DE2062307A1

DE2062307A1 - Heizelement mit hohem Warmefluß

Info

Publication number: DE2062307A1
Application number: DE19702062307
Authority: DE
Inventors: Meinder Willem Schagen Brieko (Nie derlande) R H05b 1 02
Original assignee: Reactor Centrum Nederland
Current assignee: Reactor Centrum Nederland
Priority date: 1969-12-17
Filing date: 1970-12-17
Publication date: 1971-06-24
Also published as: BE760395A; JPS4913655B1; FR2073844A5; NL6918891A; GB1336879A

Description

PATENTANWÄLTE

POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 91139

BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER

8MÜNCHEN2.

P 34 Dui 4/Sc

REACTOR CENTRUM NEDERLAND (STICHTING)

The Hague / Holland.

Heizelement mit hohem Wärmefluss.

B = ss s a -st s = = ss s ='8 s = -as = s = = B s s S= s: = s =: sz s ss s as

Die Erfindung betrifft einen Heizkörper, der aus einem elektrischen Widerstandselement besteht, das einen Leiterwiderstand enthält, der von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, wobei um diese isolierende Schicht eine metallische äussere Schicht angebracht ist, um die erzeugte Wärme abzugeben, wobei unterhalb der Betriebstemperatur eine Schrumpfungsverbindung zwischen der metallischen äusseren Hülse und der isolierenden Schicht besteht, während bei Zimmertemperatur zusätzlich eine Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht besteht.

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Heizkörper dieser Art zeigen jedoch gegenwärtig in der Praxis den Nachteil, dass für zahlreiche Anwendungen die

Aufheizkapazität, die etwa in Watt/cm ausgedrückt wird, nicht ausreichend hoch ist. Erfindungsgemäss ist es möglich, eine hohe Aufheizung, nämlich eine Aufheizung der Grössen-

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Ordnung von etwa 5oo Watt/cm , bei einer Wandtemperatur von

etwa 6oo - 96o°C dadurch zu erreichen, dass der Heizkörper in einer solchen Bauweise ausgeführt wird, dass seine isolierende Schicht aus Bornitrid, hergestellt ist, wobei in dieser Bauweise sowohl der Leiterwiderstand als auch ψ die metallische Aussenschicht aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder ihren Verbindungen hergestellt sind. Berylliumoxid kann ebenfalls mit Vorteil als elektrisch isolierendes Material anstelle von Bornitrid verwendet werden.

Es ist für diesen Zweck äusserst vorteilthaft, dass auch bei der Betriebstemperatur noch eine Schrumpfungsverbindung und daher ein Oberflächendruck zwischen der äusseren Hülse und der isolierenden Schicht besteht. Dieser Oberflächendruck ist äusserst wichtig bei der Betriebstemperatur, denn nur durch einen solchen Druck wird die Abgabe der erzeugten Wärme sichergestellt. Dieser Druck, in Verbindung mit dem festen Sitz der Schrumpfungsverbindung sichert weiter, dass die Abgabegeometrie des Heizkörpers erhalten bleibt.

Dies ist wichtig, da auf diese Weise lokale Hohlstellen oder Kavitäten, die oft als Folge einer fehlerhaften Berührung gebildet werden, oder eine unsymmetrische Geometrie, die durch den Einziehprozess, dem das Element unterworfen wurde, verursacht werden, verhindert werden können. Solche Unsymmetrien und lokale Hohlstellen können in der Praxis Anlass

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zu heissen Flecken geben, die die Aufheizhöhe ungünstig beeinflussen.

Wenn auch eine Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht, die sich um diesen befindet, besteht, nämlich eine Schrumpfungsverbindung, die schon bei Zimmertemperatur besteht, kann die AufheizhÖhe gesteigert werden.

Dies ist jedoch der Bedingung unterworfen, dass auch ein enger Kontakt zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht bestehen muss, wenn diese kalt sind. Es ist daher zweckmässig, auch eine leichte Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und dem isolierenden Material anzubringen.

Die genannte Schrumpfungsverbindung kann äusserst wirkungsvoll erhalten werden, indem ein Heizkörper gemäss einer speziellen Ausführungsform der Erfindung in einer solchen Weise hergestellt wird, dass mit einem Rohr aus austenitischern rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder Verbindungen dieser Materialien begonnen wird, wonach dieses Rohr um einen Zylinder des verwendeten elektrisch isolierenden Materials, das aus Bornitridoder Berylliumoxid besteht, fest aufgeschrumpft wird. Da dieser Zylinder massiv ist, kann eine Schrumpfungsverbindung dieser Art mit einer festen Schrumpfungsaufpassung bei etwa 25o°C ohne Gefahr, dass das Bornitrid oder Berylliumoxid Verschiebungen zeigen könnte, durchgeführt werden.

Nach dem darauf folgenden Abkühlen der beschriebenen Anordnung, wird der zentrale Teil des Zylinders des verwendeten elektrisch

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isolierenden Materials durch Bohren entfernt, so dass danach eine zylindrische Hülse aus diesem elektrisch.isolierenden Material erhalten wird, die mittels einer Schrumpfungsverbindung durch eine zylindrische Hülse aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder deren Legierungen umgeben ist.

Nachdem die Innenseite der zylindrischen Hülse aus dem verwendeten elektrisch isolierenden Material sorgfältig nachgearbeitet ist, wird als nächstes diese Anordnung von koaxialen zylindrischen Hülsen bei einer Temperatur von loo C mit einer leichten Schrumpfungsaufpassung um einen Widerstandsleiter aufgeschrumpft, der in gleicher Weise aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, VJoIfram oder einer -Legierung aus diesem zusammengesetzt ist.

In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden, dass die hoch aufheizenden elektrischen Heizelemente, die bisher bekannt waren, im praktischen Gebrauch zeitweise versagten. Dies war im allgemeinen durch die Tatsache verursacht, dass entweder lokale Hohlstellen gebildet wurden, infolge von Unterschieden in der thermischen Ausdehnung oder durch chemische Reaktionen, W oder weil die Dicke der isolierenden Schicht im allgemeinen nicht gleichmässig war,oder weil das isolierende Material in seinen Eigenschaften nicht homogen war. Durch Anwenden des oben beschriebenen Verfahrens bei der Herstellung eines erfindungsgemassen Heizkörpers werden die Nachteile, die den bisher bekannten Heizelementen anhaften, überwunden, da die Herstellung mit einem zylindrischen Rohr, das aus vollem Material hergestellt ist, des verwendeten elektrisch isolierenden Materials beginnt. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, der aus der Möglichkeit entsteht, den erwünschten

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notwendigen; Oberflächendruck durch eine richtige Wahl der Schrumpf ungsabmes sung? zu erhalten,, was mit hoher Präzision ausgeführt werden kann.

Es erweist sich, dass der auf diese Weise hergestellte Heizkörper einen sehr hohen Wärmefluss liefern kann,, was eine

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Aufheizung bis zu etwa 5oö Watt/cm bei einer Wandtemperatur von etwa 600 - 960 C ergibt.

Mit diesem Heizkörper können flüssige Metalle, wie z. B. Natrium, Kalium, Lithium oder deren Legierungen in sehr günstiger Weise erhitzt werden.

Insbesondere eignet sich der Heizkörper selbst für Wärme— transmissionexperimente mit Kühlung durch flüssiges Natrium, die in einem Kernreaktor oder in einer Anlage durchgeführt werden, die ausserhalb eines Kernreaktors vorgesehen ist, um diesen zu simulieren. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die metallische Aussenhüitse aus austenitischem rostfreiem Stahl, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder deren Legierungen in keiner Weise durch die flüssigen Metalle nachteilig angegriffen wird.

In vielen Fällen werden die erfindungsgemässen Heizkörper einen äusseren Durchmesser der Grössenordnung von etwa 6 mm oder etwas mehr haben. Mit diesem Durchmesser ist es möglich, eine Länge solcher Heizkörper von etwa 5oo mm zu erhalten.

In der beigefügten Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, wobei die Figuren 1 bis 3 Querschnitte durch solche Heizkörper zeigen.

In Figur 1 wird mit 1 der zentrale Widerstandsleiter bezeichnet, mit 2 die diesen umgebende isolierende Schicht und mit 3

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die Äussenhülse, die aus aus teni tischen* rostfreiem Stahl,. Kickel, Chrom, Molybdän,, Vanadium, Rhenium,, Wolfram oder elaer Legierung dieser Materialien hergestellt ist.

Me Ausführungsform der Figur 2 unterscheidet sich von der Äusführungsform_r die in- Figur 1 gezeigt ist,, nur in soweit,, als der zentrale Widerstandsleiter 1 in ähnlicher Weise die Focm einer zylindrischen Hülse besitzt, in deren Inneren sich ein Zylinder 4 befindet, in welchem andere Komponenten fc laicht gezeigt) möglicherweise eingeschlossen werden können. Es können z. B. darin Kanäle für elektrische Leiter oder für ein Fluid¹· sein. Der Zylinder 4 kann aus einem Material hergestellt sein, das für diesen Zweck geeignete Qualitäten aufweist.

Figur 3 gibt eine Konstruktion an, die von Bedeutung ist für das Einsetzen eines thermoelektrischen Elementes in die Wand eines Heizelementes vom beschriebenen Typ.

Thermoelektrische Elemente dieser speziellen Art können eine wichtige Funktion erfüllen, z. B. bei Wärmetransmissionsex- |f perimenten und beim Testen des spaltbaren Gitters von Kernreaktoren, die mit flüssigen Metallen arbeiten, wenn es notwendig ist, die Wandtemperatur betreffende Daten zu besitzen.

Der Temperaturbereich, in dem dies auftritt, ist gewöhnlich in der Grössenordnung von 6oo bis 9oo°C. Gemäss einem bis heute verwendeten Verfahren wurde das thermoelektrische Element 5 in einer Rille 8 in der Wand der Hülse 3 befestigt, wonach der verbleibende Raum mit einem Lötmaterial ausgefüllt wurde. Als geeignetes Lötmaterial hat sich das herausgestellt, dass unter dem Namen "Coast Metal 52" auf dem Markt ist.

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Dieses Lötrnaterial enthält 4,5% Silizium, was eine den Schmelzpunkt erniedrigende Wirkung hat. Die Löttemperatur

ist lo25°C.

Die Umhüllung eines solchen thermoelektrischen Elementes besteht gewöhnlich aus einer Hülse aus rostfreiem Stahl oder Inkonel mit einer Wanddicke der GrossenOrdnung von' etwa o,o3 mm. Es hat sich nun herausgestellt, dass während des Lötvorganges die Hülse des thermoelektrischen Elementes eine Neigung hat infolge des' vorhandenen Siliziums in Lösung zu gehen. Gernäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein zusätzliches Rohr 6 vorgesehen, dass das thermoelektrische Element 5 umgibt, um diese dünnwandige Hülse zu schützen. Auf diese Weise ist die Gefahr des Brechens des thermoelektrischen Elementes auf ein Minimum reduziert.

Die Materialien, die eine Bedeutung für die Herstellung des Rohres 6 haben, sind: Rostfreier Stahl, Nickel, Chrom und Tantal oder eine Legierung aus diesen Materialien.

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Claims

Patentansprüche·

SSC SS SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ 55— S SS SZ S — 53 SZ SZ SS SZ SZ SZ SH SS SZ

Heizkörper, der aus einem elektrischen Widerstandselement besteht, das einen Leiterwiderstand enthält, der von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, wobei sich um die isolierende Schicht eine metallische Aussenschicht zum Abgeben der erzeugten Wärme befindet, wobei unterhalb ρ der Betrieb"⁴-"—"—-'■ur eine Schrumpfungsverbindung zwischen der metalli senhülse und der isolierenden Schicht besteht, wänrend zusätzlich bei Zimmertemperatur eine Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus Bornitrid zusammengesetzt ist, und dass sowohl der Leiterwiderstand als auch die metallische Aussenschicht aus einer der folgenden Substanzen hergestellt ist: Austenitischer rostfreier Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vandium, Rhenium, Wolfram und deren Legierungen.

ψ 2) Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus Berylliumoxid zusammengesetzt ist.

3) Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohr aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder aus einer Legierung dieser Materialien mit anderen Materialien oder miteinander fest auf einen massiven Zylinder des verwendeten elektrisch isolierenden Materials aufgeschrumpft wird,

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dass danach der mittlere Teil dieses Zylinders durch Bohren entfernt wird, und dass die auf diese Weise erhaltene Anordnung auf einen Leiterwiderstand aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder einer Legierung dieser Materialien aufgeschrumpft wird.

4) Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Stromleiter (5) am Wandteil des Heizkörpers befindet, dass dieser Leiter, z. B. ein thermoelektrisches Element,eine Hülse aus rostfreiem Stahl oder Inkonel. hat, dass dieser Leiter (5) durch ein Rohr (6) umgeben ist, das aus rostfreiem Stahl, Nickel, Chrom, Tantal oder einer Legierung dieser Materialien hergestellt ist, und dass dieses Rohr (6) an den Wandteil gelötet ist.

5) Heizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stromleiter (5) in einer Rille (8) befindet, deren restlicher Raum mit Lötmaterial (7) ausgefüllt.

6) Heizkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötmaterial Silizium enthält.

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