme von solcher Stärke, dass gepulvertes Uran, Vanadium, Titan, Wolfram, Zirko lium und andere äusserst schwer schmelzbare Metalle und auch Legierungen derselben zu zusammenhängenden homogenen Massen, die im allgemeinen nicht porös sind, mit geringem Energieaufwand gesintert oder geschmolzen werden können. Die Metalle können auch unmittelbar aus ihren Verbindungen durch chemische Reaktionen hergestellt werden ; der Ofen kann auch dazu dienen, Gase aus den Metallen auszutreiben und Reaktionen bei hohen Temperaturen auszuführen. Kein früheres rein thermisches Verfahren hat zu einem kohärenten homogenen Regulus der genannten Metalle oder ihrer Legierungen geführt.
In der Zeichnung ist Fig. 1 ein schematischer Aufriss, zum Teil im Schnitt einer Ausführungsform des Ofens gemäss der Erfindung nebst einer Hochfrequenzstromquelle. Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht der eigentlichen Heizvorrichtung nach Fig. 1. Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht einer Abänderung. Fig. 4 ist ein Querschnitt nach der Linie 1111-IIII der Fig. 1 und Fig. 5 zeigt schematisch, zum Teil im Schnitt, eine Abänderung des Ofens.
Das Gefäss 1 von der Gestalt einer Glühlampenbirne oder eines Ballons besteht zweckmässig aus Glas oder einem andern durchsichtigen Material. Es besitzt ein Rohr 2 zum Anschluss an eine Luftpumpe für sehr weitgehende Entlüftung, und eine durch einen Pfropfen 4 dicht verschliessbare Öffnung.
Der Pfropfen kann durch Siegelwachs oder in anderer Weise abgedichtet werden, wenn der Ofen in Tätigkeit ist. Die Enden der in den Pfropfen 4 eingeschmolzenen Drähte 5, 6 sind mit der Primärwicklung 7 verbunden, die in der Mitte der Birne 1 angeordnet ist, und aus einem schraubenförmig und eng gewickelten Draht besteht. In den Pfropfen 4 ist ferner ein von den Drähten 5,6 und der Spule 7 gesonderter Draht oder sonstige Sttitze 8 eingesetzt, auf deren oberem Ende der Tiegel 9 ruht. Dieser liegt vollständig innerhalb und mit seiner Aussenwand dicht an der Spule 7 und enthält das zu erhitzende Material.
Das birnenförmige Gefäss 1 ist, wie vorerwähnt, von solchen Abmessungen und solcher Gestalt, dass seine Wand von der Spule 7 so weit absteht, dass die Wärmestrahlung der letzteren die Birnenwand bei Aufrechterhaltung der Entlüftung nicht in erheblichem Masse erreicht. Wie man sieht, sind innerhalb der Birne nur die Spule 7 und der Tiegel 9 nebst Inhalt und die Träger enthalten.
<Desc/Clms Page number 3>
Zur Lieferung der erforderlichen Hochfrequenzströme können irgendwelche geeignete Mittel verwendet werden. Die folgende Einrichtung ist vorteilhaft. Ein Unterbrecher mit zugeschmolzenem entlüftetem Gefäss. M und einer in seinen Boden eingeschmolzenen Metallelektrode 13, die mit dem Draht 5 durch einen Zuleitungsdraht 14 verbunden ist, umschliesst unten ein zweites Gefäss 15 ; der Ringraum 16 zwischen beiden Gefässen ist mit Quecksilber gefüllt. Eine Elektrode 17 im Boden des Gefässes 15 ist durch den Draht 18 mit dem Draht 6 verbunden und der Teil desselben, der nicht in das Quecksilber 20 im Gefäss 15 taucht, ist von einem Rohr von Glas oder sonstigem isolierenden Material umgeben.
Diese
Konstruktion liefert eine grosse Oberfläche zwischen den Queeksilberkörpern. 16, 20 für die Funken- entladungen und ist zur Erzeugung von Hochfrequenzströmen geeignet.
Die mit einem elektrischen Kondensator 22 in Reihe geschaltete Spule ? ist durch die Drähte 5,6 an die Sekundärwicklung 23 eines Transformators 24 angeschlossen, der seinerseits an eine geeignete
Wechselstromquelle, z. B. ein Wechselstromnetz von 110 Volt und 60 Perioden, angeschlossen ist. Eine
Gleichstromquelle 25 nebst Schalter 26 kann an die Drähte 5,6 angeschlossen sein, um ein-und aus- geschaltet werden zu können.
Statt das Material 10 in einen Tiegel 9 einzuschliessen, kann es in Form eines gepressten Scheibchens oder Kuchens 10 auf eine Scheibe 2'1 am Träger 8 gelegt und eine zweite Scbeibe 28 gewünschtenfalls darauf gelegt werden (Fig. 3). Der abgeänderte Ofen nach Fig. 5 ist dem in Fig. 1 dargestellten ähnlich, doch sind die Zuleitungsdrähte , 6 der Spule 7 bleibend im Birnenende befestigt, während der Tiegel 9 oder eine Scheibe am Pfropfen 4 befestigt ist, der am Birnenende aushebbar angeordnet ist.
Im folgenden ist die Verwendung des Ofens beispielsweise zum Sintern von metallischem Wolfram beschrieben.
In beliebiger Weise erhaltenes gepulvertes Wolfram wird in einer geeigneten Form in die gewünchte Form gepresst und in den Tiegel 9 oder auf die Scheibe 27 gebracht, die vom Pfropfen 4 getragen werden und in die Birne 1 eingeführt. Der Pfropfen wird gut eingedichtet und die Birne durch das Rohr 2 gut entlüftet. Der Schalter 26 wird geschlossen, um Strom durch die Spule 7 zu senden, so dass der Tiegel 9 oder die Scheibe 27 durch Strahlung erhitzt wird. Dadurch werden im Material okkuldierte Gase ausgetrieben, die durch das Rohr 2 abgesaugt werden können. Der Schalter 26 wird dann zwecks Abschaltung des Gleichstromes geöffnet und die Hochfrequenzwechselstromleitung geschlossen, worauf Strom durch den Transformator 24, Unterbrecher 11 und die Primärspule 7 geht, der eine verhältnismässig hohe Spannung und hohe Frequenz aufweist.
Ein Strom von 7000 Volt Spannung und 100. 000 Perioden ist mit Erfolg verwendet worden.
Der hochfrequente Strom im Primärteil 7 bewirkt eine äusserst starke Erhitzung des Tiegels 9 oder der Scheibe 27, 28 und des Materials 10 durch die induzierten Ströme, wobei der Tiegel und das darin enthaltene Material den Sekundärteil darstellen. In sehr kurzer Zeit, gewöhnlich in wenigen Minuten, ist das äusserst schwer schmelzbare gepulverte Metall gesintert und bildet ein kohärentes homogenes Klümpchen von metallischem Wolfram, das herausgenommen und in irgendeiner gewünschten Weise verarbeitet werden kann. Die Erhitzung ist sehr rasch und äusserst stark, da praktisch die ganze Energie des Hochfrequenzstromes auf das zu erhitzende Material konzentriert und übertragen wird.
Obgleich Hochfrequenzströme in der eng gewickelten Spule 7 verwendet werden, stellen sich dennoch keine Schwierigkeiten infolge elektrischer Entladungen oder von Stromübergängen zwischen benachbarten Windungen ein ; die der Spule 7 zugeführte elektrische Energie wird so vollständig in Wärme im Sekundärteil übergeführt, dass die Primärspule nur selten weiter als bis zur Rotglut erhitzt wird.
Dadurch, dass man eine genügend grosse Birne, gewöhnlich aus Glas, verwendet, wird die uner- wünsche Erhitzung derselben vermieden, so dass sie zu allen Zeiten kühl bleibt. Da der Behälter oder die Birne kühl ist, ist es verhältnismässig einfach, die Entlüftung darin aufrechtzuerhalten, weil durch kaltes Glas keine Gase diffundieren können. Bei einer Anordnung dieser Art erlangt das behandelte Material eine weit höhere Temperatur als der Primärteil im Gegensatz zu früheren Öfen, bei welchen die Temperatur der Heizspule oder des Behälters, in dem das Erhitzen vorgenommen wird, die Temperatur des Materials begrenzt.
Der Ofen ist für verschiedene Zwecke geeignet ; er kann zum Sintern oder Schmelzen von Metallen, zur thermischen Behandlung von Metallen zwecks Entfernens von Gasen, zum Freimachen von Gasen aus Metallen für analytische Zwecke, zur Bildung von solchen Legierungen, bei denen Verunreinigungen zu vermeiden, sind und zur Durchführung von bei hohen Temperaturen sich abspielenden Reaktionen benützt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen baulichen Einzelheiten beschränkt, sondern diese können mannigfach abgeändert werden. Die Ofenwandung oder Birne braucht nicht notwendig aus Glas zu bestehen, sie kann aus irgendeinem geeigneten hitzebeständigen Material metallischer oder nicht metallischer Art hergestellt sein und die Spule 7 und der Tiegel 9 oder die Scheibe 27 können in anderer, als der beschriebenen Weise unterstützt sein, wenn nur die Gegenwart von Materialmassen im Behälter 1 vermieden wird.
Das beschriebene Vorwärmen des Materials durch Gleichstrom kann auch durch niederfrequenten, durch die Spule 7 gesandten Wechselstrom erfolgen oder es kann Wechselstrom durch eine den Behälte
<Desc/Clms Page number 4>
oder die Birne 1 umgebende Spule gesandt werden oder es können irgendwelche geeignete Vorwärmmittel verwendet werden. Diese und andere dem Fachmann sich ohne weiteres darbietende Abänderungen können in den baulichen Einzelheiten des Ofens getroffen werden.
Bei einem tatsächlich gebauten und verwendeten Ofen gemäss der Erfindung hatte die Primärspule 29 tnm Durchmesser und 38 mm Länge und bestand aus 0. 07 nun starkem Wolfram-oder Molybdän- draht. Der Abstand zwischen der Innenfläche der Primärspule und dem Schmelzgut war 3 mm. Das entlüftete Gefäss war birnenförmig, hatte eine Länge von 610 mm und einen Durchmesser von 280 mm, so dass der Abstand zwischen den Gefässwänden und der Primärspule 125 mm beträgt. Diese Abmessungen. die nur als Beispiel angeführt werden, können sich in weiten Grenzen ändern.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Hochfrequenzinduktionsofen, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil mit dem Sekundärteil in einem Gefäss mit hohem Vakuum untergebracht ist.