DE2615659A1 - Hochtemperaturofen mit keramischen heizelementen - Google Patents
Hochtemperaturofen mit keramischen heizelementenInfo
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Description
Patentanwälte KadorS Klunker Knoebelstr. 36 8 München 22
PATENTANWÄLTE DR. KADOR&DR. KLUNKER
DR. ING. H. F. KLUNKKR (DIPL. ING.) DR1RER-NAT-ILKAnOR(I)IPL-CIIKM.)
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Telex: 5-22903
Unser Zeichen :/Ourref.: K 11 341/3 Tag/Date 8. April 1976
COMMISSARIAT A L1 ENERGIE ATOMIQUE
29, rue de la Federation
75752 Paris,Frankreich
HOCHTEMPERATUROFEN MIT KERAMISCHEN HEIZELEMENTEN
Die Erfindung betrifft einen Ofen, der mit keramischen Heizelementen ausgestattet ist, die den
Ofen auf eine hohe Temperatur erhitzen.
Es sind Öfen bekannt, die mit Heizelementen aus Lanthaniden-Oxyden und Oxyden des Chroms und insbesondere
aus Chromiten bestehen, die mit Lanthan
- 2 609843/0433
dotiert sind. Derartige Öfen haben den Vorteil, daß sie bereits von Umgebungstemperatur ab zufriedenstellend in
Betrieb gesetzt werden können, doch können sie eine Temperatur von etwa 1.800 C nicht übersteigen, denn von
dieser Temperatur an verringert sich stark die Lebensdauer der Elemente.
Es sind feuerfeste Werkstoffe bekannt, die als Heizelemente bei Temperaturen über 1.8000C verwendbar
sind, nämlich Thorerde, ein Werkstoff, der jedoch den Nachteil hat, radioaktiv zu sein, und außerdem Zirkon,
das jedoch die Tendenz hat, daß die Ubergangskontakte bei hohen Temperaturen fehlerhaft werden, und das außerdem
vorgeheizt werden muß, damit es elektrisch leitfähig wird.
Dieses Vorheizen wird auf zwei verschiedene Arten durchgeführt, nämlich es wird ein heizender Körper
in den Ofen eingebracht; das Zirkonelement wird an Spannung gelegt; und die Wärmeabgabe des heizenden Körpers
wird allmählich verringert, bis die vom Zirkonelement abgegebene Leistung ausreicht. Die zweite Methode besteht
darin, daß ein festes, außen umgebendes Heizelement aufgeheizt wird, das Zirkonelement an Spannung gelegt wird
und die Leistungszufuhr zum äußeren Heizelement in dem
Maße verringert wird, wie das Zirkonelement an Heizleistung zunimmt, bis es schließlich praktisch die gesamte
Heizleistung übernimmt.
Die Erfindung hat zum Ziel, einen Ofen zu schaffen, der die vorstehend genannten Nachteile nicht
aufweist, der unempfindlich, leicht, einfach zu bedienen und im Preis nicht wesentlich verteuert ist.
Mit der Erfindung wird ein mit keramischen 609843/0433
Heizelementen ausgestatteter Ofen geschaffen, der in seinem Heizraum in der Reihenfolge von außen nach innen
zunächst eine erste thermische Isolation aufweist, dann ein Heizelement aus Lanthaniden-Chromit, anschließend
eine zweite thermische Isolation und schließlich wenigstens ein Element aus einem keramischen Werkstoff, das
bei einer Temperatur von 2.0000O betriebsfähig ist.
Als Lanthaniden-dhromit wird dotiertes Lanthan-Chromit
verwendet, und als keramischen Werkstoff, der bei Temperaturen von 2.0000C arbeiten soll, verwendet man
stabilisiertes Zirkon oder Thorerde. Die an die verschiedenen Heizelemente angelegten elektrischen Spannungen
werden so ausgewählt, daß beim Betrieb mit der Maximaltemperatur, für die die Einrichtung vorgesehen
ist, die Temperatur der Lanthan-Chromit-Elemente den Wert von 1.8000G nicht übersteigt. Wenn beispielsweise die
Maximaltemperatur der Zirkonelemente 2.2000C betragen
soll, dann ist die angelegte Spannung und damit die Leistungszufuhr so gewählt, daß die auf Lanthan-Ohromit-Basis
aufgebauten Elemente bei einer Temperatur arbeiten, die 4000C niedriger liegt.
Bei der Maximaltemperatur verbrauchen die Zirkonelemente nur einen Teil der Gesamtenergie, der umso geringer
ist, je besser die thermische Isolation zwischen den beiden Elementtypen ausgeführt ist. Die Zirkonelemente
sind in ihrem heizenden Mittelbereich aus stabilisiertem Zirkon aufgebaut, während sie zu den Enden hin
Abschnitte höherer Leit'fähigkeit aufweisen.
Nach einer bestimmten Ausführungsform bestehen sie aus unterschiedlich dotiertem Zirkon oder auch aus
Lanthan-Chromit mittlerer Leitfähigkeit. Schließlich sind diese Teile in ihrem weiteren Verlauf aus dotiertem
609843/0433
26156.S9
Lanthan-Chromit ausgebildet, und zur Erhöhung der Leitfähigkeit
sind sie im Bereich der elektrischen Anschlüsse mit einem metallisierenden Überzug versehen.
Aus einer nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in ihren Einzelheiten
und ihrer Wirkungsweise deutlich. Es zeigen:
Figur 1: Vergleichskurven über die bei unterschiedlichen
Elementen erzielten Temperaturveränderungen abhängig von der Zeit bei vorgegebener Speisungsleistung;
Figur 2: die Leistung und den Widerstand verschiedener Elemente wiedergebende Kurven;
Figuren 3 und 4: einen Querschnitt durch zwei Ausführungsformen
von Öfen nach der Erfindung in Rohr- oder Muffelform;
Figur 5: einen Schnitt bei Draufsicht auf die Mittelkammer
eines Kammerofens;
Figur 6: einen Schnitt durch eine perspektivische Ansicht eines Tunnelofens.
Die Figur 1 stellt in Kurve I den Zustand dar, als würden lediglich Lanthan-Chromit-Elemente verwendet
werden, ohne daß Zirkon-Elemente anwesend sind. Die Kurven II und Hr geben die jeweiligen Temperaturverläufe
der Lanthan-Ghromit-Elemente und der Zirkon-Elemente wieder. Die Anwesenheit von Zirkon-Elementen trägt zu
einer Verbesserung der Charakteristik der Lanthan-Chromit-Elemente bei.
609843/0433
In der Figur 2 zeigen die Kurven IV und V die Veränderungen des Widerstandes von Lanthan-Chromit und
Zirkon. Es ist daraus besonders zu beobachten, daß das Zirkon unterhalb 500OC nichtleitend ist.
Die Kurven VI, VII und VIII geben die Veränderungen in der Heizleistung der Zirkon-Elemente und der
Lanthan-Ghromit-Elemente wieder, sowie die Gesamtleistung.
Die Figur 3 zeigt, daß die Mittelkammer des Muffelofens einen zylindrischen Isolierkörper 1, beispielsweise
aus feuerfesten Steinen, aufweist, sowie ein Zylinderelement 2 aus dotiertem Lanthan-Chromit,
eine Isolierung 3 und schließlich einen Bereich aus Zirkon 4, der die innere, nutzbare Ofenkammer umgibt. Schematisch
ist bei 5 eine Umhüllung angedeutet, die dazu dienen kann, die Elemente mittels Induktion zu erhitzen.
Im vorliegenden Fall ist das Prinzip etwa gleich dem, das bei einer Heizung mit Joule-Effekt angewendet
wird. Man muß sicherstellen, daß im Zirkon zusätzliche Leistung in Wärme umgesetzt wird. Um dies mit
Hilfe von Induktion zu erzielen, durchdringt ein Teil des elektromagnetischen Feldes das Lanthan-Chromit-Element,
Dazu sind die Parameter Schwingungsfrequenz, elektrischer Widerstand und Dicke der Lanthan-Chromit-Wand und des
Zirkons so gewählt, daß die Eindringtiefe des induktiven Feldes in das Ghromit größer ist als die Stärke der Wand.
Aufgrund des durchgetretenen elektromagnetischen Feldes kann dann im Zirkon-Element Leistung umgesetzt werden.
Die Figur 4 zeigt eine Variante in der Ausführung des Ofens, die sich vom vorhergehenden Ausfiihrungsbeispiel
wenig unterscheidet und in der lediglich das
609843/0/, 33 ■
261B6B9
-G-
zylindrische Lanthan-Chromit-Element nunmehr durch eine
Anzahl von Stabelementen 2' ersetzt ist. Eine weitere Variante besteht darin, daß auch das rohrförmige Zirkon-Element
durch mehrere Elemente in Form von Stäben ersetzt wird.
Die Mittelkammer des in Figur 5 dargestellten Kammerofens weist Lanthan-Chromit-Elemente 2' und Zirkon-Elemente
4' auf, die sämtlich als Stäbe ausgebildet sind. Der Zugang zur Innenkammer wird durch eine Türöffnung 5
mit Einsatz geschaffen.
Figur 6 zeigt einen Tunnelofen, der mit Stabelementen 2r und 4' und zwei Isolierlagen 1 und 3 ausgerüstet
ist.
Die Arbeitsweise der einzelnen Ausführungsformen der Öfen ist folgende. Im ersten Augenblick der Inbetriebnahme,
in dem Spannung angelegt wird, heizen lediglich die Lanthan-Chromit-Elemente den Ofen und damit auch die
Zirkon-Elemente, die mit zunehmender Temperatur des Ofens
immer leitfähiger werden. Sie erzeugen so eine Überhitzung, und ihre Temperatur übersteigt die der Lanthan-Chromit-Elemente
.
Es ist eine Regelung vorgesehen, um die der G-e samt anordnung der Elemente zugeführte Leistung derart
zu steuern, daß die innere Temperatur des Ofens konstant auf einem vorgegebenen Wert bleibt.
Man sieht, daß im Gegensatz zu den herkömmlichen Öfen der Ofen nach der Erfindung keine Vorheizung benötigt,
daß also keine Mittel zur kurzzeitigen Aufheizung benötigt werden, da dem Ofen die Wärme entzogen wird, bis die
6098 U3/0433
Zirkon-Elemente eine Temperatur erreichen, bei der sie sich selbst zu heizen vermögen. Zwar spielen die Ghromit-Elemente
die Rolle einer Vorheizung, doch liefern sie dem Ofen ständige Heizung gleichzeitig mit den Zirkon-Elementen.
Andererseits genügt eine geringe Leistung, um die Zirkon-Elemente auf einer gewählten Temperatur
von etwa 2.000 - 2.2000C zu halten, und da der Widerstandsabfall
des Zirkon bei diesen Temperaturen gering ist, erhält man eine konstante und homogene Heizung im
Zentrum des Ofens.
Nachfolgend wird ein Beispiel gegeben, das die wesentlichen Eigenschaften eines Laboratoriumofens gemäß
der Erfindung erkennen läßt. Der Ofen ist mit sechs Lanthan-Chromit-Stäben von 20 mm Außendurchmesser und
einer gesamten Länge von 350 mm sowie einer Heizlänge von 100 mm ausgestattet, die im Kreis angeordnet und von
einer thermischen Isolationsröhre aus Zirkonbeton von 60 mm Außendurchmesser und 45 mm Innendurchmesser sowie
einer Länge von 100 mm umgeben sind. Im Zentrum des Ofens befindet sich ein Heizelement, das in seiner Mittelzone
aus Zirkon besteht, das mit 4 % CaO stabilisiert ist;
sein Innendurchmesser beträgt 32 mm und seine Heizlänge
70 mm. Dieser Mittelabschnitt wird zu beiden Enden durch Bereiche fortgesetzt, die aus Zirkon mit höherer Leitfähigkeit
bestehen, das mit Ceroxyd CeO2 stabilisiert
ist, wobei diese Teile auch stärker ausgeführt sind, und zum anderen sind weitere Abschnitte vorgesehen aus
dotiertem Lanthan-Chronit. Das Heizelement hat eine Gesamtlänge von 370 mm.
Während die Heizstäbe in Reihe geschaltet sind und an einer Spannung von 220 Volt liegen, ist das mittlere
Heizelement an eine 'Spannung von 80 Volt gelegt.
6098A3/0433 .
26156B9
Ein optisches Pyrometer, das vom inneren Heizelement
gesteuert wird, sorgt für die Regelung eines Thyristors. Bis zum Erreichen einer Temperatur von 2.05O0C am
Regler konnte folgendes Verhalten registriert werden:
Am Anfang heizen lediglich die Stäbe, da das Zirkon bei niedriger Temperatur noch nicht leitet.
Bei 1.3000G wird das Zirkon leicht leitend, wobei sich
folgende Werte einstellen:
Stäbe: 220V - 7,5A - 1.65OW - 1.34O0C
Uberhitzungselement: 80V - Strom gering - 1.3000C
Der Strom im Zirkon nimmt stetig zu, solange das Uberhitzungselement immer ein bißchen heißer war als
die Stäbe.
Bei 2.0000C wurde abgelesen:
Bei 2.0000C wurde abgelesen:
Stäbe: 220V - 8 A - 1.76OW - 1.6800C
Uberhitzungselement: 80V - 15 A - 1.200W - 2.0000C
2.96OW
Bei 2.050 C verminderte der Thyristorregler die Spannung ganz allgemein derart, daß die Temperatur konstant
blieb. Nach der Stabilisierung konnte folgendes abgelesen werden:
Stäbe: 175V - 6,5A- I.I5OW - 1.7800C
Uberhitzungselement: 65V - 14,5A - 95OW - 2.05O0C
2.100W
Es läßt sich feststellen, daß bei diesem Ofen ein Temperaturunterschied zwischen den Stäben und dem
Uberhitzungselement vorhanden ist, der progressiv und automatisch auftritt. Es ist auch noch zu bemerken, daß
das Uberhitzungselement, das einen sehr guten Wirkungs-
609843/0433
grad hat, da das Zirkon erst "bei Temperaturen zwischen
1.200 und 1.3000C leit«
samtleistung aufnimmt.
samtleistung aufnimmt.
1.200 und 1.3000C leitend wird, nur einen Teil der G-e-
6098 A 3/CK33 .
Claims (10)
1. .■ Ofen rait keramischen Heizelementen, d a du
rch gekennzeichnet, daß in der Ofenkammer von außen nach innen eine erste thermische
Isolation (1), wenigstens ein Element (2) aus Lanthaniden-Chromit,
eine zweite thermische Isolation (3) und wenigstens ein Element (4) eines "bis etwa 2.0000C arbeitsfähigen
keramischen Werkstoffes vorhanden sind.
2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das erste Element aus dotiertem Lanthan-Chromit "besteht.
3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Element
aus stabilisiertem Zirkon oder Thorerde besteht,
4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente
ununterbrochen und gleichzeitig elektrisch geheizt werden.
5. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizelemente mittels einer den Ofen umschließenden Hochfrequenzspule (5) induktiv beheizt sind.
6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine die
Leistungszufuhr zu den Elementen steuernde Temperaturregeleinrichtung
vorgesehen ist.
609843/0433 .
7. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zirkon-Elemente in ihrem Mittelbereich aus stabilisiertem
Zirkon bestehen, an den sich zu den Enden hin Abschnitte höherer Leitfähigkeit anschließen.
8. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Mittelbereich aus
unterschiedlich dotiertem Zirkon aufgebaut ist.
9. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die sich an den heizenden
Mittelbereich anschließenden Enden aus Lanthan-Chromit mittlerer Leitfähigkeit bestehen.
10. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Endabschnitte durch
dotiertes Lanthan-Ghromit verlängert sind mit starker Leitfähigkeit, und daß die Bereiche für die elektrischen
Anschlüsse metallisiert sind.
609843/0 433
-ft .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8141 | Disposal/no request for examination |