CH250201A - Vakuumhochtemperaturofen mit elektrischer Widerstandsheizung. - Google Patents

Description

      Vakuumhochtemperaturofen    mit elektrischer     Widerstandsheizung.       In     Üfen    mit     elektrischer    Widerstands  heizung, die im     allgemeinen    mit Wechselströ  men gespeist sind, treten nachteilige Wirbel  ströme durch Induktion in dem metallischen  Ofenmantel auf und erzeugen so eine     un-          erwünschte    Erwärmung sowie     einen    Energie  verlust.  



  Dieser Nachtexil     ist    besonders bei den       Vakuumhochtemperaturöfen    mit     elektrischer     Widerstandsheizung vorhanden, denn in die  sem Fall weist der Ofen notwendigerweise  einen geschlossenen     Metallmantel    auf.  



  Vorliegende Erfindung bezweckt die Wir  belstrombildung in dem     Ofenmantel    von sol  chen Ofen zu erschweren     und    hat einen       Vakuumhochtemperaturofen        mit        elektrischer     Widerstandsheizung zum     Gegenstand,    wel  cher dadurch     gekennzeichnet    ist, dass die     Heiz-          leiter        derart    angeordnet sind,     da.ss    in Ebe  nen, welche aus dem     Vakuummantel    einen  einen elektrischen Stromkreis bildenden, ge  schlossenen,

   metallischen     Querschnitt    heraus  schneiden und     Heizleiter        treffen,        die    Summe  der Ströme, welche innerhalb solcher Mantel  querschnitte durch die     Heizleiterquerschnitte     in diesen Ebenen     hindurchtreten,    in jedem  Augenblick gleich Null ist.  



  Die Ausführung kann beispielsweise so  getroffen werden, dass in dem     Hochtempe-          raturvakuumofen    ein eine Schleife     bildendes     Heizelement eingesetzt ist, dessen Anschlüsse  auf ein und derselben Seite des Ofens an  gebracht sind. Dieses Heizelement kann in  den Ofen von unten oder von oben, aber       aneh    von seitwärts eingeführt sein. Das Heiz-         element    kann parallel nebeneinander ver  laufende isolierte Stäbe besitzen; es kann aber  auch derart ausgeführt sein, dass beispiels  weise ein     Graphitrohr    einen Stab aus glei  chem. Material umschliesst, wobei das Rohr  und der Stab unten oder oben miteinander  verbunden sind.

   Eine weitere Ausführungs  form ist dadurch gegeben, dass das äussere  Rohr in Form einer Schraubenlinie aufge  schnitten ist.  



  In der beiliegenden Zeichnung ist ein       Ausführungsbeispiel    des     Erfindungsgegen-          sa-andes    dargestellt.  



  Die     Fig.    1 zeigt im     Vertikalschnitt    einen       Vakuumhochtemperaturofen,    welcher ein ein  ziges Heizelement     mit        einem    zweiteiligen       Heizleiter        aufweist    und die     Fig.    2 im     Schnitt     eine weitere Ausführungsform eines     Heiz-          elementes.     



  Der     dargestellte    Vakuumhochtemperatur  ofen mit elektrischer Widerstandsheizung       weist    einen Glühraum 11 auf, welcher von  einem     einenzylindrischen    Mantel 13a besitzen  den Ofenfutter 13, zweckmässig aus Graphit,       umgeben    ist. 14a bezeichnet den Ofenvakuum  mantel, der durch zwischen ihm und einem  Wassermantel 39 zirkulierendes Wasser 38  gekühlt wird. Zwischen dem Ofenfutter 13  und dem     Ofenvakuumgehäuse    14 (14a, 19,  50) ist ein mit     Graphitgriess    oder Graphit  pulver 13     gefüllter    Korb 15 aus     perforiertem     Eisenblech vorhanden.  



  Der Unterteil 19 des Ofengehäuses 14  weist einen Untersatz 19a auf, der durch zwi  schen     dessen    Innenwand und einem Wasser-           mantel    40     zirkulierendes    Wasser 41     ge-          kühlt    wird. Ein weiterer zum Unterteil 19  gehörender Untersatz 19b umgibt den Unter  satz 19a und wird durch das     zwischen    die  sem und .einem     Wassermantel    46     zirkulierende     Wasser 42 gekühlt.  



  Der Übergang der hohen     Betriebstempe-          ratur    des     Glühraumes    11 von     etwa    800  bis  3000" C auf diesen Untersatz 19 muss mög  lichst     erschwert    werden.

   Zu     diesem    Zweck  wird der dem Glühraum zunächst liegende  Rohrteil 21 eines einen Teil des Ofenfutters  13 bildenden     zentralen    Teils 18a des     Glüh-          raumbodenss    18     aus:    Graphit hergestellt und  auch der von ihm     umfasste    Raum mit     Gra-          phitgriess        ausgefüllt.    Der zentrale Teil 18a       des        Glühraumbodens    18 ist unter Zwischen  schaltung     eines    Rohres 20     demontierbar    auf  den Untersatz 19a aufgebaut.

   Graphit ver  mag der     hohen-Temperatur    zu     widerstehen,     ist aber selbst ein sehr guter Wärmeleiter.  Infolgedessen     wird    der     Rohrteil    21 aus Gra  phit zur     Vermeidung    zu starken Wärme  übergangs verhältnismässig     dünnwandig    ge  halten. Trotzdem würde ohne     weitere        Vor-          kehrung        eine    zu grosse Wärmemenge auf den  Untersatz 19     übergehen,    da der Teil 18a       eine    gewisse Standfestigkeit     und    damit eine  gewisse Wandstärke haben muss.

   Diese  Schwierigkeit wird - im     dargestellten    Aus  führungsbeispiel dadurch umgangen, dass       zwischen    dem Rohrteil 21 und dem Unter  satz 19a das Element 20 angeordnet ist,  welches der     Wärmeübertragung    einen hohen  Widerstand entgegensetzt. Dieses Element  ist als ein Rohr     ausgebildet,    das entweder  aus einem die Wärme schlecht leitenden Ma  terial (z. B.     Sinterkorund)    oder     aus    Metall,  wie z. B.

   Eisen,     besteht.    Im letzteren Fall       wird    der     Rohrquerschnitt    klein genug vor  gesehen, damit dieses Element der Wärme  übertragung vom Ofeninnern zum Ofen  mantel einen hohen Widerstand entgegen  setzt. Auch     dieses    Element 20 muss eine  genügende     Dauerstandfestigkeit    aufweisen.  Die     Berührungsfläche    zwischen dem Graphit  teil 21 und dem Element 20 darf z.     B..     die     Erweichungstemperatur        nicht    erreichen.

           Verwendet    man     beispielsweise        Sinterkorund     als Material für das Element 2,0, so kann man  dieses Element     verhältnismässig        niedrig     machen und ihm eine     verhältnismässig    grosse  Wandstärke geben. Eisen hat dagegen eine  hohe     Dauerstandfestigkeit,    und ein Element  20 aus diesem Werkstoff kann daher in  schwächerer Ausführung Anwendung finden.  



  In     ähnlicher    Weise     wird        die    Abstützung  des     Glühraummantels    13a auf dem Unterteil  19     ausgeführt.    Das gesamte Gewicht der  Ofenfüllung     lastet    auf dem Element 29.  Auch an dieser Stelle findet ein lebhafter  Wärmeübergang     statt.    Sie wird daher gleich  falls unter Verwendung eines dem Wärme  übergang einen hohen Widerstand entgegen  setzenden Bauelementes, z. B; in     Sinterkorund     oder Eisen, ausgeführt.

   Das Element 29 hat       dien    Form eines mit dem Rohr 20 konzentri  schen Rohres.     Zwischen    20 und 29 ist ein  ringförmiger     Zwischenraum,    der die Fort  setzung des     ringförmigen    Raumes zwischen  21 und 21a bildet.  



  Der Korb 15     weist    zwei konzentrische       rohrförmige    Vorsprünge 49, 49' auf, welche  dessen Boden vom     Ofenunterteil    19 entfernt  halten. Die     Wärme    des     Korbes    15 und des       Korbinhaltes        wird    durch     die    Strahlung an  das Gehäuse 14 abgegeben.  



  Der Gesamtaufbau des Ofens muss so sein,  dass ein hinreichend hohes Vakuum im Ofen  erzeugt werden kann. Zu     diesem    Zweck ist  zwischen den     Teilen    19a, 19b des Ofens eine  Dichtung 31, z. -B. aus Gummi, die     aus    dem       Bereich    höherer Temperatur gerückt ist, an  geordnet. Eine weitere Dichtung 32 befindet  sich     zwischen    den gekühlten Teilen 19b und  14a, also gleichfalls an einer aus dem Bereich  höherer Temperatur     herausgerückten    Stelle.  Der Deckel 50 des Ofens wird von Wasser  43     zwischen    ihm und dem Wassermantel 44  gekühlt und ist bei 33 luftdicht mit dem  Mantel verschweisst.  



  Schliesslich besteht noch ein Dichtungs  ring 47 zwischen dem Wassermantel 44 des  Deckels und dem     untern    aufgeschrumpften       Stromzuführungsring    28 des,      Widerstands-          heizelemensowie    ein weiterer Dichtungs-      ring 48 zwischen     letzterem        Stromzuführungs-          ring    und dem     untern    Flansch der Membrane  45, von welcher in der Folge die Rede sein  wird.  



  Der Ofen könnte auch schwenkbar aus  gestaltet werden, indem er beiderseits mit  Zapfen versehen sein könnte.  



  Der perforierte Korb 15 gestattet das  Evakuieren des     Kohlegriesses;    die dazu  nötige Pumpe 16 saugt die Gase in dem  Spalt zwischen dem Korb 15 und dem Ge  häuse 14 ab. Für das Ofeninnere wird eine  weitere Vakuumpumpe 17 verwendet, deren  Stutzen     30a    seitwärts am Glühraum 11 an  gebracht ist und durch das     Kohlegriess    12  führt. Die     gezeichnete    Anordnung hat den       Vorteil,    dass die Strahlung des Ofeninnern  sich nicht unmittelbar auf die ganze Pumpen  leitung     auswirkt.    Während die Pumpe 17  unentbehrlich ist, könnte in einer andern       Ausführungsform    auf die Pumpe 16 ver  zichtet werden.

   Die zwei Pumpen 16 und 17  sind an eine gemeinsame     Vorvakuumstufe     angeschlossen, damit bei einem Bruch in den  Leitungen in allen Ofenräumen das Vakuum  aufgehoben wird.  



  Dieselben Schwierigkeiten bezüglich  Wärmeisolation, welche beim     Glühraum-          boden    18 und beim Ofenuntersatz 19 auf  treten, :ergeben sich auch bei der Vakuum  pumpe 17, beziehungsweise bei ihrem An  schluss an den Glühraum 11. Infolgedessen  wird, wie durch den Teil 30 angedeutet, die  Verbindung in der gleichen Weise ausge  führt, wie dies bei dem     Glühraumboden    18  und bei dem     Ofenunterteil    19 für die Teile  29, 20 beschrieben wurde.  



  Der Glühraum 11 des dargestellten Ofens  wird durch ein an ihn     eingesenktes    Wider  standsheizelement 23 erhitzt, während das  der Erhitzung unterworfene Gut schematisch  bei 22, auf dem zentralen Teil 18a des     Glüh-          raumbodens    18 aufgebaut, dargestellt ist.  



  Das     Widerstandsheizelement    23 wird in  der     dargestellten    Ausführungsform von oben  in den Glühraum 11     eingeführt,    könnte aber  in einer andern Ausführungsform von     unte-_l     her eingebracht werden. Mit 24 ist. ein Gra-         phitstab    bezeichnet, welcher an seinem     untern     Ende mit einem Gewinde 34 versehen ist,       mittels    dessen er in eine     Graphithülse    25  eingreift. Zwischen dem     Graphitstab    24     und     der Hülse 25 ist auf deren restlicher Länge  ein elektrisch isolierender     Luftspalt    26 offen.  



  Wenn man die     bekannten        elektrischen          Verbindungen    auf Vakuum-     insbesondere          Hochvakuumöfen    und für hohe Temperatu  ren, z. B. 1500 . ..     ä000     C anwenden will,  so treten beträchtliche Schwierigkeiten auf.  Je grösser der Ofen ist, um so grösser sind die       benötigten    Wechselströme. Die Strom  abnahme an den Enden des     Graphitstabes     oder     Graphitrohres    macht enorme Schwierig  keiten.

   Die Erzeugung der nötigen     Press-          drücke    an den     Stromabnehme:rstellen    beim       Nernst-Tammann-Ofen    durch in einem Ring  angeordnete Kupferkeile oder vermittels       Kohlegriessfüllungen    muss so geschehen, dass  das     Graphitrohr    dabei nicht in Brüche geht.,  wodurch es infolgedessen stärker gewählt  werden muss, wodurch     anderseits    der     Stroin     wieder steigt.  



  Diesen Schwierigkeiten wird in der be  schriebenen Ausführungsform dadurch be  gegnet, dass die Stromzuführungen 27 und 28  am Graphitstab 24 und an der     Graphithülse     25 des Heizelementes durch     Anlegen    je eines  Eisenringes erfolgen. Dieser Eisenring 27       bezw.    28 wird .sowohl auf dem Graphitstab  24     bezw.    auf die     Graphithülse    25 durch  Schrumpfen oder Pressen aufgezogen. Die  Stromzuführungen 28     bezw.    27 sind mit  Wasserkühlung versehen, deren Mäntel bei  35     bezw.    36 zu sehen sind.  



  Manche     Graphitsorten    eignen sich nicht,  eiserne Ringe durch Schrumpfung mit dem  Graphit zu     verbinden.    In einer abgeänderten  Ausführungsform geht man dann so vor, dass  man die S     romabnahme    und die Stromfüh  rung mit Hilfe einer Quecksilberschicht vor  nimmt, deren Dicke etwa 0,5-2 mm beträgt.  Man könnte auch eine Schicht aus Gallium  verwenden. Der Stab und die Hülse sind dann  vollkommen mechanisch entlastet. Durch ge  eignete Anordnungen gelingt es, trotz der  hohen Temperatur des Stabes,     ein        Verduns'en         des     Quecksilbers    zu verhindern.

   Zu diesem  Zweck     wird    oberhalb der     dünnen    Quecksilber  schicht ein     .Spalt    angebracht, den man stark  kühlt. Das wenige aus der Quecksilberschicht  verdampfende     Metall    wird in diesem Spalt  kondensiert und fliesst wieder zurück.  



  Um der zeitlich verschiedenen Ausdeh  nung von Stab und Hülse     Rechnung    zu tra  gen, ist in der     dargestellten        Ausführungsform          zwischen    beiden eine federnde Verbindung  vorgesehen.     Letztere    weist eine Membrane 45       zwissehen        Hülse    und Stab auf; jedoch könnte  in einer abgeänderten Ausführungsform die  Hülse federnd ausgebildet sein.  



  Bei dem beschriebenen     Vakuumhochtem-          peraturofen    mit     elektrischer    Widerstands  heizung sind     die    Heizleiter 24, 2.5 derart im       Vakuummantel    14 angeordnet, dass in Ebe  nen, welche aus dem Vakuummantel einen  einen elektrischen     Stromkreis    bildenden,     ge-          sehlossenen,    metallischen     Querschnitt    heraus  schneiden und     Heizleiter    treffen, die Summe  der Ströme,

   welche innerhalb solcher     Mantel-          querschnitte    durch die     Heizleiterquerschnitte     in diesen Ebenen     hindurchtreten,    in jedem  Augenblick     gleich    Null ist. Diese     "bifilare"     Anordnung der Heizleiter bezweckt, die     Wir-          bels'rombildung    in den in der Nähe befind  lichen leitenden Körpern weitgehend zu unter  drücken.  



  Werden in einer andern Ausführungsform  im Glühraum 11 mehrere Heizelemente, z. B.  für Drehstrom, angeordnet, so kann man im  Glühraum die zueinander     parallelen        Phasen-          heizleiter    durch     einen    als Ring ausgebildeten       S\ernpunkt    verbinden. Wegen der gleichzei  tig angewendeten     gemeinsamen    Stromzufüh  rung wird dadurch die Hälfte der Einfüh  rungen erspart und die Ausbildung des Ofens  vereinfacht. Auch in diesem Falle genügt die  Anordnung der     Heizelemente    der obigen be  züglich der     Summe    der Ströme angegebenen       Bedingung.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Vakuumhochtemperaturofen mit elektri scher Widerstandsheizung und mit innerhalb des Vakuummantels angeordneten Heizlei- tern, dadurch gekennzeichnet, dass diese Heiz- Leiter derart angeordnet sind, dass in Ebenen, welche aus dem Vakuummantel einen einen elektrischen Stromkreis bildenden, geschlosse nen, metallischen Querschnitt herausschnei den und Heizleiter treffen, die -Summe der Ströme, welche innerhalb ,

   solcher Mantelquer- schnitte durch die Heizleiterquerschnitte in diesen Ebenen hindurchtreten, in jedem Augenblick gleich Null ist. UNTERANSPRüCHE 1. Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Beheizung des Glüh- raumes mehrere von ein und derselben Seite des Ofens her eingesetzte Heizelemente vor handen sind. 2.

   Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Heizelement als Heiz- leiter einen Graphitstab und eine Graphit hülse besitzt. 3. Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stromzufuhr zu den Heizleitern mit Hilfe von auf diese Leiter auf geschrumpften Metallringen erfolgt. 4. Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die .Stromzufuhr zu den Heizleitern mit Hilfe von auf diese Leiter aufgepressten Metallringen erfolgt. 5.

   Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stromzufuhr zum Heiz- leiter des Heizelementes mit Hilfe einer Quecksilberschicht erfolgt. 6. Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, da.ss das Heizelement drei Heiz- leiter besitzt, die mit ihrem von der Einfüh rung abliegenden Ende im Ofeninnern zu einem Sternpunkt verbunden sind. 7.

   Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zwischen dem Ofenglüh- raum und dem Ofenmantel eine Isolation aus Graphitgriess vorhanden ist. B. Ofen nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass sowohl für den Glühraum als auch. für den ihn umgebenden Wärmeisolier- raum je eine Vakuumpumpe vorhanden ist.