DE2542582A1 - Vorrichtung zum elektrischen verbinden eines behaelters mit einer stromquelle - Google Patents

Description

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Anmelder: JOHNSON, MATTHEY & CO., Limited

78, Hatton Garden, London, EC1P IAE

ENGLAND

Vorrichtung zum elektrischen Verbinden eines Behälters mit einer Stromquelle

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden eines insbesondere geschmolzenes Glas enthaltenden Behälters mit einer Stromquelle.

In der Glasindustrie werden die Behälter, in denen sich das weiterzuverarbeitende geschmolzene Glas befindet, oft dadurch beheizt, daß man einen elektrischen Strom unmittelbar durch die Metallwandung des Behälters schickt. Für diesen Anwendungsbereich sind starke Ströme in der Größenordnung von etwa 1000 A erforderlich, die von der Versorgungseinrichtung durch starke Kabel und Verteiler herangeführt werden müssen. Eine besondere Rolle spielt die direkte Beheizung bei der Glasfasererzeugung. Die Fasern treten aus einer Vielzahl von Düsen aus, die sich im allgemeinen am Boden einer rechteckförmigen Wanne befinden, die man als Rinne bezeichnet. Angesichts der hierbei auftretenden hohen Temperaturen und der großen Oxidationsgefahr eignet sich als Material für die Rinne lediglich

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Platin oder eine Platinlegierung. Der Heizstrom für eine solche Rinne wird im allgemeinen über im Querschnitt rechteckige Leiter oder Kontaktstücke, die ebenfalls aus Platin oder einer Platinlegierung bestehen und mit den Stirnseiten der Rinne verschweißt sind, herangeführt.

Die elektrische Verbindung zu diesen Leitern wird durch große, meist gekühlte Kupferklammern hergestellt, die ihrerseits mit den stromführenden Kabeln und Verteilerschienen elektrisch leitend verbunden sind. Die in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Temperatur auftretende Ausdehnung bezw. -Rückführung der Rinne wird durch die Klammern mechanisch stark eingeschränkt, so daß nicht selten im Bereich der Kontaktstücke das Platin vorzeitig beschädigt wird. Bei bis zu 50% aller unbrauchbar gewordenen Rinnen konnten als Ursache Brüche im Bereich der Kontaktstücke festgestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer elektrisch direkt beheizten Platinrinne oder einem ähnlichen, starken Wärmespannungen unterworfenen Behälter die auf die stromführenden Kontaktstücke wirkenden mechanischen Kräfte zwecks längerer Lebensdauer von Rinne und Kontaktstücken zu verringern und ein einfaches und sicheres Verfahren zu schaffen, mit Hilfe dessen sich das Temperaturgefälle in der Rinne und an deren Boden steuern läßt.

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Bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art ist diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die elektrische Verbindung aus einem ein im Betriebszustand flüssiges, elektrisch leitendes Material enthaltenden Behälter besteht und einem stromführenden Kontaktstück, das mit dem Gefäß für die Glasschmelze elektrisch verbunden und derart angeordnet ist, daß es während der Bewegung des Schmelzbehälters ständig elektrisch mit dem elektrisch leitenden, flüssigen Material verbunden ist.

Die elektrische Verbindung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für Hochleistungsaufgaben. Das elektrisch leitende, flüssige Material kann sich in einem kanalförmig ausgebildeten Behälter befinden, der beispielsweise im Weg des beweglichen Teiles angeordnet ist. Der-Bewegungsverlauf dieses Teiles kann geradlinig sein oder eine andere Form aufweisen, z.B. kreisförmig oder gebogen.

Die elektrische Verbindung nach der Erfindung kann überall dort verwendet werden, wo elektrischer Strom an verschiedenen Punkten eines langgestreckten Bauteiles erforderlich ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung taucht das Kontaktstück in das elektrisch leitende, flüssige Material ein, besteht der dieses Material enthaltende Behälter aus Metall und ist mechanisch starr mit einem stromzu-

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führenden Verteiler verbunden. Das stromführende Leiterstück ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als ein mit dem die Schmelze enthaltenden Gefäß verbundenes Winkelstück ausgebildet, das mit dem Gefäß vorzugsweise starr verbunden ist. Das Kontaktstück besteht nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung mit verhältnismäßig geringem elektrischen Widerstand. Das elektrisch leitende, flüssige Material ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ein Metall, wobei unter Metall auch metallische Legierungen in flüssiger oder fester Form zu verstehen sind.

Wird die elektrische Verbindung zu der Vorrichtung über ein flüssiges Metall hergestellt, kann diese sich relativ frei ausdehnen und zusammenziehen, wobei außerdem die Temperaturunterschiede durch Änderung des Flüssigkeitsspiegels leicht ausgeglichen werden können.

Das Kontaktstück besteht nach einem weiteren Merkmal der Erfindung aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Platin, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder Legierungen mit einem oder mehreren der vorgenannten Metalle, oder aus Legierungen mit einem oder mehreren der vorgenannten Metalle zusammen mit anderen Metallen. Der im Bereich des Übergangs zwischen Luft und flüssigem Metall befindliche Teil des Kontaktstückes weist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine metallische oder nichtmetallische Schutzschicht, vorzugsweise aus Zirkonium-Zement auf.

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Alle als flüssiges Leitermaterial in Frage kommenden Metalle weisen einen niedrigen Dampfdruck auf und sind unter,allen Betriebsbedingungen flüssig. Wünschenswert ist ferner, daß ihr ohmscher Widerstand gering ist und sie die übrigen Bauteile der elektrischen Verbindung nur wenig angreifen. Als für diesen speziellen Zweck geeignetes Metall hat sich ein eutektisches Gemisch aus Gallium, Indium und Zinn erwiesen, in der Zusammensetzung 62% Ga, 25% In und 13% Sn. Dieses Gemisch ist bei normaler Umgebungstemperatur flüssig. Das ist zwar besonders günstig, doch ist es für die Erfindung nur erforderlich, daß sich das Metall unter normalen Betriebsbedingungen der elektrischen Verbindung in flüssigem Zustand befindet, d.h. wenn ein Strom hindurchfließt und in dem Metall Wärme erzeugt wird.

Weitere metallische Gemische mit einem niedrigen Schmelzpunkt sind schmelzbare Legierungen, die beispielsweise Wismut, Cadmium oder Blei enthalten. Da die Oberfläche des Metalls im allgemeinen der Luft ausgesetzt ist, sollte das Metall zudem möglichst oxidationsbeständig sein. Aus diesem Grunde könnt das bekannte Eutektikum NaK in diesem Fall nicht in Betracht.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert; in

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der Zeichnung zeigen

Fig.1 eine perspektivische Darstellung der erfxndungsgemäßen Vorrichtung und

Fig.2 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig.1.

Gemäß Fig.1 wird einem Gefäß 1, das in der Glasfaserindustrie Rinne genannt wird und dort dem Warmhalten der Glasschmelze dient und Düsen am Boden, sogenannte "Zwiebeln", aufweist, über einen Leiter oder ein Kontaktstück aus Platin oder einer Platinlegierung elektrischer Strom zugeführt. Das Kontaktstück 2 ist hier gegenüber der üblichen Ausführung langer ausgebildet und taucht mit seinem der Rinne abgewandten Ende in flüssiges Metall 3 eines Behälters 4 ein. Der quaderförmig ausgebildete Behälter 4 besteht aus Kupfer und ist starr mit einer stromzuführenden Verteilerschiene 5 verschraubt. In dem Behälter 4 ist ein Kühlwasser führendes Rohrleitungssystem 6 vorgesehen, durch das die von der Rinne 1 abgegebene und über das Kontaktstück nach unten geleitete Wärme sowie die Wärmestrahlung vom Ende der Rinne und die Stromwärmeverluste des Anschlußteiles selbst abgeleitet werden. Die Einführung des Kontaktstückes 2 in den Behälter 4 ermöglicht eine weitgehend ungehinderte Bewegung in senkrechter und /oder in waagrechter Richtung zwischen Kontaktstück 2

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und Behälter 4, so daß im Bereich der Verbindung 7 zwischen Kontaktstück und Rinne keine Schaden verursachenden Kräfte auftreten.

Gegebenenfalls kann an dem Kontaktstück 2 ein Schutzring aus Iletall oder einer Legierung vorgesehen sein, der verhindert, daß flüssiges Metall insbesondere infolge von Kapillarwirkung am Kontaktstück 2 aufsteigt, oxidiert und verloren geht.

Beim Einrichten der Rinne durch eine Bedienungsperson ist dafür zu sorgen, daß die Temperaturgradienten nahe den Enden der Rinne 1 so niedrig wie möglich gehalten werden. Bei bekannten Lösungen werden hierfür wassergekühlte Kupferklammern auf den Kontaktstücken in senkrechter Richtung bewegt, wodurch der Wärmefluß in diesem Bereich so lange beeinflußt wird, bis die gewünschten Bedingungen hergestellt sind. Ein Bewegen der Klammern bedeutet aber, daß die Klammerbefestigungen abwechselnd gelöst und angezogen und darüberhinaus die Klammern selbst jeweils um einen geringen Betrag bewegt werden müssen, Beides führt jedoch zu einer erheblichen Beanspruchung der Rinne. Die Steuerung des Temperaturgefälles ist jedoch wesentlich einfacher durch Verwendung eines flüssigen Leitungsmediums gemäß der Erfindung, wo lediglich der Flüssigkeitsstand in dem Behälter 4 zu verändern ist. Ein verhältnismäßig

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leicht durchführbares Verfahren für diese Steuerung ist gemäß Fig.2 durch die Bewegung einer Justierschraube 8 möglich, mit der der Flüssigkeitsspiegel unmittelbar veränderbar ist. Ein Dichtwulst 9 am Schraubenschaft verhindert ein Austreten des flüssigen Metalls.

Daneben lassen sich aber auch andere Verfahren zur Steuerung des Flüssigkeitsstandes verwenden, beispielsweise die Steuerung mit Hilfe eines getrennten beweglichen Behälters, oder einer beweglichen Membrane auf einer Seite des Flüssigkeitsleiters. Das verlängerte Kontaktstück 2 taucht, wie bereits erwähnt, in flüssiges Metall 3 ein. Das Kontaktstück muß jedoch nicht notwendigerweise aus Platin bestehen. Eine Verringerung der Kosten tritt bereits ein, wenn man das Platinkontaktstück unmittelbar unterhalb der Übergangsstelle zwischen Luft und flüssigem Metall mit einem anderen hochleitfähigen Metall verbindet, beispielsweise mit Palladium, Kupfer oder Silber. In diesem Fall verändert sich das Temperaturgefälle am Kontaktstück nicht, wenn die übliche Klammeranordnung durch den Flüssigkeitsleiter gemäß der Erfindung ersetzt wird.

Mit einigen geringfügigen Änderungen ist es auch möglich, das Verlängerungsstück mit dem Platin-Kontaktstück etwas oberhalb der Berührungsfläche zwischen Luft und flüssigem Metall zu verbinden. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es darüberhinaus nicht zwingend, daß das das flüssige

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Metall enthaltende Gehäuse 4 aus Kupfer besteht. Auch andere elektrisch gut leitende Metalle wie Silber oder Aluminium eignen sich, wenngleich Aluminium mit einem gegen flüssiges Metall etwas widerstandsfähigerem Metall ausgekleidet werden müßte.

Für andere mögliche Anwendungsbereiche oder bei der Wahl anderer schmelzbarer Verbindungen wird möglicherweise ein Betrieb mit höherer Temperatur erforderlich sein. Für diese Fälle böte sich vorteilhaft ein Behälter aus einem elektrisch widerstandsfähigeren Material, wie rostfreier Stahl, an.

Im Ausführungsbeispiel sind das Kontaktstück 2, dessen Verlängerung und das Gehäuse 4 für das flüssige Metall rechtwinklig zueinander angeordnet.

Andere Bauformen können jedoch ebenfalls gewählt werden, wenn dies aus räumlichen Gründen für eine Einrichtung erforderlich ist, beispielsweise eine runde, ringförmige, blattförmige, mehrlagige usw., wobei allen Formen gemeinsam ist, daß es sich um einen festen in flüssiges Metall eintauchenden Leiter handelt.

Am unteren Ende des Kontaktstückes herrscht ein hohes Temperaturgefälle und bei bestimmten Betriebsbedingungen können am Übergang Luft/flüssiges Metall sehr ungünstige Bedingungen herrschen, so daß das heiße Platin in diesem

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- 10 Bereich durch das flüssige Metall angegriffen wird.

Abhilfe kann hier dadurch geschaffen werden, daß man
das Platin in diesem Bereich mit einem widerstandsfähigen metallischen oder nichtmetallischen Überzug versieht. Infrage käme hierfür beispielsweise Iridium oder ein gebundener Zirkoniumzement, wie er beispielsweise unter dem Warenzeichen "Thermocem" bekannt ist.

Die Erfindung wird nachstehend zusätzlich an Hand einiger Verfahrensbeispiele erläutert:

Beispiel 1

Ein wassergekühlter Kupfer-Leitungsstreifen mit einem

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Querschnitt von 1,499 χ 0,737 cm wurde bis zu 1,27 cm

in Gallium-Indium-Zinn Eutektikum eingetaucht, das sich
in einem Kupferbehälter befand. Ein Wechselstrom von 1000 AMPS wurde durch den so gebildeten flüssigen Metallleiter über einen Zeitraum von 525 Stunden geleitet. Dies

entspricht einer Stromdichte von 905 AMPS/cm in dem

Kupfer-Leiterstreifen, und 176 AMPS/cm an der Verbindung von Leiter und dem flüssigen Metall. Der Temperaturanstieg im Leiter bei diesen Bedingungen war vernachlässigbar gering. Im Leiter wurden weder Spannungs- noch Stromänderungen festgestellt, die eine Beschädigung des Leiters hätten

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herbeiführen können, und nach Beendigung des Versuches konnte auch keine Beeinträchtigung des Kupfers durch das flüssige Metall festgestellt werden.

Beispiel 2

Zur Simulation des Wärmegefälles am Leiter einer in Betrieb befindlichen Rinne wurde ein Platinstreifen mit

2 einem Querschnitt von 1,41 χ 0,158 cm in das in einem wassergekühlten Kupferbehälter befindliche flüssige Metall eingetaucht und 600 Stunden lang mit 320 A unter Strom gehalten. Die Stromstärke betrug unter diesen Bedingungen

in dem Platin 1436 a/cm , wodurch der Streifen etwa 4 cm oberhalb der Oberfläche des flüssigen Metalls rotglühend wurde. Am Ende des Versuches wurde der Platinstreifen geprüft und man stellte fest, daß er am übergang zwischen flüssigem Metall und Luft nur sehr geringfügig angegriffen worden war, nämlich in so geringem Maße, daß die Beschädigung bei der Glasfaserherstellung mittels Platinrinnen noch zulässig ist.

Beispiel 3

Das Leiterstück 2 wurde im Bereich des Übergangs zwischen Luft und flüssigem Metall, wie vorerwähnt, mit einem ge-

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eigneten widerstandsfähigen Material beschichtet. Zu die-

sem Zweck wurde ein Platinleiter von 1,69 χ 0,1 cm Querschnitt sandgestrahlt und in diesem Bereich mit Zirkonium-Zement beschichtet. Ein Wechselstrom von 600 A (was einer

Stromstärke von 3500 A/cm entspricht) wurde 24 Tage lang hindurchgelassen, ohne daß mehr als eine geringfügige Beeinträchtigung eintrat.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1y Vorrichtung zum elektrischen Verbinden eines insbesondere geschmolzenen Glas enthaltenden Behälters mit einer Stromquelle, gekennzeichnet durch einen im Betriebszustand flüssiges elektrisch leitendes Material (3) enthaltenden, an eine Stromquelle (5) angeschlossenen Behälter (4) und ein stromführendes Leiterstück (2), das mit dem erstgenannten Behälter fest und elektrisch leitend verbunden ist und mit dem elektrisch leitenden flüssigen Material (3) ohne feste Verbindung mit dem zweitgenannten Behälter verbunden ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß das Leiterstück (2) in das elektrisch leitende, flüssige Material (3) eingetaucht ist.

   3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweitgenannte Behälter (4) aus Metall besteht und mechanisch starr mit einem stromzuführenden Verteiler (5) verbunden ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stromführende Leiterstück als ein mit der Wanne (1) verbundenes Winkelstück ausgebildet ist.

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   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück starr mit der Wanne verbunden ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück (2) aus einem Metall oder einer Legierung mit verhältnismäßig geringem elektrischen Widerstand besteht.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Platin, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder Legierungen mit einen oder mehreren der vorgenannten Metalle besteht.

   8. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der im Bereich des Übergangs zwischen Luft und flüssigem Metall befindliche Teil des Leiters eine metallische oder nichtmetallische Schutzschicht aufweist.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Zirkoniumzement oder Iridium besteht.

   0. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter in dem genannten übergangsbe-

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   reich einen das Aufsteigen von flüssigem Metall am Leiter verhindernden Schutzring (10) aufvzeist.

   11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlsystem (6) vorgesehen ist, das ein Kühlmittel zu dem Behälter und von diesem wegführt.

   12. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter (4) regelnde Einstellvorrichtung vorgesehen ist.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung aus einer Justierschraube

   (8) besteht.

   14. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der das flüssige Metall enthaltende Behälter aus einem Metall der Gruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Platin, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder einer Legierung besteht, die ein oder mehrere der genannten Metalle enthält.

   15. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (1) eine Platinrinne ist.

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   16. Verfahren zum Aufheizen von geschmolzenem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15 ein elektrischer Strom geschickt wird.

   17. Verfahren zur Steuerung des Temperaturgradienten in einer flüssiges Glas aufnehmenden Wanne, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne in ihrer relativen Lage verändert wird und der Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15 geändert wird.

   18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageänderung durch Änderung des Fassungsvermögens des Behälters (4) erreicht wird.

   19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungsvermögen durch ein in die Wandung des Behälters eingeschraubtes Teil vergrößert bzw. verringert wird.

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