Heizelement für Nochtemperaturöfen. Bei Heizelementen für z. B. solchen für 1300-1700' C und darüber, besteht Ader Heizleiter zweckmässig aus einem hochschmelzenden Metall, einer Metallverbindung oder aus hochgesintertem Kohlenstoff (Graphit). Um das Heizelement vor der Verbrennnung zu ,schützen, hat man in den Ofeneine Schutzatmosphäre eingeführt oder ihn evakuiert.
Da diese Massnahmen jedoch die Verwendung derartiger Öfen ein- schränken und ihre Handhabung unbequem machen, ist man neuerdings dazu übergegan gen, jedes Heizelement selbst mit einer gas undurchlässigen Schutzschicht zu umgeben, die beispielsweise aus einem Rohr aus Por zellan, Sillimanit oder andern silikathaltigen keramischen Materialien, beispielsweise auf Specksteinbasis, oder auch aus hochgesinter ten Oxyden des Aluminiums oder Magne siums besteht.
Die Enden des Schutzrohres, das den Heizleiter enthält, werden vakuum- un,d gassicher abgedichtet und meist mit Wasser gekühlt. Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung zeigt schematisch die bisherige Ausführungsform derartiger Heizelemente. 1 ist der Heizleiter aus einem hochschmelzenden Metall, z. B.
Molybdän, der sich unter der Wirkung des elektrischen !Stromes bis zu Temperaturen von <B>1700'</B> C und darüber auflheizt, '2 Ader gas- .dichte keramische :
Schutzmantel der ins besondere durch Strahlung die Wärme nach aussen abgibt, ohne schädliche Gase, ins besondere den Sauerstoff, von aussen zu dem Metall des Heizleiters durchzulassen, so dass also dieses vor Oxydation geschützt ist. ä be zeichnet eine Abschlusskappe des Heizelemen tes,; die auf .ein Ende des Keramikrohres 2 gasdicht aufgeschmolzen oder aufgelötet ist.
Die Absehlusskappe muss durch einen auf gesetzten Wassterkühlmantel 4 intensiv ge kühlt werden, .damit .sie sich nicht unter der Wirkung der hohen Temperatur ablöst und dadurch der elektrische Anschluss bezw. der gasdichte Abschluss verloren geht. Die An ordnung eines solchen Heizelementes im Ofen erfolgt in der Regel so, dass die Kappe 3 mit ,dem Wasserkühlmantel 4 ausserhalb der Ofen wand liegt.
Die beschriebene Anordnung hat nun sehr viele Nachteile: Der Endverschluss ist nicht genügend betriebssicher, da bei verminderter Wasserzufuhr leicht Zerstörungen eintreten. Der grosse Wasserkühlmantel an den Enden erschwert das Auswechseln des Heizelementes und macht es während des Betriebes gänzlich unmöglich. Der Hauptnachteil des beschrie benen Heizelementes aber isst sein schlechter thermischer Wirkungsgrad.
Ein grosser Teil der im Heizleiter umgesetzten Energie wird durch die Wasserkühlung abgeführt. Die Kühlung der Endverschlüsse wirkt sich längs des Heizleiters weit in den Ofen hinein aus. Das Bestreben des Ofenbauers geht aber dahin, diejenige Strecke möglichst kurz zu halten, auf der die Temperatur des Heiz leiters von der Kühlmittel-Temperatur auf die Ofentemperatur ansteigt.
Diese Mängel sind nun beim Heizelement gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass innerhalb des keramischen Schutzrohres die beiden Abschlusskappen über ein eine Wärme drossel bildendes Zwischenstiiek von kleine rem Querschnitt als der übrige Teildes Heiz- leiters mit diesem verbunden sind.
Damit gelingt es, den achsialen Wärme strom geringer zu halten. Unter Annahme eines temperaturunabhängigen, spezifischen elektrischen Widerstandes ergibt die Ein schnürung eine Vergrösserung des Energie umsatzes, und dies tritt in erhöhtem Masse ein, wenn der spezifische Widerstand, wie bei den meisten Metallen,
mit der Temperatur ansteigt. Umgekehrt ergibt die Einschnürung eine Vergrösserung des Wärme@videnstand.es und damit eine Verminderung der durch den Temperaturgradienten bedingten Komponente des achsialen Wärmestromes.
Im folgenden werden an Hand der Fig. 2 his 10 der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Fig. 2 gibt einen Schnitt durch ein Heiz- element gemäss der Erfindung. 1 bezeichnet wieder den Heizleiter, beispielsweise aus Mo- lybdän, 2 das keramische Schutzrohr. Am Heizleiter befindet sich an den beiden Enden je ein Zapfen 5 von einem Durchmesser d, der kleiner als der Durchmesser des Heiz- leitere ist.
Dieser Zapfen ist seinerseits am andern Ende 6 mit der metallenen End- verschlusskappe 7 verbunden. Die Kappe i kann gegebenenfalls zum Ausgleich von Wärmeausdehnungen durch Eindrücken von konzentrischen Nuten federnd sein und mit Hilfe eines Aufsatzes durch Wasser gekühlt werden. Die Zuführung des elektrischen Stromes erfolgt zum Beispiel durch einen auf geklemmten Kontaktring B.
Die Länge der Wärmedrossel 5 (in der Figur mit l bezeich net) wird vorteilhaft etwa so gross gemacht, wie die Stärke des Ofenmantels, so dass man das Heizelement so im Ofen anordnen kann, dass die Wärmedrosoel innerhalb der Durch führung durch die Ofenwand liegt.
Die Verhältnisse, insbesondere am Sieb- ende, zeigt Fig. 3. Als Ordinate ist :die Tem peratur T, als Abszisse der Ort, gerechnet vom Stabende nach dem Ofeninnern zu,
auf- getTagen. Unter denn Diagramm ist schema- tisch die Anordnung des Heizstabes gegen über dem Ofenmantel zur Erläuterung der Ortsachse des Diagrammes dargestellt. Die alte Anordnung ohne Wärmedrossel zeigt einen Temperaturverlauf nach der Kurve I,
während die Kurve II den örtlichen Tempe- raturverlauf bei Anbringung der Wärme- drossel wiedergibt.
Man erkennt, dass bei der neuen Anordnung einmal die Temperatur an der Stirnfläche der Abschlusskappe von dem Werte T1 ohne Wärmedrossel auf den Wert TZ mit Wärmedrossel herabgesetzt wird, was gleichzeitig mit einer Erhöhung des örtlichen Temperaturanstieges verbunden ist.
Während die Temperatur an der Stelle A beider alten Anordnung von dem Werte T..- noch stark abweicht, ist bei der neuen Anordnung die ser Temperaturwert fast erreicht.
Da an der Abschlusskappe des Heiz- widerstandes gemäss dem Diagramm in Fig. 3 bei Vorhandensein der Drossel eine viel nie drigere Temperatur TZ herrscht als ohne Drossel, kann man jetzt schon mit einer ver- hältnismässig geringen sekundlichen Wasser- Uurchflussmenge auskommen, wobei die Tem peraturen zwischenWasserzufluss@- und -abfluss nur ca. .20'-3,0 erreichen.
Es genügt jetzt beispielsweise eine einfache Frontalkühlung ,der Abschlusskappe nach, Fig. 2. Eine Auf heizung der Kappe durch Strahlung seitens ,des Heizleiters 1 oder der heissen Teile :der Drossel 5 kann man leicht .durch einen Strah lungsschirm, wie er beispielsweise bei 9 an gedeutet ist, verhindern.
Da bei Vorhandensein der Wärmedrossel ,der Endverschluss weniger Wärme zugeführt erhält, kann der Wasserkühlmantel so klein gehalten werden, dass sein Durchmesser gleich .dem des eigentlichen Heizstabes gemacht wer den kann. Dadurch ist das Auswechseln von beschädigten oder durchgebrannten Heiz- elementen schnell und einfach selbst während des Betriebes des Ofens durchführbar.
Häufig empfiehlt es sich, die Wärme- drossel nicht aus .demselben Material her- zu's'tellen, aus dem das Heizelement selbst besteht, sondern aus einem andern Material, wobei man durch entsprechende Wahl der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit in der Lage ist, -bei der gleichen Länge l und der gleichen thermischen Wirkung den Durchmesser d der Drossel zu vergrössern,
was bei gewissen Konstruktionen des Heizleiters Vorteile bietet. Zn Fig. 4 ist mit 1 wieder der Heizleiter, .mit 2,das keramische Schutz rohr bezeichnet.
Die Wärmedrossel 10 ist aus einem andern Metall bezw. einer Metall- legierung als der eigentliche Heizleiter 1 her gestellt und bei 11 mit diesem verbunden.
Diese Verbundstelle muss besonders sorg fältig ausgeführt werden, .da sie sich wäh rend des Betriebes dauernd auf hoher Tempe ratur befindet und Übergangswiderstände vermieden werden müssen, weil sonst durch zusätzliche Erhitzung der Kontaktstelle diese abschmilzt oder zerstäubt. E<B>G</B> hat sich ge zeigt, dass es vorteilhaft ist,
solche Übergangs stellen durch Angiessen der Drossel 10 im Vakuum oder in. .einer inerten Atmosphäre herzustellen. Um eine mechanische Verklam merung der beiden zu verbindenden Metalle zu erreichen, wird zweckmässig dafür gesorgt, .dass die Grenzlinie zwischen den beiden Me tallen nicht senkrecht zur Achse der Drossel verläuft, sondern, wie in Fig. 2 bei 6 an gedeutet, konisch oder, wie in Fig. 4 bei 11 gezeichnet,
in Form einer achsialsymmetri- sschen @Schwalbenschwanzverbindung angefer tigt ist. Das andere Ende der Drossel wird mit ,dem Metall,der federnden Anschlusskappe 13 bei 12 verschweisst oder verlötet.
Um eine Strahlungserhitzung der Dich- tungsstelle 14 zwischen Kappe und Keramik nach Möglichkeit zu verhindern, ist bei dem Beispiel nach Fig. 4 die Wärmedrossel 10 mit einer dünnen Oberflächenschicht schlech ten Wärmeabs@trahlungsvermö.gens versehen, beispielsweise versilbert oder vergoldet.
Statt der Kühlung .durch Druckwasser oder Thermosiphon kann, da infolge der Wärmedrossel die Temperatur an ,den Enden ides Heizelementes schon verhältnismässig niedrig gehalten werden kann, auch bloss eine Luftkonvektionsikühlung vorgesehen werden.
Zu diesem Zwecke wird an der Kappe 13 nach aussen ein Wärmeradiator befestigt, der zum Beispiel die Form von auf einen' Mit telstab aufgereihten Blechscheiben aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, besitzt.
Eine andere Ausfüh rungsform idieser Radiatorkühlung zeigt Fig. 5, bei. der eine Reihe von Blechstreifen 17 .auf die Aussenkappe derartig aufgelötet oder aufgeschweisst ist, dass die aufsteigende warme Luft zwischen den so gebildeten Zwi- schenräumen von: unten nach oben hindurch streichen kann.
In manchen Fällen isst es vorteilhaft, :den Temperaturverlauf längs der Drossel so zu gestalten, @dass an der Stelle, an der die Drossel in den eigentlichen Heizleiter über geht, mit Bestimmtheit bereits die volle Tem peratur herrscht, die der Heizleiter in seiner Mitte besitzt.
In diesem Falle werden die jenigen Teile der Drossel, die dem Heiz- element am nächsten liegen, höher erhitzt, als die Maximaltemperatur des Heizleiters selbst beträgt. Da die Drossel stromdurch flossen ist, lässt sich das durch entsprechenne Schwächung des Durchmessers der Drossel, in diesem Falle der dem Heizleiter benach barten Teile, ohne weiteres erreichen. Man kann beispielsweise, wie in Fig. 6 gezeigt, die Drossel konisch gestalten.
Um die Lebens dauer 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 Ab hängigkeit von der Temperatur und einen höheren Schmelzpunkt als das Heizleiter- metall 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 herstellen.
Der Abbau, das heisst Materialabwanderung in die Umgebung, des höher geheizten Teils wird dann wegen der geringen Verdampfungs- geschwindigeit des Wolframes nicht schneller vor sich gehen, sondern sogar langsamer als der des Heizleiters aus Molybdän, so dass trotz der höheren Temperatur eines Teils der Drossel keine Verkürzung der Lebensdauer des gesamten Heizelementes eintritt.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen. Ausführungs- beispiele, bei denen die Wärmedrossel elastisch verformbar gestaltet ist. Damit lassen sich Aus,dehnungs@differenzerx zwischen dem metallischen Heizleiter und der kerami schen Hülle bezw. dem kühl gehaltenen, vakuumdichten Endversehluss vermeiden. Hierbei ist 1 wieder der eigentliche Heiz- leiter, der von einer keramischen Hülle 2 umgeben ist.
Bei 20 ist in einem Zapfen die Wärmedrossel 18 am besten durch Vergiessen im Vakuum oder in inerter Atmosphäre an geschlossen. Das andere Endo der Wärme drossel ist bei 21 durch Schweissen oder Löten mit der Verschlusskappe 19 verbunden. Die Wä.rmed.rossel 18 ist nun so ausgestaltet, dass sie leicht bei Wärmeausdehnung des Heiz- stabes 1 elastisch oder plastisch nachgeben kann, also beispielsweise, wie in Fig. 8 an gedeutet, in Wellenform ausgeführt.
Solche Ausführungen der Wärmedrossel haben auch noch den Vorteil, dass man auf eine verhält nismässig kleine Länge w eine grössere Drossellänge unterbringen kann als bei einer geradlinigen Drossel. Das ist deshalb beson ders wichtig, da wie früher ausgeführt wor den ist, die Drossel innerhalb der Strecke w liegen soll, auf der das Heizelement die Ofen wand durchsetzt.
Bei dieser Ausführung ist man nun im Gegensatz zur geradlinigen Drossel bezüglich der wirksamen Drossel länge insoferne unabhängig von der Stärke der Ofenwand, als man bei gleichem thermi schem Drosselmaterial den Durchmesser der Wärmedrossel wegen der grösseren Baulänge als w stärker wählen kann.
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform einer flexiblen Wärmedrossel, die neben ihrer Wärmedrosselwirkung gleichzeitig als Aus gleichsglied für Aus,dehnungsdifferenzkräfte dient. 1 bedeutet wieder den eigentlichen Heizleiter, 2 das keramische Schutzrohr. Die Wärmedrossel 22 ist aus mehreren auf einem Kreisbogen angeordneten Vierkantstäben ge bildet, die in der Mitte nach aussen leicht ge bogen sind.
Einen Querschnitt durch die Mitte der so ausgebildeten Wärmedrossel 22 zeigt Fig. 10 bei der beispielsweise vier Vier- kantstäbe verwendet worden sind. Die Drossel 2,2 der Fig. 9 ist mit der Abschlusskappe 23 mit Hilfe eines Innenpfropfens 2-1, auf den die einzelnen Stäbe aussen aufgeschweisst sind, verbunden.
In manchen Fällen empfiehlt es sich, zu sätzlich noch einen Dichtungspfropfen aus einem Material niederer Fliessgrenze entweder an den Befestigungsstellen an den Enden der Drossel, wie in Fig. 9 bei 25 und 26 angedeu tet ist, oder auch an andern Stellen der Drossel, wo gerade eine für die Diehtungs- wirkung des Pfropfens günstige Temperatur herrscht, unterzubringen.