DE4014246A1 - Heizeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit einem in einem Schutzrohr angeordneten Heizelement.

Bei einer derartigen Heizeinrichtung kommt bislang für das elektrische Widerstands-Heizelement entweder ein Metallrohr, ein Quarzglasrohr oder ein Keramikrohr zur Anwendung, wobei es insbes. bei Verwendung eines Metallrohres erforderlich ist, das Heizelement in ein elektrisch isolierendes Material einzubetten, um das Heizelement gegen das Schutzrohr elektrisch zu isolieren. Heizeinrichtungen mit einem Schutzrohr aus Metall und einem elektrisch isolierenden Füllmaterial zwischen dem Heizelement und dem Schutzrohr sind nur bis zu relativ geringen Betriebstemperaturen anwendbar. Heizeinrichtungen mit einem Schutzrohr aus einem Keramikmaterial sind im Vergleich hierzu thermisch höher belastbar. Auch derartige Heizeinrichtungen der zuletzt genannten Art sind jedoch zum Einsatz in einer oxidierenden, reduzierenden und/oder chemisch aktiven Atmosphäre bis zu hohen Temperaturen in der Größenordnung um 2000°C nicht verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch für Anwendungen in oxidierender, reduzierender und/oder chemisch aktiver Atmosphäre bis zu Temperaturen in der Größenordnung um 2000°C geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schutzrohr aus einem monokristallinen Keramikmaterial besteht und hermetisch dicht verschließbar sowie mit Durchführungen zum elektrischen Anschluß des Heizelementes versehen ist. Das Heizelement kann hierbei z. B. aus einer Chrom-Eisen-Aluminium- Legierung, aus Molybdän, Wolfram, Graphit, Molybdändisilizit, Zirkonoxid o. dgl. bestehen. Durch die Ausbildung des Schutzrohres aus einem monokristallinen Keramikmaterial im Gegensatz zu bislang zur Anwendung gekommenen Schutzrohren aus polykristallinem Keramikmaterial ergibt sich der besondere Vorteil, daß das Schutzrohr bis nahe an die Schmelztemperatur des monokristallinen Keramikmaterials eine sehr hohe Festigkeit besitzt. Bei diesen hohen Temperaturen wird das mit einem solchen Schutzrohr aus monokristallinem Keramikmaterial kombinierte Heizelement bereits weich, so daß das Heizelement in vorteilhafter Weise durch das Schutzrohr aus monokristallinem Keramikmaterial eine ideale mechanische Unterstützung findet. Gegen den Einsatz monokristallinen Keramikmaterials für das Schutzrohr einer solchen elektrischen Heizeinrichtung hat bislang die hohe Empfindlichkeit gegen mechanische Beschädigung, d. h. die Sprödigkeit des monokristallinen Keramikmaterials gesprochen, weshalb die Fachwelt das Vorurteil gegen monokristallines Keramikmaterial für das Schutzrohr einer Heizeinrichtung bislang nicht überwunden hat.

Bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung besteht das Schutzrohr vorzugsweise aus einem monokristallinen oxidkeramischen Material. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, das Schutzrohr aus monokristallinem Aluminiumoxid herzustellen. Ein derartiges Schutzrohr weist eine sehr gute Infrarotstrahlen-Durchlässigkeit auf, so daß die vom Heizelement emittierte Strahlungsenergie quasi ungehindert das Schutzrohr durchdringen kann. Dadurch ergibt sich eine ausgezeichnete Energieausbeute. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Wärmeleitfähigkeit bei einem Schutzrohr aus einem derartigen monokristallinen Material näherungsweise der Wärmeleitfähigkeit von Metallen entspricht, wobei hier jedoch im Gegensatz zu Metallen ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften bei guten Wärmeleiteigenschaften gegeben sind. Des weiteren weisen derartige Materialien für das Schutzrohr eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit bis zu höchsten Temperaturen bei einer ausgezeichneten Härte- und Abriebfestigkeit auf, so daß Heizeinrichtungen mit einem Schutzrohr aus einem solchen monokristallinen Material einen sicheren Schutz des Heizelementes gegen aggressive und/oder abrasive Medien ergeben.

Um die Strahlendurchlässigkeit durch das Schutzrohr hindurch gezielt zu beeinflussen, d. h. um gewisse Spektralbereiche der vom Heizelement emittierten Strahlung bspw. zu verstärken, kann das Schutzrohr aus einem dotierten monokristallierten Aluminiumoxid bestehen. Zur Dotierung des monokristallinen Aluminiumoxids des Schutzrohres kommen vorzugsweise Oxide zur Anwendung.

Eine erhebliche Verbesserung der Dauerstandsfestigkeit der Heizeinrichtung bei Verwendung in einer oxidierenden und/oder chemisch aktiven Atmosphäre bis zu höchsten Temperaturen in der Größenordnung bis zu 2000°C ergibt sich, wenn das Schutzrohr der Heizeinrichtung einen Einlaß und einen Auslaß für ein Schutzgas aufweist. Eine derartige Heizeinrichtung kann in einfacher Weise mit einem Schutzgas gespült werden, so daß sich ein weiter verbesserter Schutz insbes. des im Schutzrohr angeordneten Heizelementes ergibt.

Um das Heizelement der Heizeinrichtung, das bei Betriebstemperaturen um größenordnungsmäßig 2000°C erweicht, abzustützen und positioniert zu halten, ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement auf einem Heizelementträger angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Heizelementträger aus einem dem Material des Schutzrohres ähnlichen Material besteht.

Das Heizelement kann gewendelt oder gewellt ausgebildet sein. Das Schutzrohr der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung kann geradlinig oder schraubenlinienförmig um einen Zentralkörper herum oder beliebig anders geformt sein. Die äußere Gestalt der Heizeinrichtung ist von der jeweiligen Anwendung bzw. vom Einsatz der Heizeinrichtung abhängig.

Infolge seiner oben beschriebenen ausgezeichneten Eigenschaften kann das erfindungsgemäße Heizelement problemlos in einer oxidierenden, reduzierenden bzw. chemisch aggressiven Atmosphäre zur Erhitzung auf eine Temperatur bis 2000°C Verwendung finden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Heizeinrichtung mit einem einseitig offenen Schutzrohr,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Heizeinrichtung mit einem zweiseitig offenen Schutzrohr,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Heizeinrichtung mit einem um einen Zentralkörper herumgewendelten Schutzrohr,

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Ausbildung der Heizeinrichtung mit einem modifizierten Heizelementträger,

Fig. 5 eine Ausbildung der Heizeinrichtung mit einem gewellten bandförmigen Heizelement,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Heizeinrichtung gem. Fig. 5 entlang der Schnittlinie VI-VI, und

Fig. 7 eine räumliche Darstellung einer weiteren Ausbildung der Heizeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Heizeinrichtung 10 mit einem Schutzrohr 12, das geradlinig ausgebildet und an seinem einen Ende 14 verschlossen ist. Das andere Ende 16 des Schutzrohres 12 ist offen; ein Deckel 18 ist zum hermetisch dichten Verschließen des Schutzrohres 12 an dessen offenem Ende 16 angeordnet. Zur Abdichtung zwischen dem Schutzrohr 12 und dem Deckel 18 ist ein um das Schutzrohr 12 umlaufendes Dichtungselement 20 vorgesehen.

Im Inneren des Schutzrohres 12 ist ein Heizelement 22 an einem Heizelementträger 24 vorgesehen. Das Schutzrohr 12 besteht aus einem monokristallinen Keramikmaterial, vorzugsweise aus einem monokristallinen Aluminiumoxid. Das monokristalline Aluminiumoxid des Schutzrohres 12 kann eine bestimmte Dotierung besitzen, um eine gewünschte Strahlendurchlässigkeit durch das Schutzrohr 12 hindurch zu erzielen. Der Heizelementträger 24 für das Heizelement 22 besteht vorzugsweise aus einem ähnlichen Material wie das Schutzrohr 12 der Heizeinrichtung 10. Der Heizelementträger 24 ist bspw. rohrförmig ausgebildet, um den Rückleiter 26 gegen den aktiven Teil des Heizelementes 22 elektrisch zu isolieren. Hermetisch dichte Durchführungen 28 sind zum dichten Durchleiten der Anschlüsse 30 für das Heizelement 22 vorgesehen. Das Heizelement 22 mit seinem Rückleiter 26 besteht bei dem in dieser Figur gezeichneten Ausführungsbeispiel der Heizeinrichtung 10 aus einem Drahtmaterial, bei dem es sich bspw. um eine Chromeisenaluminium-Legierung, um Molybdän, Wolfram, Graphit, Molybdändisilizit o. dgl. handeln kann.

Das hermetisch abgedichtete Schutzrohr 12 kann in seinem Inneren mit einem Schutzgas gefüllt sein, um die Heizeinrichtung 10 ohne Beeinträchtigung des Heizelementes 22 auch in einer oxidierenden, reduzierenden und/oder chemisch aktiven Atmosphäre bis größenordnungsmäßig 2000°C anwenden zu können.

In Fig. 2 ist eine Ausbildung der Heizeinrichtung 10 schematisch dargestellt, bei welcher das Schutzrohr 12 aus monokristallinem Keramikmaterial, vorzugsweise aus monokristallinem Aluminiumoxid, d. h. aus Saphir, besteht. Das geradlinig ausgebildete Schutzrohr 12 ist an seinen beiden Enden 14 und 16 offen ausgebildet und durch je einen Deckel 18 hermetisch dicht verschlossen. Im hermetisch abgedichteten Innenraum 32 des Schutzrohres 12 ist ein Heizelement 22 an einem Heizelementträger 24 vorgesehen, wobei der Heizelementträger 24 auch bei dieser Ausbildung der Heizeinrichtung 10 aus einem ähnlichen Material besteht wie das Schutzrohr 12. Dichtungselemente 20 dienen zur hermetischen Abdichtung des entsprechenden Deckels 18 und des zugehörigen Endes 14 bzw. 16 des Schutzrohres 12. Die Dichtungselemente 20 können aus einem geeigneten Kitt- oder Klebermaterial bestehen. Das Klebermaterial kann ein Keramikkleber sein. Jeder Deckel 18 ist mit einer Durchführung 28 zum Durchleiten der Enden des Heizelementes 22 versehen. Mit der Bezugsziffer 30 sind auch in dieser Figur die elektrischen Anschlüsse des Heizelementes 22 bezeichnet. Jeder der beiden Deckel 18 ist außerdem mit einem Einlaß 34 bzw. mit einem Auslaß 35 ausgebildet, um in den Innenraum 32 ein Schutzgas einleiten und aus dem Innenraum 32 ausleiten zu können. Bei dem zur Anwendung gelangenden Spülgas kann es sich bspw. um mindestens ein Edelgas, um Stickstoff oder um trockenen Wasserstoff handeln.

Während in den Fig. 1 und 2 Heizeinrichtungen 10 mit geradlinigem Schutzrohr 12 angedeutet sind, zeigt die Fig. 3 eine Ausbildung der Heizeinrichtung 10, bei welcher das Schutzrohr 12 aus monokristallinem Keramikmaterial wendelförmig um einen Zentralkörper 38 herumgewunden ist. Im Schutzrohr 12 ist ein Heizelement 22 vorgesehen, das ebenfalls gewendelt ist. Zur hermetischen Abdichtung des Schutzrohres 12 sind an seinen beiden Enden 14 und 16 Deckel 18 angeordnet, wobei jeder Deckel 18 eine Durchführung 28 für einen zugehörigen elektrischen Anschluß 30 zum Heizelement 22 sowie einen Einlaß 34 bzw. einen Auslaß 36 für Spülgas aufweist. Das das gewendelte Schutzrohr durchströmende Schutzgas dient zum Schutz des Heizelementes 22 gegen oxidierende und/oder chemisch aktive Atmosphäre, was insbes. bei den sehr hohen Betriebstemperaturen, bis zu welchen eine solche Heizeinrichtung 10 angewandt wird, von großer Wichtigkeit ist, um eine entsprechende Lebensdauer des Heizelementes 22 zu gewährleisten.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Heizeinrichtung 10, die sich von der in Fig. 2 gezeichneten Ausbildung insbes. dadurch unterscheidet, daß der Heizelementträger 24 für das Heizelement 22 mit einer schraubenlinienförmigen Rille versehen ist, in welcher das Heizelement 22 angeordnet ist. Im übrigen entspricht die Heizeinrichtung 10 gemäß Fig. 4 der in Fig. 2 gezeichneten Heizeinrichtung, so daß es sich erübrigt, alle Einzelheiten, die in Fig. 4 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind wie in Fig. 2, noch einmal detailliert zu beschreiben.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform der Heizeinrichtung 10 mit einem Schutzrohr 12 aus monokristallinem Keramikmaterial, vorzugsweise aus monokristallinem Aluminiumoxid, an dessen offenen Enden 14 und 16 je ein Deckel 18 vorgesehen ist. Die Deckel 18 sind mittels Dichtungselementen 20, die ringförmig um das Schutzrohr 12 umlaufen, am Schutzrohr 12 abdichtend angeordnet. Im hermetisch abgedichteten Innenraum 32 des Schutzrohres 12 der Heizeinrichtung 10 ist ein bandförmiges Heizelement 22 vorgesehen, das gewellt ausgebildet ist. Jeder Deckel 18 weist eine Durchführung 28 für das Heizelement 22 auf, das mit elektrischen Anschlüssen 30 ausgebildet ist. Des weiteren ist jeder Deckel 18 mit einem Einlaß 34 bzw. mit einem Auslaß 36 ausgebildet, um in den hermetisch abgedichteten Innenraum 32 des Schutzrohres 12 ein Schutzgas einleiten und nach der Umspülung des Heizelementes 22 aus der Heizeinrichtung 10 wieder ausleiten zu können.

Fig. 7 zeigt in einer räumlichen Darstellung eine Ausbildung der Heizeinrichtung 10 mit einem Schutzrohr 12 aus monokristallinem Keramikmaterial, wobei das Schutzrohr 12 einen hermetisch abgedichteten Innenraum 32 aufweist, in welchem ein Heizelementträger 24 vorgesehen ist, der einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist. Um den Heizelementträger 24 ist ein Heizelement 22 herumgewickelt, das gewendelt ausgebildet ist. Das Heizelement 22 ist durch Durchführungen 28 der Heizeinrichtung 10 hermetisch dicht durchgeführt, um das Heizelement 22 an seinen Anschlüssen 30 mit elektrischer Energie versorgen zu können. Zur Spülung des Innenraumes 32 der Heizeinrichtung 10 ist diese mit einem Einlaß 34 und einem Auslaß 36 ausgebildet.

In den Fig. 1 bis 7 sind diverse Ausbildungen der Heizeinrichtung 10 schematisch dargestellt, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausbildungen begrenzt ist, sondern für jede beliebige Form des Schutzrohres, jede beliebige Ausbildung des Heizelementes und jede beliebige Gestalt des möglicherweise vorhandenen Heizelementträgers 24 gilt.

Claims (10)

1. Heizeinrichtung mit einem in einem Schutzrohr (12) angeordneten Heizelement (22), dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (12) aus einem monokristallinen Keramikmaterial besteht und hermetisch dicht verschließbar sowie mit Durchführungen (28) zum elektrischen Anschluß des Heizelementes (22) versehen ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (12) aus einem monokristallinen oxidkeramischen Material besteht.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (12) aus monokristallinem Aluminiumoxid besteht.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (12) aus einem dotierten monokristallinen Aluminiumoxid besteht.

5. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (12) einen Einlaß (34) und einen Auslaß (36) für ein Schutzgas aufweist.

6. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (22) auf einem Heizelementträger (24) angeordnet ist.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizelementträger (24) aus einem dem Material des Schutzrohres (12) ähnlichen Material besteht.

8. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (22) gewendelt oder gewellt ausgebildet ist.

9. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (12) schraubenlinienförmig ausgebildet und um einen Zentralkörper (38) herum angeordnet ist.

10. Verwendung der Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer oxidierenden, reduzierenden und/oder chemisch aggressiven Atmosphäre zur Erhitzung auf eine Temperatur bis 2000°C.