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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement für hohe Temperaturen, mindestens aufweisend einen Molybdän- oder Wolfram-Heizleiter.
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In widerstandsbeheizten elektrischen Öfen fließt der elektrische Strom durch einen Heizleiter, wo er in Abhängigkeit von Stromstärke und ohmschem Widerstand Wärme freisetzt. Die gebräuchlichsten Heizleiter sind:
- • Metallische Heizleiterlegierungen mit den Komponenten Ni, Cr, Fe und/oder Al
- • Hochschmelzende Metalle wie Mo, W und ihre Legierungen
- • Platinmetalle wie Pt, Rh und ihre Legierungen
- • Kohlenstoff/Graphit
- • Keramische Elektronenleiter wie SiC, MoSi2, LaCrO3
- • Ionenleitende Keramiken wie stabilisiertes ZrO2.
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Jeder Heizleiter hat einen bestimmten Temperaturbereich, in dem er ohne Schaden zu nehmen eingesetzt werden kann. Dieser Temperaturbereich wird durch die Umgebung des Heizleiters, insbesondere die umgebende Gasatmosphäre in beträchtlichem Maße beeinflußt. Eine Klassifizierung der Gasatmosphären könnte unter chemischen Gesichtspunkten grob unterscheiden in oxidierende, reduzierende, carborierende, inerte Atmosphäre und Vakuum. Es gibt keinen Heizleiter, der bei Temperaturen oberhalb 1400°C sowohl in oxidierender wie reduzierender Gasatmosphäre funktioniert.
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Die Refraktärmetalle vor allem Molybdän und Wolfram werden vielfältig als Hochtemperaturheizleiter bis zu Temperaturen von 1900°C und darüber eingesetzt. Ihrem Einsatz sind jedoch Grenzen gesetzt, weil sie in oxidierender Atmosphäre, bei hohen Wasserdampfpartialdrücken, in Gegenwart von Kohlenoxiden und Kohlenwasserstoffen chemisch angegriffen werden. Die Oxide sind zudem leicht flüchtig.
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Es hat vielerlei Vorschläge gegeben, das Einsatzgebiet von Molybdän und Wolfram auf oxidierende Atmosphären auszudehnen. So wurde vorgeschlagen, Mo und W und andere oxidationsempfindliche Heizleiter mit einem hochhitzebeständigen Überzug zu versehen. Als Material eines solchen Überzuges wurde Aluminium in Kombination mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes wie In, Sn oder Ga in Betracht gezogen (Offenlegung
DE 2014460 vom 17.12.1970 oder
GB 130 1265 A vom 29.12.1970). In einer anderen Veröffentlichung (
GB 7098 06 A vom 2.6.1954) wird Si als Schichtmaterial bis zu Einsatztemperaturen bis 1500°C in oxidierender Atmosphäre empfohlen. Bei Rissbildung soll diese Schicht zudem selbstheilend sein.
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In (
GB 490 116 A vom 9.8.1938) werden oxidische Schutzschichten aus SiO
2, Cr
2O
3 und Al
2O
3 bevorzugt.
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Frühzeitig wurde auch in Betracht gezogen, den metallischen Heizleiter in einem Keramikrohr dicht einzukapseln (
GB 5060 98A vom 3.3.1939 oder
GB 499 447A vom 24.1.1939). In einer Verbesserung dieser Anordnung wurde vorgeschlagen, in dem Keramikrohr gleichzeitig mit dem Heizleiterdraht Gettermetalle wie Zr, Th, Ba oder Na mit einzuschließen (
GB 595060 A vom 26.11.1947).
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Alle diese Vorschläge haben nicht zu einem durchgreifenden Erfolg geführt. Nur aus der Kombination mit Si hat sich ein leistungsfähiger Heizleiter herausgebildet, der aber nicht mehr in reduzierender Atmosphäre und in Vakuum bei Temperaturen über 1400°C zu verwenden ist. Das Versagen der vielfältigen Vorschläge zur Stabilisierung von Mo und W bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre ist wahrscheinlich auf drei Effekte zurückzuführen:
- • Bei hohen Temperaturen werden alle oxidischen Materialien sauerstoffdurchlässig. Die Sauerstoffpermeabilität ist eine Eigenschaft der dichten, porenfreien Materialien. So beginnt auch bei gut gesintertem Sinterkorund ab 1400°C eine signifikante Sauerstoffdurchlässigkeit.
- • Bei Schichten sind meist die Differenzen im thermischen Ausdehnungsverhalten Ursache der Ausbildung von Rissen und anderen Defekten, die den Sauerstoffangriff ermöglichen.
- • Beim Aufheizen eingekapselter Heizleiter treten deutliche Druckänderungen auf. Beim Aufheizen auf 1700°C beispielsweise steigt der Druck auf etwa das Siebenfache. Diese Druckschwankungen wirken sich ungünstig auf die Rohrverschlüsse und elektrischen Kontaktdurchführungen aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Heizelement mit Molybdän- oder Wolframheizleiter anzugeben, das die genannten Nachteile der bekannten Lösungen überwindet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist das elektrische Heizelement in einem ventilierten Aluminiumoxidrohr angeordnet, welches zusätzlich gefüllt ist mit einem elektrisch isolierenden Material, das bei hohen Temperaturen sowohl in inerte als auch in sauerstoffbindende gasförmige Bestandteile zerfällt.
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Ein ventiliertes Aluminiumoxidrohr ist ein einseitig oder beidseitig offenes Rohr, welches mit einem Schutzgasreservoir verbunden ist, wodurch die Druckänderung bei Temperaturwechsel egalisiert wird. Das Gas an den Rohrenden kann sowohl ruhend als auch strömend sein. Das Füllen des Keramikrohres mit Schutzgas führt aber bei hohen Temperaturen nicht zu einem dauerhaften Schutz des Heizleiters vor Oxidation. Erst das zusätzliche Einbringen thermisch nicht stabiler Verbindungen, die in vorwiegend gasförmige, auf der einen Seite in inerte und andererseits in sauerstoffbindende Bestandteile zerfallen, führt überraschenderweise zu einer langdauernden Stabilität des metallischen Heizleiters bei hohen Temperaturen. Je höher die Temperatur, umso besser scheint sich der Schutz auszubilden. Die obere Temperaturgrenze bei Mo und W ist nur durch die oberste Einsatztemperatur des Rohrmaterials (1900°C bei Aluminiumoxidkeramik) begrenzt.
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Materialien, die in dieser Weise zerfallen, sind die elektrisch isolierenden oder halbleitenden Nitride einiger Hauptgruppenelemente II; III oder IV wie Mg, B, Al, Ga, In, Si. Diese Nitride zerfallen bei hohen Temperaturen in Stickstoff und das jeweilige Metall. Die Metalle haben durchweg eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Mo und W. Die Zerfallstemperaturen sind dabei unterschiedlich. Mg-, Ga- und In- Nitrid zersetzen sich schon bei Temperaturen um 1200°C, BN dagegen erst merklich oberhalb 2000°C. In dem für die Heizelemente vorgesehenen Temperaturbereich von 1500 bis 1800°C sind die Nitride von Aluminium und Silizium zu bevorzugen. Aluminiumnitrid hat bei einer Temperatur von 1700°C einen Zersetzungsdruck von ca. 10–4 bar. Der Zersetzungsdruck von Siliziumnitrid liegt etwas darüber. Bei diesen Temperaturen liegen die Metalle in diesen geringen Mengen als Gase vor. Möglicherweise sind es gerade die Dämpfe dieser Metalle, die zu einem wirksamen Schutz des Heizleiters führen. Sowohl Al als auch Si reagieren mit Sauerstoff, der durch die Wand des Keramikrohres permeabiliert. Al bildet bei der Reaktion Al2O3, welches chemisch identisch mit der Rohrwand ist. Si reagiert ebenfalls mit Sauerstoff. Von Sauerstoff nicht abgebundenes Si verbindet sich jedoch mit Mo und W zu Siliziden. Diese Silizide schützen ihrerseits ebenfalls das Heizleitermetall vor Oxidation, da sie auf der Oberfläche von Mo und W bekanntermaßen eine dichte SiO2-Schicht ausbilden.
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Das bei der Zersetzung der Nitride noch entstehende Stickstoffgas ist bei hohen Temperaturen inert gegen alle Bestandteile eines Heizstabes. Sein Effekt könnte in der Volumenverdrängung sauerstoffhaltiger Gase liegen.
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Die Konfektionierung der Nitride kann sehr unterschiedlich sein. Sie können als Pulver, Granulate oder Keramikteile und auch mit funktionellen Aufgaben wie Heizleiterträger eingesetzt werden.
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Die Zersetzung der Nitride führt nicht zu leeren Volumina im Heizstab, da der überwiegende Teil der Metallkomponente des Nitrids als Oxid gebunden wird. Allerdings ändert sich die Form und Verteilung der festen Phase im Heizstab.
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An einer Skizze sei der erfindungsgemäße Aufbau eines Heizelementes erläutert. Ein einseitig geschlossenes Keramikrohr 1 aus 99,7% Al2O3 ist am offenen Ende mit einer Kupferkappe 2 verschlossen. Die Kappe ist gegen das Keramikrohr 1 mit einer Pressdichtung 3 abgedichtet. Die Kappe 2 ist mit einem Anschluss 4 zu einem Gasreservoir und elektrisch isolierten Durchführungen 5 für den Anschluss an den Heizleiterdraht 6 versehen. Im Inneren des Keramikrohres 1 befindet sich ein keramischer Hohlzylinder 7 aus AlN mit eingeschliffenem Spiralgang. In diesen Spiralgang ist der Heizleiterdraht 8 aus Molybdän eingelegt. Die Rückführung des Heizleiterdrahtes 8 erfolgt im Inneren des keramischen Hohlzylinders 7. Um die Dichtung an der Kappe 2 thermisch nicht zu hoch zu belasten, ist der AlN-Hohlzylinder 7 kürzer als das Aluminiumoxidrohr 1. Das vom AlN-Zylinder 7 nicht ausgefüllte Ende des Rohres 1 ist mit Aluminiumoxidwolle 9 zur Wärmeisolation gefüllt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2014460 A [0005]
- GB 1301265 A [0005]
- GB 709806 A [0005]
- GB 490116 A [0006]
- GB 506098 A [0007]
- GB 499447 A [0007]
- GB 595060 A [0007]