DE1615272A1 - Widerstandsheizelement aus pyrolytischem Graphit - Google Patents
Widerstandsheizelement aus pyrolytischem GraphitInfo
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Description
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Me* 3011 PorifacfiMil 684-15D-4736
General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y., USA
Widerstandsheizelement aus pyrolytischem Graphit
Die Erfindung bezieht sich auf Widerstandsheizelemente auf. Kohlenstoffbasis
und im besonderen auf eine neuartige Konstruktion für ein Widerstandsheizelement aus pyrolytischem Graphit.
Pyrolytischer Graphit ist ein Material, das entweder durch, thermische
Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases oder durch. Verdampfung
eines kohlenstoffhaltigen Stoffes und anschließender Abscheidung auf einer Unterlage gewonnen wirdo In pyrolytischem
Graphit sind die Kristallebenen des Graphitgitters alle parallel zur Unterlage angeordnet, auf der der Graphit abgeschiedenyurde.
Wenn man beispielsweise kohlenstoffhaltige Gase thermisch zersetzt, wird Kohlenstoff aus dem Gas heausgenommen. Dieser Kohlenstoff
scheidet sich an einer Unterlage auf solche Weise ab, daß die Ebenen des Graphitgefüges übereinander und parallel zur Unterlage
angeordnet werden. Auf diese Weise sind schon Einkristalle mit verhältnismäßig großem Volumen hergestellt worden. Verfahren zur
Herstellung von pyrolytischem Graphit sind beispielsweise in den US-Patentschrift 3 107 180,3138 434 und 3 138 435 beschrieben
worden.
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Die Orientierung des Kristallgefüges von pyrolytischem Graphit führt auf große elektrische, mechanische und thermische Anisotropien.
So sind beispielsweise die elektrische und die thermische Leitfähigkeit von pyrolytischem Graphit in einer Richtung
senkrecht zu den Netzebenen sehr niedrig, während sie parallel zu diesen Netzebenen sehr hoch sind.
Daß pyrolytischer Graphit starke Anisotropien zeigt, ist an sich bekannt. Diese Anisotropien sind auch bereits für viele
Zwecke ausgenutzt worden. Als Beispiele hierfürjsei die Polarisierung
elektromagnetischer Strahlung aufgeführt, ferner die Herstellung temperaturempfindlicher Geräte, die Auskleidung
von Schubdüsen oder auch die Verwendung als Hitzeschild für den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in die Atmosphäre. Die
elektrische Anisotropie dieses Materials hat man sich bisher jedoch noch nicht zunutze gemacht, ebensowenig hat^nan auch
die elektrische und die thermische Anisotropie dieses Materials gemeinsam für die Herstellung elektrischer Heiz- und Beleuchtungskörper
oder Elemente ausgenutzt.
Die Erfindung beinhaltet ein elektrisches Widerstandselement mit
einem Widerstandskörper aus pyrolytischem Graphit, der mit Stromanschlüssen
versehen ist. Weiterhin ist eine Vorrichtung vorgesehen durch die zumindest auf das eine Ende des Widerstandskörpers aus
pyrolytischem Graphit ein mechanischer Druck ausgeübt werden kann, der in Richtung der kristallographischen "C'-Achse des Graphits lirkt,
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um zu verhindern, daß der Widerstandskörper aus pyrolytischem Graphit längs einer Netzebene zerbricht oder sich längs einer solchen
Netzebene spaltet. DieStromanschlüsse sind derart an dem Wider· Standskörper aus pyrolytischem Graphit angebracht, caß der Strom
durch den Widerstandskörper längs der kristallographischen "C"-Achse
des Graphits hindurchgeht.
Ale ein elektrisches Heizelement aus pyrolytischem Graphit das
erstemal hergestellt wurde, um zu untersuchen, in wie weit die elektrische Anisotropie des Graphitgitters ausgenutzt werden konnte,
stellte sich heraus, daß sich das Heizelement aus pyrolytischem Graphit während des BEtriebs allmählich längs seiner Netzebenen
zerlegte, so daß der Weg des elektrischen Stromes im Heizelement unterbrochen wurde. Obwohl eine Erklärung für ein solches Verhalten
von pyrolytischem Graphit noch fehlt, wurde versucht, diese Zerlegung oder Aufspaltung des pyrolytischen Graphits längs seiner
Netzebenen dadurch zu verhindern, daß man auf das Heizelement aus pyrolytischem Graphit einen mechanischen Druck in Richtung seiner
"C"-Achse ausübte. Dieser· Versuch war erfolgreich.
Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen
im einzelnen beschrieben werden.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines .Widerstandsheizelementes
mit einem Widerstandskörper aus pyrolytischem Graphit, das eine Ausfuhrungsform der Erfindung ist.
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Figur 2 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansieht
einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäjfeßen Heizehnentes
Figur 3 zeigt ein elektrisches Widerstandselement nach der Erfindung,
das so aufgeb-aut ist, daß die Tempera turve r teilung
in axialer Richtung sehr gleichförmig ist.
Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Heizelementes 10 aus pyrolytischem Graphit, dis wie eine Spule
ausgebildet ist. An seinen beiden Stirnflächen ist das Heizelement
10 mit schultern 11 und 12 versehen. Diese Schultern T1 und 12 sind mit ringförmigen Ansätzen 13 und 14 versehen,
über die ösen 16 und 17 herübergreifen. Die ösen 16 und 17 sind
federnd gehaltert und werden von den Halterungsarmen 18 und
kraftvoll aufeinander zu gedrückt, so daß auf das Heizelement TO laufend ein mechanischer Druck ausgeübt wird. Diese ösen
und 17 dienen nicht nur dazu, ein Zerlegen oder ein Spalten des Heizelementes 10 längs der Netzebenen des Graphitgitters zu
verhindern, sondern sie dienen auch gleichzeitig als Stromzuleitungen für das Heizelement 10. DieStromzuführungen und die
ösen 16 und 17 können beispielsweise aus Tantal hergestellt sein. Das Kristallgefüge des Heizelementes 10 ist so orientiert, daß
die kristallographische "C"-Achse mit der LÄngsachse des Elementes
TO zusammenfällt.
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Durch das spulenförmig ausgebildete Heizelement 10 geht eine
Bohrung 21 hindurch, die als Ofen für die Behandlung von Fasern dient. Eine solche Faser ist in Figur 1 mit "22" bezeichnet. Sie
ist in den Ofen eingesetzt und kann auf und ab bewegt werden. Wenn man an ein solches Heizelement mit einer effektiven Länge
von etwa 12,7 mm und einem Innendurchmesser der Bohrung 21 von etwa 3 mm eine Spannung von etwa 12 Volt anlegt und einen Strom
von etwa 35 Ampere fließen läßt, kann man leicht Temperaturen zwischen 220O0C und 230O0C erhalten.
Man kann den erforderlichen mechanischen Druck auch auf andere Weise erzielen. Man kann beispielsweise das Widerstandselement
senkrecht montieren und oben auf das Widerstandselement ein Gewicht auflegen. Man kann aber auch das Widerstandselement, das
heißt die beiden ringöjfrmigen Ansätze 13 und 14 zwischen zwei Widerlagern einpassen, so daß das Widerstandselement zwischen
den beiden Widerlagern starr festsitzt, wenn sich das Widerstandselement während des Betriebes etwas thermisch ausdehnt. Da die
leistung dem Quadrat des Stromes, multipliziert mit dem Widerstandswert proportional ist, und da der Widerstand seinerseits der Querschnittsfläche
des pyrolytischen Graphits umgekehrt pcjfcpotional ist, durch die der Strom flielt , können die Querschnitte an- den
Enden des Widerstandselementes ausreichend groß gemacht werden, daß diese Enden verhältnismäßig kühl bleiben. Durch die
thermische Anisotropie des pyrolytischen Grabhits ist dann der Wärmetransport aus dem Widerstandskörper zu seinen Enden hin stark
erschwert. Die Verwendung eines solchen Widerstandselementes aljs
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Lichtquelle ist besonders für spektroskopische Zwecke besonders vorteilhaft, wenn die Strahlung eines schwarzen Körpers verwendet
werden soll.
In der Figur 2 ist nun eine weitere Ausführungsform der Erfindung
(ebenfalls teilweise geschnitten) dargestellt, die sich von der Ausführungsform in der Art unterscheidet, wie die Elektroden 26
und 27 an dem Widerstandselement 28 aus pyroIytischen» Graphit angebracht
sind.
Bei der Ausführungsform nach Figur 2 sind die Leitungen 26,27,
die beispielsweise Wolframdrähte sein können, in öffnungen 29,31 eingeführt, die sich in Vorsprüngen 32,33 befinden. Wie bei der
ersten Ausführungsform kann der hohle Widerstandskörper 34 als
Ofen für die Wärmebehandlung von langgestreckten Gegenständen dienen, die in Längsrichtung durch den Ofen hindurchgehen.
Da der elektrische Strom, der in den Woflramdrähten oder Stäben
26,27 fließt, in einer Richtung in die Vorsprünge 32,33 eintritt, die etwa senkrecht auf der kristallographischen "C"-Achse des
pyrolytischen Graphifts steht, und da die Enden des Widerstandselementes
in Höhe der Vorsprünge 32,33 einen verhältnsimäßig großen Querschnitt in Richtung der "Cn-Achse haben, findet in
diesen GEbieten eine geringere Erwärmung durch Widerstandsheizung statt, so daß die Enden des Widerstandselementes auf einer merklich
niedrigeren Temperatur bleiben als der mittlere Teil 36 des
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Widerstandselementes, der sich zwischen den Vorsprüngen 32 und
33 erstreckt. Weiterhin ist der Wärmetransport vom mittleren Teil 36 zu den Enden des Widerstandselementes durch die thermische
Anisotropie des pyrolytischen Graphits stark erschwert, wie es bereits in Verbindung mit der Ausführungsform nach Figur 1
erwähnt wurde.. Bei der Aus führungs form nach Figur 2 wird das Aus-' brennen des Widerstandselementes 28 an den Stellen, an denen die
Stromzuführungen angebracht sind,vermieden. Dieser Gesichtspunkt ist besonders bei solchen Anwendungen von Bedeutung, bei denen
die elektrischen Verbindungen nicht unabhängig gekühlt werden können. Das Widerstandsheizelement nach Figur 2 weist weiterhin
noch Schultern 37 und 38 auf, die den Schultern 11 und 12 aus Fig. 1 ähnlich sind. An diesen schultern können wieder ösen angreifen, mit denen auf das Widerstandselement ein axial gerichteter Druck ausgeübt werden kann, um das Spalten oder das Zerlegen des Widerstandselementes längs der Netzebenen des pyrolytischen Graphits zu vermeiden.
Der mittlere Teil 36 des Widerstandsheizeleimtes.28 ist mit
konstanten Durchmesser und verhätlnismäßig kurzer LÄnge dargestellt worden. Man kann jedoch die Durchmesser in diesem mittleren
zylindrischen Teil auch verschieden groß machen, so daß sich der Querschnitt für den Strom im Graphit in Richtung der "C"-Achse
auf bestimmte Weise ändert. Dadurch ist es möglich, längs der Längsachse des Widerstandskörpers aus pyrolytischem Graphit eine
bestimmte Temperaturverteilung hervorzurufen. Weiterhin braucht man
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auch den Widerstandskörper aus pyrplytischem Graphit nicht als Rotationskörper auszubilden., obwohl die Bearbeitung eines Rotationskörpers
sehr viel einfacher ist. Die Verwendung nicht-kreisförmiger oder nicht-ringförmiger Querschnitte für den Widerstandskörper
ist ebenfalls möglich. WEnn man die Widerstandskörper als öfen zum Heizen verwendet, kann man auch mehr als eine öffnung im Inneren
der Widerstandskörper vorsehen, so daß man mehrere Werkstücke gleichzeitig aufheizen kann.
Ein Beispiel für ein Widerstandsheizelement mit einem nicht-konstanten
Querschnitt ist in der Figur 3 dargestellt. Die Vorrichtung zur ERzeugung der Druckkraft F ist nicht dargestellt. Die schleifen
41 und 42 für die elektrischen Verbindungen, die an den beiden Enden des Widerstandskörpers 43 angebracht sind, können nur
zur Stromzufuhr verwendet *erden - dann ist eine zusätzliche
Vorrichtung zum Zusammendrücken des Widerstandskörpers erforderlich - oder man verwendet sie gleichzeitig dafür, den axial gerichteten
Druck auszuüben, wie es in Verbindung mit der Figur 1 bereits beschrieben wurde. Die spezielle Formgebung des Widerstandskörpers
43 aus Figur 3 wurde deswegen gewählt, um eine in axialer Richtung möglichst gleichförmige Temperaturverteil^ung
zu erhalten. Die Vergrößerung des Querschnittes in der Mitte des Widerstandskörpers ist übertrieben dargestellt worden, um
sie deutlicher zu machen. Die tatsächliche Querschnittsänderung wird gerade so groß gewählt, daß sie ausreicht, die auftretenden
Wärmeverluste auszugleichen, die an den Enden des Widerstandskörpers, wo die Temperaturgradienten größer sind, größer sind.
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Auch aus irgendwelchen aaderen Gründen kann eine Veränderung des
Querschnittes erforderlich sein, und wenn es sich um ein hohles Widerstandselement handelt, kann man diese Querschnittsänderung
auch so durchführen, daß man den Querschnitt der Bohrung im Inneren
des Widerstandselementes ändert.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Widerstandsheizelemente
als Beleuchtungskörper ist ebenfalls von beachtlichem Interesse/ Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, Glühfäden aus pyrolytischem
Graphit herzustellen. Diesen Vorschlägen konnten aber keine Anregungen entnommen werden, den elektrischen Strom in
Richtung der "C"-Achse des pyrolytischjeen Graphits durch den
Glühfaden hindurchzuschicken. Jede Abscheidung von Kohlenstoff zur Herstellung von Glühfäden aus pyrolytischem Gr&phit führte
vielmehr auf eine solche Kristallographische Orientierung, daß der elektrische Strom senkrecht zur "C"-Achse durch dan hergestellten
Körper hindurchgeschickt werden mußte. Um nun trotzdem den Glühfaden oder Glühkörper mit dem erforderlichen hohen Widerstandswert
herstellen zu können, war es erforderlich den Durchmesser
des Glühfadens sehr klein zu machen. Dann treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn von dem Material des Glühfadens während
desBetriebs etwas verdampft. Wenn man dagegen einen richtig orientierten
pyrolytischen Graphit verwendet, kann man Glühfäden mit größeren Durchmessern benutzen, die dann trotzdem einen so hohen
Widerstandswert haben, daß man sie mit verhältnismäßig geringen Strömen zum Glühen oder Leuchten bringen kann. Dann spielen aber
die Schwierigkeiten, die durch die Verdampfung des Glühfadenmaterials bedingt sind, eine wesentlich geringere Rolle
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Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes
stellt man zuerst große Platten oder Scheiben ais pyrolytischem
Graphit her. Aus dieser Platte wird ein Stück herausgeschnitten, wobei man darülaf zu achten hat, daß die "C11-Achse
parallel zu der Richtung orientiert sein muß, in der der Strom durch das fertige Widerstandselement hindurchfließen soll. Dann
wird das Stück aus der Platte aus pyrolytischem Graphit auf die richtigen Abmessungen hin bearbeitet. Das kann auf einer
Drehbank, mit einer Säge oder einer FeEe durchgeführt werden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Widerstandsheizelemente
aus einem einzigen Stück aus pyrolytischem Graphit ist vorzuziehen. Wenn man jedoch Widerstandselemente herstellen will, die
so lang sind,daß sie sich nicht mehr aus einer einzelnen Platte
aus pyrolytischemGraphit herstellen lassen,kann man kürzere Stücke von pyrolytischem Graphit in der richtigenOrientierung
aufeinander setzen und zusammendrücken, so daß der Stromübergang zwischen den einzelnen kürzeren Stücken ohne Schwierigkeiten
möglich ist.
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Claims (12)
1. Langgestreckt ausgebildetes Formstück aus pyrolytischem Graphit,
das mit elektrischen Anschlüssen für die Zufuhr von Strom versehen ist, dadurch gekennzeichnet, . daß die
elektrischen Anschlüsse auf solche Weise an dem Formstück aus pyrdytischem Graphit angebracht sind, daß der Strom in Richtung
der kristallographischen "C"-Achse durch das Formstück aus pyro-'
lytischem Graphit fließt.
2. Formstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß zumindest an einem Ende des Formstückes eine Vorrichtung zur Ausübung eines mechanischen, in Richtung der
"Clf-Achse wirkenden Druckes vorgesehen ist.
3. Formstück nach Anspruch 2, dadurch gekennnzeichnet
, daß die Vorrichtung zur Ausübung des mechanischen Druckes gleichzeitig zumindest eine der Stromzuführungen
ist.
4. Formstück nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Ausübung des mechanischen Druckes federnd vorgespannt ist.
5. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, ,
dadurch gekennzeichnet, daß an den
beiden Enden des Formstückes jeweils eine Vorrichtung vorgesehen ist, durch die der in Richtung der "C"-Achse wirkende mechani-
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sehe Druck ausgeübt und gleichzeitig der Strom zuführbar ist.
6. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen
zum Zuführen des Stromes und zum Ausüben des mechanischen Druckes zwei Schleifen oder ösen sind, die durch eine Feder miteinander
verbunden sind.
7. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück
aus pyrolytischem Graphit innen mit einem Hohlraum versehen ist, der in dem Formstück längs der "C"-Achse durch das
ganze Formstück hindurchgehend angeordnet ist.
8. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück
ein hohler Rotationskörper ist.
9. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück
als Zylinder ausgebildet ist.
10. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte
durch den Formkörper in axialer Richtung nicht konstant sind.
11. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge J^n 6U Qi1S efti c h net, daß die Längs-
Stückes parallel zur kristallographischen '1C."-Achse verläuft.
12. Formstück nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis TI,
gekennzeichnet durch seine Verwendung als Widerstandskörper in einem Widerstandsheizelement.
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| Publication number | Publication date |
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| US3411123A (en) | 1968-11-12 |
| GB1139863A (en) | 1969-01-15 |
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