Elektrisches Heizelement. Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement für Betriebstemperaturen über <B>9000</B> C und insbesondere über 11000 C.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Heizele- mente dieser Art mit einem elektrischen Wi derstand aus Metallen höheren Schmelzpunk tes, z. B. Wolfram, Molybdän, Iridium, Pla tin, Osmium und Legierungen von zwei oder mehreren derselben, insbesondere einer Wolf ram-Molybdän-Legierung, herzustellen und den Widerstand mit einer Hülle aus hoch hitzebeständigem Werkstoff zu versehen, z. B. aus Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd und Verbindungen dieser Oxyde mit Silizium oxyd, wie z. B. Sillimanit, z. B. Mullit (Schmelzpunkt über<B>18000</B> C). Andere hoch hitzebeständige und elektrisch isolierende, insbesondere keramische Massen wurden gleichfalls benutzt.
Es war aber schwierig, eine schädliche Oxydierung des Widerstands metalles bei höheren Betriebstemperaturen und in Luft oder andern oxydierenden Atmo sphären zu verhindern.
Gemäss der Erfindung besitzt das Heizele- ment einen elektrischen Heizwiderstand, des sen Schmelztemperatur über der höchsten Be triebstemperatur liegt und der innerhalb einer gasdichten, rohrförmigen und über <B>18000</B> C schmelzenden Hülle angeordnet ist, welch letztere wenigstens an einem Ende gas dicht mittels einer Glasdichtung mit einer von zwei voneinander elektrisch isolierten An schlusselektroden verbunden ist. Ferner enthält der gasdicht abgeschlos sene Raum innerhalb der Hülle und zwischen den Anschlusselektroden einen wenigstens zum Teil metallischen Fangstoff (Letter).
Die Erfindung sei an Hand der Zeich nung erläutert, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.
Fig.1 zeigt einen Querschnitt durch einen Schmelzofen mit eingesetzten Heizelementen, Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Aus führungsbeispiel eines Heizelementes und schematisch seine Herstellung, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine an dere Ausführungsform des Heizelementes, Fig. 4 einen Querschnitt längs der Ebene 39 in Fig. 3 durch eine Abänderung des dort gezeigten Heizelementes, in grösserem Mass stab, Fig. 5 einen Längsschnitt durch den obern Teil eines Heizelementes ähnlich demjenigen in Fig. 2, und gestrichelt den obern Teil eines .tipparates,
der bei der Herstellung des Heiz- elementes benutzt werden kann, Fig. 6 einen Teil des Heizelementes gemäss Fig. 5 während seiner Herstellung, Fig.7 eine andere Ausführungsform des Stromeinführungsteils eines Heizelementes, eingesetzt in eine Ofenwand, Fig. 8 ein Heizelement mit einem Strom einführungsteil gemäss Fig. 7 und eine etwas abgeänderte Einsetzungsart desselben in eine Ofenwand,
Fig. 9 einen Teillängsschnitt durch ein an deres Ausführungsbeispiel eines Heizelemen- tes, welches durch gegenüberliegende Ofen wände hindurchgeführt ist, und Fig. 10 einen Teillängsschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform des Heizele- mentes gemäss Fig. 9.
In Fig.1 ist eine Ofenwand 10 aus Kitze= beständigem Werkstoff, wie z. B. Schamotte, gezeigt. Der Ofen mag zum Backen oder Sin tern von irgendwelchen Gegenständen oder zum Schmelzen oder Raffinieren von Metal len, Metallegierungen, Glas und dergleichen dienen. In geeigneter Höhe über dem Boden des Ofens und den Gegenständen oder dem Schmelzgut darin sind Öffnungen 11 in der Ofenwand vorgesehen, in welche die elektri schen Heizkörper 12 eingesetzt werden kön nen.
In jeder Öffnung ist eine ringförmige Elektrode 13 isoliert angebracht, deren Innen fläche mit einem Schraubgewinde versehen ist, so dass die Einführungselektrode 14 des Heizelementes darin eingeschraubt werden kann. Eine isolierte Leitung 15 führt von dem Kontakt 13 nach aussen zu einer An schlussklemme 16.
Ein Teil des Heizelementes 12 erstreckt sich von dem Kontakt oder der Elektrode 14 nach aussen und ist mit einer andern Anschlusselektrode 17 versehen, die mit Schraubgewinde versehen und in einen andern Kontakt 18 eingeschraubt sein mag, welch letzterer über eine isolierte Leitung 19 mit der Anschlussklemme 20 verbunden ist. Falls die Gasfüllung im Innern 21 des Ofens aus Luft besteht, ist keine gasdichte Verbin dung zwischen den Kontakten 14 und 13 er forderlich. Wenn innerhalb des Ofens eine andere Gasfüllung, z. B.
Wasserstoff, vorhan den ist oder wenn sich während des Betrie bes in dem Ofen Dämpfe oder Gase entwik- keln, die nicht nach aussen entweichen sollen, so muss die Verbindung zwischen den Kon takten oder Elektroden 14, 13 gasdicht sein; dies kann zum Beispiel durch ein geeignetes Schraubgewinde erreicht werden.
Die Heizelemente in den Fig.1 bis 3 be stehen aus zwei Teilen. Ein Heizteil gibt Hitze ab, ist im wesentlichen innerhalb des Ofenraumes angeordnet und erstreckt sich vom Ende 23 des Heizelementes ungefähr bis zu einer Ebene 39. Der andere Teil (Strom einführungsteil) dient zur Einführing des elektrischen Heizstromes, enthält die An schlusselektroden (Kontakte) und deren Ver bindungen sowie die Befestigungsmittel des Elementes.
Das Heizelement nach Fig.2 besitzt als äussere Begrenzung des Heizteils ein Rohr 22, das an einem Ende 23 geschlossen und am andern Ende 24 offen ist. Innerhalb des Roh res 22 und im Abstand davon ist ein anderes Rohr 36 angeordnet, das sich einerseits bis nahe dem geschlossenen Ende 23 erstreckt und anderseits in den Einführungsteil des Heizelementes hineinreicht. In dem zylindri schen Raum zwischen den Rohren 22, 36 und zwischen dem Ende 23 und der Ebene 39 ist ein Widerstand angeordnet, der vorzugsweise aus einem gewickelten Draht 38 besteht.
Der letztere ist an einem Ende mit einem andern Draht 37 verbinden, der durch das Rohr 36 geführt und bei 41 mit einem Rohr 32 ver bunden ist. Das andere Ende des gewickelten Drahtes 38 ist mittels des Drahtes 37a ausser halb des Rohres 36 bei 40 mit einem Rohr 31 verbunden, z. B. verschweisst.
Der oberhalb der Ebene 39 befindliche Stromzuführungsteil weist eine hohle Metall elektrode (Kontakt) 27 auf, welche aussen ein Schraubgewinde 28 und nach entgegengesetz ten Richtungen vorspringende, ringförmige Ansätze 29, 30 besitzt. Ein Rohr 26 ist über den Ansatz 29 gezogen und mit ihm gasdicht verschweisst oder verlötet; das andere Ende des Rohres 26 ist mit dem offenen Ende 24 des Rohres 22 mittels einer Glasdichtung 25 verbunden.
Das Metallrohr 31 ist über den Ansatz 30 gezogen und mit diesem gasdicht verschweisst oder verlötet, wodurch die Lei tung 37a mit dem Ansatz 30 und dem Kon takt 27 sowie dem Metallrohr 26, die zu sammen eine leitende Einheit bilden, elek trisch verbunden ist.
Das Metallrohr 32 ist an einem Ende gas dicht mit dem Metallrohr 31 mittels einer Glasdichtung 33 und am andern Ende gas- dicht und elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode (Kontakt) 34 verbunden. Die Me tallrohre 31 und 32 sind voneinander durch die Glasdichtung 33 elektrisch isoliert; die Leitung 37 kann statt bei 41 mit der Elek trode (Kontakt) 34 direkt verbunden sein; die letztere ist an der Aussenseite am obern, abgesetzten Teil mit Schraubgewinde ver sehen. Die Elektrode 27 entspricht der Kon taktelektrode 14, und die Elektrode 34 ent spricht der Kontaktelektrode 17 des Heizele- mentes 12 in Fig. 1.
Die Hülle 22 soll höheren Betriebstem peraturen widerstehen und besteht darum aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von über 18000 C, vorzugsweise aus Alumi niumoxyd (A1.0.,) oder einem Silikat davon, wie z. B. Sillimanit, oder Magnesiumoxy d oder einem Silikat davon, oder Oxyden des Tho- riums, Berylliums, Zirkoniums oder hoch hitzebeständigen Silikaten derselben. Diese Oxyde oder Silikate sollen möglichst chemisch rein sein und können allein oder in geeigne ter Mischung verwendet werden.
Oxyde oder Silikate, die bei geeigneter hoher Tempera tur verglasen, sind besonders geeignet, weil dadurch besonders gasdichte Teile erhalten werden können, welche diese Eigenschaft während vieler tausend Betriebsstunden bei behalten.
Die Herstellung solcher gasdichter, hitze beständiger Hüllen oder Rohre in kerami schen Prozessen ist bekannt.
Das innere Rohr 36 besteht gleichfalls aus hochhitzebeständigem, elektrisch isolierendem Werkstoff, vorzugsweise gleicher Art wie die äussere Schutzhülle 22.
Die volle Betriebsspannung liegt zwischen den beiden Leitungen 37, 37a innerhalb Lind ausserhalb des Rohres 36 oberhalb der Ebene 39; die Spannungsdifferenz nimmt dann all mählich gegen das untere Ende des Rohres 36 ab. Wenn daher Spannungen über etwa 120 bis 240 Volt benutzt werden, wird der obere Teil des Rohres 36 vorteilhaft aus einem hochhitzebeständigen Werkstoff höherer elek trischer Isolierfähigkeit bestehen als der un tere Teil des Rohres 36 innerhalb der eigent- liehen Heizzone; z.
B. mag der Teil des Roh res 36 innerhalb der Stromzuführungszone aus Berylliiim.oxyd bestehen, das sehr hohen Isolierwiderstand besitzt, während der übrige Teil des Rohres aus Aluminiumoxyd oder -silikat oder einem andern der früher erwähn ten hitzebeständigen Werkstoffe bestehen mag. Die Herstellung solcher zusammenge setzter Rohre in keramischen Prozessen aus verschiedenen Schlicken ist bekannt.
Der Widerstand 38 und die Zuführungs leitungen 37, 37a können aus demselben Draht bestehen, dessen Werkstoff so gewählt ist, dass er der höchsten Betriebstemperatur widersteht. Für Betriebstemperaturen, welche 11000 C nicht übersteigen, kann eine Nickel- Chrom-Legierung oder Platin benutzt wer den. Wenn der Draht aus Molybdän besteht, können Betriebstemperaturen über 1300 bis 15000 C bewältigt werden, und Molybdän- Wolfram-Legierungen (die beiden Bestand teile vorteilhaft in gleichen Mengen) sowie reines Wolfram, Iridium, Osmium und deren Legierungen lassen noch höhere Temperatu ren erreichen.
Der Heizwiderstand 38 kann auch auf be kannte Weise hergestellt werden; wenn ge wünscht, können verschiedene Steigungen der Windungen benutzt werden, um ein ge wünschtes Erhitzungsgesetz zu verwirklichen. Wenn wesentlich gleiche Temperaturen über die Länge des Rohres 22 erzeugt werden sol len, wird die Heizspule mit gleicher Steigung ihrer Windungen ausgeführt. Wenn beispiels weise die Temperatur nahe der Ebene 39 ge ringer sein soll als nahe dem untern Ende der Hülle 22, kann die Steigung der Windungen nahe der Ebene 39 grösser sein als diejenige über die Restlänge des Widerstandes; es kann dadurch auch eine Überhitzung des Heizele- mentes nahe seiner Lagerung in der Ofen wand verhindert werden.
Der rohrförmige Teil 26 wird vorzugs weise aus einer warmfesten Nickel-Eisen-Le- gierung oder einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legie- rung hergestellt. Zum Anlöten der rohrför- migen Teile 26, 31 an -die Ansätze 29, 30 kann beispielsweise ein Hartlot oder Silberlot verwendet werden, das bei etwa 630 bis 9600 C fliesst. Die. Anschlusselektrode 27 kann aus geeignetem Metall oder einer Legierung be stehen, wie z. B. Nickel, Bronze, Monel-Metall und rostfreiem Stahl.
Die Dichtung 25 zwi schen dem Rohr 26 und dem Ende 24 des Rohres 22 besteht aus geeignetem Glas, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen des Metalles und der keramischen Masse angenä hert oder gleich ist; Glassorten, welche diesen Anforderungen entsprechen, sind bekannt.
Das Rohr 32 kann aus dem gleichen Me tall oder derselben Legierung bestehen wie das Rohr 31; da das Rohr 32 wenig heiss wird, kann irgendein anderes Metall verwen det werden, dessen Wärmedehnung nicht zu sehr von derjenigen des Rohres 31 abweicht. Die Glasdichtung 33 zwischen den Rohren 31, 32 soll aus einer Glassorte bestehen, deren Wärmedehnung derjenigen der beiden Metall rohre möglichst gleich ist.
Die Elektrode 34 ist mit einer Bohrung 35 versehen und in das offene Ende des Roh res 32 eingeschweisst oder eingelötet. Die Boh rung 35 ist aussen durch das Lot 42 geschlos sen. Beim Zusammenbau des Heizelementes wird das Rohr 26 zuerst gasdicht mit dem Rohr 22 verbunden durch Einführung eines hohlen zylindrischen Presskopfes 99 (Fig.6) in das Innere des Rohres 26 und durch Über- ziehen eines andern hohlen Presskopfes 98 aussen über das Rohr 22;
die beiden Press- köpfe werden gegen das geschmolzene oder plastische Glas 25 zwischen den Rohren 22, 26 gepresst und das Glas besorgt nach dem Küh len den gewünschten gasdichten Abschluss.
Die Rohre 31, 32 werden in ähnlicher Weise miteinander verbunden. Die Teile 37, 37a, 38 seien aus einem Stück. Das Rohr 36 wird über den Verbindungsdraht 37 gestülpt und der Verbindungsdraht 37a wird an die Innenseite des Rohres 31 bei 40 angeschweisst, während das Ende des Drahtes 37 an die Innenseite des Rohres 32 bei 41 angeschweisst wird.
Darnach wird das freie Ende des Roh res 26 über den Ansatz 29 gestülpt, anschlie ssend der vorbereitete Heizeinsatz, das heisst die aneinander befestigten Teile 31, 32, 33, 36, 37, 37a, 38 in das Rohr 22 eingeführt, das offene Ende des Rohres 31 über den Ansatz ; 30 gestülpt und die Enden der Rohre 26, 31 an den Ansätzen 29 bzw. 30 angeschweisst oder angelötet, beispielsweise durch Heran bringen einer Induktionsspule 85 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung und Zuführen von ; Induktionsstrom, vorzugsweise Hochfrequenz strom, zu der Spule.
Das Rohr 26 kann auch an die Elektrode 27 angeschweisst -oder an gelötet werden, bevor der Heizeinsatz über den Teil 30 gestülpt wird.
Zuletzt wird die Elektrode 34 in das obere Ende des Rohres 32 eingesetzt und durch In duktionserhitzung angeschweisst oder ange lötet.
Ein Heizelement zum Betrieb bei Tem peraturen bis zu etwa 1300 und 1500 C kann zum Beispiel eine Schutzhülle 22 (Fug. 2) mit einer Wandstärke von etwa 2 mm und einem innern Durchmesser von etwa 6 bis 13 mm besitzen, während der Aussendurchmesser des Widerstandes 38 etwa 1 bis 0,3 mm geringer ist als der Innendurchmesser der Schutz hülle 22.
Bei den höheren Betriebstemperaturen, für welche das Heizelement bestimmt ist, kann der Widerstand 38 leicht durch Oxy dation zerstört werden, welche durch Dämpfe oder Feuchtigkeit im Rohr 22 und im Strom einführungsteil bewirkt wird; von den Dräh ten und sonstigen Teilen des Heizelementes absorbierte Gase oder Dämpfe können wäh rend des Betriebes gleichfalls frei werden und den Heizwiderstand oxydieren.
Es ist deshalb in dem gasdicht abgeschlos senen Raum des Heizelementes ein Fangstoff (Letter) vorhanden, welcher solche Dämpfe und Gase entfernt, das heisst absorbiert oder chemisch bindet.
Wenn die Betriebstemperatur etwa 900 bis 11000 C nicht überschreitet, kann Phos phor, Barium und Natrium als Fangstoff verwendet werden. Beispielsweise kann roter Phosphor in feiner Verteilung mit einer flüchtigen organischen Flüssigkeit, wie, z. B. Alkohol oder Azeton, oder mit Wasser ge- mischt werden, so dass ein pastenartiger Schlick erhalten wird, welcher auf die Win dungen des Widerstandes 38 aufgetragen werden kann. Die Spule wird darauf auf eine Temperatur zwischen etwa 100 bis 2000 C er hitzt, wodurch das Bindemittel verdampft und der Fangstoff an den Heizwindungen verbleibt. Durch Aufrauhen der Drahtober fläche kann das Anhaften des Fangstoffes verbessert werden.
Der Fangstoff kann in Luft auf die Spule aufgetragen werden, be vor sie und das Rohr 36 in das Rohr 22 ein geführt werden. Barium kann in Form von Pillen, wie diese käuflich sind, eingebracht werden. Eine Mischung von Barium- und Magnesiumpulver, die in kleine Tabletten gepresst ist, ist besonders wirkungsvoll. Die Pillen oder Tabletten können innerhalb des Rohres 22 nahe der Ebene 39 oberhalb des Ende des Widerstandes 38 eingesetzt wer den. Bei höheren Betriebstemperaturen, als frü her erwähnt, sind Fangstoffe, wie z. B. Zir- konium, das bei 15300 C schmilzt, und Tho- rium, das oberhalb 18450 C schmilzt, beson ders geeignet.
Um zu verhindern, dass der me tallische Fangstoff Windungen des Reiz widerstandes 38 kurzschliesst, wird das pul verige Thorium oder Zirkonium mit pulveri gem Aluminiumoxyd, Thoriumoxyd, Zirko- niumoxyd oder andern hochhitzebeständigen und isolierenden Oxyden gemischt, ein Schlick daraus geformt durch Zugabe eines flüch tigen Bindemittels der früher erwähnten Art, der Schlick auf den Draht 38 aufgetragen und dieser erhitzt, bis das Bindemittel aus getrieben ist und die Mischung von Fangstoff und Isoliermaterial an und zwischen den vor zugsweise aufgerauhten Windungen des Drah tes 38 verbleibt.
Diese Erhitzung wird aus geführt, bevor der Widerstand 38 in die Hülle 22 eingeführt ist. Anstatt den Fangstoff auf oder zwischen den Windungen des Heizwiderstandes anzu bringen, kann er auch auf die Innenseite einer Anschlusselektrode oder des Rohres 22 aufgetragen werden. Wenn der Fangstoff vermischt mit Iso liermaterial im pulverigen Zustand einge führt wird, kann sein Sintern entweder der Erhitzung bei Beginn des Betriebes überlas sen oder vorher, am Ende des Herstellungs verfahrens des Heizelementes, durchgeführt werden. Die Pulver des Fangstoffes und der Isolierstoffe können in gleichen Mengen oder geeignetem andern Verhältnis gemischt wer den, um den gewünschten Getter- und Iso- liereffekt zu erreichen.
Wenn zum Beispiel Zirkonium und Aluminiumoxyd in Pulver form benutzt werden, hat sich eine Mischung von etwa<B>357,</B> Zirkonium und etwa 65 Aluminiumoxyd besonders bewährt.
Nach diesem Zusammenbau wird das Heiz- element in eine Vakuumkammer 46 einge setzt, welche gestrichelt in Fig.2 angedeutet ist. Ein Rohr 47 verbindet die Kammer mit einer Vakuumpumpe, und eine Induktions spule 43 innerhalb der Kammer ist durch iso lierte Leitungen 44, 45 mit Zuführungen ausserhalb der Kammer für den Heizstrom (Hochfrequenz-Induktionsstrom) verbunden. Ein noch ringförmiges Lot (42) wird auf das Ende der Anschlusselektrode 34 aufgesetzt, bevor die Kammer 46 nach Einführung des Heizelementes in dieselbe geschlossen wird.
Wenn die Kammer 46 danach evakuiert wird, werden Luft, Feuchtigkeit und sonstige Gase aus dem Innern des Heizelementes durch die Bohrung 35 und Öffnung im Ring 42 abgesaugt. Ein Vakuum von wenigen Millimetern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters soll am Ende des Evakuierungs- prozesses erreicht sein. Danach wird Induk tionsstrom in die Spule 43 eingeleitet und die Elektrode 34 und das Lot erhitzt, worauf das schmelzflüssig werdende Lot das äussere Ende der Bohrung 34 schliesst. Nach Abschal ten des Induktionsstromes und Erkalten des Lotes 42 wird die Evakuierung unterbrochen, Luft in die Kammer 46 eingelassen und das fertige Heizelement entfernt.
In Fig. 5 ist eine Abänderung des Strom einführungsteils des Heizelementes gezeigt. Die Rohre 26, 31 sind in Aussparungen 86, 87 an der Innenseite der Ansätze 88, 89 ein- gepasst. Das Rohr 26 besteht vorzugsweise aus einer warmfesten Nickel-Kobalt-Eisen-Legie- riing und Rohr 31 aus einer Eisen-Nickel- Legierung. Das Rohr 26 wird zuerst mit Kupfer an die Elektrode 27 angeschweisst; sodann wird das Rohr 26 mit dem Rohr 22 verbunden.
Fig. 5 zeigt ferner eine andere Verbin dung zwischen der Anschlusselektrode 34 und dem Rohr 32, bei der ein ringförmiges Lot 78 zwischen die vorspringende Kante des Rohres 32 und einen ringförmigen Vorsprung der Elektrode 34 eingelegt wird.
Das Heizelement wird sodann in einen Glasbehälter 90 ein gesetzt, dessen Innendurchmesser etwas grö sser ist als der Aussendurchmesser des Schraub- gewindes 28, und ein Stopfen 91 wird in das offene Ende des Behälters 90 eingepresst. Ein Glasrohr 92 ist liftdicht durch eine Öffnung im Stopfen 91 geführt, mit einem Hahn ver sehen und mit einer Vakuumpumpe verbun den.
Der Behälter 90 wird darauf evakuiert und Feuchtigkeit und Gase werden aus dem Innern des Heizelementes durch die feine Spalte zwischen der Elektrode 34 und der Innenseite des Rohres 32 abgesaugt. Nach der Evakuierung wird eine Induktionsspule 93 aussen über den Behälter 90 auf die Höhe der Elektrode 34 geschoben, Induktionsstrom zu geleitet und dadurch die Elektrode 34 auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher das Lot 78 schmilzt und die feinen Spalte zwischen der Elektrode und dem Rohr 32 schliesst.
In Fig. 3 sind die mit Fig. 2 übereinstim menden Teile mit gleichen Überweisungen versehen, für welche die zu Fig.2 gehörige Beschreibung, auch bezüglich Herstellung, gilt.
Ein. Isolierrohr 36a ist innerhalb des Schutzrohres 22 angeordnet und der Draht 37 von 41 durch die Rohre 32, 36a und ein wei teres Isolierrohr. 50 geführt. Mit dem Draht 37 ist bei 48 am untern Ende des Rohres 36a ein Widerstand 38a verbinden, der nach oben verläuft und durch eine Leitung 54 mit der Elektrode 37 verbunden ist. Das andere Ende des Drahtes 37 ist mit einem zweiten Widerstand 51 verbunden, dessen oberes Ende durch eine Leitung 52 innerhalb eines Isolierrohres 53 mit der Elektrode 27 verbun den ist.
Die Rohre 26, 31 nach Fig. 2 sind in einem Rohr 31a vereinigt, welch letzteres die ringförmige Elektrode 27 trägt Emd an beiden Seiten der letzteren vorspringt. Die Elektrode 27 kann fortgelassen werden und die Aussenfläche des Rohres 31a als Anschluss- kontakt benutzt werden. Die'Widerstände 38a, 51. sind somit parallel geschaltet und werden durch die Anschlusselektroden 37, 34 gespeist., In ähnlicher Weise können mehr als zwei Heizwiderstände innerhalb der Schutzhülle 22 angeordnet und parallel betrieben werden.
Die Querschnitte der Drähte, welche die Spulen 38a, 51 bilden, können gleich oder verschieden sein, so dass der gewünschte Heiz- effekt über die Länge der Heizzone des Heiz- elementes erhalten wird.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt in der Ebene 39 durch das Heizelement nach Fig. 3, mit den folgenden Abänderungen: An Stelle zweier Rohre 36a, 53 ist ein einziges Isolier- stück 73 benutzt, das zwei parallele Bohrun gen 74 besitzt. Durch die letzteren sind die Drähte 37 bzw. 52 geführt, und ausserhalb des Isolierstückes ist der Widerstand 38a an geordnet. In Fig. 7 kann die Ofenwand 10 senkrecht oder geneigt sein oder zum Oberteil des Ofens gehören.
Eine Bohrung 11 in der Wand 10 besitzt gegen aussen, hier oben, grösseren Druchmesser als innen, und das Rohr 26 ist in den weiteren Teil der Bohrung 11 einge setzt, während das Rohr 22 in den engeren Teil passt und aus diesem in den Ofenraum ragt.
Die Anschlusselektrode 27, die Rohre 31, 32 und die Anschlusselektrode 34 sind ausser halb der Ofenwand angeordnet; die Elektrode 34 ist mit Schraubgewinde und zwei Schrau benmuttern 77 zum Befestigen der elektri schen Zuleitung versehen. Ein ringförmiger Kontakt 79 ist auf die Anschlusselektrode 27 geschraubt und mit einer Zuleitung 80 ver bunden. Eine Kühlscheibe 76, z. B. aus Kup- fer, ist mit dem Kontakt 79 verschweisst oder verlötet.
Ein Heizelement dieser Art kann leicht in Stellung gebracht und ersetzt werden, und die Zuleitungen können leicht mit ihm ver bunden werden. Fig. 8 zeigt eine ähnliche An ordnung des Heizelementes in der Wand 10. Hier ist im engern Teil der zylindrischen Öffnung 11 ein nachgiebiges und hitzebestän diges Material zwischen das Rohr 26 und die Innenfläche der Öffnung 11 eingesetzt, z. B. Asbest. Die Scheibe 76 dient zur Luftkühlung in gleicher Weise wie in Fig. 7, und der Teil 27 liegt auf der Wand 10 auf; der Teil 79 fehlt.
Während die früher beschriebenen Aus führungsbeispiele der Erfindung ein Heizele- ment zeigen, dessen elektrische Anschlüsse an derselben Längsfläche des Heizelementes an geordnet sind, zeigt Fig. 9 ein Ausführungs beispiel, bei welchem diese Anschlüsse sich an gegenüberliegenden Enden des stabförmi- gen Heizelementes befinden, das Element so mit aus einem mittleren Reizteil und zwei Stromeinführungsteilen besteht.
Die hitzebeständige, rohrförmige Schutz hülle 22' ist an beiden Enden mit je einem Rohr 26' gasdicht mittels einer Glasdichtung 25' verbunden, und je eine Anschlusselektrode 34 ist in das offene Ende jedes der Rohre 26' eingesetzt; nach dem Evakuieren in einer der früher an Hand von Fig. 5 beschriebenen ähnlichen Weise wird jede Elektrode 34 mit tels des ringförmigen Lotes 78 mit dem zu geordneten Rohr 26' luftdicht verbunden.
Ein Heizwiderstand 83 ist innerhalb der Hülle 22 im Abstand von den Anschlusselek- troden 34 so angeordnet, dass ihr hocherhitz ter Teil von den Glasdichtungen genügend Abstand besitzt, so dass die letzteren während des Betriebes nicht erweichen. Verbindungs leitungen 81, 82 des Widerstandes 83 sind an ihren freien Enden an die Innenfläche eines zugeordneten Rohres 26' angeschweisst. Ein geeigneter Fangstoff ist gleichfalls einge führt, und das Heizelement wird in ähnlicher Weise zusammengebaut wie beschrieben. Jede der Elektroden 34 ist mit einem ringförmigen Kontakt 79' und einer Kühlscheibe 76 und einer Kontaktmutter 77 versehen.
Ein stabförmiges Heizelement dieser Art kann durch die Öffnung 11' in einer Seiten wand 10 des Ofens eingeführt und durch eine andere Öffnung 11' in der gegenüberliegen den Seitenwand herausgeführt werden, bevor die Teile 79', 76 und 77 auf das eine Ende des Heizelementes aufgesetzt sind. Zwei Asbestringe 75 sind zwischen jedem Rohr 26' und der zugeordneten Öffnung 11' eingesetzt.
Bei der Variante gemäss Fig.10 ist der Heizwiderstand 83 auf einen Isolierstab 84 aufgebracht.
Durch die Anwendung eines geeigneten Fangstoffes kann eine Betriebsdauer von vie len tausend Stunden erreicht werden. Ausser dem wird hierdurch die Herstellung verein facht, da die Evakuierung nicht zu weit ge trieben werden muss und manchmal sogar vollständig fortgelassen werden kann.
Electric heating element. The invention relates to an electrical heating element for operating temperatures above <B> 9000 </B> C and in particular above 11000 C.
It has already been proposed that heating elements of this type with an electrical resistance made of metals with higher melting points, eg. B. tungsten, molybdenum, iridium, platinum, osmium and alloys of two or more of the same, in particular a Wolf ram-molybdenum alloy to produce and to provide the resistor with a shell made of highly heat-resistant material, for. B. of aluminum oxide, magnesium oxide and compounds of these oxides with silicon oxide, such as. B. sillimanite, e.g. B. Mullite (melting point over 18,000 C). Other highly heat-resistant and electrically insulating, in particular ceramic, masses were also used.
But it was difficult to prevent harmful oxidation of the resistance metal at higher operating temperatures and in air or other oxidizing atmospheres.
According to the invention, the heating element has an electrical heating resistor, the melting temperature of which is above the highest operating temperature and which is arranged within a gas-tight, tubular shell that melts over 18000 C, the latter at least at one end is connected gas-tight by means of a glass seal to one of two electrically isolated connection electrodes. Furthermore, the gas-tight enclosed space within the shell and between the connection electrodes contains an at least partially metallic capture material (letter).
The invention will be explained with reference to the drawing, which represents embodiments of the invention.
1 shows a cross section through a melting furnace with inserted heating elements, FIG. 2 shows a longitudinal section through an exemplary embodiment of a heating element and schematically its production, FIG. 3 shows a longitudinal section through another embodiment of the heating element, FIG. 4 shows a cross section along the plane 39 in Fig. 3 by a modification of the heating element shown there, on a larger scale, Fig. 5 shows a longitudinal section through the upper part of a heating element similar to that in Fig. 2, and dashed the upper part of a .tipparates,
which can be used in the production of the heating element, FIG. 6 shows a part of the heating element according to FIG. 5 during its production, FIG. 7 shows another embodiment of the current inlet part of a heating element inserted into a furnace wall, FIG Current lead-in part according to FIG. 7 and a slightly modified way of inserting it into a furnace wall,
9 shows a partial longitudinal section through another embodiment of a heating element which is passed through opposing furnace walls, and FIG. 10 shows a partial longitudinal section through a modified embodiment of the heating element according to FIG.
In Figure 1 is a furnace wall 10 from Kitze = resistant material, such as. B. chamotte shown. The furnace may be used for baking or sintering any objects or for melting or refining metals, metal alloys, glass and the like. At a suitable height above the bottom of the furnace and the objects or the melted material therein, openings 11 are provided in the furnace wall, into which the electrical radiators 12 can be used.
An annular electrode 13 is insulated in each opening, the inner surface of which is provided with a screw thread so that the insertion electrode 14 of the heating element can be screwed into it. An insulated line 15 leads from the contact 13 to the outside to a connection terminal 16.
A part of the heating element 12 extends outward from the contact or electrode 14 and is provided with another connection electrode 17, which is provided with screw thread and may be screwed into another contact 18, the latter via an insulated line 19 to the connection terminal 20 connected is. If the gas filling in the interior 21 of the furnace consists of air, no gas-tight connec tion between the contacts 14 and 13 is required. If another gas filling, e.g. B.
Hydrogen is present or if vapors or gases develop in the furnace during operation that should not escape to the outside, the connection between the contacts or electrodes 14, 13 must be gas-tight; this can be achieved, for example, with a suitable screw thread.
The heating elements in Figures 1 to 3 be made up of two parts. A heating part emits heat, is arranged essentially within the furnace chamber and extends from the end 23 of the heating element approximately to a level 39. The other part (current introduction part) is used to introduce the electrical heating current, contains the connection electrodes (contacts) and their connections and the fasteners of the element.
The heating element according to FIG. 2 has a tube 22 as the outer delimitation of the heating part, which is closed at one end 23 and open at the other end 24. Within the pipe res 22 and at a distance therefrom, another pipe 36 is arranged, which extends on the one hand to near the closed end 23 and on the other hand extends into the insertion part of the heating element. In the cylindri's space between the tubes 22, 36 and between the end 23 and the plane 39, a resistor is arranged, which preferably consists of a wound wire 38.
The latter is connected at one end to another wire 37, which is passed through the tube 36 and at 41 with a tube 32 a related party. The other end of the wound wire 38 is connected by means of the wire 37a outside half of the tube 36 at 40 with a tube 31, for. B. welded.
The power supply part located above the plane 39 has a hollow metal electrode (contact) 27, which has a screw thread 28 on the outside and annular projections 29, 30 projecting in opposite directions. A tube 26 is drawn over the extension 29 and welded or soldered to it in a gas-tight manner; the other end of the tube 26 is connected to the open end 24 of the tube 22 by means of a glass seal 25.
The metal tube 31 is pulled over the approach 30 and welded or soldered gas-tight to this, whereby the Lei device 37a with the approach 30 and the con tact 27 and the metal tube 26, which together form a conductive unit, is electrically connected.
The metal tube 32 is connected at one end in a gas-tight manner to the metal tube 31 by means of a glass seal 33 and at the other end in a gas-tight and electrically conductive manner with the second electrode (contact) 34. The Me tallrohre 31 and 32 are electrically isolated from each other by the glass seal 33; the line 37 can be connected directly to the electrode (contact) 34 instead of at 41; the latter is seen on the outside on the upper, stepped part with screw thread. The electrode 27 corresponds to the contact electrode 14, and the electrode 34 corresponds to the contact electrode 17 of the heating element 12 in FIG. 1.
The shell 22 is to withstand higher operating temperatures and is therefore made of a material with a melting point of over 18000 C, preferably of Alumi niumoxide (A1.0.,) Or a silicate thereof, such as. B. Sillimanit, or Magnesiumoxy d or a silicate thereof, or oxides of thorium, beryllium, zirconium or highly heat-resistant silicates thereof. These oxides or silicates should be as chemically pure as possible and can be used alone or in a suitable mixture.
Oxides or silicates that vitrify at a suitably high tempera ture are particularly suitable because they allow particularly gas-tight parts to be obtained which retain this property for many thousands of hours of operation.
The production of such gas-tight, heat-resistant casings or tubes in ceramic's processes is known.
The inner tube 36 also consists of a highly heat-resistant, electrically insulating material, preferably of the same type as the outer protective sheath 22.
The full operating voltage is between the two lines 37, 37a inside and outside the pipe 36 above the plane 39; the voltage difference then gradually decreases towards the lower end of the tube 36. Therefore, if voltages above about 120 to 240 volts are used, the upper part of the tube 36 is advantageously made of a highly heat-resistant material of higher electrical insulation than the lower part of the tube 36 within the actual borrowed heating zone; z.
B. may be the part of the raw res 36 within the power supply zone from Berylliiim.oxyd, which has a very high insulation resistance, while the remaining part of the tube of aluminum oxide or silicate or another of the previously mentioned heat-resistant materials may exist. The production of such composite tubes in ceramic processes from various slips is known.
The resistor 38 and the supply lines 37, 37a can consist of the same wire, the material of which is selected so that it can withstand the highest operating temperature. For operating temperatures that do not exceed 11000 C, a nickel-chromium alloy or platinum can be used. If the wire is made of molybdenum, operating temperatures over 1300 to 15000 C can be managed, and molybdenum-tungsten alloys (the two components advantageously in the same quantities) as well as pure tungsten, iridium, osmium and their alloys can reach even higher temperatures.
The heating resistor 38 can also be produced in a known manner; If desired, different pitches of the windings can be used in order to realize a desired heating law. If substantially the same temperatures are generated over the length of the tube 22 should len, the heating coil is designed with the same pitch of its turns. If, for example, the temperature near the plane 39 should be lower than near the lower end of the shell 22, the pitch of the turns near the plane 39 can be greater than that over the remaining length of the resistor; This can also prevent overheating of the heating element near its storage in the furnace wall.
The tubular part 26 is preferably made from a heat-resistant nickel-iron alloy or a nickel-cobalt-iron alloy. To solder the tubular parts 26, 31 to the extensions 29, 30, for example, a hard solder or silver solder which flows at about 630 to 9600 ° C. can be used. The. Terminal electrode 27 may be made of suitable metal or an alloy, such as. B. Nickel, bronze, Monel metal and stainless steel.
The seal 25 between tween the tube 26 and the end 24 of the tube 22 is made of suitable glass whose coefficient of thermal expansion approximates that of the metal and the ceramic mass or is the same; Glass types that meet these requirements are known.
The tube 32 can be made of the same Me tall or the same alloy as the tube 31; Since the tube 32 is not very hot, any other metal can be used whose thermal expansion does not differ too much from that of the tube 31. The glass seal 33 between the tubes 31, 32 should consist of a type of glass whose thermal expansion is as equal as possible to that of the two metal tubes.
The electrode 34 is provided with a bore 35 and welded or soldered into the open end of the raw 32 res. The borehole 35 is closed externally by the solder 42. When assembling the heating element, the tube 26 is first connected to the tube 22 in a gas-tight manner by inserting a hollow cylindrical pressing head 99 (FIG. 6) into the interior of the tube 26 and by pulling another hollow pressing head 98 over the outside of the tube 22;
the two press heads are pressed against the molten or plastic glass 25 between the tubes 22, 26 and the glass provides the desired gas-tight seal after cooling.
The tubes 31, 32 are connected to one another in a similar manner. The parts 37, 37a, 38 are made of one piece. The tube 36 is slipped over the connecting wire 37 and the connecting wire 37a is welded to the inside of the tube 31 at 40, while the end of the wire 37 is welded to the inside of the tube 32 at 41.
Then the free end of the pipe res 26 is placed over the extension 29, then the prepared heating insert, that is, the parts 31, 32, 33, 36, 37, 37a, 38 attached to one another are inserted into the pipe 22, the open end of the Tube 31 over the approach; 30 turned over and the ends of the tubes 26, 31 welded or soldered to the projections 29 and 30, for example by bringing an induction coil 85 into the position shown in FIG. 2 and supplying; Induction current, preferably high frequency current, to the coil.
The tube 26 can also be welded or soldered to the electrode 27 before the heating insert is placed over the part 30.
Finally, the electrode 34 is inserted into the upper end of the tube 32 and welded or soldered by induction heating in.
A heating element for operation at temperatures up to about 1300 and 1500 C can for example have a protective cover 22 (Fug. 2) with a wall thickness of about 2 mm and an inner diameter of about 6 to 13 mm, while the outer diameter of the resistor 38 about 1 to 0.3 mm smaller than the inner diameter of the protective cover 22.
At the higher operating temperatures for which the heating element is intended, the resistor 38 can easily be destroyed by Oxy dation, which is caused by vapors or moisture in the tube 22 and in the current introducing part; Gases or vapors absorbed by the wires and other parts of the heating element can also be released during operation and oxidize the heating resistor.
There is therefore in the gas-tight enclosed space of the heating element a catch material (letter), which removes such vapors and gases, that is, absorbs or chemically binds.
If the operating temperature does not exceed around 900 to 11000 C, phosphorus, barium and sodium can be used as catching material. For example, red phosphorus can be finely divided with a volatile organic liquid, such as e.g. B. alcohol or acetone, or mixed with water, so that a paste-like silt is obtained, which can be applied to the windings of the resistor 38. The coil is then heated to a temperature between about 100 to 2000 C, whereby the binder evaporates and the catch material remains on the heating coils. By roughening the wire surface, the adhesion of the catch material can be improved.
The catching material can be applied to the coil in air before it and the tube 36 are passed into the tube 22. Barium can be brought in in the form of pills such as these are commercially available. A mixture of barium and magnesium powder compressed into small tablets is particularly effective. The pills or tablets can be inserted within the tube 22 near the plane 39 above the end of the resistor 38. At higher operating temperatures, as mentioned earlier, catch materials, such as. B. zirconium, which melts at 15,300 C, and thorium, which melts above 18450 C, are particularly suitable.
To prevent the metallic catching material from short-circuiting turns of the stimulus resistor 38, the powdery thorium or zirconium is mixed with powdery aluminum oxide, thorium oxide, zirconium oxide or other highly heat-resistant and insulating oxides, and a slurry is formed from it by adding a volatile one Binder of the type mentioned earlier, the mud applied to the wire 38 and heated until the binder is driven out and the mixture of catching material and insulating material on and between the preferably roughened turns of the wire 38 remains.
This heating is carried out before the resistor 38 is inserted into the sheath 22. Instead of bringing the catching material on or between the turns of the heating resistor, it can also be applied to the inside of a connection electrode or the tube 22. If the capture material is mixed with insulating material in a powdery state, its sintering can either be left to heating at the start of operation or carried out beforehand at the end of the manufacturing process for the heating element. The powder of the trapping material and the insulating material can be mixed in the same amounts or in another suitable ratio in order to achieve the desired getter and insulating effect.
For example, if zirconium and aluminum oxide are used in powder form, a mixture of about <B> 357 </B> zirconium and about 65 aluminum oxide has proven particularly useful.
After this assembly, the heating element is inserted into a vacuum chamber 46, which is indicated by dashed lines in FIG. A tube 47 connects the chamber to a vacuum pump, and an induction coil 43 inside the chamber is connected by iso-profiled lines 44, 45 with feeds outside the chamber for the heating current (high-frequency induction current). A still ring-shaped solder (42) is placed on the end of the connection electrode 34 before the chamber 46 is closed after the heating element has been introduced into the same.
When the chamber 46 is then evacuated, air, moisture and other gases from the interior of the heating element are sucked out through the bore 35 and opening in the ring 42. A vacuum of a few millimeters to a fraction of a millimeter should be achieved at the end of the evacuation process. Thereafter, induction current is introduced into the coil 43 and the electrode 34 and the solder are heated, whereupon the molten solder closes the outer end of the bore 34. After switching off the induction current and cooling the solder 42, the evacuation is interrupted, air is let into the chamber 46 and the finished heating element is removed.
In Fig. 5, a modification of the current introduction part of the heating element is shown. The tubes 26, 31 are fitted into recesses 86, 87 on the inside of the lugs 88, 89. The tube 26 preferably consists of a heat-resistant nickel-cobalt-iron alloy and the tube 31 consists of an iron-nickel alloy. The tube 26 is first welded to the electrode 27 with copper; the tube 26 is then connected to the tube 22.
5 also shows another connection between the connection electrode 34 and the tube 32, in which an annular solder 78 is inserted between the projecting edge of the tube 32 and an annular projection of the electrode 34.
The heating element is then placed in a glass container 90, the inside diameter of which is somewhat larger than the outside diameter of the screw thread 28, and a stopper 91 is pressed into the open end of the container 90. A glass tube 92 is lift-tight through an opening in the stopper 91, see ver with a tap and verbun with a vacuum pump.
The container 90 is then evacuated and moisture and gases are sucked out of the interior of the heating element through the fine gap between the electrode 34 and the inside of the tube 32. After evacuation, an induction coil 93 is pushed outside over the container 90 to the level of the electrode 34, induction current is conducted and the electrode 34 is heated to a temperature at which the solder 78 melts and the fine gaps between the electrode and the tube 32 closes.
In Fig. 3 the parts corresponding to Fig. 2 are provided with the same transfers, for which the description belonging to Fig. 2, also with regard to manufacture, applies.
One. Insulating tube 36a is arranged within protective tube 22 and the wire 37 of 41 through tubes 32, 36a and a further insulating tube. 50 led. A resistor 38a is connected to the wire 37 at 48 at the lower end of the tube 36a and runs upwards and is connected to the electrode 37 by a line 54. The other end of the wire 37 is connected to a second resistor 51, the upper end of which is verbun through a line 52 within an insulating tube 53 to the electrode 27.
The tubes 26, 31 according to FIG. 2 are combined in a tube 31a, the latter carrying the annular electrode 27 and protruding on both sides of the latter. The electrode 27 can be omitted and the outer surface of the tube 31a can be used as a connection contact. The resistors 38a, 51 are thus connected in parallel and are fed by the connection electrodes 37, 34. In a similar way, more than two heating resistors can be arranged within the protective cover 22 and operated in parallel.
The cross-sections of the wires which form the coils 38a, 51 can be the same or different, so that the desired heating effect is obtained over the length of the heating zone of the heating element.
4 shows a cross-section in plane 39 through the heating element according to FIG. 3, with the following modifications: Instead of two tubes 36a, 53, a single insulating piece 73 is used, which has two parallel bores 74. Through the latter, the wires 37 and 52 are passed, and outside the insulating piece, the resistor 38a is arranged on. In Fig. 7, the furnace wall 10 may be vertical, inclined, or it may belong to the top of the furnace.
A bore 11 in the wall 10 has towards the outside, here above, larger diameter than the inside, and the tube 26 is in the further part of the bore 11 is, while the tube 22 fits into the narrower part and protrudes from this into the furnace chamber .
The connection electrode 27, the tubes 31, 32 and the connection electrode 34 are arranged outside of the furnace wall; the electrode 34 is provided with screw thread and two screw nuts 77 for attaching the electrical rule's lead. An annular contact 79 is screwed onto the connection electrode 27 and connected to a lead 80. A cooling disk 76, e.g. B. made of copper, is welded or soldered to the contact 79.
A heating element of this type can be easily positioned and replaced, and the leads can be easily connected to it. Fig. 8 shows a similar arrangement of the heating element in the wall 10. Here, in the narrower part of the cylindrical opening 11, a flexible and hitzebestän ended material between the tube 26 and the inner surface of the opening 11 is used, for. B. Asbestos. The disk 76 is used for air cooling in the same way as in FIG. 7, and the part 27 rests on the wall 10; Part 79 is missing.
While the exemplary embodiments of the invention described earlier show a heating element, the electrical connections of which are arranged on the same longitudinal surface of the heating element, FIG. 9 shows an embodiment in which these connections are located at opposite ends of the rod-shaped heating element Element consists of a middle stimulus part and two current introduction parts.
The heat-resistant, tubular protective sheath 22 'is connected at both ends to a tube 26' in a gas-tight manner by means of a glass seal 25 ', and a respective connection electrode 34 is inserted into the open end of each of the tubes 26'; after evacuation in a manner similar to that described earlier with reference to FIG. 5, each electrode 34 is connected airtightly by means of the annular solder 78 to the pipe 26 'to be assigned.
A heating resistor 83 is arranged within the sheath 22 at a distance from the connection electrodes 34 so that their highly heated part is sufficiently far away from the glass seals so that the latter do not soften during operation. Connecting lines 81, 82 of the resistor 83 are welded at their free ends to the inner surface of an associated tube 26 '. Suitable capture material is also introduced and the heating element is assembled in a manner similar to that described. Each of the electrodes 34 is provided with an annular contact 79 ′ and a cooling disk 76 and a contact nut 77.
A rod-shaped heating element of this type can be inserted through the opening 11 'in a side wall 10 of the furnace and passed out through another opening 11' in the opposite side wall before the parts 79 ', 76 and 77 placed on one end of the heating element are. Two asbestos rings 75 are inserted between each tube 26 'and the associated opening 11'.
In the variant according to FIG. 10, the heating resistor 83 is attached to an insulating rod 84.
By using a suitable capture material, an operating time of many thousand hours can be achieved. In addition, this simplifies production, since the evacuation does not have to be driven too far and can sometimes even be omitted completely.