DE102014014069A1

DE102014014069A1 - Hochleistungsheizer

Info

Publication number: DE102014014069A1
Application number: DE102014014069.5A
Authority: DE
Inventors: Lothar Scheibl; Rudi Caspers; Olaf Neubauer
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2016050229A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kompakten Hochleistungsheizer zum Aufheizen von Werkstoffobjekten auf Temperaturen oberhalb von 1800 K. Der Heizer weist wenigstens zwei oder mehr benachbart zueinander angeordnete Heizlagen mit wenigstens einem gewendelten Heizdraht in einer bestimmten Anordnung auf. Die Anordnung des gewendelten Heizdrahtes in einer ersten Heizlage ist derart versetzt zur Anordnung in einer benachbart angeordneten Heizlage vorgesehen, dass durch sie die Zwischenräume des gewendelten Heizdrahtes in der ersten Heizlage überwiegend abgedeckt werden. Vorteilhaft ist als Anordnung für die gewendelten Heizdrähte die Form einer gegenläufigen Schnecke vorgesehen. Der erfindungsgemäße Heizer weist durch seine sehr kompakte Bauweise eine Flächenleistung von mehr als 500 kW/m2, und insbesondere bis zu 1 MW/m2 auf, und ist damit vorteilhaft geeignet, Untersuchungen an hochtemperaturbelasteten Werkstoffproben, insbesondere auch im Vakuum durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizer zum Temperieren bzw. Aufheizen von Werkstoffen und Proben bis weit über 1800 K, vorteilhaft insbesondere zu Analysezwecken, und insbesondere im Vakuum.
Stand der Technik
Im Zuge der Erforschung von Materialien, die bei ihrem Einsatz hohen thermischen Ansprüchen genügen müssen, entsteht die Notwendigkeit, diese unter adäquaten Bedingungen im Vorfeld zu testen. So dienen beispielsweise Elektronenstrahlanlagen der Simulation von sehr hohen thermischen Betriebsbelastungen an Werkstoffen und Werkstoffverbunden für moderne Energieerzeugungsanlagen. Typische Anwendungen sind Wandmaterialien zukünftiger Fusionsanlagen oder Oberflächenbeschichtungen von Gasturbinen.
Die Oberflächenbelastungen können beispielsweise mit Hilfe eines Elektronenstrahls erzeugt werden, der mit hohen Frequenzen die Oberfläche der Probe abrastert. Neben quasi-kontinuierlichen und zyklischen Belastungen (thermo-mechanische Ermüdung) im thermischen Gleichgewicht, die vorwiegend zur Untersuchung der Integrität von Werkstoffverbunden dienen, können auch impulsartige Belastungen mit der Dauer von wenigen Millisekunden angewendet werden, die zur Aufbringung hochenergetischer Thermoschocks auf den zu testenden Werkstoff dienen.
Im Zuge der Forschung zur Plasma-Wand-Wechselwirkung (PWW) bei Fusionsreaktoren werden verschiedene Werkstoffe hinsichtlich ihres Verhaltens bei der Belastung durch ein Plasma untersucht. Maßgeblich handelt es sich hierbei um ein Wasserstoff- bzw. Deuteriumplasma, das in der Regel frontal auf die Werkstoffprobe geführt wird und so u. a. zu einem Wasserstoffinventar im Material führt. Die Quantität und Dichte wird in verschiedenen Analyseverfahren durch Freisetzen des Inventars festgestellt. Hierfür hat die Probe idealerweise eine frei wählbare, aber konstante Temperatur, mit oder ohne Plasmabeaufschlagung oder während der Analyse. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Probe und Plasmaquelle (Biasing) kann vorteilhaft die Ionengeschwindigkeit des Plasmas und damit die Aufschlagenergie und Eindringtiefe variiert werden.
Insbesondere hieraus ergibt sich die Forderung nach einer Einrichtung, die in der Lage ist, einen Werkstoff bzw. eine Probe des Werkstoffes gegebenenfalls auch im Vakuum auf eine Temperatur oberhalb von 1800 K zu erhitzen und zu halten.
Durch die Randbedingung des Vakuums ist beispielsweise eine Erhitzung mittels Gasflamme oder vergleichbarer Verfahren nicht möglich. Eine Erhitzung durch Infrarotstrahlung oder Mikrowelle hat den Vorteil, dass sie nicht unmittelbar in der Nähe des zu erhitzenden Objekts (Werkstoffprobe) angeordnet sein muss. Der Zugang zu einem zu testenden Objekt ist zudem häufig nur bedingt möglich ist, da üblicherweise in einem Prüfaufbau die verfügbaren Abmessungen und Zugänglichkeiten mehr oder weniger eingeschränkt sind, zumal eine Minimierung der an das Objekt angrenzenden Flächen anzustreben ist. Da die Rückseite der Probe in der Regel durch eine Halterung abgedeckt ist, steht sie für einen derartigen Leistungseintrag nicht zur Verfügung.
Somit ist die Einkopplung der Leistung zur Erhitzung des Objekts nur über die zu analysierende Oberfläche möglich. Reflexionen, eine Beeinflussung eingesetzter Manipulatoren oder Plasmen in diesem an die Objektoberfläche angrenzenden Raum kann insofern nicht ausgeschlossen werden. Eine mögliche Verfälschung der Messergebnisse könnte die Folge sein.
Bekannt sind handelsübliche Flächenheizungen, die auch für den Vakuumbereich geeignet sind. Sie weisen in der Regel einen glatten Widerstandsdraht aus verschiedenen Materialien auf, der in Form eines Mäanders angeordnet ist oder die Keramikbauteile, wie beispielsweise Keramikhülsen umwickelt. Diese Heizungen sind meist einschließlich einer entsprechenden Isolierung, sofern notwendig, fertig konfektioniert erhältlich, und können nach ihrer Fixierung sofort eingesetzt werden. Es lassen sich Ausführungen für atmosphärische Öfen oder den Einsatz im Vakuum finden. Zum Teil ist hier auch die Rede von 3D-Konturen, wobei es sich bei näherer Betrachtung häufig nur um die Anpassung einer Heizfläche an die Oberfläche einer 3D-Kontur handelt.
Als Material für Heizwiderstände kommen je nach Anwendung meist spezielle Heizleiterlegierungen oder Widerstandslegierungen zum Einsatz, die einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand besitzen, den für einige Anwendungen notwendigen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Während beispielsweise Wolfram für Glühwendeln bei Abwesenheit von Sauerstoff verwendet wird, bieten sich für Anwendungen unter Luftsauerstoff eher Nickel-Eisen-Legierungen an.
Die Form und Einbettung der Heizwiderstände hängt unter anderem auch von der Art der Wärmeübertragung (Wärmestrahlung, Wärmeleitung und/oder Konvektion) ab.
Ferner sind frei formbare Rohrheizkörper erhältlich, deren maximale Oberflächentemperatur gegenüber der Atmosphäre bei einer Leistung von ca. 1,5 kW/m² mit 1300 K angegeben ist.
Im Bereich Vakuum und Probenheizung sind zudem Heizer erhältlich, die laut Datenblatt typischerweise eine Leistung von bis zu 200 kW/m² bei einer Oberflächentemperatur von 2100 K zur Verfügung stellen. Diese Heizer sind einlagig als Mäander oder Schnecke aus beispielsweise dünnschichtigem pyrolytischem Graphit ausgeführt.
In EP 0 927 504 A1 ist beispielsweise ein Heizleiter für ein Kochfeld dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine dünne Folie, die zwecks besserer Handhabbarkeit quer zu den Heizsträngen dünnwandige Stege aufweist, die zunächst die Heizstränge quasi brücken, aber bei der Inbetriebnahme durch Überhitzung aufgetrennt werden. Es handelt sich hierbei um einen zweidimensionalen Aufbau eines Heizers, der die für die Erwärmung von Lebensmitteln notwendige Heizleistung erbringt.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heizer zur Aufheizung fester Werkstoffe und Objekte auf Temperaturen oberhalb von 1800 K bereitzustellen, der sich idealerweise abhängig vom aktuellen Leistungsbedarf und durch die Temperaturvorgabe der jeweiligen Anwendung und zur Deckung der Strahlungsverluste extern regeln lässt. Zudem sollte der Heizer eine hohe Leistungsdichte aufweisen, und durch seinen gleichmäßigen Leistungseintrag lokale Überhitzungen an der aufzuheizenden Probe vermeiden und vorteilhaft auch im Vakuum einsetzbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Heizer gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Heizers finden sich in den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizer in Form einer Widerstandsheizung zur Erzeugung von Oberflächentemperaturen bis 2500 K, um so einen Werkstoff, insbesondere ein Objekt aus einem zu testenden Werkstoff, auf Temperaturen bis zu 1800 K aufheizen zu können. Der erfindungsgemäße Widerstandsheizer umfasst wenigstens einen Heizwiderstand in Form einer Wendel. Dieser erhitzt sich sobald er von elektrischem Strom durchflossen wird.
Unter einem Objekt wird im Rahmen der Erfindung eine metallische Werkstoffprobe verstanden. Die Werkstoffprobe kann dabei insbesondere reines Wolfram oder Wolfram-Legierungen, ferritisch-martensitischen Stähle mit 7–10 Gew.-% Cr, wie beispielsweise EUROFER97 oder F82H-mod, Beryllium oder sonstige für die Fusionstechnologie interessanten Materialien umfassen.
Das Objekt weist als Werkstoffprobe dabei typischerweise aber nicht zwingend eine zylinderförmige Geometrie mit einem Durchmesser von ca. 10 bis 60 mm bei einer Dicke von ca. 1 bis 5 mm auf.
Durch die Kompaktheit des erfindungsgemäßen Widerstandsheizers, die aus zwei oder mehreren Heizlagen besteht, ist es möglich, sie direkt in eine Objekthalterung zu integrieren und so eine unmittelbare Ankoppelung der Oberflächen von Heizer und zu testendem Objekt und hierdurch einen konzentrierten Wärmeeintrag mit relativ geringen Übergangsverlusten zu erzielen.
Bei dem erfindungsgemäßen Widerstandsheizer handelt es sich um einen resistiven Heizer. Intern fungiert der Heizer überwiegend als Strahlungsheizer, da prinzipiell die möglichen Punkte einer flächigen Berührung (Körperkontakt) zur direkten Wärmeleitung zwischen Heizer und Gehäuse bezüglich Fläche und Anzahl gering sind. Die direkte externe Kopplung nutzt sowohl die direkte Wärmeübertragung des Gehäuses mit dem Objekt als auch die Strahlung, wobei bei Einsatz im Vakuum eine Wärmeübertragung naturgemäß nur begrenzt möglich ist.
Der Heizwiderstand liegt überwiegend in Form einer Heizwendel (zumindest abschnittsweise gewendelter Heizdraht) vor, die freitragend vorliegt und in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet ist. Mit zumindest abschnittsweise ist hier gemeint, dass der Heizdraht in einer Heizlage zwar überwiegend als Wendel vorliegt, die Bereiche des Heizdrahtes, die der Zu- und Ableitung zur Kontaktierung nach draußen dienen, vorzugsweise jedoch nicht gewendelt vorliegen können.
Die maximal erreichbare, interne Temperatur des Widerstandsheizers wird durch das Material des Heizdrahtes vorgegeben. Geeignet als Heizdraht sind insbesondere Metalle, deren Schmelzpunkte deutlich oberhalb von 2500°C liegen, wie beispielsweise Molybdän (T_Smp = 2.623°C), TZM, ML, Tantal (T_Smp = 3.020°C) oder Wolfram (T_Smp = 3.422°C). Unter TZM wird ein mit Titan-Zirkonium-Karbid mikrolegiertes Molybdän verstanden, welches die folgende Zusammensetzung aufweist: 0,4–0,55 Gew.-% Ti, 0,06-0,12 Gew.-% Zr, 0,01-0,04 Gew.-% C, Rest Mo). Unter ML wird ein mit Lanthanoxid dotiertes Molybdän verstanden, welches durch einen abgestimmten Herstellprozess zu einem gestreckten Gefüge mit fein verteilten La₂O₃-Partikeln (ca. 0,2-0,7 Gew.-% La₂O₃) im Molybdän führt.
Eine Einschränkung der Heizertemperatur kann beispielsweise durch die Umhüllung des Heizdrahtes, bzw. der Heizwendel stattfinden. Da in der Regel die Außenfläche der Umhüllung kühlere Umgebungsflächen berührt bzw. Wärme abgestrahlt werden kann, wird die mittlere Temperatur der Umhüllung während des Heizbetriebs üblicherweise unter der des eigentlichen Heizelementes liegen.
Die vorgenannten Temperaturen lassen sich allerdings nur im Vakuum über einen längeren Zeitraum realisieren, da die thermische Belastung unter atmosphärischen Bedingungen zu einer massiven Oxidation, zu einer Veränderung der Strukturen und letztendlich zu einer Verbrennung des Heizdrahtes führen würde.
Gemäß Herstellerdaten wird die maximale Einsatztemperatur für Molybdän mit 1900°C angegeben. Die empfohlene Einsatztemperatur für TZM liegt zwischen 1000 und 1400°C und für LM bis zu 1500°C. Bei höheren Einsatztemperaturen kann alternativ auf Tantal oder Wolfram ausgewichen werden.
Für den erfindungsgemäßen Widerstandsheizer ist als Material für den Heizwiderstand (Heizdraht) daher insbesondere Wolfram geeignet, da es sich im Vakuum bis zu sehr hohen Temperaturen aufheizen lässt, ohne zu schmelzen.
Die Heizdrähte können dabei mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 bis 1 mm, vorteilhaft mit einem Durchmesser von 0,3 bis 0,8 mm eingesetzt werden.
Die Gleichgewichtstemperatur stellt sich ein, wenn die im Heizdraht erzeugte Wärmemenge und die abgeführte Wärmemenge gleich sind.
Um eine möglichst hohe Leistungsdichte des Widerstandsheizers zu erreichen, ist die Abstrahlfläche des Heizelementes selbst vorteilhaft zu maximieren. Damit ergeben sich verschiedene Anforderungen an die Geometrie des Heizdrahtes. Zwecks Maximierung der Oberfläche des Heizelementes wird erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise ein gewendelter Draht (Heizwendel) mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 bis 1 mm, typischerweise von ca. 0,5 mm eingesetzt. Der Durchmesser der Wendel liegt dabei im Bereich von 1,0 mm bis 5,0 mm, vorteilhaft im Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm bei einem Drahtdurchmesser im vorgenannten Bereich.
Der Maximierung der Volumenfüllung durch Draht sind mechanische und elektrische Grenzen gesetzt. Der minimale bruchfreie Biegeradius ist durch die Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes vorgegeben und gibt damit zwangsläufig den minimal möglichen Durchmesser der Wendel bei einem gegebenen Drahtdurchmesser (Kernfaktor) vor.
Die einzelne Wendel muss zu ihrem direkten Nachbarn einen gewissen Mindestabstand vorweisen, um auch bei Erwärmung, Erweichung und Ausdehnung eine Berührung und damit eine Brücke und Leistungsreduzierung auszuschließen. Gute Ergebnisse zeigen sich beispielsweise mit einer Wendel, deren Außendurchmesser dem vierfachen Drahtdurchmesser entspricht, mit einer Steigung des zweifachen Drahtdurchmessers. Bei einer Wendel wird unter einer Steigung der Mittenabstand zweier benachbarter Drähte verstanden, vergleichbar mit der Angabe der Steigung bei einer Schraube.
Die Heizwendel bzw. der einzelne Heizdraht wird vorteilhaft durch ein isolierendes Material umhüllt, so dass die Heizwendel bzw. der einzelne Heizdraht an keiner Stelle Kontakt mit sich selbst aufweist. Als Isolationsmaterial, in den ein Heizdraht bzw. die gesamte Heizwendel innerhalb einer Heizebene eingebettet ist, eignet sich bei diesen hier angesprochenen Temperaturen in der Regel eine temperaturbeständige Keramik wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder ähnliches.
Die Heizwendel ist vorteilhaft in einer planaren Ebene angeordnet, und wird im Folgenden auch als Heizlage bezeichnet. Die erfindungsgemäße Widerstandsheizung weist wenigstens zwei Heizlagen auf.
Die Anschlussenden eines Heizdrahtes, der in einer Heizlage überwiegend gewendelt vorliegt, sind zur einfachen Kontaktierung jeweils im äußeren Bereich der Heizlage angeordnet.
Im Prinzip kann der Verlauf des Heizdrahtes, der zumindest abschnittsweise als Heizwendel vorliegt, eine beliebige Kontur aufweisen, sei es rund, drei- oder vieleckig, oval oder windschief. Wesentlich ist allerdings, dass die Wendelgänge zueinander in jedem Punkt einen konstanten Abstand besitzen sollten.
Erfindungsgemäß werden wenigstens zwei Heizlagen benachbart, d. h. übereinander angeordnet, wobei die Wendelgänge der zweiten Heizlage versetzt und in unmittelbarer Nähe zu den Wendelgängen der ersten Heizlage angeordnet werden sollten. In einer Projektion würden somit die Wendelgänge der zweiten Heizlage im Idealfall exakt mittig zwischen den Wendelgängen der ersten Heizlage verlaufen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden die Heizwendeln einer ersten und zweiten Heizebene für eine optimale Flächennutzung jeweils als doppelte Schnecke mit einer konstanten Steigungsänderung oder als doppelter Mäander jeweils mit konstantem Abstand geführt.
Der minimale Abstand zwischen den Wendelgängen und den Heizlagen hängt dabei insbesondere von der eingesetzten elektrischen Isolation (Umhüllung) ab. Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Heizer regelmäßig um eine zuvor bearbeitete Isolation handelt, sind zudem herstellungsbedingt kleine Spalte nicht auszuschließen.
Da der erfindungsgemäße Heizer insbesondere für den Einsatz im Vakuum vorgesehen ist, ist in diesem Zusammenhang auch der Paschen-Effekt zu berücksichtigen, wonach die Durchschlagfestigkeit einer Isolation nicht nur vom geometrischen Abstand sondern auch vom Druck und vom Gas in der Umgebung abhängt.
Gute Ergebnisse für den erfindungsgemäßen Heizer haben sich bei einer Umhüllung mit einer Isolationsstärke von ca. 1 mm gezeigt. Eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit könnte beispielsweise durch eine vergußfähige Isolationsschicht erreicht werden, die zudem durch den Körperkontakt mit dem Draht zu einer besseren Wärmeleitung zur Außenfläche des Heizers führen würde.
Weiterhin sind durch einen möglichst gleichmäßigen Leistungseintrag lokale Überhitzungen in der zwangsläufigen elektrischen Isolierung der Widerstandsheizung zu vermeiden. Dies wird dadurch realisiert, dass unabhängig von der benötigten Kontur der Heizwendel, beispielsweise einer doppelten Schnecke oder eines doppelten Mäanders, eine reproduzierbare Geometrie erforderlich ist, um eine zweite, versetzte Lage (weitere Heizebene) in unmittelbarer Nähe der ersten Heizebene anordnen zu können. Hierdurch können die elektrisch bedingten Isolationsabstände der ersten Lage vorteilhaft in einer darüber angeordneten Lage überdeckt werden. Die Strahlungsleistung der Heizfläche lässt sich so erhöhen und die flächenbezogene Verteilung wird deutlich homogener.
Die einzelnen Heizebenen sind vorteilhaft jeweils über zwei Anschlussenden einzeln verschaltbar. Somit können die einzelnen Heizebenen je nach Anforderung in Reihe oder auch in Serie geschaltet werden.
Neben einem 2-lagigen Heizer sind je nach Geometrie der Heizdrähte innerhalb einer Heizebene auch mehrlagige Heizer von der Erfindung mit umfasst. Prinzipiell ist der erfindungsgemäße Heizer auch mit mehr als zwei Heizebenen realisierbar, jedoch muss dann im Einzelfall die Frage zur Aufwand-Nutzen Relation geklärt werden. Zum einen würde sich mit zunehmender Heizlagenzahl eine nachteilige Abschattung der bereits vorhandenen Heizlagen auf die Wirkfläche einstellen, zum anderen würde dadurch die radial/seitlich angeordnete Fläche des Heizers vergrößert werden, die in der Regel nicht zur Wirkfläche zählt, und die Effektivität des Heizers somit insgesamt mindert. Zudem könnte dadurch der Vorteil der besonders kompakten Bauweise des erfindungsgemäßen Heizers verloren gehen. Unter der Wirkfläche ist diejenige Fläche zu verstehen, die dem aufzuheizenden Objekt (Probe) zugewandt ist und dieses idealerweise unmittelbar erwärmt.
Je nach Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Heizers können die gewendelten Heizdrähte dauerhaft durch Eingießen vollständig von Isolationsmaterial umhüllt werden, oder aber in modular aufgebauten Platten aus Isolationsmaterial mit entsprechenden Aussparungen (Nuten) nur lose eingelegt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt der Zusammenbau eines Heizers mit zwei Heizebenen über solche modular aufgebauten Isolationsplatten. In eine erste (äußere) Platte, die auf einer ihrer Oberflächen eine Aussparung zur Aufnahme einer Heizwendel aufweist, wird ein erster Heizdraht eingelegt. Optional kann die Heizwendel zusätzlich auch noch mit weiterem Isolationsmaterial umhüllt werden. Die so vorbereitete Platte wird mit einer Zwischenplatte abgedeckt. Die Zwischenplatte weist auf beiden Oberflächen jeweils eine Aussparung zur Aufnahme eines Heizdrahtes auf, und zwar dergestalt, dass die Geometrie der ersten Heizwendel gerade die Zwischenräume der zweiten Heizwendel abdeckt. In die Zwischenplatte wird eine entsprechende zweite Heizwendel eingebettet und durch eine weitere (äußere) Isolationsplatte der Heizer abgeschlossen. Die beiden Heizdrähte der beiden Heizwendeln sind jeweils über zwei Anschlussenden von außen kontaktierbar und schaltbar. Durch die lagenweise versetzte Anordnung der Heizwendeln kann vorteilhaft ein sehr kompakter Heizer realisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizers kann der Wärmeübergang zum Objekt noch zusätzlich dadurch erhöht werden, dass in der Heizer-Wirkfläche dem Wendeldurchmesser entsprechende Öffnungen direkt über der zuoberst liegenden Heizwendel angeordnet sind. Hierdurch würde der nicht definierbare Wärmeübergang zwischen Wirkfläche und Objekt entfallen. Das zu testende Werkstück würde in diesem Fall direkt über die Strahlung aufgeheizt werden können. Dies wäre insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Heizer und das aufzuheizende Objekt im Vakuum betrieben werden.
Auf der der Wirkfläche gegenüberliegende Seite des Heizers sind derartige Öffnungen nicht vorgesehen, wodurch gegenüber der Wirkseite eine zusätzliche Wärmeflussbarriere durch den doppelten Wärmeübergang, Heizwendel – Umhüllung und Umhüllung – Halter für diesen Heizer vorliegen würde. Hierdurch würde sich eine Verschiebung der Wärmeflussbilanz in Richtung Objekt einstellen.
Der erfindungsgemäße Heizer weist insgesamt eine Flächenleistung von wenigstens 500 kW/m² auf. Vorteilhaft weist er eine Flächenleistung von mehr als 800 kW/m², bzw. von bis zu 1 MW/m² auf.
Dadurch erreicht der erfindungsgemäße Heizer Oberflächentemperaturen von bis zu 2500 K und ermöglicht so vorteilhaft das Aufheizen von benachbart angeordneten Objekten, insbesondere von hochtemperaturbelasteten Werkstoffproben, auf Temperaturen bis zu 1800 K. Auf Grund seiner kompakten Bauweise ist der Heizer vorteilhaft geeignet, solche Untersuchungen insbesondere auch im Vakuum durchzuführen.
Durch die Anordnung der gewendelten Heizdrähte in den benachbarten Heizebenen und durch die Bauteilhöhe einer einzelnen Heizebene muss sichergestellt werden, dass in benachbart angeordneten Heizebenen die jeweiligen Heizdrähte keinen Kontakt aufweisen. Der Stromfluss durch einen Heizdraht erfolgt somit immer nur über die entsprechenden Anschlussstellen dieses Drahtes.
Aufgrund der bisherigen Erfahrung ist zu erwarten, dass die Heizwendeln deutlich wärmer sein müssen, als die angestrebte Temperatur des Objektes. Erfahrungsgemäß müssen dabei Oberflächentemperaturen des Heizers bis zu 500°C oberhalb der Temperatur eingestellt werden, die für das aufzuheizende Objekt vorgesehen ist.
Gegenüber einem Einsatz im Vakuum sollten bei einem Einsatz unter Normaldruck auch noch die Verluste auf Grund von Konvektion berücksichtigt werden. Ein sinnvoller Einsatz unter ”Luft” ergäbe sich für den Fall, dass die Wendel hermetisch durch eine Vergussmasse eingeschlossen werden könnte, da sie doch erhebliche Temperaturen aufweisen muss und hierdurch unter Umständen einer starken Materialbelastung (Versprödung) und Oxidation ausgesetzt wäre.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels und mehrerer Figuren näher erläutert, ohne dass sich dies einschränkend auf den Schutzbereich auswirkt. Ein Fachmann ist in der Lage aus diesen konkreten Darstellungen je nach Aufgabenstellung geeignete Abwandlungen in der Struktur und der Geometrie vorzunehmen. Es zeigen:
1: Schematische Anordnung eines Heizdrahtes (Draufsicht) in einer Heizebene mit einer Ausschnittvergrößerung zur Verdeutlichung der gewendelten Struktur des Heizdrahtes (Heizwendel).
2: Schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Heizers mit

– Anordnung des ersten Heizdrahtes (Draufsicht) in der oberen Heizebene (oben),
– Anordnung des zweiten Heizdrahtes (Draufsicht) in der unteren Heizebene (unten),
– Querschnitt durch den Heizer (Seitenansicht) mit den Heizdrähten 1 und 2, sowie den äußeren Isolationsplatten 9a und 9c und der Zwischenplatte aus Isolationsmaterial 9b (Mitte).

3: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Heizer (Seitenansicht) mit den gewendelten Heizdrähten (dunkel dargestellt) in einer ersten und zweiten Heizlage, sowie den äußeren Isolationsplatten 9a und 9c und der Zwischenplatte aus Isolationsmaterial 9b. Die Geometrie der Heizleiter und die Aussparungen in den Isolationsplatten sind derart aneinander angepasst, dass die gewendelten Heizleiter und die Isolationsplatten eine größtmögliche Berührungsfläche aufweisen.
4: Schematische Ansicht einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kompakten 2-lagigen Heizers mit den Isolationsplatten 9a, 9b und 9c sowie dem Anschlussende 3 des ersten Heizdrahtes und dem Anschlussende 4 des zweiten Heizdrahtes, welche für die Kontaktierung mit einer Stromquelle vorgesehen sind. Die Anschlussenden 5 und 6 sind außerhalb des Heizers kurzgeschlossen, wodurch die Kontaktierung von Heizleiter 1 und 2 erfolgt. Die obere Isoaltionsplatte (9a) weist zusätzliche kreisförmige Durchbrüche auf.
5: Drei beispielhafte Variationen des Zusammenbaus eines erfindungsgemäßen Heizers aus zwei äußeren sowie einer inneren Isolationsplatte.
Bezugszeichenliste

1: erster, zumindest abschnittsweise in gewendelter Form vorliegender Heizdraht in der ersten Heizlage,
2: zweiter, zumindest abschnittsweise in gewendelter Form vorliegender Heizdraht in der zweiten Heizlage,
3, 5: Anschlussenden des ersten Heizdrahtes in der ersten Heizlage,
4, 6: Anschlussenden des zweiten Heizdrahtes in der zweiten Heizlage,
8: Ausschnittvergrößerung des ersten Heizdrahtes (1) zur Verdeutlichung der gewendelten Form des Heizdrahtes,
9: modular aufgebaute Platten aus Isolationsmaterial zur Aufnahme wenigstens eines Heizdrahtes mit 9a, 9c äußere Platten 9b Zwischenplatte,
h: Bauhöhe des kompakten Heizers.

Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Heizers ist in 1 schematisch dargestellt. Da ein runder Aufbau eher eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der gesamten Heizfläche (Wirkfläche) erwarten lässt, wurde als Kontur für den Heizdraht (1) eine planare, runde gegenläufige Schnecke aus gewendeltem Draht (siehe 8) gewählt, die zwecks einfacherer Kontaktierung mit zwei Anschlussenden (3, 4) am Außenrand versehen ist. Diese Drahtanordnung bildet zusammen mit einer isolierenden Umhüllung eine erste Heizebene aus.
Im Unterschied zum linearen Verlegen eines Heizdrahtes bewirkt das Wendeln eines Heizdrahtes, dass eine größere Drahtlänge auf kleiner Fläche verlegt werden kann, und somit eine höhere Flächenleistung (W/cm²) erzielt werden kann. Ferner wird durch das Wendeln verhindert, dass der Heizdraht beim Erwärmen Wellen schlägt.
Durch die Größe, die Anzahl und die Drahtstärke der Heizwendel in Kombination mit der Länge der Schnecke ergibt sich im vorliegenden Beispiel der elektrische Innenwiderstand der Heizung. Diese vorgenannten Parameter ermöglichen es vorteilhaft, den Heizer zugeschnitten auf die thermischen und geometrischen Anforderungen entsprechend auszulegen.
Diese Auslegung kann insbesondere näherungsweise unabhängig von den geometrischen Abmessungen des Heizers erfolgen. Auf diese Weise ist ein Betrieb des Heizers mit kleinen Stromstärken möglich. Bei gleicher Leistung sind insofern auch nur geringe Anschlussquerschnitte notwendig.
In 2 ist die erfindungsgemäße Ausführungsform eines 2-lagigen Heizers dargestellt, die aus zwei Heizebenen besteht. Die in 1 dargestellte Ausführungsform einer ersten Heizebene (obere Ansicht) wird oberhalb einer entsprechenden zweiten Heizebene, ebenfalls in Form einer Schnecke, angeordnet. Die Anordnung erfolgt derart, dass der Schneckengang der oberen Heizebene idealerweise den Zwischenraum des unteren Schneckenganges (untere Ansicht) in einem minimalen Abstand überdeckt. Dies ist insbesondere an der Ausgestaltung der isolierenden Zwischenplatte 9b erkennbar, die die Heizdrähte der beiden Heizebenen möglichst nahe beieinander anordnet (mittlere Ansicht als Querschnitt).
Hierdurch wird der radiale Strahlungsverlust reduziert und nach außen ein gleichmäßiges thermisches Profil gegenüber dem Objekt erzielt. Die beiden Schneckengänge sind gegeneinander verdreht und durch eine entsprechend vorbereitete Keramikscheibe (9b) gegeneinander isoliert. Das Schneckenende der oberen Heizebene (5) liegt in unmittelbarer Nähe zum Schneckenende der unteren Heizebene (6). Beide können so unmittelbar verbunden werden. Die anderen beiden Schneckenenden (3 und 4) liegen um 90° versetzt, und werden an die elektrische Versorgung angeschlossen.
Die Gehäuseteile (9a) und (9c) isolieren die jeweilige Schnecke gegenüber der Umgebung und ergeben zusammen mit dem Gehäuseteil (9b) ein komplettes Gehäuse (9) für die Handhabung und Montage (2, mittlere Ansicht als Querschnitt).
In der 3 ist der Heizer im Querschnitt ähnlich zu 3 Mitte nunmehr schematisch im zusammengebauten Zustand dargestellt. Die als Heizwendel eingezeichneten dicken Kreise liegen eingebettet in den isolierenden Gehäuseteilen 9a bis 9c. Vorteilhaft füllen die Heizwendeln den freien Raum in den Gehäuseteilen derart aus, dass möglichst viele Kontaktstellen zwischen der Heizwendel und dem Gehäuse vorliegen, so dass die Wärmeübertragung nicht nur über Strahlung sondern zusätzlich auch über den direkten Kontakt/Berührung erfolgen kann. In diesem Beispiel weist der komplette Heizer eine Bauteilhöhe von nur 5 mm auf.
Die 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Heizer in der Gesamtansicht. Der Heizer weist eine flache zylindrische Form auf. Dadurch, dass in dieser Ausgestaltung die Anschlussenden des ersten Heizdrahtes um 180° versetzt, die der zweiten Heizdrahtes jedoch nur um 90° versetzt angeordnet sind, kann bei dem kompletten Heizer vorteilhaft eine Verschaltung (Kurzschalten) der beiden Heizdrähte über die Anschlussenden 5 und 6, die hier direkt benachbart zueinander angeordnet sind, erfolgen, während die beiden anderen Anschlussenden 3 und 4 zur Kontaktierung des Heizers mit einer Stromquelle eingesetzt vorgesehen sind. Ferner sind in dieser Ausgestaltung in der oberen Isolationsplatte (Wirkfläche) mehrere Öffnungen vorhanden, die jeweils bis zu dem oberen gewendelten Heizleiter reichen können. Die Öffnungen können – wie hier dargestellt – kreisförmig ausgebildet sein oder auch eine andere Geometrie aufweisen. Die dienen dazu, zumindest einen Teil der von den Heizleitern erzeugten Wärme auch direkt über Strahlung auf das zu testende Objekt zu leiten.
Als näherungsweise flächiger elektrischer Leiter auf der Rückseite des Objektes lässt sich die Heizung zudem gezielt als elektrisch isoliertes, geometrisch bestimmtes und räumlich begrenztes Bezugspotenzial für ein elektrisches Feld durch das Objekt hindurch nutzen.
Für die Anwendung eines Biasings werden beispielsweise zwei Pole für das Anlegen des elektrischen Feldes benötigt, bei einem Plasmagenerator ist dies die Plasmaquelle und das Target oder die Probe. Da die Probe in der Regel aufgrund thermischer Vorgaben zwangsläufig durch metallische Werkstoffe gehalten ist, muss einerseits eine entsprechende Isolierung der Probenaufnahme gegenüber dem restlichen Aufbau vorgesehen sein, andererseits wird diese isolierte Baugruppe mit dem elektrischen Feld beaufschlagt. Dies führt durch die Drift der durch das Feld geführten Ionen zum Teil zu Belastungen und möglicherweise Beschichtungen dieser Baugruppe. Durch die Flächenreduzierung des Target-Poles auf die Fläche des Heizers hinter der Probe entsteht eine vorteilhafte Bündelung des elektrischen Feldes auf die Probe selbst, eine aufwendige Isolierung des Aufbaus entfällt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heizers wurde ein Prototyp realisiert. Dieser weist einem Drahtdurchmesser von 0,5 mm aus Wolfram mit einer Wendellänge von 700 mm auf, resultierend aus einer Drahtlänge von ca. 1,5 m. Aus geometrischen und elektrischen Gründen wird die Wendelstrecke in bestimmten Bereichen als glatter Draht geführt, so zum Beispiel in Kreuzungsbereichen. Der erfindungsgemäße Heizer weist bei einem Gehäusedurchmesser von 54 mm und einer Bauhöhe von 3 mm eine Heizleistung von 1 kW auf. Durch eine zweite (versetzte) Lage wird eine annähernde Verdopplung der Leistung erzielt. Die Gehäusehöhe beträgt mir zwei Heizlagen 5 mm. Das Verhältnis von Abstrahlfläche des Drahtes zur Gesamtoberfläche des Heizers beträgt in dieser Ausführung gut 1,3.
Die 5 zeigt drei beispielhafte Variationen des Zusammenbaus eines erfindungsgemäßen Heizers aus zwei äußeren sowie einer inneren Isolationsplatte. Dabei können sowohl nur die mittlere Gehäuseplatte (9b) oder nur die äußeren Gehäuseplatten (9a, 9b) oder auch alle Gehäuseplatten Aussparungen für die Heizwendel aufweisen. Dem Fachmann kann es überlassen werden, welche der Ausführungen herstellungsbedingt bzw. für einen vorgegeben Anlass auszuwählen ist.
Die Variation 5 unten bietet beispielsweise den Vorteil, dass mit nur einer mittleren Gehäuseplatte die Aussparungen für die beiden Heizlagen exakt vorgegeben sind, und auch beim Zusammenbau keine versehentlichen Verschiebungen auftreten können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der erfindungsgemäße Heizer insbesondere im Zuge der Forschung zur Plasma-Wand-Wechselwirkung (PWW) bei Fusionsreaktoren zur Analyse von verschiedenen Werkstoffen eingesetzt werden kann, bei dem ein Wasserstoff- bzw. Deuteriumplasma in der Regel frontal auf die Werkstoffprobe geführt wird. Durch den erfindungsgemäßen Heizer ist es möglich, die Werkstoffprobe während der Analyse Idealerweise auf eine frei wählbare, aber konstante Temperatur, mit oder ohne Plasmabeaufschlagung einzustellen. Vorteilhaft kann auch beim Einsatz dieses Heizers durch das Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Werkstoffprobe und der Plasmaquelle (Biasing) die Ionengeschwindigkeit des Plasmas und damit die Aufschlagenergie und Eindringtiefe variiert werden.
Der erfindungsgemäße Heizer ist aber darüber hinaus auch für alle anderen Anwendungen geeignet, bei dem ein Bauteil regelbar auf eine frei wählbare, aber konstante Temperatur aufgeheizt werden soll, möglicherweise aber nur wenig Bauraum für die Heizung zur Verfügung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0927504 A1 [0013]

Claims

Heizer zum Aufheizen von Werkstoffobjekten auf Temperaturen oberhalb von 1800 K, dadurch gekennzeichnet, dass – der Heizer wenigstens zwei oder mehr benachbart zueinander angeordnete Heizlagen aufweist, – dass jede Heizlage wenigstens einen Heizdraht aufweist, der zumindest abschnittsweise als gewendelter Heizdraht in einer bestimmten Anordnung vorliegt, – dass die Anordnung eines zumindest abschnittsweise gewendelten Heizdrahtes in einer zweiten Heizlage derart versetzt zur Anordnung eines zumindest abschnittsweise gewendelten Drahtes in einer benachbart angeordneten, ersten Heizlage vorgesehen ist, dass durch sie die Zwischenräume zwischen diesem zumindest abschnittsweise gewendelten Heizdraht in der ersten Heizlage überwiegend abgedeckt werden.
Heizer nach Anspruch 1, bei dem die Anordnung wenigstens eines zumindest abschnittsweise gewendelten Heizdrahtes in einer Heizlage die Form einer gegenläufigen Schnecke aufweist.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Heizwendeln zweier benachbart angeordneten Heizlagen einen Abstand von nicht mehr als 1 mm aufweisen, vorteilhaft nicht mehr als 0,5 mm.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens ein gewendelter Heizdraht in einer Heizlage zumindest abschnittsweise eine konstante Steigung aufweist.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens ein gewendelter Heizdraht in wenigstens einer Heizlage in einer isolierenden Umhüllung vorliegt.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem wenigstens ein gewendelter Heizdraht innerhalb wenigstens einer Heizlage planar ausgestaltet ist.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 mit einer Flächenleistung von mehr als 500 kW/m², vorteilhaft mit einer Flächenleistung von mehr als 800 kW/m², und insbesondere mit einer Flächenleistung von bis zu 1 MW/m².
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem die einzelnen gewendelten Heizdrähte innerhalb einer Heizlage über jeweils zwei Anschlussenden getrennt schaltbar ausgestaltet sind.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem die einzelnen Heizdrähte innerhalb einer Heizlage in Serie geschaltet sind.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, mit wenigstens einem Heizdraht aus Molybdän, TZM, ML, Tantal oder Wolfram.
Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, mit einer keramischen Isolation umfassend Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid.