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Stromzuführung zu den Heizwiderständen elektrischer Widerstandsöfen
über eine leitende Flüssigkeit Die Erfindung betrifft elektrische Widerstandsöfen
für hohe Temperaturen.
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Das einwandfreie Arbeiten und die Lebensdauer der in solchen Öfen
verwendeten Heizwiäenstände, z. B. Stäbe aus Graphit oder amorpher Kohle, hängt
in hohem Maße von der Zusammensetzung der Atmosphäre, in der die Widerstände arbeiten,
ab.
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Wenn solche Widerstände bei Temperaturen in der Größenordnung von
i6oo° C arbeiten, so werden sie durch die oxydierende Einwirkung der Atmosphäre
sehr schnell und intensiv angegriffen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die! Lebensdauer der Heizwiderstände
aus oxydierenden Stoffen, wie Graphit oder Kohle, dadurch zu erhöhen, daß man die
Ofen möglichst luftdicht abschloß oder die Heizwidersitände selbst in eine hoch
feuerfeste, bei den in Frage kommenden Arbeitstemperaturen gasundurchlässige Hülse
einschloß. Diie verwendeten Hülsen standen hierbei jede in unmittelbarer Berührung
mit dem Heizwiderstand, oder sie beließen um diesen einen mit inerten Gasen gefüllten
Ringraum.
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Weiter ist mit dem gleichen Ziele vorgeschlagen worden, die Heizwiderstände
mit einer Glasur zu überziehen, die ihre Schutzwirkung aber nur oberhalb ihrer Erweichungstemperatur
.erfüllt und die daher an den kalten Enden der Heizwiderstände wirkungslos ist.
Die
Verwendung solcher Schutzhülsen bzw., allgemein gesagt, die Anordnung der Widerstandsstäbe:
im Innern von gasdichten Hülsen ergibt erhebliche Schwierigkeiten für ihren Einbau.
Diese Schwierigkeiten ergeben sich aus der Aufgabe, Hülse, Heizstäbe und Stromzuführung
so zusammenzubauen, daß gleichzeitig eine möglichst gut leitende Verbindung zwischen
Heizstab und Stromzuführungsstücken; eine freie Ausdehnungsmöglichkeit für den Heizsitab
in der Quer- und Längsrichtung, einte dauernde Gasdichtheit der den Heizstrom umgebenden
Hülse und schließlich möglichst geringe Energieverluste durch Warmleitung und Widerstandserhitzung
der Stromzuführungen gewährleistet. sind.
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Keine der bisher bekannten Konstruktionen löst die Aufgabe, diese
Schwierigkeiten zu überwinden, in zufriedenstellender Weise.
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Der Versuch, bei nicht unmittelbarer Berührung der Hülse mit dem Heizstab,
die Stromzuführung auf der Hülse zu befestigen und. zwischen Stab und Hülse einen
festen gasdichten Dichtungsring vorzusehen, scheiterte an der in diesem Fall gegebenen
Notwendigkeit, daß der eRing die freie axiale Ausdehnung des !Stabes gestatten müßte,
da es keinen gasundurchlässigen, feuerfesten Werkstoff von gleicher Wärmeausdehnung,
wie der des Werkstoffes, aus dem der leitende Heizstab besteht, gibt.
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Die Anwendung gleitender Kontaktstücke zur Ermöglichung der Wärmeausdehnung
ergibt den Nachteil eines verhältnismäßig hohen übergangswiderstandess leer Kontakte,
der sich zusätzlich änfolge ihrer Erwärmung und ihres Gleiteis in unvorhersehbarer
Weise erhöht.
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Auch ein weiterer Vorschlag, gemäß dem der durch eine Hülse beheizte
Wiederstand schraubenförmig eingeschnitten werden sollte, um ihn in sich nachgiebig
zu machen, hat sich nicht als praktisch brauchbar erwiesen.
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Die Erfindung löst die oben gekennzeichnete Aufgabe sowohl bei Heizstäben,
die von einer Hülse, z. B. einem dichten Sillimanitrohr, umgeben sind, wie auch
bei Heizstäben., die keine Hülse erhalten, wobei die Ofenwand selbst die Aufgable
des gasdichten Abschlussees übernimmt.
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Sie macht dabei von einer Maßnahme Gebrauch, die zum elektrischen
Anschluß von Heizwiderständen ohne Schutzhülse und damit ohne jeden Zusammenhang
mit dem der Erfindung zugrunde liegenden und oben aufgezeigten Problem bereits vorgeschlagen
worden ist, nämlich der Stromzuleitung über eine leitende Flüssigkeit, die eine
ungehinderte Längenausdehnung des Heizwiderstandes ermöglicht.
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Die Anordnung gemäß leer Erfindung ist demgemäß durch eine den Heizwiderstand
umgebende und diesen von leer Außenatmosphäre trennende Umhüllung und einen im allgemeinen
aus Metall bestehenden Stromzuführungskopf gekennzeichnet, der mit der Hülste gasdicht
verbunden ist und eine leitende Flüssigkeit, z. B: ein geschmolzenes Metall, enthält.,
die gleichzeitig mit dem Ende des Heizstabes und mit der Höhlung des Kontaktstückes
in Berührung steht. Hierdurch isst die freie Ausdehnung,des Heizstabes und der angrenzenden
Organe und eine gut leitende, Stromzuführung zu dem Heizstab, unter Arbeitsbedingungen
gesichert, die: den sich bei festen Kontaktflächen erg ebenden Verhältnissen weit
überlegen sind.
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Die leitende Flüssigkeit kann unter gewissen Bedingungen, insbesondere
im Fall der Verwendung von-Hülsen aus feuerfestem Stoff, noch die zusätzliche Aufgabe
übernehmen, den gasdichten Abschluß zwischen Hülse und Stromzuführung zu sichern.
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Um den Übergangswiderstand zum Heizstab und damit die Erwärmung der
Kontaktstücke zu verringern, können die Enden des Heizstabes hohl ausgebildet sein.
Diese Höhlung füllt sich mit der leitenden Plüssiglaeit, die leitfähiger ist als
der Heizstab: Ein ähnlicher Erfolg ergibt sich bei Ausführung der Heizsstabenden
aus Graphit, wobei der Graphit auch teilweise durch die leitende Flüssigkeit ersetzt
werden kann.
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Die leitende Filüssigkei.t muß bei niedriger Temperatur schmelzen,
aber bei der Arbeitistemperatur des Anschlußkopfes eine geringe Dampfspannung besitzen,
ferner soll säe einen geringen Übergangswiderstand sowohl zum Material des, Heizstabes
wie zum Metall des Kontaktkopfes besitzen und schließlich wedeer in flüssigem noch
in gasförmigem Zustand diese Stoffe fühlbar angreifen.
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Bei einer Ausdührungsform der Erfindung wird als Leitflüssigkeit geschmolzenes
Zinn verwendet. Dieses erfüllt in besonders vorteilhafter Weise die gestellten Bedingungen
und ist auch in wirtschaftlicher Hinsicht besonders günstig. Es besitzt darüber
hinaus .den besonderen Vorteil, daß es bei Berührung mit oxydierenden Gasen ein
Oxyd bildet, das vorhandene Spalten abdichtet.
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In den Abbildungen sind. verschiedene Anwendungen von Stromzuführungen
nach der Erfindung beispielsweise dargestellt.
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Abb. i bis 3 veranschaulichen im Längsschnitt schematisch verschiedene
charakteristische Ausführungsformen; Abb. 4 bis 8 sind Längsschnitte, durch verschiedene
abgeänderte Ausführungsformen; Abb. g stellt die Anwendung der Erfindung auf einen
eFall dar, in weichem die dichte Umhüllung durch den Ofen selbst gebildet werden
muß; Abb. ieo ist ein Längsschnitt durch eine Stromzuführung nach der Erfindung,
bei welcher der Widerstand an jedem seiner Enden durch ein stromleitendes Zwischeensitück
verlängert ist; Abb. i i stellt eine Form der Erfindung dar, bei welcher der Widersitand
in vertikaler Lage angeordnet ist; Abb. i2 und 13 veranschaulichen Einzelheiten,
welche für sich Merkmale der Erfindung bilden. Die Abb. i bis 3 veranschaulichen
den Grundgedanken der Erfindung für den Fall, daß der Widerstand i im Innern einer
Hülse z angeordnet ist. Gemäß Abb. i iait jeder Stromzuführungskopf 3 durch die
Dichtung 4 dicht mit der Hülse 2 verbunden
und enthält eine gewisse
Menge an leitender Flüssigkeit 5, beispielsweise geschmolzenes Zinn.
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'Der in der Hülse durch eine: Einschnürung 6 des Stnomzuführungskopfes
zentrierte Heizwiderstand taucht mit seinen Enden in die leitende Flüssigkeit ein,
über welche ihm der in den metallischen Kopf durch eine Klemme 7 eingeführte Strom
zugeführt wird: Aus der Abbildung ist ohne weiteres erkennbar, daß dank der Zwischenschaltung
des flüssigen Metalls 5 zwischen den Widerstand und den Stromzuführungskopf die
Wärmeausdehnung des Widerstandes unbehindert ist.
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Die in Abb. z dargestellte von der vorstehend beschriebenen abgeleiteten
verwirklicht den Erfindungsgedanken in besonders, vorteilhafter Weise. Bei dieser
füllt die Flüssigkeit 5 dien Hohlraum 3 derart aus" daß das Ende des Widerstandes
in sie eintaucht, und derart die Stromzuführung zu dem Widerstand unter den bestmöglichen
Vorbedingungen erfolgt. Ferner trägt die F'lüss'igkeit, da sie bis an den die Abdichtung
bewirkenden Zement 4 heranreicht, zur Sicherung der Abdichtung unter den obenerwähnte@n
Vorbedingungen bei.
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Bei dieser Ausführungsform bildet die der Zentrierung des Widerstandes
dienende Einschnürung 6 einen Teil eines besonderen an der Hülse :2 befestigten
Elements und ist mit einer Dichtung 8 versehen, die dien Dürchtritt der Flüssigkeit
in den Ringraum zwischen Hülse und Widerstand verhindert.
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Es: isst nicht notwendig, daß diese Abdichtung vollkommen ist, denn
die geringe ,Menge an Flüssigkeit, welche vielleicht in den genannten Ringraum eindringen
und hier verdampfen könnte, würde in den kälteren Zonen, die durch die Kammern 3
gebildet werden, wieder kondensieren.
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Bei der Ausführungsform nach Abb.3 ist der Heizwiderstand auf eine
gewisse Länge a-b ausgehöhlt, um die Widerstandserwärmung der Stromzuführungen zu
verringern, so daß die verwendete Flüssigkeit, die in diesem Fall eine höhere Leitfähigkeit
besitzt als das Material des, Widerstandes, in dem so ausgesparten Hohlraum an die
Stelle des letzteren tritt. Ferner ermöglicht es dieser Ersatz des Widerstandsmaterials
durch die leitende Flüssigkeit, bei gleichbleibender elektrischer Leitfähigkeit
der, Enden des Heizwiderstandes seinen Querschnitt an den Enden zu verringern.
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Bei der in Abb. 4 dargestellten Ausführung wird der Stromzuführungakopf
aus zwei miteinander durch Verschrauben verbundenen Teilen 3a, 3b ge-
bildet,
um die, Demontage, und das Herausziehen des Wiederstandes zu ermöglichen. Zwischen
das das linke Ende des Teils 3b bildende Rohr und die Hülse z wird die Dichtung
4 geschaltet. Ein Graphitring 8, der durch das Ende g des Teils 3a gegen eine Schulter
6 des Teils, 3b angedrückt wird, zentriert den Heizwiderstand, der beispielsweise
aus amorphem Kohlenstoff besteht.
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Durch die Rippen io wird eine genügende Abkühlung des Stromzuführungskopfes
bewirkt.
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Abb. 5 stellt eine Ausführung dar, bei welcher die Nachteile beseitigt
sind, welche eine unzeitige Verfestigung der Flüssigkeit vor den Enden des Heizwiderstandes
zur Folge haben kann, die infolge einer unvorhergesehenen Ausschaltung oder bei
zu schroffer Abkühlung des Stromzuführungskopfes eintreten könnte.
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Zu diesem Zweck wird die für die Aufnahme der Flüssigkeit bestimmte
Kammer in dem Kontaktkopf durch den Ring 8 und durch einen zweiten Ring ri begrenzt,
durch welche der Heizwiderstand hindurchgeht. Vor dem Ring i i befindet sich ein
Raum 12, welcher eine freie Längsdehnung des Widerstandsstabes ermöglicht.
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Die Abkühlung des Stromzuführungskopfes erfolgt bei dieser Ausführungsform
durch einen Wassermantel 13: Abb. 6 stellt eine Ausführung der vorstehend beschriebenen
Vorrichtung dar, bei weelcher die Flüssigkeit in einer Hülse 14 enthalten ist, welche
in den ;Körper 3b des Stromzuführungskopfees eingelassen und durch einen
Ring i i geschlossen ist.
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Bei dem Beispiel nach Abb.7 wird vermieden, daß, wie in dem vorhergehenden
Fall, der Stromübergang durch die Berührung zwischen den festen Elementen 3b und
i i :erfolgen muß, indem der Abstand zwischen den Ringen 8 und i i mit Hilfe eines
Zylinders 15 aufrechterhalten wird, der Öffnungen 16 aufweist, durch welche die
leibende Flüssigkeit 5 in unmittelbarem Kontakt mit dem Stromzuführungskopf steht.
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Abb. 8 stellt eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung dar,
bei welcher der Stromzuführungskopf durch die .Kombination einer Röhre 3b, eines
mittleren ,Körpers 3c und eines rückwärtigen Elements 3a, das einen Stopfen darstellt,
gebildet ist.
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Die Dichtung, welche das Durchtreten der leitenden Flüssigkeit in
das Innere der Hülse z verhindern soll, besteht aus zwei Ringen 8a, 86, welche durch
eine Hülse 17 voneinander getrennt sind, wobei das Ganze durch den durchbrochenen
Zylinder 15 gehalten und ,gegen die Röhre 2 aus feuerfestem Werkstoff gedrückt wird.
Das Zusammenschrauben des Ganzen erfolgt durch den Stopfen 3a.
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Ein .Kanal i8a ermöglicht den Zutritt der Flüssigkeit in die ringförmige
Kammer 18b: Durch diese Flüssigkeit wird die Wirkung der vorderen Abdichtung 4 noch
verbessert.
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Abb. 9 bezieht sich auf den Fall, bei welchem der Widerstand ohne
eine ihn umgerbende Hülse im Innern eines Ofens i9 montiert ist, welcher infolge
Zwischenschaltung einer Dichtung 2o zwischen den Stromzuführungakopf 3 und die seitliche
Wandung des Ofens einen dichten Raum darstellt. Der Widerstand wird durch eine mit
einer Dichtung 8 versehene Einschnürung 6 in einer ähnlichen Anordnung wie gemäß
Abb. 2 zentriert.
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Wie im Fall der Abb. 3 ist am Ende des Widerstandes eine Bohrung a-b
vorgesehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. io, welches eine Form des Zusammenbaues
gemäß Abb. g darstellt, ist jedes Ende ia des Heizwiderstandes durch Zwischenschaltung
von Graphitkörpern ib elektrisch mit der Flüssigkeit 5 verbunden.
Die
Graphikkörper sind bei dem dargestellten Beispiel durch einen Kanal a-b durchbohrt.
Zwischen dem Stopfen 3a und dem Körper 3d ist ein Wassermantel 2i ausgespart, der
der Kühlung des Endes des Stromzuführungskopfes dient. Die Konvektions:ströme, welche
in der Flüssigkeit entstehen, weil diese in der Zone a-b wärmer ist als in der Zone
5, tragen zur Kühlung des sich in Berührung mit dem beheizten Element ra befindenden
Teils ib bei.
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.Selbstverständlich läßt sich die für die Erfindung kennzeichnende
Ausbildung der Stromzuführung auch auf vertikal angeordnete Widerstände! anwenden.
Abb. i i stellt eine Anordnung dieser Art mit einem in einer Hülse befindlichen
Widerstand dar.
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Diese Hülse 2, beispielsweise ein Rohr aus keramischem Werkstoff,
ist in ihrem oberen Teil in einen Napf 3e eingeführt und dicht gegen diesen abgeschlossen.
Der Napf 3e besteht aus, leitfähigem Werkstoff und enthält die leitende Flüssigkeit
§. Er isst in das Gewölbe des Ofens eingefügt.
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Am oberen Ende des Napfes 3e ist der Widerstand i -in eine Glocke
3f aus leitfähigem Werkstoff eingeschraubt, die auf Rippen 22 aufruht.
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Der Heizwiderstand i und die Röhre r2, werden derart lediglich in
ihrem oberen Teil gehalten und hängen frei @in die Flüssigkeit hinein, welche ein
aus feuerfestem Werkstoff bestehender Behälter 3g, der in die Ofensohle eingelassen
isst, enthält. Ein Diaphragma 2!3, beispielsweise aus leicht schmelzbarem Glas,,
schützt die Flüssigkeit gegen die Einwirkung der Ofenatmosphäre.
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Der Strom wird in den Napf 3e durch ein Kabel 24 eingeführt, läuft
durch die oben befindliche Flüssigkeit 5 zum Heizwiderstand, durch diesen in den
unteren Behälter und tritt durch den Tauchkörper 25 eines Kabels 26 aus.
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Da der untere Teil der Glocke 3f teilweise in die in dem Napf 3e enthaltene
Flüssigkeit eintaucht, kann die Außenluft nicht in den den Widerstand umschließenden
abgeschlossenen Raum eindringen.
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Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen für die Stromzuführung
ist das Auswechseln des Widerstandes sehr einfach vorzunehmen. Besonders schnell
und, leicht erfolgt es bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i i.
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Eis ist zu beachten, daß bei Abkühlen des Ofens in dem Raum zwischen
dem Widerstand und der Schutzhülse ein Unterdruck entsteht. Bei den Ausführungen
mit waagerechter Achse, bei denen die Dichtung 8 vorgesehen isst, könnte bei hohem
Unterdruck ein Einsaugen von leibender Flüssigkeit in diesen Raum erfolgen, da die
Dichtung 8 bei hohem Unterdruck keine genügende Sicherheit bietet.
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Abb. i2 veranschaulicht eine Möglichkeit, die Höhe dieses Unterdruckeis
in dem Raum 27 zwischen dem Heizwiderstand i und der Hülste 2 zu verringern. An
den Enden des Heizwiderstandes; welche kälter sind als der heizende Teil, ist eine
Kammer 28 ausgespart., die durch einen Kanal 29 mit dem Raum 27 in Verbindung steht.
Die Größe dieser Kammer 28 ist derart bemessen, daß beim Abkühlen des Ofens der
Druck, der in der Gesamtheit der Räume 27, 28 herrscht, hinreichend nahe an dem
atmosphärischen Druck liegt, unter welchem die leitende Flüssigkeit steht,.um
zu verhindern, daß ihr Eindringen in den Raum 27 durch die Dichtungen 8 erfolgen
könnte. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß die Verringerung des leitenden Querschnittes
des Heizwiderstandes; durch die Bildung der Kammer 28 die Gefahr einer zu starken
Erhitzung in dieser Zone hervorrufen könnte. Ein besonderes Merkmal der Erfindung
besteht daher darin, daß das Ende c-d des Heizstabes, der selbst aus amorphem
Kohlenstoff besteht, zur Ausnutzung der besseren Leitfähigkeit des Graphits in Graphit
umgewandelt wird.
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Die Graphitierung, welche die Leitfähigkeit verbessert und daher die
Erhitzung dieser Stellen verringert, erfolgt vorteilhafterwe@ise, wie in Abb.
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dargestellt, ein den Zonen 30-3o des Heizwiderstandes,, welche übler den
Trägern 31-31 liegen, auf welchen die Schutzhülse 2 bei manchen Ausführungsformen
stellenweise aufruht, ferner- an den Emden der Heizwiderstände. Sie kann unabhängig
von dem Typ der Heizwiderstände aus Kohlenstoff und der jeweiligen Ausbildungsform
der Stromzuführungen angewendet werden.