DE2906495C2 - Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Drahtwiderständen und insbesondere auf Einrichtungen zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht.

Die Erfindung kann zum operativen Festlegen der genauen Parameter einer Wärmebehandlung verschiedener Widerstandsdrähte zwecks Herstellung von Widerstandsdraht mit im voraus bestimmten Eigenschäften verwendet werden.

Am vorteilhaftesten kann die Erfindung zum operativen Festlegen der genauen Parameter einer Wärmebehandlung von Widerstandsdraht mit dem Zweck verv/endet werden, im voraus bestimmte Daten von dessen thermischen Widerstandskoeffizienten zu erzielen.

Wie bekannt, stellt der thermische Widerstandskoeffizient eines Widerstandsdrahts die Abhängigkeit einer Änderung dieses Widerstandes von einer Temperaturänderung dar, d. h. er gibt die Stabilität des Widerstandswertes eines Widerstandsdrahts in der Zeit wieder. Die Stabilität des Widerstandswertes eines Widerstandsdrahts wird durch die physikalisch-chemischen Vorgänge bestimmt, die in dessen Material stattfinden. Einer der wichtigsten Faktoren, von denen diese Vorgänge beeinflußt werden, ist die Wärmebehandlung des Widerstandsdrahts. Eine zweckmäßige Wahl der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung eines Widerstandsdrahts stabilisiert die darin verlaufenden physikalisch-chemischen Vorgänge. Dadurch wird die Herstellung eines Widerstandsdrahts mit einem kleinen Wert des thermischen Widerstandskoeffizienten gesichert. Die optimale Temperaturführung bei der Wärmebehandlung findet man, indem man Kennwerte der Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten von Änderungen der thermischen Daten feststellt. Praktisch erhält man diese Kennwerte, indem man eine Wärmebehandlung von Widerstandsdrahtproben aus ein und derselben Schmelze einer Legierung bei verschiedenen thermischen Daten durchführt. Die Genauigkeit der erhaltenen Kennwerte hängt von der Anzahl der durchgeführten Versuche sowie von der Genauigkeit ab, mit der die Temperatur der Wärmebehandlung festgestellt wird. Wie die Erfahrung zeigt, weist ein Widerstandsdraht, der aus ein und derselben Legierung, aber in einer anderen Schmelze hergestellt worden ist, andere Kennwerte der Beziehung zwischen dem thermischen Widerstandskoeffizienten und Änderungen der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung auf, d. h. bei der Produktion dieses Widerstandsdrahts müssen die angegebenen Versuche wiederholt werden.

Zur Zeit bedient man sich zwecks Gewinnung der Kennwerte der Abhängigkeit der thermischen Widerstandskoeffizienten eines Widerstansdrahts von den Änderungen der thermischen Daten bei dessen Wärmebehandlung der bekannten Laborvakuumöfen, deren Konstruktion den Produktionsöfen zur Wärmebehandlung von Metallen ähnlich ist. In diesen öfen führt man eine Wärmebehandlung der Widerstandsdrahtproben bei verschiedenen thermischen Daten in einem Temperaturbereich durch, in dem man die optimale Temperaturführung zu finden hofft.

Anhand der Versuchsdaten erhält man die Abhängigkeit der thermischen Widerstandskoeffizienten von den Änderungen der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung; anhand dieser Abhängigkeit findet man die optimalen thermischen Daten.

Die Konstruktion der Vakuumöfen zur Wärmebehandlung von Metallen ermöglicht keine gleichzeitige Wärmebehandlung mehrerer Widerstandsdrahtproben bei verschiedenen thermischen Daten. Aus dem Gesagten ist es ersichtlich, daß das Festlegen der optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung mit Hilfe der angegebenen Öfen sehr arbeitsaufwendig ist. Außerdem sind die gewonnenen Daten unglaubwürdig, weil die Ofenkonstruktion keine ausreichend genaue Bestimmung der erforderlichen thermischen Daten zuläßt.

Die genannten wesentlichen Nachteile der Vakuumöfen zur Wärmebehandlung von Metallen werden mit Hilfe eines Gradientsublimators für Kristallisation teilweise beseitigt (siehe die USA-Zeitschrift »Journal of Crystal Growth«, 22,1974, S. 295-297). Dieser Sublimator kann zur Festlegung der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung des Widerstandsdrahts verwendet werden, daher ist er als ein Prototyp der vorliegenden Erfindung gewählt. Diese Einrichtung enthält ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles im untersuchten Kristall, das als ein hohler Metallzylinder ausgebildet ist, an dessen einem Ende ein elektrischer Heizkörper und am anderen Ende ein Kühler angebracht sind. Im Zylinderinneren ist eine gläserne Vakuumkammer angeordnet, deren Metallgrundplatte an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. In dieser Vakuumkammer wird der zu untersuchende Kristall untergebracht.

Sobald der Heizkörper und der Kühler eingeschaltet sind, entsteht im untersuchten Kristall ein Temperaturgefälle. Dieses Temperaturgefälle im untersuchten

Kristall entsteht unter der Wirkung der Strahlungswärmeenergie, die von der Innenfläche des hohlen Metallzylinders ausgestrahlt wird. Anstelle des zu untersuchenden Kristalls kann in der Vakuumkammer eine Widerstandsdrahtprobe untergebrachi werden, worin auch ein Temperaturgefälle entstehen wird.

Obwohl man mit dieser Einrichtung eine gleichzeitige Erwärmung einer WiderstandsdrahtproDe mit verschiedenen Temperaturen über deren Länge erzielen kann, liegt dabei keine lineare Verteilung des Temperature- ι ο fälles über die Länge vor. Dies ist dadurch zu erklären, daß jeder Abschnitt über die Länge einer Widerstandsdrahtprobe durch die Strahlungswärmeenergie erwärmt wird, die von verschiedenen Abschnitten der Innenfläche des hohlen Metallzylinders ausgestrahlt wird. Außerdem werden die Temperaturen der Längenabschnitte der Widerstandsdrahtprobe keine zeitliche Stabilität aufweisen, was auf Umgebungseinflüsse auf das Mittel zur Bildung eines Temperaturgefälles zurückzuführen ist.

Aufgrund des Dargelegten ist es ganz offensichtlich, daß man mit Hilfe dieser Einrichtung keine glaubwürdige Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten von den Temperaturänderungen bei der Wärmebehandlung finden kann. Folglich ist es unmöglieh, anhand dieser Abhängigkeit die optimalen thermischen Daten bei der Wärmebehandlung von Widerstandsdraht festzulegen.

Aus den betrachteten Beispielen ist es ersichtlich, daß zur Zeit keine Spezialeinrichtungen vorhanden sind, mit deren Hilfe man die optimalen thermischen Daten zur Wärmebehandlung von Widerstandsdraht operativ unJ glaubwürdig festlegen kann.

Die Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht zu schaffen, in welcher das Mittel zur Bildung eines Temperaturgefälles derart ausgeführt und angeordnet ist, da3 eine hohe Genauigkeit bei der Festlegung der thermischen Daten der Wärmebehandlung erzielt wird.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht, mit einer Vakuumkammer mit Metallgrundplatte und einem Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles, das in Form eines Metallzylinders, eines Heizkörpers zur Erwärmung des einen Endes dieses Metallzylinders und eines Kühlers zur Kühlung dessen anderen Endes ausgeführt ist, erfindungsgemäß das Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles im Innern der Vakuumkammer untergebracht ist und auf der Oberfläche des Metallzylinders Quernuten zur Unterbringung des zu erwärmenden Widerstandsdrahts ausgeführt sind, die miteinander durch eine Längsnut zum Übergang des Widerstandsdrahtes aus der einen Quernut in eine andere verbunden sind, wobei die Metallgrundplatte der Vakuumkammer einen Kühler darstellt und in einem Thermostaten angeordnet ist.

Durch diese Lösung wird ein linearer Charakter der Temperaturänderungen des Metallzylinders über dessen Länge erzielt. Infolgedessen weist jede Widerstandsdrahtwicklung über deren gesamte Länge eine genau bestimmte Erwärmungstemperatur auf. Indem man die genaue Erwärmungstemperatur jeder Widerstandsdrahtwicklung kennt und deren thermischen Widerstandskoeffizienten mißt, erhält man eine glaubwürdige Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten von den Temperaiuränderungen bei der Wärmebehandlung. Anhand dieser glaubwürdigen Abhängigkeit legt man die optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung fest.

Es ist zweckmäßig, die Quernuten zur Unterbringung des zu erwärmenden Drahts über die Leitkurve des Metallzylinders anzuordnen.

Diese Lösung ermöglicht es, jede Widerstandsdrahtwindung über deren gesamte Länge genau in einer isethermischen Zone anzubringen.

Es ist auch zweckmäßig, die Quer nuten keilförmig auszuführen.

Diese Keilform der Nuten sichert ein genaues Fixieren der Widerstandsdrähte mit verschiedenen Abmessungen.

Es ist weiter zweckmäßig, daß die Längsnut eine im Vergleich mit den Quernuten größere Tiefe hat.

Dadurch wird der Vorgang der Trennung einer Widerstandsdrahtprobe in Abschnitte nach der Beendigung von deren Erwärmung erleichtert und beschleunigt.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer ausführlichen Beschreibung der angeführten Beispiele und deren Verwirklichung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht mit einem Schnitt durch die Metallgrundplatte der Vakuumkammer in Seitenansicht;

F i g. 2 eine Ansicht nach Pfeil A in Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab;

Fig. 3 einen Schnitt entlang 1II-III in Fig. 2;

Fig.4 eine andere Zylinderausführung des Mittels zur Erzeugung eines Temperaturgefälles.

Die Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht enthält eine Vakuumkammer 1 (Fig. 1), bestehend aus einer Haube 2 und einer massiven Metallgrundplatte 3, die in einem Thermostaten 4 angeordnet ist. Im Inneren der Vakuumkammer 1 befindet sich ein Metallzylinder 5, der auf der Metallgrundplatte 3 mit seinem Ende 6 befestigt ist. Am anderen Ende 7 des Metallzylinders 5 ist ein elektrischer Heizkörper 8 angebracht. Die Metallgrundplatte 3 stellt einen Kühler dar. Der Metallzylinder 5, der Heizkörper 8 und die Metallgrundplatte 3 bilden ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles. Auf der Oberfläche des Metallzylinders 5 sind Quernuten 9 (Fig. 2) ausgeführt, die diesen über die Leitkurve umfassen. Die Quernuten 9 sind zur Unterbringung des zu erwärmenden Widerstandsdrahts 10 bestimmt und weisen eine Keilform auf. Die Keilform einer Quernut 9 ermöglicht es, darin den Widerstandsdraht 10 mit verschiedenem Durchmesser unterzubringen und dessen mögliche seitliche Verschiebungen zuverlässig zu verhindern. Zwecks Übergangs des Widerstandsdrahtes aus der einen Quernut 9 in eine andere dient eine Längsnut 11, die alle Quernuten 9 miteinander verbindet. Die Längsnut Il (Fig. 3) hat eine im Vergleich mit den Quernuten 9 größere Tiefe. Dadurch ist ein Trennen des Widerstandsdrahts nach dessen Wärmebehandlung in einzelne Abschnitte erleichtert, worüber noch ausführlich gesprochen wird.

Neben den Quernuten 9 am Rande (Fig. 1) sind am Metallzylinder 5 die Thermoelemente 12 befestigt, mit deren Hilfe man das Temperaturgefälle an jenem Abschnitt des Metallzylinders 5, an dem die Quernuten 9 angebracht sind, mit einer hohen Genauigkeit messen kann. Die Vakuumkammer 1 ist über eine Rohrleitung

13 an eine Vakuumpumpe 14 angeschlossen.

Es ist zu beachten, daß die Quernuten 9 (Fig.4) auf der Oberfläche des Metallzylinders 5 auch anders, zum Beispiel nach einer Spirallinie mit einer kleinen Steigung (Fig. 4) angeordnet werden können. Der Widerstandsdraht 10 wird in diesen Quernuten 9 auch nach einer Spirallinie angebracht. Zum Übergang des Widerstandsdrahts 10 aus der einen Quersnut 9 in eine andere dient auch eine Längsnut 11, die alle Quernuten 9 miteinander verbindet.

Die Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht wirkt wie folgt. Einen Widerstandsdraht TO (Fig. 1) wickelt man in die Quernuten 9 auf, indem man ihn aus der einen Quernut 9 in eine andere über die Längsnut 11 führt, wie es F i g. 2 zeigt. Die Enden des auf diese Weise aufgewickelten Widerstandsdrahts 10 befestigt man mit bekannten Mitteln. Den Metallzylinder 5 (Fig. 1) mit dem darauf aufgewickelten Widerstandsdraht 10 bringt man in die Vakuumkammer 1 und mit Hilfe der Vakuumpumpe 14 erzeugt man in der Vakuumkammer einen Unterdruck, der einen thermischen Einfluß der Umgebung auf den Metallzylinder 5 ausschließt. Der elektrische Heizkörper 8 und die in einem Thermostaten untergebrachte Metallgrundplatte 3, die an sich einen Kühler darstellt, erzeugen im Metallzylinder 5 ein genau bestimmtes und zeitlich stabiles Temperaturgefälle. Ein Temperaturintervall, das mittels der Thermoelemente 12 an den Quernuten 9 am Rande festgestellt und im Bereich zum Beispiel von + 400 bis +500⁰C aufrechterhalten wird, eignet sich zur Wärmebehandlung von Widerstandsdraht. Das Temperaturgefälle ist, wie es aus allgemein bekannten thermodynamischen Gesetzen folgt, ein logarithmisches, d. h. ein lineares in logarithmischen Koordinaten. Im angegebenen ausreichend engen Temperaturbereich kann dieses Gefälle als ein konstantes, d. h. als ein lineares in linearen Koordinaten gelten. Mit anderen Worten wird in der vorliegenden Einrichtung ein linearer Charakter der Verteilung des Temperaturgefälles über die Länge des Metallzylinders 5 erzielt. Es ist bekannt, daß eine Ebene, die zu einem homogenen Wärmefluß senkrecht steht, eine isothermische Ebene ist. Da die Quernuten mit den darin untergebrachten Windungen des zu erwärmenden Widerstandsdrahtes 10 in imaginären Ebenen liegen, die zum Metallzylinder 5 senkrecht stehen, bedeutet dies, daß jede Windung des Widerstandsdrahts 10 in einer isothermischen Ebene liegt, d. h. über ihre gesamte Länge isothermisch erwärmt wird. Bei einem Durchmesser des Metallzylinders 5. der zum Beispiel 5 cm beträgt, beträgt die Länge einer isothermisch zu erwärmenden Windung ca. 15 cm, was zur darauffolgenden genauen Messung des thermischen Widerstandskoeffizienten vollkommen ausreichend ist. Die Anzahl der Quernuten 9 ist der erforderlichen Anzahl der Temperaturprüfpunkte gleich, die notwendig sind, damit man die Kennwerte der Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten eines Widerstandsdrahts von den Änderungen der thermischen Daten bei dessen Wärmebehandlung erhalten kann. In einer tatsächlich hergestellten Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht sind auf der Oberfläche des Metallzylinders 5 Nuten 9 im Abstand I mm voneinander ausgeführt. Bei dem oben angegebenen Temperaturgefälle von 100"-C werden sich die Quernuten 9 genau in isothermischen Ebenen mit einer Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten Quernuten 9 von TC befinden. Die Temperaturen der Quernuten 9 am Rande werden mit einer hohen Genauigkeit mit Hilfe der Thermoelemente 12 gemessen. Die Temperaturen der übrigen Quernuten 9 können mit einer ebenso hohen Genauigkeit mit Hilfe einer linearen Interpolation gefunden werden. Auf diese Weise bestimmt die Präzision der mechanischen Herstellung der Quernuten 9 auf der Oberfläche des Metallzylinders 5 die Genauigkeit, mit der der Widerstandsdraht 10 in den ίο Nuten 9 isothermisch erwärmt wird. Man kann die Quernuten 9 mit einer Genauigkeit von zum Beispiel 0,1 mm leicht herstellen.

Dank einem keilförmigen Profil der Quernuten 9 ist der Widerstandsdraht 10 darin genau fixiert. Damit ist die Einstellung einer konkreten Temperatur der isothermischen Erwärmung des Widerstandsdrahts 10 mit der Genauigkeit von 0,1⁰C im gesamten eingestellten Temperaturintervall gesichert.

Nach einer isothermischen Erwärmung des Wider-Standsdrahts 10 kühlt man diesen gemeinsam mit der Einrichtung bis auf die Umgebungstemperatur ab. Den Widerstandsdraht 10 trennt man in Windungen entlang der Längsnut 11, infolgedessen erhält man 100 Abschnitte, von denen ein jeder bei einer genau ?t bestimmten Temperatur thermisch behandelt worden ist. Die Abschnitte werden markiert und man mißt den thermischen Widerstandskoeffizienten jedes Abschnittes. Danach bildet man die Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten von den Änderungen der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung. Anhand dieser Abhängigkeit findet man die optimalen thermischen Daten zur Wärmebehandlung, die die Herstellung des Widerstandsdrahtes mit dem minimalen Wert des thermischen Widerstandskoeffizienten siehern.

Falls die vorliegende Erfindung mit einem Metallzylinder 5 ausgeführt wird, an dessen Oberfläche die Quernuten 9 (Fig. 4) schraubenlinienförmig mit einer kleinen Steigung hergestellt sind, wirkt die Einrichtung im großen und ganzen so, wie es oben schon beschrieben ist. Ein Unterschied besteht darin, daß in diesem Falle jede Windung des Widerstandsdrahts 10 in mehreren isothermischen Ebenen liegt. Unter Berücksichtigung des linearen Charakters der Verteilung des Temperaturgefälles über die Länge des Metallzylinders 5 kann man doch die mittlere Temperatur der isothermischen Erwärmung jeder Windung ohne Schwierigkeiten feststellen. Eine anhand dieser Temperaturen erhaltene Abhängigkeit des thermischen Wider-Standskoeffizienten von den Änderungen der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung ist auch eine glaubwürdige und ermöglicht es. die optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung des Widerstandsdrahts festzulegen.

Aus den genannten konkreten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet die Möglichkeit vollkommen augenscheinlich, alle Ziele der Erfindung in jenem Umfang zu erreichen, der durch die Patentansprüche festgelegt ist. Die vorliegende Erfindung sichert eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung von Widerstandsdraht. Der Arbeitsaufwand zur Bestimmung der optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung wird bei der Anwendung der Erfindung um ein Mehrfaches herabgesetzt. Die Konstruktion der Erfindung ist einfach und sehr zuverlässig im Betrieb.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht, mit einer Vakuumkammer mit Metallgrundplatte und einem Mittel zur Erzeugung b eines Temperaturgefälles, das in Form eines Metallzyiinders, eines Heizkörpers zur Erwärmung des einen Endes dieses Metallzylinders und eines Kühlers zur Kühlung dessen anderen Endes ausgeführt ist dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles im Innern der Vakuumkammer (1) untergebracht ist und auf der Oberfläche des Me'.allzylinders (5) Quernuten (9) zur Unterbringung des zu erwärmenden Widerstandsdrahts (10) ausgeführt sind, die miteinander durch eine Längsnut (11) zum Übergang des Widerstandsdrahts (10) aus der einen Quernut (S) in eine andere verbunden sind, wobei die Metallgrundplatte (3) der Vakuumkammer (1) einen Kühler darstellt und in einem Thermostaten angeordnet ist.

2. Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quernuten (9) über die Leitkurve des Metallzylinders (5) angeordnet sind.

3. Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quernuten (9) keilförmig im Querschnitt ausgeführt sind.

4. Einrichtung zur Gradienterwärmung von Widerstandsdraht nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnut (11) eine im Vergleich zu den Quernuten (9) größere Tiefe aufweist.

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