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Heizstab für hohe Temperaturen Als 1-leizstiil)e zur Bezeichnung von
Öfen mit Temperaturen zwischen i ioo und 135o° C verwendet man zur Zeit vorwiegend
Stäbe aus Siliciumkarbid, die unter verschiedenen Bezeichnungen im Handel sind.
Diese Stäbe haben den Nachteil, daß sich ihr Widerstand infolge verhältnismäßig
starken Albrandes und durch Umkristallisation des Widerstandsmaterials sehr stark
und ungleichmäßig ändert, wodurch das Einhalten gleichmäßiger Teinlwraturzonen innerhalb
eines Ofens sehr schwer ist. Ein Vorschalttransformator ist unbedingt erforderlich.
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Für den glei(lien Zweck- werden ferner Heizleiter aus hochschmelzenden
Metallen, wie beispielsweise Molybdän, verwendet, die innerhalb oder außerhall)
eines Tr:igerrohrs angeordnet sind und in einer Schutzgasatmosphäre betrieben werden
müssen, da Molybdän bereits bei q.00° C zu oxydieren beginnt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizstab
herzustellen, der die genannten Nachteile nicht aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe wurde darin gefunden, daß ein dünnes Band
aus einem hochschmelzenden Metall in eine Quarzhülle gasdicht eingeschmolzen wird.
Es werden oberhalb 140o° C, insbesondere oberhalb igoo° C schmelzende Metalle, wie
beispielsweise Molybdän, Wolfram oder Tantal verwendet. Es hat sich gezeigt, daß
es möglich ist, Drähte oder Bänder oder auch entsprechend! gering dimensionierte
Röhrchen aus hochschmelzenden Metallen, zumal, Nvenn sie wie die genannten
einen
verhältnismäßig kleinen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, in Quarzglasrohre im
Vakuum einzuschmelzen, und zwar unabhängig von ihrer Länge. Zwischen der Quarzglasschicht
und dem eingeschmolzenen metallischen Heizleiter muß ein guter Kontakt bestehen.
Dies gilt insbesondere für dünne :\Tetallbänder, da sonst an nicht gut verschmolzenen
Stellen infolge des schlechten Wärmekontakts Wärmestauungen, Überhitzungen und sogar
Durchschmelzungen eintreten können.
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Erfindungsgemäß besitzt das als Heizelement eingeschmolzene Metallband
eine Dicke von io bis 5o i1, beispielsweise 20 bis 3011, Überraschenderweise können
Heizstäbe mit eingeschmolzenen Bändern dieser geringen Dicke aus :Metallen, wie
beispielsweise Molybdän, auf Temperaturen von i 50o° C und höher erhitzt werden,
Temperaturen, bei denen bereits Kieselsäureglas plastisch verformbar ist, ohne daß
ein Zerreißen des Bandes eintritt. Dabei handelt es sich nicht um bloße Einschmelzungen
zur Einführung eines metallischen Leiters, sondern uni Einschmelzungen für die bei
Heizkörpern von H: izstiil>en übliche Länge, beispielsweise von 30 1>1s
50 ein. Mit zunehmender Temperatur und der damit verbundenen Volumenzunahme
des Metalllandes wachsen naturgemäß die Spannungen in (lein umschließenden Hüllrohr.
Da im Temperaturgebiet oberhalb i ioo° C schon eine geringe, aber doch nachweisbare
plastische Verformung des Quarzglases vorhanden ist, so findet offensichtlich eine
Anpassung der Quarzglasschutzhülle an den t-leizleiter und ein Spannungsausgleich
statt. Auch ,ein Herauf- und Herunterregulieren in dem Temperaturgebiet zwischen
i ioo und 150o° C ist ohne weiteres möglich.
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An Stelle von Quarzglas oder, allgemeiner gesl)roMieti,Siliciumdioxyd,
lassen sich für dieHülle des neuen Heizleiters gegebenenfalls auch hochschmelzende,
siliciumdioxydreiche Gläser verwenden.
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Besonders bewährt hat es sich, die Hülle aus Siliciumdioxvd oder dem
hochschmelzenden, siliciuindioxvdreichen Glas, in die das Band aus dem hochschmelzenden
Metall eingeschmolzen ist, in Form eines ,Profilrohres, insbesondere in Form eines
Schlitzkapillärrohrs, herzustellien.
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Wichtig ist bei dem neuen Heizstab die Ausbildung der Zuführungen
und der Übergang vom glühenden Heizleiter nach den kälteren Anschlußenden; wegen
des starken Temperaturabfalls an den Enden ist hier eine erhebliche Querschnittsvergrößerung
notwendig. Dies läßt sich erreichen, indem die Zuführungen als flaches Band eingeschmolzen
werden und hierbei auf besondere Behandlung der Kanten Wert gelegt wird, da diese
bei hohen Belastungen Anlaß zu Kerbspannungen heben. Besonders bewährt hat es sich,
zwei Metallhänder von derselben Dicke, aber mehrfachen Breite wie das auf der Hauptlänge
eingeschmolzene Band über je einen Quarzglasrundstab herumzulegen und diese in die
Verlängerungen der Rohrenden des Profilstabs aus Quarzglas, in dem der bandförmige
lleizleiter angeordnet ist, einzuschmelzen. So liegen dann die verbreiterten Metallbänder
als Zuführungen rohrförmig in den Enden des Profilstabs, und die Kerbspannungen
werden vermieden. Die Litzen können in an sich bekannter Weise durch Artschweißen
von Molybdändrähten an die Folie befestigt werden.
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Die neuen Heizstäbe sind für Temperaturen bis etwa i5bo° C und noch
darüber mit Vorteil zu verwenden. Die Reinheit des als Schutzhülle verwendeten Kieselsäureglases
ist auf die Haltbarkeit von Einflußä Bei entsprechender Beachtung der oben gegebenen
Vorschriften für den Heizleiter und hinreichenden Reinheit der umhüllenden Quarzglasmasse
lassen sich verhältnismäßig hohe Betriebszeiten erreichen.
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Die Quarzglashülle nimmt je nach der Wandstärke Temperaturen an, die
etwa ioo° C unter der pyrometrisch gemessenen Temperatur des Heizstrahlers liegen.
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In dem Temperaturbereich zwischen i¢oo und 160o° C ist bei Beachtung
entsprechender Reinheit die Gefahr der Entglasung an den Einschmelzstellen auffallend
gering. Offenbar hängt dies damit zusammen, daß die Rekristallisation bei dieser
hohen Temperatur aus dein amorphen Zustand in a-Cristobalit sich nicht so leicht
vollzieht wie bei lang andauerndem Erhitzen von weniger reinen Materialien im Temperaturgebiet
von etwa 1450° C.
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Für Heizstäbe hoher Leistung, bei denen nach der vorliegenden Erfindung
vergleichsweise breite Metallbänder eingeschmolzen werden, ist es vorteilhaft, das'Heizband
über einen Kern aus Quarzglas, einem hochschmelzenden Glas oder einer keramischen
Masse zu rollen, so daß die Stoßstellen stumpf aneinanderliegen oder aber noch eine
Lücke zwischen den Flanken vorhanden ist. Auf diese Weise werden Kerbspannungen,
die bei besonders breiten Bändern an den Einschmelzkanten unter Umständen auftreten
können, vermieden und der Durchmesser des Heizelements wird kleiner.
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Zur Herstellung. des Heizstabs ist es nicht .notwendig, ein fertiges
Metallband zu verwenden; das Band kann vielmehr aus den gleichen Stoffen und in
den gleichen Abmessungen durch Hochvakuumverdampfung oder Kathodenzerstäubung auf
einer Unterlage erzeugt werden. Hierbei empfiehlt sich folgendes Verfahren: Auf
einem Stab, der insbesondere aus Siliciumdioxyd, einem hochschmelzenden Glas oder
einer keramischen Masse besteht, wird durch Verdampfung im Vakuum oder mit Hilfe
der Kathodenzerstäubung eine Metallschicht aufgebracht, deren Dicke innerhalb der
für das Metallband obengenannten Grenzen liegt. Der überzogene Stab wird dann in
das Hüllrohr aus Quarzglas oder einem, schmelzenden Glas eingeschmolzen.
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Der Heizstab der Erfindung wird mit großem Erfolg als Heizwiderstand
in Hochtemperat.uröfen verwendet und dient insbesondere zur Beheizung von Ofen,
Reaktionskammern und anderen Anor& nungen, bei dealen es auf chemische Widerstandsfähigkeit
des Heizleiters auch bei Temperaturen zwischen iooo und i6oo° C ankommt. Der neue
Heizstab hat den Vorteil der Beständigkeit gegen
Abbrand und besitzt
damit einen gleichbleibenden elektrischen Widerstand, -so daß er in vielen Fällen
sogar ohne Regelgerät betrieben werden kann.