DE2643164A1

DE2643164A1 - Elektrischer hochtemperatur-widerstand mit endanschluessen

Info

Publication number: DE2643164A1
Application number: DE19762643164
Authority: DE
Inventors: Charles David Branson; Jun William David Long
Original assignee: Robertshaw Controls Co
Current assignee: Robertshaw Controls Co
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1977-04-07
Also published as: AU503248B2; AU1810576A; BR7606357A; SE7610413L; SE409384B; GB1561794A; US4003014A; JPS5241743A

Description

PATENTANWALT

. ing. K. HOLZEE

PHILIPPINE -WEISER -STKASSB 1*

8900 AUGSBUIiG

TELEFON 51647 5 TELEX 533 202 paiol d

R. 970

Augsburg, den 22. September 1976

Robertshaw Controls Company, 17OI Byrd Avenue, Richmond,

Virginia, V.St.A₀

Elektrischer Hochtemperatur-Widerstand mit Endanschlüssen

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochtemperatur-Widerstand mit Endanschlussenβ Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf gleichzeitig die mechanische Halterung bildende elektrische Anschlüsse von Hochtemperaturelementen,

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beispielsweise von Molybdän-Disilizid-Widerstandselementen, wie sie als Flammenanzünder oder Flammenfühler Anwendung findenο

Anschlüsse für Hochtemperatur- oder Zündelemente einschließlich von Molybdän-Disilizid-Elementen sind beispielsweise aus den US-Patentschriften 895 857, 1 ^96 569,

2 384 797, 3 307 136, 3 522 57^, 3 562 590, 3 569 787 und

3 662 222 bekannt und dadurch hergestellt, daß metallene Anschlußelemente bzw«, Anschlußhülsen durch Eindrücken, Hartlöten, Weichlöten, Schweißen, chemische Bindung oder auf andere Weise mit den Widerstandselementen verbunden sind₀ Im Handel erhältliche Molybdän-Disilizid-Elemente, welche kleinere Anteile an Keramikwerkstoffen oder anderen Materialien enthalten, weisen anfänglich eine beträchtliche Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Stöße auf» Eine große Zahl der bekannten Anschlüsse für Molybdän-Disilizid-Elemente eignet sich jedoch nur in beschränktem Umfang, da bereits während des Verbindungsvorgangs j durch Stöße bei der Handhabung oder wiederholten Gebrauch Fehler an oder nahe der Verbindungsstelle zwischen dem betreffenden Widerstandselement und den Anschlußelementen auftreten. Manche dieser Fehler ergeben sich aus einer rapiden Verschlechterung der Festigkeit und der Leitfähigkeit der zur Herstellung der Anschlußelemente oder der Verbindungen verwendeten Materialien»

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Durch Anschweißen der Widerstandselemente an hitzebeständige Metallanschlußelemente werden Ausfälle durch schnelle Verschlechterung der Festigkeit und der Leitfähigkeit der Anschlüsse vermieden, jedoch kann das Schweißen von Molybdän-Disilizid-Elementen mit üblicherweise verwendeten hitzebeständigen Metallen bisher nicht befriedigend durchgeführt werden, da diese Elemente dazu neigen, an oder nahe der Schweißstelle schwach und spröde zu werden und schon während des SchweißVorgangs oder nach dem Schweißen zu brechen« Es wird vermutet, daß diese Schwächung und Versprödung der Molybdän-Disilizid-Elemente durch verhältnismäßig große Temperaturgradienten hervorgerufen wird» Außerdem werden manche Fehler von Molybdän-Disilizid-Elementen bei Schweißverbindungen mit hitzebeständigen Metallanschlüssen den Folgen ungleichartiger Wärmedehnungskoeffizienten und anderer nicht zusammenpassender Metalleigenschaften zugeschrieben. Die Anordnung von gesonderten mechanischen Halterungen für Molybdän-Disilizid-Elemente beseitigt zwar einige der im späteren Gebrauch auftretenden Fehler, jedoch hat sich auch die Anordnung solcher mechanischer Halterungen nicht als voll befriedigend erwiesen und außerdem treten auch schon vor der Anordnung an den mechanischen Halterungen Fehler auf.

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Ein wesentlicher Portschritt bei der Herstellung der Anschlüsse bei feuerfesten Widerstandselementen brachte die Anwendung eines metallenen Halteelements, beispielsweise einer Hülse, das sich längs eines Abschnittes eines feuerfesten Widerstandselements erstreckt und wobei ein Ende des Widerstandselements und des Halteelements miteinander verschmolzen sind und der nicht verschmolzene Teil des Halteelements sich längs eines beträchtlichen Teils des genannten Abschnittes erstreckt und an dem einer Schwächung unterworfenen Teil des Widerstandselements eine mechanische Stütze bildete Außerdem weist dieser bekannte feuerfeste Widerstand und der Anschluß eine Schicht aus schmiedbarem Metall, beispielsweise Silber, zwischen dem unverschmolzenen Teil des Halteelements und dem genannten Abschnitt des Widerstandselements auf, wobei das schmiedbare Metall einen während der Verschmelzung des Halteelements und des feuerfesten Widerstandselements geschmolzenen und danach wieder abgekühlten und erstarrten Teil aufweist, der einen Teil des genannten Abschnitts des Widerstandselements umschließt₀ ■

Weiterhin ist eine Anzahl von Verfahren zur Verbindung ungleicher Metallelemente wie beispielsweise Leiter, Röhrchen uswo entwickelt worden, die bei Anwendungsfällen mit verhältnismäßig niedriger Temperatur Anwendung finden und beispielsweise in den US-PatentSchriften 2 914 641, 3 244 798 und

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3 656 092 beschrieben sind_o Im allgemeinen sind diese Verfahren bei Widerstandselementen für höhere Temperaturen, wie beispielsweise Molybdän-Disilizid-Elementenj nicht anwendbar oder ungeeignet, da die verwendeten Materialien unter dem Einfluß hoher Temperaturen, von Luft und von Brennstoff wesentliche Verschlechterungen ihrer Festigkeit und Leitfähigkeit erfahren würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Hochtemperatur-Widerstand und dessen elektrischen Anschluß und mechanische Halterung so auszubilden, daß eine lange Lebensdauer bei wiederholten Erhitzungszyklen ohne Fehler erreicht werden kann.

Außerdem bezweckt die Erfindung die Ausbildung eines länglichen feuerfesten Widerstandselements mit Anschlüssen, welche das Widerstandselement elektrisch verbinden und an den infolge eines Temperaturgradienten nahe dem Anschluß einer Schwächung unterworfenen Stellen mechanisch stützen,, Außerdem sollen Brüche oder Fehler an oder nahe den Verbindungsstellen zwischen den Anschlüssen und dem feuerfesten Widerstandselement verhindert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein elektrischer Hochtemperatur-Widerstand mit Endanschlüssen gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Endanschlüsse jeweils ein

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mit dem betreffenden Ende eines länglichen Widerstandselements aus einem leitfähigen feuerfesten Material verschmolzenes metallenes Anschlußelement aufweisen und daß eine Glasschicht aus einem mit dem Material des Widerstandselements verträglichen Glas einen Abschnitt des Widerstandselementendes umschließt.

Bevorzugte Ausführungsformen und Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung bringt den Vorteil, daß ein praktischerer und länger haltbarer elektrischer Anzünder für Strömungsmittelbrenner herstellbar ist.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Anordnung einer Schicht aus verträglichem Glas zwischen einem Endabschnitt des feuerfesten Widerstandselements und einem mechanisch halternden Teil eines Metallanschlusses, um einen Bruch und eine Zersetzung des feuerfesten Widerstandselements an dieser Stelle zu verhindern»

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

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Pig. 1 eine Ansicht eines elektrischen

Widerstands nach der Erfindung,

Figo 2 einen Schnitt, der die Herstellung

eines der beiden Anschlüsse des Widerstands nach Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 einen Schnitt durch den fertig her

gestellten Anschluß, und

Fig. h im Schnitt eine Abwandlung der Erfin

dung.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Metall" sind alle Elemente, Verbindungen und Gemische oder Legierungen davon zu verstehen, die schmelzbar und als Leiter für elektrischen Strom und Wärme verwendbar sind_o Der hier verwendete Ausdruck "Glas" umfaßt alle Verbindungen oder Gemische, die keinen spezifischen Schmelzpunkt oder keine wesentliche Umwandlungswärme beim übergang von der flüssigen Phase zur festen Phase oder umgekehrt aufweisen.

In Fig. 1 ist ein elektrischer Widerstand nach der Erfindung mit einem länglichen elektrischen Widerstandselement 10 und mit zwei im wesentlichen identischen tragenden Anschlüssen 12 und 14 dargestellt, welch letztere mit ähn-

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lichen metallenen Anschlußstreifen 16 und 18 verbunden sind, die ihrerseits an elektrische Kabel 20 und 22 angeschlossen sind.

Das elektrische Widerstandselement 10 ist aus feuerfestem elektrischem Widerstandsmaterial hergestellt, beispielsweise aus Molybdän-Disilizid, das mit kleineren Anteilen von Keramikwerkstoffen oder anderen Materialien vermischt ist. Derartige Molybdän-Disilizid-Elemente sind im Handel erhältlich.

Wie in Figo 3 dargestellt ist, weist der Anschluß 12 eine Hülse 26 aus Hochtemperaturmetall oder hitzebeständigem Metall auf, die einen Endabschnitt 28 des Widerstandselements 10 umschließt und mit diesem Widerstandselementende durch einen Verschmelzungsbereich 30 verbunden ist, der Bestandteile des hitζebständigen Metalls und des feuerfesten Widerstandsmaterials des Widerstandselements 10 enthält. Ein Endteil 32 der Hülse 26 weist lichte Innenabmessungen auf, die nur geringfügig größer als die Außenabmessungen des Endabschnittes 28 des Widerstandselements 10 sind, während der andere Endteil 3^ der Hülse 26, der sich über den Endabschnitt 28 des Widerstandselements 10 erstreckt, größere Innenabmessungen aufweist und ein aus dem geschmolzenen Zustand erstarrtes Material, beispielsweise eine Glasschicht 36,

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aufnehmen kann, die zwischen diesem Hülsenendteil 34 und dem Widerstandselement 10 angeordnet ist»

Obwohl die Hülse 26 gemäß der Darstellung eine runde Rohrform aufweist, welche die Außenfläche des Widerstandselements 10 umschließt, sind auch andere Hülsenausbildungen möglich, beispielsweise längsgeschlitzte Hülsen, oder es können mit gleichem Erfolg auch Halteelemente Anwendung finden, die längs des Endabschnittes 28 des Widerstandselements 10 verlaufen und diesen nur teilweise umschließen» Hülsen, welche den Umfang des Widerstandselements 10 zu mehr als l80 ° umschließen, bieten eine bestmögliche mechanische Stütze gegen seitliche Beanspruchungen₀

Das hitzebeständige Metall der Hülse 26 ist nach Festigkeit und Widerstandsfähigekit gegen hohe Temperaturen vorzugsweise so ausgewählt, daß es in Luft Temperaturen von bis zu 840 C oder darüber ohne irgendwelche wesentliche Beeinträchtigungen seiner Festigkeit oder seiner Leitfähigkeitseigenschaften standhalten kann» Im allgemeinen können geeignete hitzebeständige Metalle aus den Chrom-Stahllegierungen ausgewählt werden, die allgemein als rostfreie Stähle bezeichnet werden. Ein derartiger rostfreier Stahl kann 23 % bis 30 % Chrom und etwa 0,35 % Kohlenstoff und als Rest Eisen und andere kleinere Bestandteile enthalten.

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Das eingeschmolzene und erstarrte Material 36 wird nach seiner Verträglichkeit mit dem feuerfesten Widerstandsmaterial des Widerstandselements 10 ausgewählt. Vorzugsweise ist dieses Material ein Glas. Als in Verbindung mit Molybdän-Disilizid-Elementen besonders geeignet hat sich ein Silizium-, Blei-, Natrium- und Kaliumoxide enthaltendes Glas erwiesen. Einige Werkstoffe sind mit dem feuerfesten Widerstandsmaterial unverträglich, wenn sie einer großen Anzahl von wiederholten Erhitzungszyklen ausgesetzt sind. Beispielsweise haben sich Silber und ein Boroxid enthaltendes Glas als mangelhaft erwiesen, da jeweils eine übermäßig große Anzahl von Elementen während wiederholter Erhitzungszyklen brach» Es wird vermutet, daß derartige unverträgliche Materialien mit der schützenden Oxidschicht, beispielsweise mit der sich auf Molybdän-Disilizid bildenden und das Widerstandselement vor Angriffen durch Luft, Brennstoffprodukte und dergleichen im Gebrauch schützenden Siliziumdioxidschicht, reagieren oder sich mit dieser Schicht abnutzen, so daß das feuerfeste Widerstandsmaterial der Reaktion mit Brennstoffprodukten und Luft ausgesetzt ist und dadurch die mechanische Stützung durch die Hülsen 26 und 36 geschwächt oder das Element 10 im Bereich des Endabschnittes 28 nahe dem Verschmelzungsbereich 30 so verschlechtert wird, daß ein Bruch eintritt.

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Grundsätzlich ist es wünschenswert, daß das eingeschmolzene und erstarrte Material einen Wärmedehnungskoeffizxenten aufweist, der etwa 0,5-mal bis 1,5-mal so groß wie der lineare Ausdehnungskoeffizient des feuerfesten Widerstandsmaterials ist« Der bevorzugte Bereich liegt zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,2-fachen des linearen Ausdehnungskoeffizxenten des feuerfesten Widerstandsmaterials. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient des eingeschmolzenen Materials größer als der lineare Ausdehnungskoeffizient des feuerfesten Widerstandsmaterials, jedoch kleiner als etwa das 1,2-fache desselben ist. Außerdem ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des haltenden Elements so ausgewählt, daß er geringfügig größer als der lineare Ausdehnungskoeffizient des eingeschmolzenen und erstarrten Materials ist. Bei schwach unterschiedlichen Audehnungskoeffizienten der drei Werkstoffe, wobei das feuerfeste Material den niedrigsten linearen Ausdehnungskoeffizxenten, das eingeschmolzene Material einen etwas größeren linearen Ausdehnungskoeffizxenten und das stützende Element einen noch etwas größeren linearen Ausdehnungskoeffizxenten aufweist, ist die tatsächliche Ausdehnung in allen drei Materialien, nämlich im feuerfesten Widerstandsmaterial, im eingeschmolzenen Material und im Metall des Halteelements im Betrieb im wesentlichen gleich, da die größte Temperaturänderung im feuerfesten

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Widerstandsmaterial, die nächstgrößte Temperaturänderung im eingeschmolzenen Material und die geringste Temperaturänderung im haltenden Element auftritt_o

Der Anschlußstreifen 16 ist aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt, bei welchem es sich um das gleiche Metall wie dasjenige der Hülse 26 handeln kann. Wie in Figo dargestellt ist, weist der Streifen 16 vom Anschluß 12 aus eine so gewählte Länge auf, daß die vom Anschluß 12 übertragene Wärme in ausreichendem Maße abgegeben wird, um die Verbindungsstelle zwischen dem Kabel 20 und dem Streifen nicht übermäßig stark zu erwärmen. Der Streifen 16 wird durch einen herkömmlichen Quetsch- oder VerbindungsVorgang mit dem Kabel 20 verbundene Das Kabel 20 ist typischerweise eine mit einer hochtemperaturbeständigen Isolation versehene vieladrige Kupferlitze.

Fig. 2 zeigt die Herstellung des Anschlusses 12 des Widerstandselements 10„ Die Hülse 26 wird zunächst in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch Abschneiden von Rohrmaterial, Rollen aus Flachmaterial oder dergleichen, hergestellt und sodann zusammen mit einem Glasrohrabschnitt 36 im Bereich des Hülsenendteils 3^ über das Ende des Widerstandselements IO geschoben. Sodann wird intensive Wärme, beispielsweise mittels eines nadeiförmigen Plasmastrahls, zunächst am Streifen 16 zu dessen Vorwärmung und

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sodann am Ende der Hülse 26 und am Ende des Widerstandselements 10 zur Anwendung gebracht, wie in Fig. 3 gezeigt ist, um den Verschmelzungsbereich 30 zwischen der Hülse 26 und dem Widerstandselementende herzustellen. Die Hitze schmilzt auch das innerhalb der Hülse 26 befindliche Glasrohr 36, welches infolge von Kapillarkräften innerhalb der Bohrung des Hülsenendteils 3^ verbleibt und um den Endabschnitt des Elements 10 herumfließt und den Zwischenraum zwischen diesem und der Hülse 26 ausfüllt. Nach der Verschmelzung läßt man den Anschluß 12 in der Raumatmosphäre abkühlen, damit große Temperaturgradienten im Element 10 jenseits des Endabschnittes 28, der durch das wieder erstarrte Material 36 gehalten wird, vermieden werden.

Zur Verwendung des in Pig. I gezeigten feuerfesten Widerstands als Anzünder oder Flammenfühler wird der Widerstand in geeigneter Weise eingebaut und über die Kabel 20 und 22, die Metallstreifen 16 und 18 und die Anschlüsse und 14 wird das Widerstandselement von elektrischem Strom aus einer nicht dargestellten Stromquelle durchflossen. Im allgemeinen weisen Widerstandselemente wie beispielsweise Molybdän-Disilizid-Elemente mit der Temperatur zunehmende oder abnehmende Widerstandswerte auf. Durch das Widerstandselement 10 fließen verhältnismäßig kleine Ströme, um den

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jeweiligen Widerstandswert abzutasten und daraus die Temperatur zu bestimmen, während zum Erhitzen des Widerstandselements 10 auf eine zum Zünden des Brennstoffs ausreichende Temperatur große Ströme Anwendung finden»

Bei der Handhabung oder beim Einbau eines Widerstands verringert die durch die Hülse 26 und das geschmolzene und wieder erstarrte Material 36 bewirkte Stützung die Bruch-.gefahr des Elements 10 durch Stöße oder Beanspruchungen wesentlich. Bei Verwendung als Anzünder erhitzt der durch das Element 10 fließende Strom die Widerstandsspule des Elements 10 auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1010 C bis 13^9 C, wobei die Anschlüsse eine Temperatur von etwa 788 C erreichen, was zu einem verhältnismäßig großen Temperaturgefälle im Endabschnitt 28 des Elements 10 führt, wo infolgedessen auftretende Schwächungen des Elements 10 durch die Stützwirkung der Anschlüsse 12 und 14 ausgeglichen werden,, Der Verschmelzungsbereich 30 bildet eine gut leitende Verbindung zwischen dem Element 10 und dem hitzebeständigen Metall der Hülse 26, die auch durch lange Einwirkung von hohen Temperaturen nicht wesentlich beeinträchtigt wird_o Im Betrieb werden Spannungen dadurch verhindert, daß der Wärmedehnungskoeffizient des geschmolzenen und wieder erstarrten Materials 36 im Bereich des 0,5~fachen bis 1,5-fachen des

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Wärmedehnungskoeffizienten des Elements 10 liegt.

Bei einer in Fig. 4 gezeigten Abwandlung wird ein
Anschluß 12 nach den Fig. 1 bis 3 noch einem weiteren Behandlungsschritt unterzogen, während welchem die Hülse 26 vertikal orientiert ist und mittels eines Brenners, einer Induktionsspule oder einer anderen Heizeinrichtung auf die Schmelztemperatur des Materials 36, jedoch auf eine unter den Schmelztemperaturen der Hülse 26 und des Elements 10
liegende Temperatur erhitzt wird, damit das Material 36
einen gleichförmigeren Verguß innerhalb des offenen Endes der Hülse 26 um das Element 10 herum bildet.

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Claims

Patentansprüche

..^Elektrischer Hochtemperatur-Widerstand mit Endanschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endanschlüsse jeweils ein mit dem betreffenden Ende eines länglichen Widerstandselements (10) aus einem leitfähigen feuerfesten Material verschmolzenes metallenes Anschlußelement (12, 14) aufweisen und daß eine Glasschicht (36) aus einem mit dem Material des Widerstandselements (10) verträglichen Glas einen Abschnitt des Widerstandselementendes (28) im Bereich des Anschlußelements umschließt.

2ο Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (12, 14) jenseits seines mit dem Widerstandselementende verschmolzenen Bereiches (30) einen längs eines beträchtlichen Abschnitts des Widerstandselementendes (28) verlaufenden, nicht verschmolzenen und eine mechanische Halterung bildenden Bereich (34) aufweist, der das Widerstandselementende mindestens teilweise umschließt,,

3· Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, daß die Glasschicht (36) durch zwischen dem nicht verschmolzenen Bereich (34) des Anschlußelements (26) und dem Widerstandselementende (28) eingeschmolzenes und wieder erstarrtes

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Glas gebildet ist»

4ο Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht (36) einen linearen Wärmedehnungskoeffxzxenten im Bereich des 0,5-fachen bis 1,5-fachen des linearen Wärmedehnungskoeffxzxenten des feuerfesten Materials des Widerstandselements (10) hat.

5β Widerstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht einen linearen Wärmedehnungskoeffxzxenten im Bereich des 0,8-fachen bis 1,2-fachen des linearen Wärmedehnungskoeffizienten des feuerfesten Materials des Widerstandselements (10) hat.

6. Widerstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet; daß die Glasschicht einen größeren linearen Wärmedehnungskoeffxzxenten als das feuerfeste Material des Widerstandselements (10) und das Metall des Anschlußelements (26) einen geringfügig größeren linearen Wärmedehnungskoeffxzxenten als die Glasschicht aufweist.

7· Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas der Glasschicht (36) Silizium-, Blei-, Kalium und Natriumoxide enthält.

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8o Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das.feuerfeste Material des Widerstandselements (10) hauptsächlich aus Molybdän-Disilizid besteht.

9. Widerstand nach einem der Ansprüche 1. bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement aus einer Chrom und Stahl enthaltenden Legierung besteht.

1Oo Widerstand nach einem der Ansprüche 2 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (26) die Form einer "über das Widerstandselementende geschobenen Hülse hat, deren einer, mit dem Widerstandselementende zu verschmelzender Endteil (32) nur geringfügig größere lichte Innenabmessungen als die Außenabmessungen des Widerstandselements hat und deren anderer Endteil (34) größere lichte Innenabmessungen aufweist, und daß die Glasschicht (36) zwischen dem genannten anderen Anschlußelement-Hülsenendteil und dem Widerstandselementende angeordnet ist.

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