DE2034200A1

DE2034200A1 - Vakuumofen

Info

Publication number: DE2034200A1
Application number: DE19702034200
Authority: DE
Inventors: William Peter Billenca Mass Teagan (V St A ) P
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1969-07-25
Filing date: 1970-07-09
Publication date: 1971-02-18
Also published as: DE2034200B2; JPS491176B1; GB1266096A; US3571478A

Description

PATENTANWÄLTE uftu^iieii -

DR.-INC. H. FINCKE MÜNCHENS

DIPL-ING. H. BOHR MOLLERSTR. 31

0IPL-ING₁S₁STAEOiR 2034200 9.JULM970

M 8413

Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma Thermo Electron Corporation, Waltham, Mass./

V. St.A.

betreffend "Vakuumofen"

PRIORITAT₁

Kurzbeschreibung

Die Erfindung beinhaltet einen Vakuumofen, bei dem Wärmeverluste durch Strahlung mittels einer Strahlungsabschirmung von besonderem Aufbau verhindert werden. Die Abschirmung besteht aus einer Metallfolienspirale, bei welcher die benachbarten Windungen der Folie mittels einer dünnen Aufstreuung aus verhältnismäßig schlecht leitendem Material, beispielsweise Keramikpulver, ge-.trennt sind.

Ausführliche Beschreibung

Die Erfindung betrifft Hochtemperaturöfen, insbesondere einen Vakuumofen, der gegenüber Strahlung abgeschirmt ist.

Bei verschiedenen bekannten Aufbauten von Hochtemperaturöfen

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weist die Strahlungsabschirmung, wenn insgesamt vorgesehen, typischerweise die Form mehrerer besonderer Abschirmungen auf, die starr und selbsttragend sind. Die Anzahl solcher Abschirmungen wird durch die Masse sowie Abmessungen begrenzt, v/elche diese zu dem Ofen im Hinblick auf deren Dicke selbst sowie die erforderliche Abstandsgebung zur starren Lagerung hinzufügen. Ferner erforderten solche bekannten Abschirmanordnungen eine wesentliche Materialmenge in den Abschirmungen selbst. Die Kosten dieses Materials können wesentlich den Preis von Öfen übersteigen, die zum Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Hochtemperatürofens unter Verwendung einer Strahlungsabschirmung von verhältnismäßig kompaktem Aufbau mit verhältnismäßig geringen Wärmaverlusten, wobei die Anbringung an einem Vakuumofen eine verhältnismäßig geringe Eingangsleistung erfordert, um eine gegebene Temperatur zu erreichen, wobei der Ofen nebst Abschirmung verhältnismäßig billig ist und einen einfachen Aufbau aufweist.

Die vorangehend erläuterte Problemstellung wird erfindungsgemäß allgemein gelöst durch ein eine Kammer bildendes Bauelement einschließlich einer Vielfachwindungsspirale sus einer Folie von hitzebeständigem Material mit einer^^uSiltreuung aus besonderen Teilchen von verhältnismäßig nichtleitendem Material, das benachbarte Folienwindungen voneinander trennt» Die erste Windung der Spirale umschließt ein Volumen, welches die Heizkammer des Ofens bildet. Jedes offene Ende der Spirale ist durch eine,entsprechende Abdeckung geschlossen; eine Heizeinrichtung .ist-,zur Erzeugung von Wärme in der Kammer vorgesehen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Bs zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines srfindungsgemäßen Vakuumofens im Vertikalschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt län«a dor Linie II -.11 von Fi#„ 1 Teildarstellung,

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Fi(T. 3 einen Dchnitt Twgs der Linie III - III von Pig. T mit einer oberen Abdeckung nebet Heizeinrichtung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Abschirmung eines erfindunpsgemäßen Vakuumofens in einer Schnittdarstel- ■lung senkrecht su derjenigen nach Fig. 2,

Fig, 5 die eingespeiste Leistung als Funktion der Tempera- " tür bei einem erfindungspomäßen Ofen und einem vergleichbaren bekannten öfen.

Der Ofen nach Fig. 1 -3 ißt allgemein zylindrisch ausgebildet und umfaßt ein allgemein rohrförmiges Glied 11, das an beiden Enden durch eine entsprechende Abdeckung 13 bzw. 15 geschlossen ist. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, umfaßt das eine Seitenwandung bildende rohrförmige Glied 1-1 einen-.äußeren'Metallmantel 17 sowie eine ^Strahlungsabschirmung 19.

Genä3 Fip. 2 umfaiSt die Strahlungsabschirmung 19 eine Spirale 21 aus einer Folie aus-geeignetem Metall, wobei benachbarte FoIior.windungen durch ein:; dünn*- Auf3treuung oöer Auf3täubung von einseinen Teilchen 23 pttrennt sind. Die Teilchen 23 bestehfT: vorzugsweise aus oinc-a rcl ativ nichtleitendem'Material, beispielsweise Keranikpulver. Tine solche 3trahlungsabahirmung kanu laicht durch Aufstreuten --ines Keramikpul ν er s auf die Fläche eines Polienstreifcns hergestellt werden, wenn dieser auf eine geeignete Fora gewickelt wird.

Eine solche Konstruktion ermöglicht die Verwendung einer Vielzahl von strahlungsabsehirmtenden Elementen, d.h. einzelnen Fölienwindungen, ohne Zufügung einer großen Masse au dem Ofen* Die Teilchen bewirken eine Abstandsgebung und Auflagerung der einzelnen Schichten der Folie an Ort und Stelle und ermöglichen somit die Verwendung einer dünnen Folie anstelle- besonderer relativ schwerer Bleche oder Platten«, Für den Zweck der vorliegenden Srfindung ist unter dem Ausdruck "Folie" eine Metallschicht su verstehen, welche nicht mehr als 0,125 mm Dicke aufweist. Für Anwundungsfälle bei Rochtemperatur-Vakuumöfen kann

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für die Folie 21 ein hitzebest^;indiges Material, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder Tantal, verwendet werden, während Öfen · zur Anwendung bei geringeren Temperaturen, beispielsweise öfen zum Anlassen, unter Verwendung einer Metallfolie, beispielsweise aus Titan, rostfreiem Stahl oder Nickel aufgebaut sein können.

Die Abdeckungen 13, 14 sind in analoger Weise aufgebaut und umfassen eine Verstärkungsplatto 31 sowie eine Strahlungsabschirmung 33. Die Abschirmungen 3: können auch Vielfachschichten der Folie umfassen, wobei die Schichten durch ein Keramikpulver getrennt und auf die Veratärkungsplatte 31 aufgerollt sind.

Innerhalb der Kammer des 0fon3 wird durch einen Widerstandsheizer 35 Wärme erzeugt, der ein Paar Streifen aus Wolframdrahtnetz 37, 39 umfaßt. Jeder der Streifen ist zwischen einer entsprechenden Eingangselektrode 41, 43 sowie einer Zwischenlagerelektrode 45 angebracht, wobei die Elektroden an entsprechenden Durchführungsanschlüssen 47, 48, 49 angebracht sind/Diese Anordnung des Heizers weist den Vorteil auf, daß die Heizkammer zum finf ühren. eines.. Werkstückes verhältnismäßig freigelassen wird» in vernaltnismaBig einfacher Heizer dieser Art kann verwendetVBgv da Verluste von dem Ofen verhältnismäßig gering im Vergleich zu"⁶¹* bekannten Aufbauten sind. Es kann demnach eine Verhältnismäßig hohe Temperatur mit einer verhältnismäßig geringen Eingangsenergie erhalten werden. Zusätzlich erzielt man eine lange Lebensdauer, nachdem Heizer dieser Art über hunderte von Stunden bei 2000⁰G in Betrieb gehalten wurden. Zur Verwendung als Material für die Widerstandsheizelemente 37, 39 ist Wolframdrahtnetz ge-., eignet, das für andere Zwecke zur Verfügung steht, so daß dem besonderen Zweck angepaßte Heizelemente nicht mit hohen Kosten in Sonderfertigung hergestellt werden müssen. Wahlweise können Drahtnetzheizelemente längs des Umfanges des Rohrgliedes 11 aufgehängt werden, wobei geeignete Elektroden an den Enden der Streifen vorgesehen sind, um eine Zwischenverbindung sowie einen Anschluß an die elektrische Energie herzustellen. Im Betrieb wird der Ofen an Schenkeln 51 innerhalb einer zweckmäßigen Glocke 53 angebracht, welche alsdann durch eine Pumpe 55 evakuiert wird. Bei einem Beispiel eines im wesentlichen gemäß der Darstellung

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aufgebauten Ofens umfaßt eine Strahlungsabschirmung 19 vorzugsweise 20 Wicklungslagen aus Molybdänfolie sowie 20 Wicklungslagen aus Wolframfolie. Die Folien waren 25 x 10 mm dick, wobei benachbarte Schichten durch dünn verteiltes Zirkonoxid-' .pulver von solchen Abmessungen getrennt waren, daß die resultierende Durchschnittsdicke für jede Strahlungsabschirmschicht etwa

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62,5 x 10 mm betrug. Auf diese Weise betrug-die (Jeeamtdlcke der Strahlungsabschirmung 19 lediglich etwa 2,5 mm. Die Wärmeverluste von diesem Ofen waren gering genug, so daß eine Temperatur von 2000⁰C bei einer Eingangsleistung von weniger als 2000 W erzielt wurden, obgleich die Heizungskammer einen Durchmesser von 12,5 cm bei einer Höhe von 15 cm aufwies.

Die Temperatur als Funktion^der Eingangsleistung für diesen Ofen ergibt sich durch die Kurve A von Fig. 5. Zum Vergleich ist mit der Kurve B die Temperatur/Leistungs-Charakteristik eines bekannten Ofens mit einer Heizkammer von vergleichbaren Abmessungen dargestellt, nämlich 10 cm Durchmesser sowie 17,5 cm Höhe. Dieser bekannte Ofen ist mittels fünf selbsttragender Wolframabschirmung^§egen Strahlung abgeschirmt, welche zusammen eine Abschirmungswand von etwa 37,5 mm Dicke ergeben. Daher ergibt sich, daß durch die Erfindung ein verhältnismäßig wirksamer Betrieb in einem Ofen von verhältnfinäßig kompakten Abmessungen erzielt wird. Ferner wird die Einspeisung von Energie zur Heizung durch die Verwendung der Drahtnetzheizer gemäß der vorangehenden Beschreibung erleichtert, welche einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweisen, beispielsweise etwa ein 0hm bei 1800⁰C. Die Heizelemente waren aus Standardwolframdraht mit einer Drahtabmessung von 1/10 mm sowie 14 Drähte auf einen Zentimeter hergestellt.

Obgleich ein Ofen von kreisförmigem Querschnitt in beispielhafter Weise veranschaulicht wurde, können auch andere Querschnittsformen verwendet werdenj wie sich versteht. Der Ausdruck "spiralig" soll demgemäß auch eine gewickelte Strahlungsabschirmungsfolie umfassen, wenn der Sesamtquerschnitt anders als kreisförmig ist, beispielsweise rechteckig.

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Eine wahlweise Konstruktion für die Strahlungsabschirmung ergibt sich aus Pig. 4. Dieser Schnitt verläuft längs einer Ebene parallel zu der Achse der entsprechenden Spirale und nicht quer hierzu wie in Pig. 2. Gemäß Pig. 4 sind die benachbarten Windungen einer Spirale einer Metallfolie 61 durch feine Drähte 63 getrennt, die in Spiralen mit der Folie 61 aufgewickelt werden. Die Trennung zwischen den benachbarten feinen Drähten 63 in jeder Schicht ist vorzugsweise etwas zufällig, so daß die Drähte in benachbarten Schichten nicht in Ausrichtung aufeinander liegen. Obgleich jede Windung der Drähte 63 örtlich Wärme von einer Schicht zu der nächsten zu leiten vermag und auf diese Weise seine Strahlungsabschirmschicht in wirksamer Weise kurzschließt, so ergibt sich doch, daß die Gesamtwirkung auf die Geaamtetrahlungsabschirmung sehr gering ist, da die auf diese Weise von einem Draht an einem gegebenen Punkt übertragene Wärme nicht leicht in irgendeine der anderen Lagen eindringt. Es versteht sich, daß die seitlichen Wege längs der Polie verhältnismäßig lang im Vergleich zu den Querdimensionen sind und daher keine wirksamen leitenden Wege darstellen. Wie bei dem ersten Beispiel bewirken die zufällig im Abstand angeordneten feinen Drähte eine Abstandsgebung und Auflagerung benachbarter Windungen der Polie 61, so daß eine verhältnismäßig dünne Polie verwendet werden kann, welche nicht selbsttragend sein muß.

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Claims

I'etentansgrUche

1. Gegen Strahlung abgeschirmter Ofen mit einer Kammer eowie einer Heizeinrichtung zur Erzeugung von Wärme in der Kammer, gekennzeichnet durch eine Vielwindungsspirale aus einer Metallfolie (21). mit einer zufälligen Verteilung von Abstandselementen (Teilchen 23), welche benachbarte Windungen der Folie trennen, wobei die erste Windung der Spirale ein Volumen umschließt, das die Kammer bildet, und durch eine Abdeckung (13» 15) für jedee offene Ende der Spirale zur Schließung der Kammer.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände elemente feine Teilchen (23) aus Keramikpulver sind.

3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab-ΰtandselemente feine Drähte (63) sind, die mit der Folie aufgewickelt sind. "■-■-.

4. Ofen nach einen der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (21) aus einen hitcebeatändigen Metall urödie Abstandselemente auc einer dünnen Aufstreuung einzelner Teilchen aus verhältnismäßig nichtleitendem Material bestehen.

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch einen Heizer in Form zumindest eines Paares von .Elektroden (47, 48) sowie eines WiderstandDheizelementes (37, 39) aus gewebtem Drahtnetε, das zwischen den Elektroden verläuft, um Strahlungsenergie in der Kammer zu erzeugen.

6. Ofen nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch Bauelemente (Pumpe 55) zur Evakuierung eines Raumes einschließlich des Ofens.

7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Abdeckungen (13, 15) mehrere Schichten aus einer hitsebeständigen Metallfolie umfaßt, die durch eine dünne Aufstreuung aus einzelnen Keramikpulverteilchen getrennt sind.

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■<. Ofen nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie weniger als 0,12!3 mm dick ist.

9. Ofen nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Molybdän besteht.

10« Ofen n^;jtch einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Zirkonoxid ist.·

11. Ofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, d'aQ die Spirale größenordnungsmäßig 40 Windungen umfaßt.

4t 12. Ofen nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz (Widerstandsheizelemente 37, 39) aus Wolfram besteht.

Für Firma Thermo Electron Corporation:

PAnNTANWW-Ti OR.4MO. H: HNCKE, DIPt.-ING. H. »OH*

U-mü. S.SfAfcGcÄ

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