DE1615291B2

DE1615291B2 - Elektrische heizvorrichtung

Info

Publication number: DE1615291B2
Application number: DE19671615291
Authority: DE
Inventors: Roger Conant Schenectady N.Y. Millikan (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-12-15
Filing date: 1967-12-07
Publication date: 1971-08-19
Also published as: DE1615291A1; US3417230A; GB1204334A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizvorrichtung mit langgestrecktem Träger aus lichtdurchlässigem Quarzglas und einem in demselben .Material eingebetteten gewendelten Glühfaden, das ohne zu erweichen Temperaturen von wenigstens 1000° C aushalten kann.

Diese Heizvorrichtungen strahlen Wärme und gegebenenfalls Licht von einem gewendelten, schwer schmelzbaren Glühfaden aus. Der Glühfaden ist unter Ausschluß aller Umgebungsluft oder einer gasförmigen Atmosphäre innerhalb eines Stabes in innigem Kontakt damit eingeschlossen. Der Stab besteht aus lichtdurchlässigem glasartigem Quarz mit hohem Erweichungspunkt und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und kann durch Erhitzen und mechanische Beanspruchung in eine gewünschte Form oder Gestalt gebracht werden, z. B. in eine ringförmige Spule, eine schraubenförmige Spirale oder eine ebene Spirale, um die gewünschten Heizlampen oder Heizelemente zu bilden.

Die bekannten Heizlampen, beispielsweise die in der deutschen Auslegeschrift 1 042 785 beschriebene Anordnung, besitzen im allgemeinen schwer schmelzende Hochleistungsglühfäden, die mittels üblicher Lampenherstellungsverfahren 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 auszufiltem und 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 verlangt, 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 Materialverlust an dem Wolframfaden und die dadurch bedingte Verschlechterung zurückzuführen ist.

In dem deutschen Gebrauchsmuster 1 939 732 wird bereits eine elektrische Heizvorrichtung mit einem langgestreckten hohlen Träger aus glasartigem lichtdurchlässigem Material beschrieben, das zur Verwendung bei wenigstens 1000° C geeignet ist. Bei dieser Heizvorrichtung ist der Glühfaden innerhalb des hohlen Trägers in gekörntes Material eingebettet, das aus dem gleichen Werkstoff besteht wie der Träger (Quarzglas). Bei diesem bekannten Infrarotstrahler ist jedoch die mechanische Stabilität der Anordnung gering und muß dadurch erhöht werden, daß mehrere dieser Infrarotstrahlerzeuger, die jeweils die Form einer Röhre mit rechteckigem Querschnitt aufweisen, an den Längsseiten miteinander verschmolzen werden. Ebenso läßt die in dem Gebrauchsmuster beschriebene Anordnung die Frage offen, wie ein guter Kontakt mit den Enden des Glühfadens hergestellt werden kann.

Es ergab sich die Aufgabe der Erhöhung der mechanischen Festigkeit einer einzelnen Heizvorrichtung ohne die Notwendigkeit, sie mit anderen Lampen zur Erzielung einer starren mechanisch stabilen Struktur zu verbinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Glühfaden aus hochhitzebeständigem Metalldraht hermetisch in dem Volumen des Trägers eingeschmolzen und vollständig darin eingebettet ist und sich durch dessen Enden nach außen erstreckt, daß das Trägermaterial mit dem Glühfaden auf dessen gesamter in den Träger eingebetteter Länge in

ίο innigem Kontakt steht, daß ein um die sich nach außen erstreckenden Enden des Glühfadens herumgegossenes metallisches Material zur Erzeugung eines guten elektrischen Kontakts mit den Fadenenden und zur mechanischen Abstützung derselben dient. Der langgestreckte Träger ist ein Rohr aus einem Material aus Quarz mit hohem Siliziumdioxydgehalt und der Glühfaden ist ein hochhitzebeständiger Metalldraht von über 2500⁰C, der bei Zimmertemperaturen einen spezifischen elektrischen Widerstand von min-

ao destens 4,5 · 10~⁶ Ohm-cm besitzt. Dieser langgestreckte Stab kann anschließend in eine gewünschte Gestalt gebracht werden, um so eine Heizvorrichtung, ζ. B. von kreisförmiger Gestalt, für die Verwendung als Heizlampe zu erhalten. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die stabförmige Heizvorrichtung in eine allgemein U-förmige Gestalt mit abgewinkelten Enden gebogen und als Tauchsieder benutzt werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die stabförmig gestaltete, licht- und wärmeabgebende Heizvorrichtung in eine ebene, schneckenförmige Spirale gewickelt, um ein flaches Heizelement zu erhalten, das als Heizkörper für elektrische Herde geeignet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Glühfaden so ausgestaltet und bemessen, daß er eine Betriebstemperatur von etwa 1000° C hat, welche sich ohne Schwierigkeiten erreichen läßt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Glühfaden aus Wolfram, Molybdän oder Rhenium und besitzt einen Drahtdurchmesser im Bereich von etwa 0,013 bis 0,1 mm. Eine besonders günstige elektrische Heizvorrichtung nach der Erfindung erhält man, wenn der rohrförmige Träger aus Quarz und der Glühfaden aus Wolfram besteht und seine Enden in seiner die elektrischen Anschlüsse enthaltenden Öffnung mittels eines erstarrten Metallpfropfens gelagert sind.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

F i g. 1 ist eine Ansicht einer Heizvorrichtung gemäß der Erfindung in vertikalem Schnitt mit fortgebrochenen Teilen;

F i g. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1, worin die Heizvorrichtung kreisförmig gebogen ist;

F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Heizvorrichtung im wesentlichen U-förmig gebogen ist, um als Tauchsieder Verwendung zu finden;
F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform, bei der die Heizvorrichtung zur Verwendung als Heizelement bei Herdplatten zu einer ebenen Spirale gewunden ist. F i g. 1 der Zeichnung zeigt einen vertikalen Querschnitt einer schematisch dargestellten Grundform der Heizvorrichtung gemäß der Erfindung. In F i g. 1 ist der Träger 1 ein zylindrischer Stab aus lichtdurchlässigem, glasartigem Material für hohe Temperaturen, z. B. aus Quarz oder einem anderen, vorwiegend aus Siliziumdioxyd bestehenden Material. Derartige

Materialien haben einen niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten und einen Erweichungspunkt bei hoher Temperatur, die zusammen hier als »quarzähnliche Eigenschaften« bezeichnet werden sollen. Ferner hat der zylindrische Träger 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 gewendelten Glühfadens 7 aus hochhitzebeständigem Material hindurchtritt. Der Glühfaden 7 kann aus irgendwelchem hochhitzebeständigem Metall bestehen, dessen Schmelzpunkt bei atmosphärischem Druck oberhalb von 2500° C liegt und der bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von wenigstens 4,5 · 10~⁶ Ohm-cm hat, wie z.B. Wolfram, Molybdän oder Rhenium. Eine metallische verfestigte Masse 8 umgibt das hervortretende Ende 6 des Glühfadens 7 vollständig, stellt damit einen guten elektrischen Kontakt her und stützt das Ende 6 innerhalb des zugespitzten Endes 4 der Öffnung 3 mechanisch starr ab. Eine auch als Träger dienende elektrische Zuleitung 10 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 Glühfaden 7 erzeugt im wesentlichen schwarze Strahlung, die in erster Linie im infraroten Gebiet liegt und eine ausgezeichnete Wärmequelle darstellt, die die Vorrichtung als Element einer Heizlampe geeignet macht.

Der Glühfaden 7 wird aus einem hitzebeständigen Metall 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 Träger 1 hergestellt wird, ein quarzähnliches Material mit einem sehr hohen Widerstand gegen Verformung oder Schmelzen beim Erhitzen und kann zweckmäßigerweise Temperaturen von 1200 bis 1400° C standhalten, ohne daß eine nennenswerte Verschlechterung oder ein Erweichen desselben eintritt. Derartige Materialien können jedoch unter geeigneter Kontrolle gewünschtenfalls so erweicht werden, daß man sie in andere gewünschte Formen biegen kann. Der Widerstand des Glühfadens 7 und somit dessen Länge und Wendeldurchmesser werden entsprechend der an den elektrischen Klemmen 10 zugeführten Spannungen bemessen, derart, daß beim Anlegen der Spannung unter Betriebsbedingungen der Glühfaden? eine geeignete Betriebstemperatur, z. B. von ungefähr 1000° C, erreicht. Es ist möglich, bei dieser Temperatur sicher und praktisch zu arbeiten, da der für hohe Temperaturen geeignete, lichtdurchlässige, gläserne Träger 1 diese Temperatur ohne schädlichen Einfluß aushält.

Zweckmäßig kann das Element der F i g. 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 sein kann. Das Element kann somit direkt zur Strahlung benutzt werden, wie dies bei Heizlampen üblich ist, jedoch ohne die Notwendigkeit eines Einschlusses des Elementes in einem hermetischen Verschluß, um seinen Leuchtfaden gegen die Zerstörung durch Oxydation zu schützen, da er bereits gegen atmosphärische Luft abgeschlosen ist und für viele Stunden dauernd ohne irgendwelche wahrnehmbare Verschlechterung betrieben werden kann.

In F i g. 2 der Zeichnung ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der der Träger 1 in Form eines Kreises ausgebildet ist und der entsprechend ausgebildete Glühfaden 7 dieselbe Anordnung dazu besitzt, d. h., er ist vollständig darin eingeschlossen und mit dem Quarz oder dem quarzähnlichen Material, aus dem der Träger 1 hergestellt ist, gebogen. Die Enden 9 und die Zuleitungen 10 sind im wesentlichen von gleicher Art wie bei der Anordnung nach Fig. 1.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 ist der Träger 1 ein rohrf örmiger Stab aus Quarz oder quarzähnlichem Material mit darin angeordnetem Glühfaden 7 von hohem Widerstand aus hitzebeständigem Material, z. B. Wolfram, in Form einer Schraubenwendel, durch Anwendung von Wärme und mechanischer Belastung in eine im wesentlichen U-förmige 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 F i g. 1 und 2 illustrierten Lampen, bei Temperaturen des Glühfadens 7 von etwa 1000° C 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 des Trägers 1, bevor er in die in F i g. 3 dargestellte Form gebracht ist, ist im wesentlichen dieselbe wie in Fig. 1.

F i g. 4 zeigt ein ebenes, spiralförmiges Heizelement aus bei hohen Temperaturen widerstandsfähigem, quarzähnlichem Material, z. B. Quarz, und im wesentlichen wie das Rohr der F i g. 1 ausgebildet, insoweit als es einen Glühfaden 7, der in elektrischen Zuleitungen 10 endet, enthält. Diese Vorrichtung kann z. B. als elektrisches Heizelement bei Herden oder Heizplatten verwendet werden. Da bei solcher Verwendung kein besonderer Vorteil in der Aussendung von sichtbarem Licht besteht, wird zweckmäßigerweise ein geeigneter Farbstoff dem Material, aus dem der Träger 1 gebildet ist, vor seiner Herstellung und der Vereinigung mit den das Heizelement bildenden Teilen zugesetzt. Dadurch kann man dem quarzähnlichen Material eine gewünschte Farbe geben, die mit dem Dekor des elektrischen Apparates, in den es eingebaut werden soll, übereinstimmt.

Die Heizvorrichtungen können leicht hergestellt werden. Eine geeignete Länge eines Rohres mit einer einzigen durchlaufenden Bohrung von einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Öffnung 3 in F i g. 1 entspricht, wird abgetrennt. Außerdem wird eine geeignete Länge eines spiralförmig gewendelten, hochhitzebeständigen, gl unfähigen Fadenmaterials abgetrennt, wie z. B. Wolfram, mit einem Drahtdurchmesser von nicht mehr als 0,1016 mm, der für praktische Zwecke einen brauchbaren Mindestdurchmesser von etwa 0,0127 mm besitzt. Wahlweise kann ein zweckmäßig doppelgewendelter Draht Verwendung

finden, um eine größere Leistungsabgabe pro Längeneinheit zu erhalten. Der Draht wird in die Röhre eingeführt und wird darin gehalten, während die Röhre mit geeigneten Mitteln erhitzt wird, z. B. mittels mehrerer Knallgas-Schweißbrenner, wobei man am Mittelteil der Röhre mit der Beheizung anfängt und allmählich nach außen zu den Enden hin arbeitet, um den Einschluß von Luft- oder Glasblasen zu vermeiden. Das Rohr wird während des Erhitzens mit heißem 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 2200° C erhitzt wird, um ihn zu entgasen und seine Oberfläche zu reinigen. Dadurch entsteht eine saubere und innige Bindung mit dem Rohr aus Quarz und quarzähnlichem Material, wenn die Röhre zusammenfällt und die Drahtspirale des Glühfadens vollständig einschließt. Die gesamte Länge des Rohres wird, wie oben beschrieben, behandelt, um den gesamten Draht vollständig innerhalb des Quarzes oder des quarzähnlichen Materials des Rohres einzuschließen und dadurch vollständig zu isolieren und ihn vor der umgebenden Atmosphäre zu schützen und zu verhüten, daß Metallteilchen davon entfernt werden und dadurch der Draht verschlechtert wird. Endabschlüsse aus erstarrtem Metall oder Metallegierung mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 600 bis 1500° C werden dann geschmolzen und innerhalb der Enden 3 des Trägers 1 zum Festwerden gebracht.

Der in F i g. 1 dargestellte Heizlampenstf ahler hat einen röhrenförmigen Träger 1 aus einem 7,62 cm langen Quarzstab mit einem Außendurchmesser von etwa 0,6 cm und einem Innendurchmesser von 0,127 cm. Die Wolframspiralwendel hatte dabei einen Außendurchmesser von 0,127 cm und wurde aus einem Draht mit etwa 0,0508 mm Durchmesser hergestellt. Der Draht wurde 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. Um eine Heizlampe zu ergeben, wird die Vorrichtung mittels eines isolierenden Schildes in dem Brennpunkt eines parabolischen Reflektors mit 15,24 cm Durchmesser gelagert.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizvorrichtung mit langgestrecktem Träger aus lichtdurchlässigem Quarzglas und einem in demselben Material eingebetteten gewendelten Glühfaden, das ohne zu erweichen Temperaturen von wenigstens 1000° C aushalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glühfaden (7) aus hochhitzebeständigem Metalldraht hermetisch in dem Volumen des Trägers (1) eingeschmolzen und vollständig darin eingebettet ist und sich durch dessen Enden nach außen erstreckt, daß das Trägermaterial (1) mit dem Glühfaden (7) auf dessen gesamter in den Träger (1) eingebetteter Länge in innigem Kontakt steht, daß ein um die sich nach außen erstreckenden Enden (6) des Glühfadens (7) herumgegossenes metallisches Material (8) zur Erzeugung eines guten elektrischen Kontakts mit den Fadenenden (6) und zur mechanischen Abstützung derselben dient.

2. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden (7) eine Betriebstemperatur von etwa 1000° C hat.

3. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden (7) aus Wolfram, Molybdän oder Rhenium besteht und einen Drahtdurchmesser von etwa 0,0127 mm bis 0,1016 mm besitzt.

4. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (6) des Glühfadens in einer die elektrischen Anschlüsse (10) enthaltenden Öffnung (3) mittels eines erstarrten Metallpfropfens (8) gelagert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen