DE757229C - Elektrisches Heizelement, geeignet fuer den Betrieb an freier Luft - Google Patents

Elektrisches Heizelement, geeignet fuer den Betrieb an freier Luft

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DE757229C
DE757229C DEN41359D DEN0041359D DE757229C DE 757229 C DE757229 C DE 757229C DE N41359 D DEN41359 D DE N41359D DE N0041359 D DEN0041359 D DE N0041359D DE 757229 C DE757229 C DE 757229C
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Martin Littmann
Hans Heinrich Dr-I Schwarzkopf
Paul Dr-Ing Schwarzkopf
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/44Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Description

  • Elektrisches Heizelement, geeignet für den Betrieb an freier Luft Für elektrische Heizzwecke: wurden bisher Elemente mit hohem elektrischem Widerstand gebraucht, die aus hoch widerstandsfähigen und schwer schmelzbaren Metallen oder Legierungen, wie Molybdän, Wolfram und Legierungen von Nickel und Chrom, bestehen. Die Widerstände wurden durch geeignete Dimensionierung ihrer Querschnitte und Längen und durch die Wahl geeigneter Materialien mit hohem Widerstand bestimmt. Es war jedoch dabei unmöglich, hohe Temperaturen in wirtschaftlicher Weise zu erzeugen, da Wolfram und Molybdän an freier Luft bei Temperaturen von etwa 5oo bis 6oo° C zu oxydieren und sich zu verflüchtigen beginnen, was auch der Hauptsache nach bei anderen Zusammensetzungen metallischer Heizkörper bei Temperaturen unter zooo° C der Fall ist. Zur Erzeugung von Temperaturen von rund über zooo° C eignen sich zwar Widerstände aus Kohle und Graphit, deren Verwendbarkeit aber dadurch heschränkt ist, daß sie bei Luftzutritt verbrennen, ihren Querschnitt verändern und den Widerstand gleichzeitig erhöhen. Die so entwickelte Hitze ist verschieden, und häufig werden Erneuerungen solcher Widerstände notwendig, die ein kontinuierliches Verfahren und die Ausführung metallurgischer Prozesse stören. Des weiteren kann Kohle von dem Widerstand in dieser oder -jener Form an den zu erhitzenden Körper gebunden werden, was besonders bei metallurgischen Prozessen oft unerwünscht ist. Zusammengesetzte Widerstände, die Silikate enthalten, lassen Temperatursteigerungen etwa über 130o° C nicht zu.
  • Man hat bereits vorgeschlagen, Heizleiter von geeignetem Widerstand aus 'hochschtnelzenden Metallen, die an sich zu hohen Temperaturen erhitzt werden könnten, wie Molybdän und Wolfram, in einen gasdichten, hochschmelzenden, isolierenden Mantel oder tIerzug einzubetten, der den Angriff von Luftsauerstoff auf das Metall oder die Legierung bei hoher Temperatur und beim Glühen verhindert. Dabei wurde .beabsichtigt, die Oxydation und andere Beschädigungen des Widerstandes- zu vermeiden. Eine solche Hülle sollte nicht nur gut durchlässig für die von dem eingeschlossenen Widerstand ausgestrahlte Hitze, sondern auch gasdicht sein und mit dem Metall bei der Heiztemperatur nicht reagieren. Daraus ergaben sich neue Schwierigkeiten für die Herstellung solcher Hüllen.
  • Um diese Schwierigkeiten zu beheben, wurde vorgeschlagen, die Hülle aus Glas zu machen, das in jeder gewünschten Gestalt billig hergestellt werden kann, ferner gasdicht und für Wärmestrahlen durchlässig ist. Das gewöhnliche billige Glas beginnt jedoch zwischen etwa 700 und 90o° C, je nach seiner Zusammensetzung, zu erweichen, und zwischen iooo und 125o° C schmilzt es. Es ist ersichtlich, daß dadurch die Höhe der anwendbaren Temperatur stofflich begrenzt ist und daß gerade solche Temperaturgrade ausgeschlossen sind, innerhalb welcher die hoch wirksarne und äußerst wünschenswerte Wärmestrahlung auftreten könnte. Es kann im besonderen die Eigenschaft von Molybdän und Wolfram, Erhitzungen über etwa 2ooo bis 250o° C auszuhalten, nicht verwertet werden. -Nun gibt es aber gewisse Oxyde der Elemente der 2., 3. und d.. Gruppe des Periodischen Systems, die tatsächlich schwer schmelzbar sind; die Elektrizität nicht wesentlich leiten und mit Molybdän oder Wolfram chemisch nicht reagieren. Ein solches Oxyd ist im besonderen Zirkonoxvd, das in der im I Handel vorkommenden Form bei etwa 255o° C und im chemisch reinen Zustand bei etwa 2700° C schmilzt. Dieses würde deshalb eine ausgezeichnete Hülle für einen Widerstand aus Wolfram, Molybdän und anderen hochschmelzenden Metallen ergeben und die Entwicklung von Temperaturen nahe bis 2000° C oder darüber erlauben. Es ist jedoch schwierig, aus diesem Material gasdichte Körper der gewünschten Dimensionierung und Gestalt in wirtschaftlicher Weise zu erzeugen. Die Sintertemperatur von Zirkonoxyd liegt nahe an etwa 2200° C. Eine solche Temperatur konnte nur durch die Verwendung von Wolfram als Heizmaterial, z. B. als Wolframfolie, in einem Ofen erzeugt werden. Es muß Vorsorge getroffen werden, daß keine Desoxvdation des Zirkonoxvds und keine Oxydation des Wolframs auftritt, weshalb eins neutrales Gas eingeleitet oder während des Sinterprozesses erzeugt werden muß. Es bleibt noch sehr schwierig und teuer, auf diese Weise große Körper aus Zirkonoxyd z. B. in Form von Hohlkörpern. wie in Rohren oder anderen Gegenständen, in den erforderlichen großen Ausmaßen zu erzeugen.
  • Erfindungsgemäß besteht der Mantel des Heizelements aus einer im wesentlichen homogenen Masse, die aus .einer zumindest zum Teil gesinterten Mischung von 5o bis 99°/a einer oder mehrerer Oxyde der Elemente der 2., 3. oder 4s. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Schmelzpunkt von über 180o° C und aus einem kleineren Teil einer oder mehrerer glasbildenden Oxyde der Elemente derselben Gruppe, die bzw. deren Gemisch bereits bei der Sintertemperatur der Oxyde der zuerst gewählten Elementengruppe schmelzen, zusammengesetzt ist.
  • Wenn der Mantel dicht auf dem Heizleiter aufliegen soll, kann er gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung ohne Verwendung einer verdampfenden Zwischenschicht bei Sinter- oder Frittemperatur auf den Heizleiter aufgeschrumpft sein.
  • Die Menge der glasbildenden Substanz kann dabei 3 bis 21% erreichen, sie kann mit Vorteil aus Kieselsäureverbindungen und Aluminiumoxydverbindungen, vorzugsweise in fester Lösung, bestehen, die über 150o° C schmelzen und die Zwischenräume des Grundstoffs der Hülle, der in der Hauptsache aus gesintertem Sillimanit besteht, dicht ausfüllen.
  • Gemäß der Erfindung kann zur Herstellung des Mantels oder Überzuges elektrischer, für den Betrieb in freier Luft geeigneter Heizelemente mit einem Heizleiter aus hochschmelzendem Metall ein pulverförmiges Gemisch von 5o bis 99% einer oder mehrerer Oxydverbindungen der Elemente der 2., 3. oder q.. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Schmelzpunkt über 180o° C und von einer oder mehreren Oxydverbindungen aus Elementen derselben Gruppe des Periodischen Systems mit einem Schmelzpunkt von über 1500° C, der jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der zuerst gewählten Elemente liegt, auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen die erstgenannten Verbindungen sintern, die zweitgenannten schmelzen und verglasen, während das in der Mischung vorhandene höher schmelzende Oxyd sintert. Dabei wird' ein Endprodukt erhalten, das vor allem aus gefritteten oder gesinterten hochschmelzenden Oxyden und außerdem aus einer glasbildenden Substanz besteht, was zur Folge hat, daß die Zwischenräume und Poren zwischen den giefritteten oder gesinterten Oxydt.eilchen von einer glasartigen Verbindung ausgefüllt sind. Diese glasartige Verbindung kann sich auch mit den Oxydteilchen verbinden und einigermaßen deren Sintertemperatur beeinflussen, so daß das Sintern der Oxyde bei niedrigeren Temperaturen erreicht werden kann, als wenn die Oxyde allein zugegen wären. Dies hängt von der Menge und den Eigenschaften der anderen zugesetzten Substanzen ab.
  • Auf diese Weise werden ein dichtes und gasundurchlässiges ÜUberzugsmaterial und daraus hergestellte Formkörper mit hohem Schmelzpunkt erhalten, die ihre Gestalt und Eigenschaften, bei höheren Temperaturen behalten als bis dahin bekannte Heizkörper, die auf wirtschaftlicher Weise erzeugt und gehandhabt werden konnten. Sie entwickeln keine schädlichen Mengen von Gasen . oder verflüchtigen irgendwelche Substanzen, die sich mit der umgebenden Atmosphäre verbinden; welcher Art sie auch sein mögen, oder die in irgendein anderes Material während der Behandlung eintreten können, um dessen Eigenschaften in einem ungewünschten Maß zu verändern.
  • Gemäß der Erfindung wird als Beispiel einer Oxydverbindung eines Elements der q.. Gruppe des Periodischen Systems insbesondere Zirkonoxyd gewählt und zu irgendeinem beliebigen Feinheitsgrad gepulvert. Je feiner die Teilchen sind, desto homogener ist das Material oder Endprodukt und um so leichter und schneller geht der Sinterprozeß vor sich. Andererseits benötigt das Pulvern zu einem sehr hohen Feinheitsgrad ein langes Mahlen in Kugelmühlen oder einem anderen geeigneten Apparat und begünstigt die Verunreinigungen des Zirkonoxyds durch Fremdstoffe. Um dies zu v=ermeiden, ist es vorteilhaft, die Wände der Kugelmühle mit dem gleichen wie darin zu mahlenden Material auszukleiden, falls es für diese Zwecke hart genug ist. Auch die Kugeln können aus dem gleichen Material gemacht werden. Ebenso kann zweckmäßigerweise die Verkleidung aus einem dem Mahlprodukt wesensähnlichen Material hergestellt werden. Andererseits können die Verkleidung und die Kugeln beispielsweise aus einer Hartmetallegierung, enthaltend harte Karbide, wie Tantal-, Wolfram-oder Titankarbid, oder aus diesen Karbiden selbst angefertigt sein. Auf diese Weise werden Verunreinigungen des Mahlgutes, verhütet, insbesondere durch solche Stoffe, die verdampfen oder bei der Betriebstemperatur des Heizleiters verflüchtigen und' sieh mit dem Heizleitermaterial verbinden oder dieses angreifen.
  • Das derart in Pulverform gebrachte Zirkonoxyd, oder auch ein Gemisch von Zirkonoxyd mit Magnesium- und/oder Aluminiumoxyd, wird dann z. B. in einer Gesamtmenge von 5o bis 99% mit dem gewählten Binde- oder Füll- oder Sinterhilfsmittel gemischt. Als ein solches kann mit Vorteil eine im wesentlichen glasbildende Substanz aus Silikaten oder höheren Silikaten (Metasilikat), z. B. von Strontium, Calcium, Lithium, Magnesium, mit Schmelzpunkten über z5oo und unter r8oo° C gewonnen werden. Das als Füll- oder Sinterhilfsmitte4 zugesetzte Aluminiumoxyd kann zum Teil durch irgendein anderes Oxyd eines geeigneten Elements der 2., 3. oder :. Gruppe des Periodischen Systems ersetzt werden, das die gewünschten obenerwähnten Eigenschaften hat und die Erweichungstemperatur des erhaltenen Materials nicht unter die Temperatur absinken läßt, bei welcher das Heizelement betriebsmäßig angewendet wird. An Stelle von Aluminiumoxyd kann z. B. Thoriumoxyd gebraucht werden.
  • Nach Wahl des gewünschten Binde- oder Füll- oder Sinterhilfsmaterials fährt man in folgender Weise fort: Nimmt man z. B. Zirkonoxyd und Aluminiumoxyd, so wird gepulvertes Zirkonoxyd mit etwa t bis 8% Aluminiumoxyd innig gemischt, und die Mischung wird um einen stabförmigen Heizleiter, beispielsweise aus Wolfram, gepreßt. Der Wolframstab wird mit der anhaftenden Hülle nun in einen Raum gebracht, an dessen einem Ende Wasserstoff ein- und am anderen Ende austritt, der am Austrittsende an offener Luft verbrannt oder für andere Zwecke verwendet werden kann.
  • Der Wolframstab soll - allmählich über 2000° C erhitzt werden. Da die Sintertemperatur des handelsüblichen Zirkonoxyds angenähert bei 2200° C liegt und .bei reinem Zirkonoxyd nahe bei 2q.00° C, ist es für den Wolframstab noch möglich, solche Temperaturen in einer Wasserstoffatmosphäre zu erzeugen und dabei das Sintern seiner Zir*onoxyd-Aluminiumoxyd-Hülle zu bewirken. Es mu.ß hierbei bedacht werden, daß das anwesende Aluminiumoxyd einen Schmelzpunkt von etwa 20-5o° C hat und bei solchen Temperaturen schmelzen und dabei die Sintertemperatur des Zirkonoxyds herabsetzen wird. Es wird zuerst um die Zirkonoxydteilchen fließen und sie dann verbinden.
  • Auf diese Weise wird ein Element hergestellt, das aus einer Wolframseele besteht, die mit einer hochschmelzenden und isolierenden, glasartigen Hülle aus Zirkonoxyd und Aluminiumoxyd bedeckt ist. Nach dem Abkühlen wird die verflüssigte Hülle gasdicht und imstande sein, bei späterem Gebrauch den Wolframstab gegen Oxydation durch die umgebende Luft zu schützen.
  • Anstatt das Heizelement durch Umgeben eines Wolframstabes mit einem überzug aus einer Mischung von Aluminiumoxyd und Zirkonoxyd oder irgendeiner anderen erwählten Mischung der Oxyde oder Oxydverbindungen, die zu einer Verglasung innerhalb des Rahmens der Erfindung befähigt sind, herzustellen, kann man auch ein Rohr von rundem oder irgendeinem anderen bevorzugten Querschnitt formen, dieses mit hohem Druck von einigen hundert oder tausend Atmosphären bis zum Zusammenhang pressen. dann den Wolframstab so hineinstecken, daß zwischen dem letzteren und der Innenwand des Rohres ein gewisser Spielraum gelassen wird. Diese Wand kann an der :geeigneten Stelle durch Einlagen aus geschmolzenem Zirkonoxyd, die nicht gasdicht zu sein brauchen, gehalten werden, da diese Einlagen als vorübergehende Stützen dienen und deshalb in bekannter Weise, wie z. B. durch Schmelzen von Zirkon im Lichtbogen hergestellt werden können. Der Wolframstab wird sodann in ein Rohr gelagert, und der elektrische Strom wird eingeschaltet. Bei der dabei entstehenden Hitze sintert das Rohr in einer neutralen Atmosphäre, wie z. B. in Wasserstoff. Sobald man auf diese Weise einzelne Rohre erzeugt hat, die mithin völlig gasdicht und bei 'hohen Temperaturen widerstandsfähig sind, wie sie für das Sintern von Zirkonoxydmischungen benötigt werden, kann man in solch ein Rohr den metallischen Heizleiter, vorzugsweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung und, sofern die Sintertemperatur der Zirkonoxydmischung nahe oder unter 2000' C liegt, möglicherweise aus Molybdän, einführen.
  • In der Zeichnung, die ein solches Heizelement darstellt, bedeutet i einen Wolframstab, umgeben von einem Rohr 2, dessen Enden durch Metallelektroden 3 geschlossen sind. Besteht der Stab i aus Wolfram, so können die Enden oder Abschlußkappen 3 auch aus Wolfram bestehen, wobei der Raum zwischen dem Stab i und dem Rohr 2 evakuiert oder mit einem neutralen Gas gefüllt ist. Bei einem sehr kleinen Zwischenraum ist tveder eine Evakuierung noch die Einleitung eines neutralen Gases notwendig, da die geringe Menge der vorhandenen Luft den Heizstab innerhalb des Rohres nicht wesentlich angreifen oder verändern kann. Soweit es sich um Luftsauerstoff 'handelt, wird die kleine vorhandene Menge an Sauerstoff bald verbraucht sein, worauf die Korrosion aufhört, nachdem sie in unmerklicher und vernachlässigbarer Weise eingesetzt hat. Der Zwischenraum kann mit irgendeinem festen Füllmaterial gefüllt werden, z. B. mit gepulvertem Zirkonoxyd, Tantal'karbid, Titankarbid, Bornitrid. um das Volumen der eingeschlossenen Luft zu vermindern und auch für andere Zwecke. An Stelle von Wolfram kann für die Abschlußkappe 3 ein anderes Material verwendet werden, dessen Wärmeausdehnung sich nicht wesentlich von der des Wolframs und der des Rohres unterscheidet, so daß durch eine verschiedene übermäßige Ausdehnung keine Undichtheit verursacht wird, nachdem die Kappen im Vakuum auf das Rohrende aufgezogen wurden. Es ist zu beachten, daß die Kappen 3, deren Querschnitt ein Vielfaches von dem des Heizstabes i ist, nicht auf irgendeine, dem Heizelement selbst naheliegende Temperatur erhitzt werden dürfen und, sozusagen, kühl bleiben, wie es bei der Konstruktion von Heizelementen allgemein bekannt ist. Deshalb muß nur auf die Ausdehnung des Stabes i geachtet werden, wenn diese sich gegenüber der des Rohres 2 in bedenklichem Maß unterscheidet. Für diesen Fall kann der Heizleiter in Spiralen oder in irgendeiner anderen Form angewendet werden, die eine genügende Elastizität gewährleistet.
  • Auf diese Weise ist es möglich, Heizelemente zu erzeugen, die sodann zur wirtschaftlichen Herstellung von Körpern aus Zirkonoxyd gemäß der Erfindung verwendet werden können. Demnach wird Zirkonoxyd gepulvert mit dem gewünschten Sinterhilfsmittel oder Binde- oder Füllmaterial gemischt, in die gewünschte Gestalt gepreßt und in einen Raum gebracht, wo es einer Strahlungshitze ausgesetzt wird, die z. B. von einem in der beschriebenen Weise erzeugten Wolframheizelement entwickelt wird. Dabei kann die gewünschte Sintertemperatur der Mischung leicht erreicht werden und das Sintern in Schutzatmosphäre oder an freier Luft mit geringsten Kosten für Massenproduktion bewerkstelligt werden.
  • Ein gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erzeugtes Rohr kann nun mit einem Heizleiter aus Molybdän, Wolfram oder irgendeinem anderen Material, das bei der Betriebstemperatur nicht erweicht und seine Gestalt nicht ändert, versehen und mit Endverschlüssen ausgerüstet werden, die gleichzeitig als Stromanschlüsse dienen. Dabei wird ein Heizelement der an erster Stelle beschriebenen Art erhalten.
  • Es ist allgemein bekannt, daß die Oxyde gewisser Elemente der 2., 3. und .4,. Gruppe des Periodischen Systems beim Schmelzen eine Lösung bilden und ein glasartiges Material ergeben. Es ist weiterhin bekannt, daß entsprechend dem Verhältnis der vorhandenen Komponenten eine Entglasung erzwungen werden kann, z. B. durch langsames Abkühlen der Schmelze, und daß eine solche Entglasung auch dann auftreten kann, wenn das Glas wieder über die Kristallisationstemperatur erhitzt wird. Diese Tatsache kann erfindungsgemäß zur Entglasung des glasartigen Zusatzmaterials oder im besonderen Falle zur Anhäufung der entglasten Substanz an der Oberfläche des Körpers angewendet werden. Auf diese Weise kann z. B. Kieselsäure an der Innenseite des Rohres und des Widerstandes angereichert werden. Wenn im Betriebe des Heizelements ein Teil der Kieselsäure an die Außenseite diffundiert ist, wird die an der Innenseite des Rohres angereicherte Kieselsäure infolge der Hitze des Heizelements gezwungen werden, in das Innere des Rohres zu diffundieren und die eben verlorengegangene Kieselsäure zu ersetzen.
  • Auf diese Weise kann das Rohr ständig oder für sehr lange Zeit gasdicht erhalten werden.
  • Man erhält demnach Heizelemente, die nicht nur oberhalb solcher Temperaturen verwendbar sind, bei welchen das Heizleitermaterial, sofern es nicht gegen Angriffe geschützt wird, an offener Luft oxydieren oder korrodieren würde, sondern auch 'bei Heiztemperaturen, die bisher wirtschaftlich nicht erreicht werden konnten, und zwar solche über etwa 1300 bis 135o° C, die sogar ohne besondere Schwierigkeit bis auf 1700 und i8oo° C erhöht werden können. Die oberen Grenzen werden lediglich durch die Temperaturen bestimmt, bei welchen die Sinterhilfsmittel b"z.@v. das Füllmaterial so weich werden, daß sie die Zwischenräume des aus den gesinterten Zirkonoxy dpartikelchen geformten Ske'l'etts verlassen und daher die innige Bindung oder Auflösung, wie sie zwischen ihnen und dem Zirkonoxyd angestrebt war, nicht vollziehen können. Die Heizleiter selbst können nun aus Metall, wie Chrom, Molybdän, Wolfram, hergestellt werden, die andererseits, bei relativ niedrigen Temperaturen an freier Luft oxydieren und die Neigung haben, zu verdampfen, und sie können innerhalb der gasdichten Hülle angewendet werden, ohne daß sie irgendeiner Korrosion oder einer zerstörenden Einwirkung von außen unterliegen. Die Lebensdauer solcher Heizelemente beträgt bei den erwähnten äußersten Temperaturgrenzen bis zu iooo Stunden und mehr, kann aber leicht auf mehrere iooo Stunden innerhalb der Temperaturgrenzen von etwa :i.3oo bis 145o° C gebracht werden, wenn man z. B. einen Molybdänwiderstand benutzt, der in einen Körper aus Zirkonoxyd, vorzugsweise mit einem Kieselsäurezusatz, erfindungsgemäß eingeschlossen ist. Es können auch einige iooo Betriebsstunden innerhalb eines Temperaturbereiches von 145o bis 170o° C erreicht werden, wenn man einen Molybdän-oder Wolframwiderstand verwendet, der in einen Körper* aus Zirkonoxyd, vorzugsweise mit einem Zusatz von entweder Kieselsäure allein oder Kieselsäure mit Aluminiumoxyd, . eingeschlossen ist, wobei zur Herstellung der Hülle Temperaturen zur Anwendung kommen, die zur Bildung von Sillimanit führen, ebenso kann auch schon fertiges Sillimanit verwendet werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf irgendwelche bestimmte Mischungen und die Bildung von bestimmten Produkten oder den Gebrauch von bestimmten Temperaturbereichen beschränkt, innerhalb welcher das fertige Heizelement verwendet werden oder bei welchen das neuartige Material oder die neuartige Hülle hergestellt werden können. Im allgemeinen liegen die Temperaturen für die Herstellung der Körper bei Anwendung von Zirkonoxyd unterhalb von etwa 2300° C und können durch geeignete Wahl des Sinterhilfs-und Füllmaterials je nach dem Schmelzpunkt und der Menge herabgesetzt werden. Wird Siliziumoxyd in den obenerwähnten Grenzen verwendet, so wird die Sintertemperatur des Zirkonoxyds um 5 bis 20% oder mehr herabgesetzt, während bei Anwendung von Aluminiumoxydzusatz die Sintertemperatur bis nahe an den Schmelzpunkt des Aluminiumoxyds gebracht wird.
  • Ebenso wie Zir'konoxyd als ein besonders geeignetes Beispiel eines Oxydes aus der 4. Gruppe angeführt wurde und Aluminiumoxyd als ein solches Beispiel aus der 3. Gruppe hier erwähnt wird, kann Magnesiumoxyd als geeigneter Vertreter der 2. Gruppe für den vorliegenden Zweck gelten und Sillimanit als Beispiel einer Oxydverbindung der Elemente der 3. und 4. Gruppe hingestellt werden. Der Schmelzpunkt von Magnesiumoxy d liegt über jenem von Zirkonoxyd, während natürliches oder synthetisches Sillimanit einen durchschnittlichen Schmelzpunkt zwischen etwa 185o und 1925° C aufweist.
  • Während bisher die Fertigstellung von glasigen Rohren und anderen Hüllen entsprechend dieser Erfindung durch abschließendes Hochsintern derselben vor Einführung der Widerstandsheizleiter beschrieben wurde, kann diese abschließende Herstellungsstufe auch erst dann ausgeführt werden, wenn das mit der Hülle versehene Heizelement in Gebrauch. genommen wurde. Hierbei wird ein fester Körper aus einer Mischung von Oxyden durch Formen und/oder Pressen und nachheriges Fritten oder Vorsintern bei einer beträc 'htlich niedrigeren als der Hochsintertemperatur angefertigt und als Hülle für den Heizwiderstand mit diesem und den Endverschlüssen montiert. Die letzteren können auf das Rohr und den Widerstandsheizleiter z. B. im Vakuum aufgezogen werden, wie dies z. B. bei der vorbeschriebenen üblichen Herstellungsweise der Fall ist. In Betrieb gesetzt, entwickelt der Heizleiter eines solchen Heizelements die für das Hochsintern der Mantelmasse erforderliche Temperatur und macht sie nach wenigen Betriebsstunden gasdicht. Auf diese Weise kann in den meisten Fällen., in welchen der Widerstand im Betrieb eine genügend höhe Wärme entwickelt, oder wo zumindest vorübergehend eine derart hohe Hitze entwickelt werden kann, das Hochsinterverfahren durch die Inbetriebsetzung des Heizelements ersetzt werden.
  • Ein Heizelement gemäß der Erfindung kann in besonderen Fällen in das Medium, welches erhitzt werden soll, eingeführt -,verden, so z. B. in einen Behälter, in welchem ein Glassatz geschmolzen werden soll. Die in der Schutzhülle des Heizelements vorhandenen glasartigen Substanzen werden entweder der Glasschmelze widerstehen oder darin aufgelöst werden, je nach der Natur des glasartigen Bindemittels. So ist z. B. Zirkonoxyd beim Schmelzpunkt des Glases in diesem nicht löslich, und das aus dem gesinterten Zirkonoxyd um den Heizleiter geformte Skelett wird fest bleiben. Das Zirkonoxyd soll in dem Skelett in solcher Metige vorhanden sein, daß die Zwischenräume des gesinterten Körpers außerordentlich klein sind. Obwohl Glas bei der Schmelztemperatur etwas leitend wird, fließt der Heizstrom nichtsdestoweniger praktisch ausschließlich durch den metallischen Widerstand und nicht oder nicht unerwünscht durch die glasartige Substanz, sei sie geschmolzen oder gelöst, oder durch das Glas, wenn es in die kleinen Zwischenräume der gesinterten Zirkonoxydhülle eindringt. Auch wenn das geschmolzene Glas aus dem Behälter entleert wurde und die Wärmezufuhr abgeschnitten wurde, bleibt stets eine Menge Glas an dein Heizelement haften, um die feste glasärtige Substanz, die die kleinen Zwischenräume des gesinterten Zirkonoxydkörpers ausfüllt, wiederherzustellen und seinen gasdichten Abschluß zu behalten, auch wenn die Schmelze entfernt ist.
  • In ähnlicher Weise kann der Heizkörper in Metalle oder in ein anderes zu schmelzendes Material eingebracht werden. Es soll wiederum die glasartige Substanz so gewählt werden, daß sie durch die Schmelze nicht aufgelöst wird. Es ist ersichtlich, daß es in snlclieti Fäl;#-ti leichter ist, die Auflösung der 11 # asartigen Substanz zu verhüten als in Schmelzen, die selbst glasartig sind. `Während Silikate, die im wesentlichen über i 50o° schmelzen, hinreichen mögen, wenn die Temperatur von Erzen oder anderen Materialien, die zum Schmelzen erforderlich ist, unter 150o° C liegt, ist die Zierwendung von Aluminiumoxyd als Sinterhilfs- und Füllmaterial und Zirkonoxyd als ein Hauptmaterial der Heizleiterhülle im allgemeinen vorzuziehen.
  • Anstatt Heizelemente in einen Behälter oder Schmelzofen oder in den Mantel eines Ofens einzuführen, kann man Behälter zumindest teilweise aus dem Material, wie es gemäß der Erfindung als Heizhülle gedacht ist, anfertigen. In diese werden die Widerstandsheizleiter in geeigneter Weise eingebaut. Die Ofenwand besteht aus Zirkonoxyd oder aus Sillimanit, gesintert um @Vend-eln aus Molybdändraht, welche vor dem Sintern in die @Iischung eingesetzt wurden. In ähnlicher Weise können auch andere Heizelemente hergestellt werden, z. B. durch Eintauchen der Widerstandsleiter in ein festes, viskoses oder flüssiges Medium, das erhitzt wird.

Claims (4)

  1. PATE', TANSPPGCHE: i. Elektrisches Heizelement, geeignet für den Betrieb an freier Luft, bestehend aus einem Heizleiter aus hoclisclimelzetidem Metall, der in einen gasdichten hochschmelzenden isolierenden Mantel oder Überzug eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einer im wesentlichen homogenen Masse besteht, die aus einer zumindest zum Teil gesinterten Mischung von 5o bis 99% .einer oder mehrerer Oxyde der Elemente der 2., 3. oder d.. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Schmelzpunkt von über i äoo° C und aus einem kleineren Teil einer oder mehrerer glasbildenden Oxyde der Elemente derselben Gruppe, die bzw. deren Gemisch bereits hei der Sintertemperatur der Oxyde der zuerst gewählten Elementengruppe schmelzen, zusammengesetzt ist.
  2. 2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch i, dessen Mantel dicht auf dem Heizleiter aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß er ohne Verwendung einer verdampfenden Zwischenschicht bei Sinter-oder Frittemperatur auf diesen aufgeschrumpft ist.
  3. 3. Elektrisches Heizelement nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der glasbildenden Substanz 3 bis 2-i % beträgt. d.. Elektrisches Heizelement nach einem i der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gel-:ennzeichnet, daß die glasbildende Stil)-stanz aus Kieselsäureverbindungen und Aluminiumoxydverbindungen, vorzugsweise in fester Lösung, besteht. 5. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil der Hülle aus gesintertem Sillimanit und der Rest aus 3 bis Ai % glasbildenden Substanzen besteht, die über i 5oo° C schmelzen und die die Zwischenräume des gesinterten Sillimanits dicht ausfüllen. 6. Elektrisches Heizelement nach Anspruch i oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte keramische Hülle zu etwa 5o bis 99% aus Zirkonoxyd oder einem Gemisch von Zirkonoxy d mit Magnesium- und/oder Aluminiumoxyd und aus einer im wesentlichen glasbildenden Substanz aus Silikaten, vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt über i5oo° und unter i8oo° C, z. B. aus einem oder mehreren Oxyden des Calciums, Bariums, Strontiums besteht. 7. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch die glasbildende Substanz Zirkonoxyd oder ein Gemisch aus Zirkonoxyd mit Magnesium- und/oder Aluminiumoxyd enthält. B. Verfahren zur Herstellung elektrischer, für den Betrieb in freier Luft geeigneter Heizelemente nach den Ansprüchen i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein pulverförmiges Gemisch. von 5o bis 99% einer oder mehrerer Oxydverbindungen der Elemente der 2., 3. oder
  4. 4. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Schmelzpunkt über i8oo° C und von einer oder mehreren Oxydverbindungen aus Elementen derselben Gruppe des Periodischen Systems mit einem Schmelzpunkt von über 150o° C, der jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der zuerst gewählten Elemente liegt, auf Temperaturen er=hitzt wird, bei denen die erstgenannten Verbindungen sintern, die zweitgenannten schmelzen und verglasen. g. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte und teilweise verglaste Mischung thermisch in der Weise behandelt wird, daß eine Entglasung der glasartigen Substanz eintritt. io. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Oxydverbindungen, die verglasungsfähig sind, mehr an der Oberfläche der geformten Mischung angereichert werden, die Mischung bei Temperaturen, bei welchen die Verbindung schmilzt und im wesentlichen verglast, sintert und hierauf die Masse thermisch so behandelt, daß die glasartige Verbindung entglast. i i. Verfahren nach einem der Ansprüche, S bis io, dadurch gekennzeichnet, daß die innige Mischung der Oxydverbindung der zur Verglasung befähigten Substanz zu einem festen Hohlkörper geformt und gepreßt wird und daß in diesen Hohlkörper ein im wesentlichen über igoo° C schmelzender elektrischer Heizleiter eingesetzt wird, der dann mittels elektrischen Stromes in neutraler Atmosphäre so erhitzt wird, daß der Hohlkörper gleichzeitig gesintert und teilweise verglast wird. Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren fol:gendeDruckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschrift Nr. 6a47:342; schweizerische Patentschriften Nr. 85 695, 173 809; französische Patentschrift Nr. 672 085; britische Patentschrift Nr. 3i-2 9-32; USA.-Patentschrift Nr. 1 536 926.
DEN41359D 1936-11-20 1937-11-21 Elektrisches Heizelement, geeignet fuer den Betrieb an freier Luft Expired DE757229C (de)

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