DE1615291A1 - Elektrische Heizlampe - Google Patents
Elektrische HeizlampeInfo
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Description
DipL-l?/]. Lothar Michaelis Dr. Horst Schüler Dr. Erhart Ziegler,
rctontanwalt . Patentanwalt " Patentanwalt
6 Franlcfurt/MainA . 6 Frankfurt /Main 1 6 pranUfurt/Main 1
Postfach 3011 Taunusstr. 20 Postfach 3011 Postfach 3011
773-HDCD-609
Die Srfindung bezieht sich auf elektrische Heizlampen und elektrische
Heizvorrichtungen, bei denen Hitze und Licht von einem gewendelt en, schwer schmelzbaren Glühfaden ausgestrahlt werden. Der
Glühfaden ist unter Ausschluß aller Qngebungsluft oder einer gasförmigen
Atmosphäre innerhalb eines Stabes in innigem Kontakt damit eingeschlossen. Der Stab besteht aus lichtdurchlässigem glasartigem
Quarz oder einer quaraähnlichen Substanz mit hohem Erweichungspunkt
und niedrigem Wärme-Ausdehnungskoeffizienten und kann durch Erhitzen und mechanische Beanspruchung in eine ge-
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wünschte Form oder Gestalt gebracht «erden, z. B. in eine ringförmige
Spule, eine schraubenförmige Spirale oder eine ebene Spirale,
um die gewünschten HeizXampen oder Heizelemente am bilden.
Die bekannten Heizlampen besitzen im allgemeinen schwer schmelzende
Hochleistungsgltthfäden, die mittels Üblicher Lampeifceretellungsverf
ahren innerhalb eines evakuierbaren Kolbens eingeschmolzen und im Vakuum oder in einem geeigneten Gas niedrigen Druckes betrieben
werden. Dabei können geeignete Filter vorgesehen werden, und zwar entweder Innerhalb der Gasatmosphäre im Kolben oder auf einer Linse
der Lampe, um kurzwellige Strahlung auszufiltern %s£d Wärme mit wenig
oder keiner sichtbaren Strahlung zu erhalten. Obwohl derartige Lampen einen guten Wirkungsgrad besitzen und nützliche Heizquellen
darstellen , sind sie infolge des mit Unterdruck arbeitenden Gehäuses
leicht zerbrechlich und außerdem verhältnismäßig teuer, da der Kolben eine sehr robuste Konstruktion verlang, um die Behandlung,der
die Heizlampen im Betrieb ausgesetzt sind, auszuhalten. Außerdem haben die Lampen infolge der sehr hohen Leistung, mit der
ihre. Glühfäden zur Erreichung maximaler Wärme arbeiten, eine verhältnismäßig
kurze Lebensdauer, die auf Verdampfung, Sprühen oder anderen Mat er ta !verlust an dem Wolframfaden und die dadurch bedingte Verschlechterung
zurückzuführen ist.
üs ist nun eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, Heizlampen
und Heizelemente zu schaffen, die ohne Notwendigkeit eines
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entlttftbaren Kolbens in irgendwelcher gewünschten Form hergestellt
werden können und bei denen der die Wärme abgebende Teil vollständig
gegen schädliche Atmosphären abgeschirmt ist.
Die Heizlampen und Heizelemente gemäß der Erfindung enthalten
eine schraubenförmige Wendel aus Wolfram oder anderem wärmebeständigen
Metalldraht von sehr kleinem Querschnitt, die vollständig und hermetisch innerhalb eines Stabes aus geeignetem licht*
durchlässigen gläsernen Material mit hohem Temperaturwiderstand, wie z. B. Quarz oder einem anderen vorwiegend aus Silica hergestelltem
quarzähnlichen Material, eingebettet ist« Dieser langgestreckte Stab kann anschließend in eine gewünschte Gestalt gebracht
werden, um so eine Heizlampe, z. B. von kreisförmiger Gestalt, zu erhalten. Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung
kann die stabförmige Anordnung in eine allgemein U-förmige
Gestalt alt abgprinkelten Enden gebogen und als Tauchsieder
benutzt werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung
wird das stabförmig gestaltete, licht- und wärmeabgebende Element in eine ebene, schneckenförmige Spirale gewickelt, um ein
flaches HeiadLement zu erhalten, das als Heizkörper für elektrische
Herde geeignet ist.
Die Erfindung soll nun anhand der beillegenden Zeichnugen näher
erläutert werden.
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Figur 1 ist eine Ansicht eines Helzlampenelementes gemäß der
Erfindung in vertikalem Schnitt mit fojigebrochenen Teilen.
Figur 2 1st eine abgeänderte Auef Uhrungsform der Vorrichtung nach
Figur 1, worin das Heizelement kreisförmig gebogen ist.
Figur 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der
das Heizelement im wesentlichen 0-förmig gebogen 1st, um als Tauchsieder Verwendung zu finden.
Figur 4 ist eine weitere Ausftthrungsform, bei der das Heizelement
zur Verwendung als Heizelement bei Herdplatten zu einer ebenen Spirale gewunden ist.
Wie bereits erwähnt,werden Übliche Heizlampen ähnlich wie Übliche
Beleuchtungslampen hergestellt, Insofern, als ein glühfähiger Faden
von im allgemeinen für hohe Leistungen geeigneter Ausbildung innerhalb
eines entlüfteten .oder mit geringem Druck gefüllten Glaskolbens
untergebracht ist, der alle Nachteile eines entlüfteten Kolbens mit seinem darin aufgehängten, leicht zerbrechlichen,
wärmebeständigen Glühfaden besitzt. Zusätzlich sind infolge der hohen Temperatur und der großen Belastung ihrer Fäden die Lebensdauern
solcher Einrichtungen, infolge von Versprühen, Verdampfen
und anderer Metallabtragung von dem Glühfaden, außerordentlich kurz.
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-B-
Gemäß der Erfindung 1st es nun möglich, verbesserte Heizlampen
und Heizelemente zu schaffen, bei denen der glühfähige Faden in einem festen» lichtdurchlässigen, gläsernen Material für hohe
Temperaturen vollständig eingeschlossen und hermetisch verschmolzen ist, so daß sich ein langgestrecktes, röhrenförmiges Element ergibt,
dem man eine gewünschte Gestalt geben kann.
Bei den Heizelementen und Lampen der Erfindung ist an einen vollständigen
Einschluß des glühfähigen Drahtes aus hochwärmebeständigem Material innerhalb und in enger Berührung mit dem hochtemperaturbeständigen,
glasigen, lichtdurchlässigen Material, aus dem der Körper des Elementes hergestellt ist, gedacht.
Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
einer lichtaussendenden Heizlampe zu Betrieb bei Temperaturen in
der Größenordnung vpn IQOO0C und mehr. Zu diesem Zweck werden
feuerfeste Metalldrähte vollständig innerhalb von quarzartigen, bei hoher Temperatur widerstandsfähigen Stäben eingeschmolzen. Es
ist bekannt, daß man bereits verschiedene Heizelemente zum Abtauen
von Windschutzscheiben, für Tauchsieder und andere mit niedriger
Temperatur arbeitende Anwendungen verwendet hat, bei denen bei
niedriger Temperatur schmelzende Widerstandslegierungen, wie z. B.
Nickel-Chrom und Chrome!, in Jenaer Glas und ähnliche Körper eingeschmolzen
wurden. Infolge der verhältnismäßig gut zueinander passenden, thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Körper war das
Problem, das bisher die Konstruktion von Heizlampen und Beizele-
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menten gemäß der vorliegenden Erfindung verhinderte, nicht vorhanden.
Da sogar Jenaer Glas bei etwa 500 bis 60O0C «eich wird,
sind derartige Vorrichtungen nur für Erhitzung auf niedrige Temperatur
brauchbar. Da ferner bei dieser Temperatur in Glühfaden nicht auf WeiS- oder auch nur auf Rotglut erhitzt wird, sind solche Vorrichtungen
nicht in der Lage Stahlungsenergie von hoher Temperatur zu erzeugen. Scfche strahlende Ritze kann nur durch Heraufsetzung der
Fadentemperatur unter Verwendung von hochhitzebeständigen Drähten wie sie hier verwendet werden und den ebenfalls hier verwendeten
quarzähnlichen Materialien mit hohen Silicagehalt oder anderen für höhere Temperaturen geeigneten Materialien erzeugt werden.
Figur 1 der beiliegenden Zeichnung zeigt einen vertikalen Querschnitt
einer schematisch dargestellten Grundform der Heizlampe gemäß der Erfindung. Zn Figur 1 ist 1 eh zylindrischer Stab aus
lichtdurchlässigen, glasartigem Material für hohe Temperaturen,
z. B, aus Quarz oder einem anderen, vorwiegend aus Silica bestehendsm
Material, wie z. B. dem von Corning als "Vycor" vertriebenen
Material. Derartige Materialien haben einen niedrigen Temperaturausdehnungskoeff
izienten und einen Erweichungspunkt bei hoher Temperatur, die zusammen hier als "quarzähnliche Eigenschaften" bezeichnet
werden sollen« Ferner hat der zylindrische Stab 1 an jedem Ende einen verjüngten Teil 2 und eine hohle öffnung 3, die in einem
spitzen Teil 4 mit. einer Spitze 5 endet, durch welche das Ende 6 eines schraubenförmig gewendelt en, glühfähigen Drahtes 7 aus hochwärmebeständigem Material hindurchtritt. Der Draht 7 kann aus ir-
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gendwelchem hochwärmebeständigen Metall bestehen, dessen Schmelzpunkt
bei atmosphärischem Druck oberhalb von 2500°C liegt und der bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von wenigstens
.4*5 x 10 Ohu-cm hat, vie ζ. B. Wolf ran, Molybdän oder Rhenium*
Eine metallische verfestigte Hasse 8 umgibt dae hervortretende
Ende β dee Drahtes 7 vollständig, stellt damit einen guten elektrischen
Xontakt her und stützt das Ende β innerhalb des zugespitzten Endes 4 der öffnung 3 mechanisch starr ab. Eine auch
als Träger dienende elektrische ^leitung ΪΟ ist ebenfalls in der
Masse 8 aus erstarrtem Material eingebettet und dient zur Zuführung
einer Spannung, um den Glühfaden 7. zum Glühen zu bringen.
Der glühende Draht 7 erzeugt im wesentlichen schwarze Strahlung, die in erster Linie im infraroten Gebiet liegt und eine ausgezeichnete
Wärmequelle darstellt, die die Torrichtung als Element
einer Beizlampe geeignet macht.
tall mit hohem Schmelzpunkt von Über etwa 2500 C und einem verhältnismäßig
hohen elektrischen Widerstand hergestellt. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist das Material, aus dem der rohrförmige Teil
1 hergestellt wird, ein quarzähnliches Material mit einem sehr hohen Widerstand gegen Verformung oder Schmelzen beim Erhitzen
und kann zweckmäßigerweise Temperaturen von 1200 bis 14000C standiBlten,
ohne daß eine nennenswerte Verschlechterung oder ein Erweichen desselben eintritt* Derartige Materialien können jedoch unter
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geeigneter Xontrolle gewünscht enf allst eo erweicht werden» daft
nan sie in andere gewünschte Formen biegen kann. Der Wideretand
des Drahtes 7 und ecnlt dessen Länge und Wendeldurchaeraer werden
entsprechend der an den elektrischen Kiemen 10 zugeführten Spannung
bemessen, derart, daß beim Anlegen 4er Spannung unter Betriebsbedingungen
der Draht eine geeignete Betriebstemperatur, 2. B. von ungefähr 1000°C, erreicht. Bs ist möglieh, bei dieser
Temperatur sicher und {taktisch zu arbeiten, da das für hohe Temperaturen geeignete, lichtdurchlässige, gläserne Gefäß 1 diese
Temperatur ohne schädlichen Einfluß aushält.
Zweckmäßig kann das Element der Abbildung 1 in der Weise montiert werden, daß man seine Enden Innerhalb eines geeigneten Reflektors
anklemmt, der parabolisch, kugelförmig oder, je nach der gewünschten
Anordnung, auch anders ausgebildet sdn kann. Das Element
kann somit direkt zur Strahlung benutzt werden, wie dies bei HeIzlampen
üblich ist, jedoch ohne die Notwendigkeit eines Elnschlußes
des Elementes in einem hermetischen Verschluß, um seinen Leuchtfaden
gegen die Zerstörung durch Oxydation zu schtftaen, da er bereite
gegen atmosphärische Luft abgeschlossen ist und fur viele Stunden
dauernd ohne irgendwelche wahrnehmbare Verwschlechterung betrieben
werden kann.
In Figur 2 der Zeichnung ist eine andere AusfOhrungform dargestellt,
bei der die Röhre 1 in Form eines Kreises ausgebildet 1st und der entsprechend ausgebildete Draht 7 dieselbe Anordnung daeu besitzt,
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d. h« ar 1st vollständig darin eingeschlossen und mit dom Quarz
oder dta quarzähnlichen Material, aus dem das Gefäß 1 hergestellt
ist, gebogen. Die Enden 9 und die Zuleitungen 10 sind im weaentliehe
von gleicher art wie bei der Anordnung nach Abbildung 1.
Bei der Anordnung nach Abbildung 3 ist ein rohrförmiger Stab 1
aus Quarz oder quarzähnlichem Material mit darin angeordnetem gltthfähigen Draht 7 von hohem Widerstand aus hitzebeständigem Material,
2. B. Wdfram, in Form einer Schraubenwendel durch Anwendung
von Wärme und mechanischer Belastung in eine im wesentlichen U-f örmige.
Anordnung mit elektrischen Zuleitungen 10 verformt und kann als Tauchsieder zum Heizen von Flüssigkeiten auf eine gewünschte
Temperatur dienen. Diese Vorrichtung kann, ähnlich wie die in den
1000 C am Glühfaden betrieben werden, wobei bei thermischem Gleichgewicht
mit einer Flüssigkeit, in die der Stab eingetaucht ist, die Flüssigkeit schnell und wirksam auf eine gewünschte hohe Temperatur
gebracht werden kann. Da Quarz und quarzähnliche Materialien, wie sie hier beschrieben sind, in besonders hohem Maße unempfindlich
gegen reaktive Flüssigkeiten , Insbesondere starke Säuren, Basen und selbst geschmolzene Metalle sind, können solche
Tauchsieder mit Vorteil in vielen Fällen verwendet werden, in denen
übliche Tauchsieder mit metallischem oder Glasschutz, der gegen
chemische Angriffe empfindlich ist, nicht verwendet werden können. Die allgemeine Konstruktion der Bohre 1, bevor sie in die in Figur
3 dargestellte Form gebracht ist, 1st im wesentlichen dieselbe wie
In Figur 1.
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Figur 4 zeigt ein ebeneSj spiralförmiges Heizelement au· bei hohen Temperaturen widerstandsfähiges, quarzähnllohen Material, z.
B. Quarz, und la wesentlichen «le das Rohr der Figur 1 ausgebildet,
in soweit als es einen gluhfählgen Draht 7, der in elektrischen
Zuleitungen 10 endet, enthalt. Diese Vorrichtung kann z. B.
als elektrisches Heizelement bei Herden oder Heiaplatten verwendet werden. Da bei sdbher Verwendung kein besonderer Torteil in
der Auesendung von sichtbarem Licht besteht, wird ssweckmäfligerweise
ein geeigneter Farbstoff dem Material, aue dem die Röhre 1
gebildet ist, vor Anfertigung der Röhre und ihrer Vereinigung alt den das Heizelement bildenden Teilen zugesetzt. Dadurch kann man
dem quarztthnliohen Material eine gewünschte Farbe geben, die mit
dem Dekor des elektrischen Apparates, in den es eingebaut werden soll, übereinstimmt.
Anordnungen gemäß der Erfindung können leicht hergestellt werden.
Eine geeignete Länge eines Rohres mit einer einzigen durchlaufenden
Bohrung von einem Durchmesser, der dem Durchmesser der öffnung 3
in Figur 1 entspricht, wird abgetrennt, sowie eine geeignete Länge
eines spiralförmig gewendelt en, hochhitzebeständigen, glühfähigen
Fadenmateriale, wie z. B. Wolfram mit einem Drahtdurohmeeser von
nicht mehr als 40 Mil (1.016 mm), der für praktische Zwecke einen
minimalen, brauchbaren Querschnitt von etwa 5 Mil (0,127 am) besitzt.
Wahlwelse kann ein zweckmädlg doppelgewendelter Draht Verwendung
finden, um eise gröfiere Leistungsabgabe pro Längeneinheit
zu erhalten. Der Draht wird la die Röhre eingeführt und wird darin
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gehalten, während die Röhre mit geeigneten Mitteln geheizt wird,
s. B. mittels mehrerer Knallgas-Schweißbrenner, wobei nan am Mittelteil
der Bohre mit der Beheizung anfingt und allmählich nach außen
asu den Enden hin arbeitet» um den Einschluß Von Luft« oder Glasblasen
zu vermeiden. Das Rohr wird während des Erhitzen» mit heißen
Inertgas durchspült, um eventuelle Verunreinigungen zu beseitigen. Die Röhrentemperatur wird langsam erhöht, so daß der glühfähige
Draht ebenfalls auf eine Temperatur von etwa 1750 bis 220Ö°C erhöht
wird, um ihn zu entgasen und seine Oberfläche zu reinigen, so
daft eine säubere und innige Bindung mit dem Quarz oder dem quarzähnlichen Bohr entsteht, wenn die Röhre zusammenfällt und die Drahtspirale
des glühfähigen Fadens vollständig einschließt. Die gesamte Länge des Rohres ist, wie oben beschrieben, behandelt, um den gesamten
Draht vollständig innerhalb des Quarzes oder des quarzähnlichen Materials der Rü£j?e einzuschließen und dadurch vollständig
zu Isolieren, und ihn von der umgebenden Atmosphäre zu schützen sowie zu verhüten, daß Metallteilchen davon entfernt werden und
dadurch den Draht verschlechterni Endabschlüsse aus erstarrtem
'Metall oder Metallegierung mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 600° C bis 1900° C werden dann geschmolzen und innerhalb der Enden
3 der Röhre 1 zum Festwerden gebracht.
Ein gemäß der Erfindung hergestellter, in Abbildung 1 illustrierter
Heizlampenstrahler hat einen röhrenförmigen Träger aus einen 7,62 cm langen Quarzstab mit einem Außendurchmesser von 1/4 Zoll
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(0,635 cn) und einen Innendurchmesser von 0,OS+ZoIl (0,127 ca*).
Die Wolframs£ralwendel hatte dabei einen Äußendurchmesser von
0,05-Zoll (0,127~cm) und wurde aus 20 Mil (0,508 mn) Draht hergestellt.
Der Draht wird durch drei Minuten langes Erhitzen mittels zweier Knallgasbrenner innerhalb des Quarzes eingebettet und mit
ihm in Kontakt gebracht. Endeinschmelzungen von ungefähr je einem Gramm Nickel halten die Drahtenden. Nickeldrähte sind für die
elektrischen Kontakte verwendet worden. Ibt eine Reizlampe zu ergeben
wird die Vorrichtung mittels eines isolierenden Schildes in dem Brennpunkt eines parabolischen Reflektors mit β Zoll
(15,24 cm) Durchmesser gelagert.
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Claims (5)
1. Elektrische Heizvorrichtung oder Heizlampe mit langgestrecktem Träger aus glasartigem«lichtdurchlässigem Material, das ohne
zu erweichen Temperaturen von wenigstens 1OOO°C aushalten kann,
dadurch gekennzeichnet, daß ein gewendelter
glühbarer Faden (7) aus hochhitzebeständigem Metalldraht hermetisch in dem Volumen des Trägers (1) eingeschmolzen
und vollständig darin eingebettet ist und sich durch dessen En»
den nach außen erstreckt, daß das Trägermaterial (1) mit dem Draht (7) auf dessen gesamter in den Träger (7) eingebetteter
Länge in innigem Kontakt steht, und daß ein um die sich nach außen erstreckenden Enden (6) des Heizfadens (7) herumgegossenes
metallisches Material (8) zur Erzeugung eines guten elektrischen Kontakts mit den Fadenenden (β), und zur mechanischen Abstützung
derselben dient.
2. Elektrische Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte
Träger (1) ein Bohr aus einem quarzähnlichen Material mit hohem Sllicagehalt ist und der Glühfaden (7) ein hochhitzebeständiger
Metalldraht mit einem Schmelzpunkt von über 2500°C ist, der bei Zimmertemperaturen einen spezifischen elektrischen
Widerstand von wenigstens 4,5 χ 10 Ohm-cm besitzt.
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3. Elektrische Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden
(?) eine Betriebstemperatur von etwa 1000° C hat·
4. Elektrische Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Glühfaden (7) aus Wolfram, Molybdän oder Bhenium besteht und
einen Drahtdurchmesser von etwa 5 Mil (0,127 mm) bis 40 ViI
(1,016 mm) besitzt.
5. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Träger (1) aus Quarz und der Glühfaden (7) aus Wolfram
besteht und seine Enden(6)in einer die elektrischen Anschlüsse (10)
enthaltenden öffnung (3) mittels eines erstarrten Metallpfropfens
(8) gelagert sind.
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