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Elektrisches Heizelement Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement
nach Art der Heizkörper aus Nernstmassen und besonders eine neuartige einfache Methode
zur Zu- und Abführung des Stromes an derartigen Heizkörpern. Die Nernstmassen weisen
bekanntermaßen gegenüber den üblicherweise verwendeten Werkstoffen für bei hohen
Temperaturen betriebene Heizelemente einige wesentliche Vorteile auf, die vor allem
darin begründet sind, daß mit derartigen keramischen Massen hohe Temperaturen erreicht
werden können, ohne daß es erforderlich wäre, besondere Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich
der Einstellung der Ofenatmosphäre auf neutrale oder oxydierende Bedingungen zu
treffen. Trotzdem haben mit solchen Heizkörpern ausgerüstete Öfen bisher in der
Technik keine breitere Einführung gefunden. Auch die Anwendung von Formkörpern aus
Nernstmassen od. dgl. als selektive Ultrarotquelle in der Ultrarotspektroskopie,
für medizinische Zwecke und vor- allem zur Durchführung von technischen Trocknungsverfahren
führt nicht immer zu befri,edigenden Ergebnissen hinsichtlich der Lebensdauer und
der Betriebssicherheit der Nernststäbe. Diese Tatsache beruht im wesentlichen darauf,
daß es bisher nicht gelungen ist, Heizelemente aus Nernstmassen mit einer einwandfreien
'und .dauerhaft haltbaren Stromzuführung zu bauen, durch die die Schwierigkeiten,
die grundsätzlich im Stromübergang auf einen keramischen Werkstoff liegen, mit Sicherheit
überwunden werden können.
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Man hat beispielsweise vorgeschlagen, an den Enden von Nernststäben
Schlaufen aus Platindraht anzubringen, diese mit einem Schlicker von der Zusammensetzung
des eigentlichen Heizstabes zu
überfangen und diesen Überzug_ festzubrennen.-
Es ist auch bereits versucht wordn, auf die eigentlichen Heizstäbe Kappen aus keramischem
Material höherer Leitfähigkeit aufzusetzen, in die ein Edelmetalldraht für die Stromzuführung
eingebrannt war. Diese bekannten Vorschläge haben: jedoch den Nachteil, daß trotz
Querschnittserhöhung an den Endender Heizstäbe bzw. in den Stromzuführungskappen
der Strom nicht mit Sicherheit .durch den gesamten Querschnitt des Stromanschlusses
geführt wird. Vielmehr bilden sich bevorzugte Strombahnen gegebenenfalls auch an
der Oberfläche des Zuführungsteiles, die zu einer örtlichen Überlastung und damit
zu einer raschen Zerstörung desl Heizelementes führen. können.
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Nach :der Erfindung werden :demgegenüber elektrische Heizelemente
aus halbleitenden Massen mit negativem Temperaturkoeffizienten :des elektrischen
Widerstandes derart ausgestaltet, daß die senkrecht zur Längsachse liegenden Stirnflächen
der Heizkörper mit einem metallisch leitenden'Überzug versehen werden und so der
Stromübergang in die keramische Masse praktisch vollständig auf diesen Flächen erfolgt.
Auf :diese Weise wird im Gegensatz zu den bisher üblichen Konstruktionen von Nernstheizstiften
erreicht, daß der Stromübergang nicht punktförmig oder im wesentlichen in Richtung
der Heizkörperachse auf bevorzugte Strombahnen vor sich geht. Vielmehr wird bei
den Heizelementen gemäß :der vorliegenden Erfindung :der gesamte zur Verfügung stehende
Querschnitt für die Zuleitung des Stromes von der metallischen Zuführung auf die
keramische Masse ausgenutzt, so daß die Gefahr der Ausbildung einzelner überlasteter
Strombahnen ausgeschaltet ist.
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Besonders günstig wirkt sich die erfindungsgemäße Maßnahme an Heizelementen
aus, .deren Endgbschnitte beiderseits verstärkt ausgebildet sind. Man hat auch bisher
Nernstheizkörper mit verstärkten Anschlußenden ausgestattet, ohne jedoch bei :der
üblichen Art der Stromzuführung die Gewähr zu haben, daß der vergrößerte Querschnitt
in :den verstärkten Abschnitten auch vollständig für die Stromzuführung ausgenutzt
wurde. Nach der Erfindung werden die vergrößerten Stirnflächen an den verstärkten
Enden mit einem festhaftenden, leitenden Metallüberzug versehen, und auf dieser
leitenden Metallfläche wird der Stromanschluß hergestellt, so daß der Stromübergang
auf die keramische Masse mit Sicherheit im wesentlichen flächenhaft erfolgt, und
zwar parallel zur Längsachse -des Heizelementes selbst. Es. hat sich gezeigt, :daß
derartige Heizelemente bezüglich Haltbarkeit und Gleichmäßigkeit der Stromaufnahme
den bisherigen Konstruktionen wesentlich überlegen sind und den elektrischen Heizelementen
aus halbleitenden Massen den Weg für eine breitere Anwendung in der Ofentechnik
eröffnen. .
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Die Heizkörper gemäß der Erfindung bestehen aus Oxyden oder Oxydgemischen
mit negativem Koeffizienten des elektrischen Widerstandes, die als sogenannte, halbleitende
Massen an sich bekannt sind. Es kommen dabei insbesondere Massen auf Basis Zirkonoxyd
oder Thoriumoxyd mit Zusätzen von Oxyden des Yttriums und Cers einzeln oder gemeinsam
in Betracht. Mit Vorteil brauchbare Massen sind z. B. zusammengesetzt aus 85 %,
Zirkonoxyd und i!5i%- Yttriümoxyd oder aus 85 %: Thoriumoxyd und 15 0/a Ceroxyd.
Auch Dreistoffsysteme lassen sich für,den vorgenannten Zweck verwenden, wie z. B.
Massen aus 8o0/0. Thoriumoxyd, io% Zirkonoxyd, ro % Yttriumoxyd und ähnliche Zusammensetzungen.
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Die Verarbeitung .derartiger Massen zu Stäben, Rohren oder auch rechteckig
geformten Heizelementen läßt sich nach den üblichen Methoden der Oxydkeramikdurch
Pressen, Gießen oder Strangpressen durchführen.
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Es hat sich gezeigt, daß bei dererfindungsgemäßen Ausbildung der Stromzuführung
an den Heizelementen -der Formgebung der verstärkten Anschlußäbschnitte eine besondere
Bedeutung zukommt, und zwar werden hinsichtlich Gleichmäßigkeit und Betriebssicherheit
der Heizelemente gute Ergebnisse vor allem dann erzielt, wenn die verstärkten Enden
sich konisch auf' den Querschnitt der eigentlichen Heizlänge verjüngen. Der gleichmäßige
konische Übergang der verstärkten Anschlußenden auf die eigentliche Heizlänge des
Elementes bewirkt, wie sich gezeigt hat, eine allmähliche Verengung der Stromwege
und damit einen besonders gleichmäßigen Stromverlauf innerhalb. .des Elementes.
Erfindungsgemäß ist es auch wichtig, bei der Ausbildung der Heizelemente die Entstehung
von scharfen Ecken oder Kanten und plötzlichen Querschnittsübergängen zu vermeiden
und alle Querschnittsänderungen stetig verlaufen zu lassen. Diese Art der erfindungsgemäßen
Formgebung, wie sie insbesondere durch einen konischen Übergang der Anschlußenden
auf die Heizlänge-erreicht wird, wirkt sich außerordentlich vorteilhaft auf die
Beständigkeit gegenüber der Beanspruchung durch thermische Spannungen aus.
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Während die Anbringung so ausgebildeter verstärkter Endabschnitte
für die Stromzuführung bei gepreßten oder gegossenen Formkörpern keine Schwierigkeiten
bereitet, erfordert sie bei der an sich besonders wirtschaftlichen Verarbeitung
der Massen auf der Strangpresse besondere Maßnahmen. Man kann zu diesem Zweck den
noch plastischer. Strangpreßabschnitt an den Enden durch eine allmähliche Stauchung
in der gewünschten Form verstärken oder die Verdickung der Anschlußenden durch Tauchen
bewirken. Soweit durch die Anbringung der verstärkten Anschluß-enden deren Stirnflächen
gekrümmt oder in anderer Weise unregelmäßig geformt sind, kann die Endfläche durch
Abschneiden oder Schleifen im grünen oder gebrannten Zustand begradigt und im wesentlichen
senkrecht zur Längsachse des Heizelementes eingerichtet werden. Für Erreichung des
erfindungsgemäßen Zweckes ist es wesentlich, daß die verstärkten Anschlußenden stofflich
und strukturell homogen in den eigentlichen Heizkörper übergehen.
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Die Aufbringung der Metallschicht auf die Stirnflächen der Heizelemente
kann nach an sich bekannten
Methoden, beispielsweise durch Aufdampfen
oder unter Verwendung von in organischen. Medien gelösten oder suspendierten Metallen,
erfolgen, die auf der zu überziehenden Fläche fein verteilt und fest haftend zur
Abscheidung gebracht werden. Aus Gründen der thermischen Beständigkeit werden für
den Überzug dieser Flächen im allgemeinen Platin oder Platinmetalle gewählt, wobei
sich besonders ,die hochschmelzenden Legierungen von Platin mit Rhodium, z. B. von
Platin mit bis zu 40'/0 Rhodium, bewährt haben. Insbesondere beim Einbau der erfindungsgemäßen
Heizelemente in Öfen, bei denen sich auch die Anschlußenden im Ofeninnern befinden,
kann es zweckmäßig sein, die Haltbarkeit des aufgebrachten Metallüberzuges durch
eine besondere Kühlung, z. B. durch einen Gasstrom, noch zu verbessern.
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Die Zuführung des Stromes zu den leitenden Metallschichten. wird zweckmäßigerweise
ebenfalls so vorgenommen, daß der Stromübergang gleichmäßig auf die gesamte Metallfläche
erfolgt. Zu diesem Zweck können die erfindungsgemäßen Heizelemente für den Betrieb
im Ofen etwa zwischen unter geringer Eigenspannung stehende Kontaktscheiben aus
hochschmelzenden Metallen, insbesondere Platin, eingespannt werden. Derartige Vorrichtungen
haben. sich vor allem bei der senkrechten Anordnung der erfindungsgemäßen Heizkörper
bewährt. Für den Betrieb von Öfen mit waagerecht liegenden Heizelementen werden
die, Stromzuführungen zweckmäßig in Form von umgebördelten Scheiben ausgebildet,
wobei die Ränder dieser Scheiben als Aufnahme für den Heizkörper dienen, während
die Stromzuführung auf die metallisierte Stirnfläche durch die Scheiben selbst erfolgt.
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Ein Heizelement gemäß der Erfindung ist in Abb. i beispielsweise dargestellt.
Darin bedeutet i die eigentliche Heizlänge, 2 und 2' die verstärkten Anschlußenden,
die sich konisch auf den Querschnitt der Heizlänge i verjüngen. Die Stirnflächen
3 und 3' der verstärkten Endabschnitte 2 sind mit einer Metallschicht .a. und .l.'
beispielsweise aus Platin oder Platin-Rhodium-Legierung festhaftend überzogen.
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Als Beispiel für die Halterung der erfindungsgemäßen Heizelemente
unter Verwendung von platten- oder scheibenförmigen Kontakten ist in Abb.2 eine
Vorrichtung zum Einbau der Heizelemente in senkrechter Stellung gezeigt. Dabei bedeutet
i das eigentliche Heizelement mit den verstärkten Enden 2 und 2' und den darauf
angebrachten Metallschichten q. und .a.'. Die Stromzuführung erfolgt hierbei über
die scheibenförmigen Plattenkontakte 5 und 5', die unter Eigenspannung einer bügelartigen
Vorrichtung 6 stehen.
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Für eine andere Art der Halterung und Stromzuführung im Rahmen der
Erfindung kann das Heizelement auch unterhalb der Stirnflächen mit einer oder mehreren
Nuten versehen sein-, die rings um den Umfang der verstärkten Anschlußenden laufen.
Bei der Anbringung mehrerer Nuten können diese auch spiralförmig verbunden sein.
Gemäß der Erfindung wird dabei der metallische Überzug so aufgebracht, daß er nicht
nur die Stirnflächen der Heizelemente, sondern auch noch hie unterhalb der Stirnflächen
befindlichen Nuten überdeckt. Diese Nuten dienen zur Aufnahme der Stromzuführungsdrähte,
die vorteilhaft aus Platin oder Platinlegierungen. bestehen. Das Heizelement kann
bei dieser Art der Stromzuführung sowohl am Stromzuführungsdraht selbst aufgehängt
als auch in eine gegebenenfalls isolierte metallische Führung eingehängt werden.
Zu diesem Zweck kann z. B. eine ringförmige Klammer dienen, in die das Element mit
dem konischen Teil außerhalb des metallischen Überzuges eingelegt ist.
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Der Übergang des Stromes von der metallischen Überzugsschicht auf
den keramischen Heizleiter erfolgt auch hier zu einem Teil, vorzugsweise zu einem
wesentlichen Teil, über die senkrecht zur Längsachse gelegene Stirnfläche, da der
konische Mantel des verdickten Endes infolge der stärkeren Kühlwirkung der umgebenden
Luft eine geringere Leitfähigkeit aufweist, durch die die Verkürzung der Stromwege
in dem dem Anschluß.draht anliegenden Teil des Heizelementkopfes weitgehend oder
vollständig ausgeglichen wird.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ist in Abb. 3 und 4 schematisch
dargestellt. Darin bedeutet wiederum i die eigentliche Heizlänge des Heizelementes,
2 und 2' die verstärkten Anschlußenden, die im vorliegenden Beispiel mit Nuten 5
und 5' versehen sind. Die Stirnflächen 3 und 3' der verstärkten Endabschnitte 2
und 2' sind mit einer Metallschicht d. und 4' festhaftend überzogen, die sich erfindungsgemäß
auch über die Nuten 5 und 5' erstreckt. In diese, Nuten 5 sind die Stromzuführungsdrähte6
und 6' eingelegt und durch Verdrillen, Verschweißen od. dgl. in beliebiger Weise
befestigt. Die Abb. 4. zeigt die Halterung derartiger Stäbe, die in die ringförmigen
Metallbügel ? und 7' eingehängt sind. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen ,den
in Abb. 3 gewählten.
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Die erfindungsgemäßen Heizelemente haben sich sowohl als selektive
Ultrarotquelle für die- Ultrarotspektroskopie, für medizinische Zwecke und für Trocknungsverfahren
aller Art wie auch als Heizkörper in Hochtemperaturöfen hervorragend bewährt. Sie
zeigen insbesondere eine ausgezeichnete Lebensdauer und hohe Sicherheit und Gleichmäßigkeit
im Betrieb.