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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Klemmverbindung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Die Heizkörper sind dabei sogenannte Widerstandsheizkörper, die durch
direkte Hindurchleitung des Heizstroms auf Temperaturen bis zu etwa 16000 C aufgeheizt
werden können. Bei derartigen Temperaturen, die hohe Anforderungen an die stromleitenden
Verbindungen stellen, befindet sich der Heizkörper auf Weißglut. Um Heizkörper verschiedener
Durchmesser an die gleichen metallischen Anschlußkontakte anzuschliessen, verwendet
man die bereits bekannten Klemmkörper aus Graphit.
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Bei den bisher in der Praxis eingesetzten Klemmverbindungen befindet
sich das Keilstück auf der der ersten Kontaktfläche zugekehrten Seite des Heizkörpers.
Dies hat zur Folge, daß der Heizstrom auf seinem Wege von der ersten Kontaktfläche
zum Heizkörper zwei Übergangswiderstände überwinden muß, nämlich diejenigen auf
beiden Seiten des Keilstücks. Da elektrischer Strom stets über den Weg des geringsten
Widerstandes fließt, selbst wenn dieser Weg länger ist, nimmt der Heizstrom von
der ersten Kontaktfläche hauptsächlich den Weg über die einzige Kontaktstelle, an
der der Heizkörper unter dem hohen Anpreßdruck des Keilstücks den Klemmkörper unmittelbar
berührt Der Weg des Heizstromes führt dabei über den am weitesten ausladenden Teil
des Klemmkörpers, der an dieser Stelle schon durch
die Sprödigkeit seines Werkstoffs
in hohem Maße gefährdet ist. Da an dieser Stelle eine zusätzliche Aufheizung durch
den Heizstrom hinzukommt, hat die bekannte Bauweise schon wiederholt zum Absprengen
vorstehender bzw. ausladender Teile des Klemmkörpers geführt, so daß längere Stillstandszeiten
für die Reparaturen in Kauf genommen werden mußten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klemmverbindung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die sich durch eine zuverlässigere
Stromübertragung und eine längere Lebensdauer von der bekannten Klemmverbindung
unterscheidet.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen
Klemmverbindung erfindungsgemäß dadurch, daß das Keilstück auf der der ersten Kontaktfläche
abgekehrten Seite des Heizkörpers angeordnet ist.
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Durch diese Bauweise, die eine genaue Umkehrung des bekannten Prinzips
darstellt, liegt die eigentliche Kontaktfläche, an der der Heizkörper den Klemmkörper
unmittelbar berührt, auf dem kürzesten Wege zur ersten Kontaktfläche, die mit dem
metallischen Anschlußkontakt in Berührung steht. Das Keilstück mit seinen beiden
Übergangswiderständen ist nunmehr an einer Stelle angeordnet, an der der Heizstrom
ohnehin einen wesentlich längeren Weg zurücklegen müßte. Da es sich bei den Übergangswiderständen
am Keilstück um eine sogenannte Reihenschaltung von Widerständen handelt, fließt
nur noch ein sehr geringer Anteil des Heizstroms über den ausladenden bzw. überstehenden
Teil des Klemmkörpers. Daraus ergibt sich eine wesentlich geringere mechanische
und thermische Beanspruchung der Klemmverbindung, so daß eine wesentlich größere
Betriebssicherheit in Verbindung mit einer längeren Standzeit der Klemmverbindung
gegeben sind.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die zweite Kontaktfläche
und eine als Widerlager für das Keilstück dienende Keilfläche die Seitenwände einer
die Anschlußstelle des Heizkörpers aufnehmenden Nut bilden und wenn die Keilfläche
auf der der ersten Kontaktfläche abgekehrten Seite der Nut liegt.
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Obwohl die besagte Nut dabei eine beträchtliche Schwächung des Querschnitts
des Widerstandskörpers mit sich bringt, fließt der Heizstrom nun nicht mehr zu einem
wesentlichen Teil über den Querschnitt im Bereich des Nutengrundes, so daß sich
an der gefährdeten Stelle wesentlich niedrigere Betriebstemperaturen einstellen.
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Wenn die Heizkörper zur Beheizung rotationssymmetrisch aufgebauter
Heizzonen dienen, was beispielsweise bei Vakuumanlagen der Fall ist, in denen Einkristalle
nach dem Czochralski-Prinzip gezogen werden, wird auch der Heizkörper von konzentrischen
Zylinderflächen begrenzt. Ein solcher Heizkörper besteht im Prinzip aus einem Hohlzylinder
aus Graphit, der auf dem Umfang in gleichen Abständen durch achsparallel verlaufende
Schlitze unterbrochen ist, die sich abwechselnd von beiden Stirnseiten ausgehend
über den größten Teil der Länge des Zylinders erstrecken, so daß die Abwicklung
des Heizkörpers sich als eine Arte Mäander darstellen läßt. Ein solcher Mäander,
der auf seinem Umfang keine vollständige Unterbrechung aufweist, kann dann an diametral
gegenüberliegenden Stellen auf die angegebene Weise in zwei erfindungsgemäß ausgebildete
Klemmkörper eingespannt werden.
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Derartige Klemmverbindungen sind dabei in besonders vorteilhafter
Weise so ausgestaltet, daß der Klemmkörper einen im wesentlichen quaderförmigen
Umriß
besitzt, in dem eine zur größten Querschnittsfläche des Quaders senkrecht stehende
Durchgangsbohrung für die Aufnahme des metallischen Anschlußkontakts und daneben
die kreisbogenförmige Nut angeordnet sind, deren der Durchgangsbohrung zugekehrte
zweite Kontaktfläche eine Zylinderfläche und deren der Durchgangsbohrung abgekehrte
Keilfläche eine Kegelfläche ist, und daß die konzentrischen Achsen von Zylinder-
und Kegelfläche parallel zur Achse der Durchgangsbohrung verlaufen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend
anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch
eine als Kristallziehvorrichtung ausgebildete Vakuumanlage, Fig. 2 einen Teilausschnitt
aus der linken unteren Ekke von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, Fig.3 und 4 eine
Vertikalschnitt durch und eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Klemmkörper.
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In Fig. list eine Vakuumanlage 1 dargestellt, die eine Vakuumkammer
2 mit einer Saugleitung 3 für den Anschluß an einen nicht dargestellten Satz von
Vakuumpumpen besitzt. Zur Vakuumkammer 2 gehört ein Kammeroberteil 4 mit einem rohrförmigen
Aufsatz 5, der am Ende des Ziehprozesses den gezogenen Kristall umschließt. Am oberen
Ende des Aufsatzes 5 ist eine drehbare Plattform 6 gelagert, die eine Aufwickeltrommel
7 für ein Stahlseil 8 enthält. Durch Rotation der Plattform 6 mit der Aufwickeltrommel
7 wird dem Drahtseil 8 eine Drehung aufgezwungen, die sich einem Kristallhalter
9 mitteilt.
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Innerhalb der Vakuumkammer 2 befindet sich ein Schmelztiegel 10 aus
Graphit, in dem sich eine Schmelze 11 aus einem Halbleiterwerkstoff befindet. Aus
dieser Schmelze wird durch gezielte Erstarrung ein Kristall 12 gezogen, und zwar
ausgehend von einem zu Anfang in die Schmelze eingetauchten Keimkristall 13, der
in das untere Ende des Kristallhalters 9 eingespannt ist. Durch allmähliche Aufwärtsbewegung
in Richtung des Preils 14 kann so ein Kristall 12 definierten Durchmessers erzeugt
werden, der je nach Bauhöhe der Anlage eine Länge bis zu 2 m und ein Gewicht bis
zu etwa 100 kg und darüber aufweisen kann.
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Der Schmelztiegel 10 ist in einem Tiegelhalter 15 gelagert, der wiederum
am oberen Ende einer drehbaren Tiegelwelle 16 befestigt ist. Durch eine entsprechende
Nachführung der Tiegelwelle 16 kann für eine konstante Lage des Schmelzenspiegels
Sorge getragen werden.
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Tiegel und Tiegelhalter sind von einem Heizkörper 17 umgeben, der
in der weiter oben beschriebenen Weise als mäanderförmig geschlitzter Hohlzylinder
ausgebildet ist und aus Graphit besteht. Die Stromanschlüsse sind in Fig. 1 nicht
dargestellt; sie befinden sich im Bereich der durch Kreise 21 und 22 markierten
Stellen. Die gesamte Anordnung ist einschließlich des Heizkörpers 17 von einer Wärmedämmung
18 umgeben, die in der Regel aus Graphitfilz besteht. Der Raum um den Schmelztiegel
10 ist nach oben hin durch eine kreisringförmige Trennwand 19 abgegrenzt. Der Boden
der Vakuumkammer 2 ist gleichfalls mit einer Wärmedämmung 20 belegt.
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In Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichens
versehen. Die Saugleitung 3 wurde allerdings weggelassen. Es ist zusätzlich dargestellt,
daß der Schmelztiegel 10 mit einer Auskleidung 10a aus Siliziumdioxid (Quarz) besteht,
die gegenüber der Schmelze widerstandsfähig ist. Durch einen Boden 23 der Vakuumkammer
2 ist unter Zwischenschaltung eines Iso-
lierkörpers 24 ein metallischer Anschlußkontakt
25 nach oben geführt, der im Innern der Vakuumkammer 2 eine kragenförmige Verdickung
26 mit einer Ringschulter 27 aufweist. Von dieser erstreckt sich wiederum nach oben
ein Zapfen 28, dessen Ende mit einem hier nicht näher bezeichneten Gewinde versehen
ist. Der gesamte Anschlußkontakt besteht aus einem gut wärmeleitenden Metall (Kupfer).
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Auf dem Zapfen 28 des Anschlußkontakts 25 sitzt ein aus Graphit bestehender
Klemmkörper 29, der mittels einer gleichfalls aus Graphit bestehenden Hutmutter
30 gegen die Ringschulter 27 gepreßt wird. Diejenige Fläche des Klemmkörpers 29,
mit der dieser gegen die Ringschulter 27 gepreßt wird, ist die erste Kontaktfläche
31. An der Stelle, an der der Klemmkörper 29 die Wärmedämmung 20 in radialer Richtung
durchdringt, besitzt diese eine Ausnehmung 18a.
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Die Verbindungsstelle von Heizkörper 17 und Klemmkörper 29 bildet
die eigentliche Klemmverbindung 32, deren Einzelheiten anhand der Fig. 3 und 4 noch
näher erläutert werden. Die Anordnung nach Fig. 2 wiederholt sich spiegelbildlich
an der genau diametral gegenüberliegenden Seite im Bereich des Kreises 22 (Fig.
1). Die Systemachse, die gleichzeitig die Rotationsachse des Schmelztiegels -10
ist, kann man sich in der als maßstäblich anzusehenden Fig. 2 etwa am rechten Blattrand
denken.
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Gemäß den Fig. 3 und 4 besitzt der Klemmkörper 29 einen im wesentlichen
quaderförmigen Umriß. Im Klemmkörper ist eine zur größten Querschnittsfläche des
Quaders senkrecht stehende Durchgangsbohrung 33 mit einer Achse A-A angeordnet,
die zur Aufnahme des Zapfens 28 dient. Ein erweiterter Abschnitt 33a der Durchgangsbohrung
33 dient zur Aufnahme der Hutmutter 30. Neben der Durchgangsbohrung 33 befindet
sich eine kreisbogenförmig verlaufende Nut 34, deren der Durchgangsbohrung 33 zugekehrte
Seitenwand eine zweite Kontaktfläche 35 bildet, die einen Ausschnitt aus einer Zylinderfläche
darstellt. Die gegenüberliegende und der Durchgangsbohrung 33 abgekehrte Seitenwand
der Nut 34 bildet eine bogenförmig verlaufende Teilfläche 36, die einen Ausschnitt
aus einer Kegelfläche darstellt. Die zweite Kontaktfläche 35 und die Keilfläche
36 haben eine gemeinsame Achse, die mit der Achse des Heizkörpers 17 zusammenfällt.
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Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, hat die Nut 34 an ihrem Grund
eine größere Breite, als dies der radialen Erstreckung des Heizkörpers 17 an seiner
Anschlußstelle, die gemäß Fig.3 verdickt ausgebildet ist.
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Dadurch wird zwischen der zylindrischen inneren Seite 1 7a des Heizkörpers
17 und der Keilfläche 36 ein im Querschnitt keilförmiger Spalt gebildet, in den
ein bogenförmig geformtes Keilstück 37 mit geringer Kraft von oben so eingesetzt
ist, daß es den Boden der Nut 34 gerade nicht erreicht. Der Öffnungswinkel des keilförmigen
Spaltes beträgt etwa 8 Grad, so daß eine Selbsthemmung eintritt, die ein Lösen des
Keilstücks 37 nach oben hin ausschließt.
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Die Strompfade verlaufen in Fig. 3 von der ersten Kontaktfläche 31
bogenförmig gekrümmt zum überwiegenden Teil auf dem praktisch kürzesten Wege zur
zweiten Kontaktfläche 35, so daß in dem unterhalb des Nutengrundes bzw. jenseits
der Nut 34 liegenden Teil 38 des Klemmkörpers 29 praktisch kein Strom fließt, der
dort eine zusätzliche Aufheizung bewirken könnte.
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Es ist deutlich erkennbar, daß das Keilstück 37 auf der der ersten
Kontaktfläche 31 abgekehrten Seite 17a des Heizkörpers 17 angeordnet ist. Weiterhin
ist zu erkennen,
daß die Keilfläche 36 auf der der ersten Kontaktfläche
31 abgekehrten Seite der Nut 34 liegt. Die Begriffe "zugekehrt" und "abgekehrt"
sind stets in Bezug auf die Strompfade zwischen der ersten Kontaktfläche 31 und
der zweiten Kontaktfläche 35 zu sehen. Diese Strompfade können vom Fachmann leicht
bestimmt werden, ohne daß es hierzu einiger Modellversuche bedürfte.
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Beim Stande der Technik liegen die Verhältnisse genau umgekehrt:
Bezogen auf Fig. 3 befindet sich das Keilstück 37 auf der gegenüberliegenden, nämlich
äußeren Seite 17b des Heizkörpers 17, so daß sich zwischen der ersten Kontaktfläche
31 und dem Heizkörper 17 die beiden Grenzflächen des Keilstücks 17 befinden und
damit der doppelte Übergangswiderstand. Die eigentliche zweite Kontaktfläche liegt
alsdann notwendigerweise auf der inneren Seite 17a des Heizkörpers 17, und sie kann
nur auf dem Umweg über den auskragenden Teil 38 erreicht werden.
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Die in der Praxis beobachteten Bruchstellen verlaufen alsdann von
der rechten unteren Umlaufkante der Nut 34 schräg abwärts bis zur rechten unteren
Kante des Klemmkörpers 29 (jeweils auf die räumliche Lage in Fig. 3 bezogen).
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