Heizleiteranordnung aus Kohle- oder Graphitstäben Zum Erreichen sehr hoher Temperaturen kann in elektrischen Öfen bis auf wenige Ausnahmen fast nur Graphit oder Kohle als Werkstoff für die Heiz- leiter genommen werden. Dabei besitzt Graphit den Nachteil geringer mechanischer Festigkeit bei gleich zeitig geringem spezifischem elektrischem Wider stand. Die Benutzung von Heizleitern mit grossem Querschnitt zum Ausgleichen der geringen mechani schen Festigkeit zwingt zur Anwendung geringer Spannungen und hoher Stromstärken.
Da bei Tempe raturen oberhalb etwa 1500 C kein elektrisch isolie rendes Material für technische Zwecke zur Halterung existiert, müssen die Heizstäbe oder Heizrohre ein zeln mit beiden Enden isoliert aus dem Heizraum ausgeführt und in der kälteren Zone elektrisch ver bunden und mechanisch gehalten sein. Bei Labor öfen ist das Heizelement im allgemeinen als Rohr aus Graphit oder Kohle ausgebildet.
Neben dem ausschliesslichen Verwendungsgebiet von Graphit als Heizleiter für höchste Temperaturen wird Graphit oder Kohle speziell aber noch bevorzugt auch bei mittleren Temperaturen als Heizleiter ver wendet, wenn im Ofenraum höchste Reinheit ge wahrt bleiben soll. Dies trifft z. B. für die Erzeugung und Behandlung von Halbleiterwerkstoffen zu.
Um bei Verwendung von nicht zu dünnen Heiz- stäben trotzdem eine gewisse Spannung zu erreichen, wurde schon vorgeschlagen, Graphitstäbe so zu schichten, dass durch die hohe Zahl von kleinen Be rührungspunkten eine befriedigende Erhöhung des Widerstandes bewirkt wird. Dadurch fliesst der Strom jedoch nicht mehr längs in den Graphitstäben.
Gegenstand der Erfindung ist eine Heizleiter- anordnung aus einer oder mehreren Reihen von Kohle- oder Graphitstäben, die dadurch gekennzeich net ist, dass die Stäbe abwechselnd in ihrer Mitte und an ihren beiden Enden mechanisch fest durch Kontaktstücke miteinander verbunden sind.
Beiliegende Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar.
Die Fig. 1, 2 und 3 sind schematische, perspek tivische Darstellungen dieser Ausführungsformen.
Bei den gezeigten Ausführungsformen der Er findung wurde zur Vermeidung der obgenannten Schwierigkeiten eine selbsttragende oder hängende Heizleiteranordnung aus einer oder mehreren Reihen von Kohle- oder Graphitstäben gefunden, welche ab wechselnd in der Mitte und an beiden Enden mecha nisch fest durch Kontaktstücke 1 miteinander ver bundene Kohle- oder Graphitstäbe 2 enthält. Dabei können die Heizstäbe 2 parallel angeordnet sein und lotrecht oder waagrecht liegen.
Dadurch ist ein .sich selbst tragendes Gerüst nur aus Kohle oder Graphit gegeben, bei dem der Strom gezwungen wird, in den Stäben in deren Längsrich tung zu fliessen. Fernerhin ist es möglich, bei hohem Querschnitt der Heizstäbe und damit guter mechani scher Festigkeit der Heizanordnung einen solch ho hen elektrischen Widerstand der Heizstabreihe zu erreichen, dass mit hoher Spannung und mit erstaun lich hoher elektrischer Leistung gearbeitet werden kann.
Derartige Heizstabreihen können im Ofen auf sehr verschiedene Art als Heizgitter angeordnet sein. Die sicherste Gewähr gegen Umklappen bietet die hängende Anordnung, jedoch wird z. B. auch da durch eine gute Stabilität bewirkt, dass zwei Heiz- leiterstabreihen im Winkel zueinander angeordnet sind und jeweils mit den Stäben 2 gleicher Höhenlage das im Winkel befindliche Kontaktstück 3 gemein sam haben (Fig. 2). Die Öffnung dieses Winkels wird den zu bildenden Mehrecken angepasst und steht dazu in einem entsprechenden Verhältnis. Als Material für die Kontaktstücke 1 kommt ebenfalls Graphit oder Kohle in Frage.
Im einfach sten Falle werden Kontaktstücke von grösserem Durchmesser als dem der Heizstäbe gewählt, wel che eine Bohrung des gleichen Durchmessers wie die Heizstäbe enthalten. In diese Bohrungen werden die Heizleiterstäbe passend eingeschoben.
Um eine einfache Stromführung zu erreichen, können auch zwei aus zwei oder mehr Heizleiter- stabreihen gebildete Winkel mit ihrer Öffnung zu einander isoliert gegenübergestellt werden. Dabei bil den je zwei im Winkeleck 3 verbundene Heizleiter- stabreihen 2 (nach Fig. 1) ein Vier- oder Mehreck, bei dem lediglich die Heizleiterstäbe 2 in der obersten Lage 4 mechanisch verbunden sind und die Strom zuführungen 5 an der untersten Stablage 6 oder den untersten Kontaktstücken 7 anschliessen (Fig. 3).
Die Form der gebildeten Vielecke kann ein Drei eck, Viereck oder Mehreck sein. Bei der Verwendung einer vieleckigen Anordnung werden geradzahlige bevorzugt, beispielsweise Vier-, Sechs-, Acht- usw. -Ecke. Ein ungerades Vieleck kann dadurch trotz der verwendeten geradzahligen Heizleiterstabfolge er reicht werden, dass in der obersten Heizleiterstablage zur ringförmigen Verbindung ein zusätzlicher Stab eingefügt wird.
Ebenso ist es möglich, aus derartigen Winkeln mechanisch stabile Drei- oder Mehrecke zu bilden. Dabei sind mindestens drei Heizleiterstabreihen mit einander verbunden und bilden ein Mehreck, wel ches am oberen Ende mit einem zweiten, wenig grösseren, elektrisch isoliert herum angeordneten Mehreck verbunden ist und die Stromzuführungen an der untersten Stablage oder den untersten Kon taktstücken anschliessen.
In den meisten Fällen wird man die Stromzufüh rungen vorteilhaft gleichzeitig als mechanisch tra gende Halterung ausbilden. Dies kann auch so ge schehen, dass bei hängender Anordnung der Strom oben zugeführt wird.
<I>Beispiel</I> Unter eine quadratische Eisenplatte von 120 cm Seitenlänge mit zwei Bohrungen von je 120 mm Durchmesser im mittleren Abstand zueinander von 72 cm sind elektrisch isoliert zwei Kupferscheiben als Stromzuführung angeschraubt. Mit den Kupfer scheiben verschweisst ragen durch die Bohrungen über die Eisenplatte 6 cm hoch je ein Zylinder aus Kupfer. Diese Zylinder haben die Aussenform von Graphitnippeln, wie sie allgemein zum Verschrauben von Graphitelektroden mit 100 mm Durchmesser verwendet werden und sind innen wassergekühlt. Auf diese Kupfernippel wird je ein Stumpf einer Graphitelektrode von<B>100</B> mm Durchmesser mit 35 cm Länge aufgeschraubt.
Die Graphitstäbe sind gegen die eiserne Bodenplatte isoliert und tragen auf einem konischen Zapfen aufgesetzt je einen kurzen Querstab aus Graphit von 30 mm Durch messer und 30 cm Länge. Auf die Enden dieser Querstäbe sind senkrecht stehende kurze Verbin dungsstücke aus Graphit von 40 mm Durchmesser mit einer Bohrung von 30 mm aufgeschoben. Diese vier hochstehenden Verbindungsstücke tragen die vier untersten Heizstäbe von 20 mm Durchmesser und je 50 cm Länge in deren Mitte. Dabei sind die zu einer Stromzuführung gehörenden zwei Heizstäbe je weils durch ein gebohrtes, aufgestecktes Graphit stück im Winkel von 90 fest verbunden.
Dieses Graphitstück und zwei auf die freien Enden der Heizstäbe aufgesteckte Graphitstücke stellen die Ver bindung zur nächst höheren Heizstablage her, die sich in 60 mm lichtem Abstand befindet. Die Ver bindung von dieser zweiten zur nächst höheren drit ten Heizstablage ist wiederum je ein gebohrtes Gra- phitstück von 40 mm Durchmesser genau in der Mitte der 50 cm langen Heizstäbe.
Bei den ins gesamt acht Heizstablagen wechseln die Verbindun gen von Lage zu Lage, so dass die Stäbe abwechselnd einmal in der Mitte und einmal an beiden Enden verbunden sind, wobei das gemeinsame Eckstück der beiden den Winkel bildenden Stabreihen diese gleichzeitig zueinander im Winkel fixiert. Die Stabi lität der Anordnung lässt sich zusätzlich noch da durch erhöhen, dass alle Verbindungsstellen mit Kunstharz, z. B. der Kombination Phenol-Formalde- hyd, verklebt werden.
Beide so dargestellten Winkel aus je zwei Heizstabreihen sind nur oberhalb der obersten Heizstablage durch verlängerte Graphit stäbe von 30 mm Durchmesser und 60 cm Länge und durch Graphiteckstücke miteinander verbunden.
Der Heizraum, der nach oben offen ist und mit beliebigem zu beheizendem Gut beschickt werden kann, wird von einer Haube abgeschlossen, die aus einer inneren Schicht von Kohlenstoffsteinen, auf de nen eine Kohlenstoffdeckplatte ruht, besteht und ringsherum von Russ umgeben ist. Diese Schutzanord nung befindet sich in einem Blechmantel und kann auf einer eigenen Bodenplatte abgehoben werden. Der Boden unter der Heizstabanordnung wird 15 cm hoch mit Russ bedeckt, wobei der Kontakt mit den Stromzuführungselektroden durch ein herübergescho- benes Kohlenrohr von 125 mm lichter Weite ver hindert wird.
Diese Heizleiteranordnung kann unter Schutzgas mit einer Heizleistung von 200 kW bei einer Span nung von 80 V und 2500 Amp. bis zu einer Tem peratur von 2500 betrieben werden. Bei weiterer Temperatursteigerung bis auf oberhalb 2700 wird vorsichtshalber die Heizleistung reduziert, so dass zu dieser letzten Temperatursteigerung ein grösserer Zeitraum benötigt wird. Bei Einhaltung einer redu zierenden Atmosphäre oder bei Anwendung von Schutzgas kann nach dem Versuch an den Stäben keine Abnahme des Durchmessers beobachtet wer den. Die Übergänge an den Kontaktstücken zeigen noch den vollen Glanz der ursprünglichen Ober fläche.
Bei Vergrösserung der Ofendimensionen kann zum Arbeiten bei gleicher oder etwas höherer Span- nung die Länge der Heizstäbe in etwa gleichem Verhältnis wie deren Querschnitt erhöht werden, so dass durch das zunehmende Gewicht keine Bruch belastung entsteht. Es ist also möglich, die Ofen dimensionen beliebig zu vergrössern. Eine Begren zung nach oben besteht nicht.