DE2034200A1 - Vakuumofen - Google Patents
VakuumofenInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
- F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
- F27D11/02—Ohmic resistance heating
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
- C21D1/773—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum
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Description
DR.-INC. H. FINCKE MÜNCHENS
DIPL-ING. H. BOHR MOLLERSTR. 31
0IPL-ING1S1STAEOiR 2034200 9.JULM970
M 8413
Beschreibung
zum Patentgesuch
der Firma Thermo Electron Corporation, Waltham, Mass./
V. St.A.
betreffend "Vakuumofen"
PRIORITAT1
Kurzbeschreibung
Die Erfindung beinhaltet einen Vakuumofen, bei dem Wärmeverluste
durch Strahlung mittels einer Strahlungsabschirmung von besonderem
Aufbau verhindert werden. Die Abschirmung besteht aus einer Metallfolienspirale, bei welcher die benachbarten Windungen
der Folie mittels einer dünnen Aufstreuung aus verhältnismäßig schlecht leitendem Material, beispielsweise Keramikpulver, ge-.trennt
sind.
Ausführliche Beschreibung
Die Erfindung betrifft Hochtemperaturöfen, insbesondere einen
Vakuumofen, der gegenüber Strahlung abgeschirmt ist.
Bei verschiedenen bekannten Aufbauten von Hochtemperaturöfen
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weist die Strahlungsabschirmung, wenn insgesamt vorgesehen,
typischerweise die Form mehrerer besonderer Abschirmungen auf, die starr und selbsttragend sind. Die Anzahl solcher Abschirmungen
wird durch die Masse sowie Abmessungen begrenzt, v/elche diese zu dem Ofen im Hinblick auf deren Dicke selbst sowie die
erforderliche Abstandsgebung zur starren Lagerung hinzufügen.
Ferner erforderten solche bekannten Abschirmanordnungen eine wesentliche Materialmenge in den Abschirmungen selbst. Die Kosten
dieses Materials können wesentlich den Preis von Öfen übersteigen, die zum Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Hochtemperatürofens
unter Verwendung einer Strahlungsabschirmung von verhältnismäßig kompaktem Aufbau mit verhältnismäßig geringen Wärmaverlusten,
wobei die Anbringung an einem Vakuumofen eine verhältnismäßig geringe Eingangsleistung erfordert, um eine gegebene
Temperatur zu erreichen, wobei der Ofen nebst Abschirmung verhältnismäßig
billig ist und einen einfachen Aufbau aufweist.
Die vorangehend erläuterte Problemstellung wird erfindungsgemäß allgemein gelöst durch ein eine Kammer bildendes Bauelement
einschließlich einer Vielfachwindungsspirale sus einer Folie von
hitzebeständigem Material mit einer^^uSiltreuung aus besonderen
Teilchen von verhältnismäßig nichtleitendem Material, das benachbarte Folienwindungen voneinander trennt» Die erste Windung
der Spirale umschließt ein Volumen, welches die Heizkammer des
Ofens bildet. Jedes offene Ende der Spirale ist durch eine,entsprechende Abdeckung geschlossen; eine Heizeinrichtung .ist-,zur
Erzeugung von Wärme in der Kammer vorgesehen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Bs zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines srfindungsgemäßen
Vakuumofens im Vertikalschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt län«a dor Linie II -.11 von Fi#„ 1
Teildarstellung,
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BAD
Fi(T. 3 einen Dchnitt Twgs der Linie III - III von Pig. T
mit einer oberen Abdeckung nebet Heizeinrichtung,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Abschirmung eines erfindunpsgemäßen Vakuumofens in einer Schnittdarstel-
■lung senkrecht su derjenigen nach Fig. 2,
Fig, 5 die eingespeiste Leistung als Funktion der Tempera- "
tür bei einem erfindungspomäßen Ofen und einem vergleichbaren bekannten öfen.
Der Ofen nach Fig. 1 -3 ißt allgemein zylindrisch ausgebildet
und umfaßt ein allgemein rohrförmiges Glied 11, das an beiden
Enden durch eine entsprechende Abdeckung 13 bzw. 15 geschlossen ist. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, umfaßt das eine Seitenwandung
bildende rohrförmige Glied 1-1 einen-.äußeren'Metallmantel 17 sowie
eine ^Strahlungsabschirmung 19.
Genä3 Fip. 2 umfaiSt die Strahlungsabschirmung 19 eine Spirale
21 aus einer Folie aus-geeignetem Metall, wobei benachbarte
FoIior.windungen durch ein:; dünn*- Auf3treuung oöer Auf3täubung
von einseinen Teilchen 23 pttrennt sind. Die Teilchen 23 bestehfT:
vorzugsweise aus oinc-a rcl ativ nichtleitendem'Material,
beispielsweise Keranikpulver. Tine solche 3trahlungsabahirmung
kanu laicht durch Aufstreuten --ines Keramikpul ν er s auf die
Fläche eines Polienstreifcns hergestellt werden, wenn dieser auf
eine geeignete Fora gewickelt wird.
Eine solche Konstruktion ermöglicht die Verwendung einer Vielzahl
von strahlungsabsehirmtenden Elementen, d.h. einzelnen
Fölienwindungen, ohne Zufügung einer großen Masse au dem Ofen*
Die Teilchen bewirken eine Abstandsgebung und Auflagerung der
einzelnen Schichten der Folie an Ort und Stelle und ermöglichen somit die Verwendung einer dünnen Folie anstelle- besonderer
relativ schwerer Bleche oder Platten«, Für den Zweck der vorliegenden
Srfindung ist unter dem Ausdruck "Folie" eine Metallschicht su verstehen, welche nicht mehr als 0,125 mm Dicke aufweist. Für Anwundungsfälle bei Rochtemperatur-Vakuumöfen kann
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für die Folie 21 ein hitzebest;indiges Material, beispielsweise
Wolfram, Molybdän oder Tantal, verwendet werden, während Öfen · zur Anwendung bei geringeren Temperaturen, beispielsweise öfen
zum Anlassen, unter Verwendung einer Metallfolie, beispielsweise aus Titan, rostfreiem Stahl oder Nickel aufgebaut sein können.
Die Abdeckungen 13, 14 sind in analoger Weise aufgebaut und umfassen eine Verstärkungsplatto 31 sowie eine Strahlungsabschirmung
33. Die Abschirmungen 3: können auch Vielfachschichten der
Folie umfassen, wobei die Schichten durch ein Keramikpulver getrennt
und auf die Veratärkungsplatte 31 aufgerollt sind.
Innerhalb der Kammer des 0fon3 wird durch einen Widerstandsheizer 35 Wärme erzeugt, der ein Paar Streifen aus Wolframdrahtnetz
37, 39 umfaßt. Jeder der Streifen ist zwischen einer entsprechenden Eingangselektrode 41, 43 sowie einer Zwischenlagerelektrode 45 angebracht, wobei die Elektroden an entsprechenden
Durchführungsanschlüssen 47, 48, 49 angebracht sind/Diese Anordnung
des Heizers weist den Vorteil auf, daß die Heizkammer zum finf ühren. eines.. Werkstückes verhältnismäßig freigelassen wird»
in vernaltnismaBig einfacher Heizer dieser Art kann verwendetVBgv
da Verluste von dem Ofen verhältnismäßig gering im Vergleich zu"61*
bekannten Aufbauten sind. Es kann demnach eine Verhältnismäßig hohe Temperatur mit einer verhältnismäßig geringen Eingangsenergie
erhalten werden. Zusätzlich erzielt man eine lange Lebensdauer, nachdem Heizer dieser Art über hunderte von Stunden bei
20000G in Betrieb gehalten wurden. Zur Verwendung als Material
für die Widerstandsheizelemente 37, 39 ist Wolframdrahtnetz ge-.,
eignet, das für andere Zwecke zur Verfügung steht, so daß dem besonderen Zweck angepaßte Heizelemente nicht mit hohen Kosten in
Sonderfertigung hergestellt werden müssen. Wahlweise können Drahtnetzheizelemente längs des Umfanges des Rohrgliedes 11 aufgehängt
werden, wobei geeignete Elektroden an den Enden der Streifen vorgesehen sind, um eine Zwischenverbindung sowie einen
Anschluß an die elektrische Energie herzustellen. Im Betrieb wird der Ofen an Schenkeln 51 innerhalb einer zweckmäßigen Glocke
53 angebracht, welche alsdann durch eine Pumpe 55 evakuiert wird. Bei einem Beispiel eines im wesentlichen gemäß der Darstellung
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BAD ORlQlNAL
aufgebauten Ofens umfaßt eine Strahlungsabschirmung 19 vorzugsweise
20 Wicklungslagen aus Molybdänfolie sowie 20 Wicklungslagen aus Wolframfolie. Die Folien waren 25 x 10 mm dick,
wobei benachbarte Schichten durch dünn verteiltes Zirkonoxid-' .pulver von solchen Abmessungen getrennt waren, daß die resultierende Durchschnittsdicke für jede Strahlungsabschirmschicht etwa
rz
62,5 x 10 mm betrug. Auf diese Weise betrug-die (Jeeamtdlcke
der Strahlungsabschirmung 19 lediglich etwa 2,5 mm. Die Wärmeverluste von diesem Ofen waren gering genug, so daß eine Temperatur von 20000C bei einer Eingangsleistung von weniger als 2000 W
erzielt wurden, obgleich die Heizungskammer einen Durchmesser von
12,5 cm bei einer Höhe von 15 cm aufwies.
Die Temperatur als Funktion^der Eingangsleistung für diesen Ofen
ergibt sich durch die Kurve A von Fig. 5. Zum Vergleich ist mit der Kurve B die Temperatur/Leistungs-Charakteristik eines bekannten
Ofens mit einer Heizkammer von vergleichbaren Abmessungen dargestellt, nämlich 10 cm Durchmesser sowie 17,5 cm Höhe.
Dieser bekannte Ofen ist mittels fünf selbsttragender Wolframabschirmung^§egen
Strahlung abgeschirmt, welche zusammen eine Abschirmungswand von etwa 37,5 mm Dicke ergeben. Daher ergibt
sich, daß durch die Erfindung ein verhältnismäßig wirksamer Betrieb
in einem Ofen von verhältnfinäßig kompakten Abmessungen
erzielt wird. Ferner wird die Einspeisung von Energie zur Heizung durch die Verwendung der Drahtnetzheizer gemäß der vorangehenden
Beschreibung erleichtert, welche einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweisen, beispielsweise etwa ein 0hm bei
18000C. Die Heizelemente waren aus Standardwolframdraht mit einer Drahtabmessung von 1/10 mm sowie 14 Drähte auf einen Zentimeter
hergestellt.
Obgleich ein Ofen von kreisförmigem Querschnitt in beispielhafter
Weise veranschaulicht wurde, können auch andere Querschnittsformen verwendet werdenj wie sich versteht. Der Ausdruck "spiralig"
soll demgemäß auch eine gewickelte Strahlungsabschirmungsfolie
umfassen, wenn der Sesamtquerschnitt anders als kreisförmig ist,
beispielsweise rechteckig.
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Eine wahlweise Konstruktion für die Strahlungsabschirmung ergibt
sich aus Pig. 4. Dieser Schnitt verläuft längs einer Ebene parallel zu der Achse der entsprechenden Spirale und nicht quer
hierzu wie in Pig. 2. Gemäß Pig. 4 sind die benachbarten Windungen einer Spirale einer Metallfolie 61 durch feine Drähte 63
getrennt, die in Spiralen mit der Folie 61 aufgewickelt werden. Die Trennung zwischen den benachbarten feinen Drähten 63 in jeder
Schicht ist vorzugsweise etwas zufällig, so daß die Drähte in benachbarten Schichten nicht in Ausrichtung aufeinander liegen.
Obgleich jede Windung der Drähte 63 örtlich Wärme von einer Schicht zu der nächsten zu leiten vermag und auf diese Weise seine
Strahlungsabschirmschicht in wirksamer Weise kurzschließt, so ergibt sich doch, daß die Gesamtwirkung auf die Geaamtetrahlungsabschirmung
sehr gering ist, da die auf diese Weise von einem Draht an einem gegebenen Punkt übertragene Wärme nicht leicht
in irgendeine der anderen Lagen eindringt. Es versteht sich, daß die seitlichen Wege längs der Polie verhältnismäßig lang im Vergleich
zu den Querdimensionen sind und daher keine wirksamen leitenden Wege darstellen. Wie bei dem ersten Beispiel bewirken
die zufällig im Abstand angeordneten feinen Drähte eine Abstandsgebung
und Auflagerung benachbarter Windungen der Polie 61, so daß eine verhältnismäßig dünne Polie verwendet werden
kann, welche nicht selbsttragend sein muß.
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Claims (1)
- I'etentansgrUche1. Gegen Strahlung abgeschirmter Ofen mit einer Kammer eowie einer Heizeinrichtung zur Erzeugung von Wärme in der Kammer, gekennzeichnet durch eine Vielwindungsspirale aus einer Metallfolie (21). mit einer zufälligen Verteilung von Abstandselementen (Teilchen 23), welche benachbarte Windungen der Folie trennen, wobei die erste Windung der Spirale ein Volumen umschließt, das die Kammer bildet, und durch eine Abdeckung (13» 15) für jedee offene Ende der Spirale zur Schließung der Kammer.2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände elemente feine Teilchen (23) aus Keramikpulver sind.3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab-ΰtandselemente feine Drähte (63) sind, die mit der Folie aufgewickelt sind. "■-■-.4. Ofen nach einen der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (21) aus einen hitcebeatändigen Metall urödie Abstandselemente auc einer dünnen Aufstreuung einzelner Teilchen aus verhältnismäßig nichtleitendem Material bestehen.5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch einen Heizer in Form zumindest eines Paares von .Elektroden (47, 48) sowie eines WiderstandDheizelementes (37, 39) aus gewebtem Drahtnetε, das zwischen den Elektroden verläuft, um Strahlungsenergie in der Kammer zu erzeugen.6. Ofen nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch Bauelemente (Pumpe 55) zur Evakuierung eines Raumes einschließlich des Ofens.7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Abdeckungen (13, 15) mehrere Schichten aus einer hitsebeständigen Metallfolie umfaßt, die durch eine dünne Aufstreuung aus einzelnen Keramikpulverteilchen getrennt sind.109808 η 328BAD■<. Ofen nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie weniger als 0,12!3 mm dick ist.9. Ofen nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Molybdän besteht.10« Ofen n;jtch einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Zirkonoxid ist.·11. Ofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, d'aQ die Spirale größenordnungsmäßig 40 Windungen umfaßt.4t 12. Ofen nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz (Widerstandsheizelemente 37, 39) aus Wolfram besteht.Für Firma Thermo Electron Corporation:PAnNTANWW-Ti OR.4MO. H: HNCKE, DIPt.-ING. H. »OH*U-mü. S.SfAfcGcÄ109808/1378BAD ORIGINAL
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