DE2349743A1 - Elektrisches widerstandselement - Google Patents

Description

• Elektrisches Wider standsel ement Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Miderstandselement für hohe Temperaturen mit einem durch ein leitendes, die Form einer Wendel aufweisendes Band gebildeten weißglühenden Bereich und einem Paar von mit diesem Bereich verbundenen Anschlußleitern.
• Elektrische Widerstandselemente aus Siliziumcarbid wurden in Form von festen Stangen und Rohren hergestellt, deren Außendurchmesser in einem Bereich von etwa 9,5 mm bis etwa 5,7 cm liegen, Da die mechanische Festigkeit des Materials niedrig ist, d.h. höchstens bei etwa 10 bis 12 kp/mm2 liegt, muß die Wandstärke der Röhren groß sein, d.h. gewöhnlich etwa bei 20 bis 35% des Außendurchmessers des Widerstandselementes liegen.
• Die Wandstärke vergrößert j jedoch die Gefahr einer Überhitzung dieser Elemente, da bei einer vorgegebenen Oberflächenenergieabstrahlung die Wärmeleitung durch die Wand des Elementes einen Gradienten bewirkt, durch den höhere Temperaturen an den Innenteilen der Wand auftreten, die keine Energie durch Abstrahlung abgeben kann, als an den Außenwänden der Wand, die Energie frei an die Umgebung abstraiilen kann. Eine Maßnahme zur Begrenzung der hohen Temperaturen an den Innenteilen der Wand ist die Verminderung des Stromflusses durch das Widerstandselements. Diese Verrinderun des Stromflusses vermindert jedoch gleichzeitig die Energleabgabe all der Oberfläche des Elementes. Es wurde daher festgestellt, daß eine bessere Lösung mit einer größeren Energieabstrahlung in der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Element tes liegt, wenn gleichzeitig die Wanddicke vermindert wird.
• Die herkömmlichen Elemente aus Siliciumcarbid haben nicht -nur eine relativ große Wandstärke, sondern gleichzeitig auch eine relativniedrige Wärmeleitfähigkeit, da die ursprüngliche gute Wärmeleitfähigkeit des Siliciumcarbids durch Risse und Poren vermindert wird, die zwangsläufig in dem Material auftreten.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues elektrisches Widerstandselement zu schaffen, das bei möglichst niedriger Wandstärke noch eine ausreichende mechanische Festigkeit, eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und eine möglichst große Energie abstrahlung nach außen hat.
• Bei einem Widerstandselement der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der weißglühende Bereich aus einer Struktur rekristallisiertem Siliciumcarbid mit einem schwer schmelzbaren metallischen, leitenden Zusatz aus Molybdänsilicid gebildet ist, wobei der Zusatz mindestens 20 und höchstens 50 Volumenprozente des Materials bildet, der Bereich eine Porösität von höchstens etwa 3 Volumenprozent hat und das Verhältnis d/a des Außendurchmessers d der Wendel des weißglühenden Bereichs und der radialen Dicke a des Bands im Bereich von 6,5 bis 15 liegt.
• Das erfindungsgemäße, rohrförmige Widerstandselement kann daher mit sehr dünnen Wänden hergestellt werden, um eine größere Energieabgabe an seiner Oberfläche zu ermöglichen, während es gleichzeitig eine verbesserte mechanische Festigkeit und einen positiven Temperaturkoeffizienten für den elektrischen Widerstand hat.
• Das erfindungsgemäße Widerstandselement hat ein rohrförmiges, poröses Skelett aus Siliziumcarbid, in das ein schwer schmelzbarer, metallisch leitender Zusatz, wie Nolybdänsilicid,einge sickert ist, um alle Hohlräume des Skeletts vollständig auszufüllen. Das so gebildete Element hat eine sehr fein verteilte Struktur mit einer Porösität von höchstens 3 Volumenprozenten und einem Molybdänsilicidgehalt von z.B. 35 Volumenprozenten. Elemente dieser Zusammensetzung sind gegenüber Oxydation und Hitze sehr widerstandsfähig, sind gute Wärmeleiter und haben eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Alterung bei hohen Temperaturen.
• Durch Benutzung dieser Zusammensetzung können kommerziell benutzbare Elemente hergestellt werden, deren weißglühender Bereich durch ein als Wendel geformtes leitendes Band mit einer kleinen radialen Wandstärke hergestellt werden, bei der das Verhältnis vom Außendurchmesser zur Wandstärke zwischen 6,5 und 15 liegt. Infolge der kleinen Wandstärke ist das Widerstandselement relativ leicht und bewirkt während des Betriebes einen nur relativ kleinen Wärmeaufbau. Dieses ermöglicht höhere Oberflächentemperaturen, so daß das Element eine relativ große Energieabstrahlung sowohl pro Gewichtseinheit als auch pro Oberflächeneinheit ermöglicht.
• Die kuhleren Teile oder Anschlußleitungen des Widerstandselementes widerstehen dem sogenannten Verfall des flolybdänsilicids, der bei Temperaturen zwischen etwa 3000C und 8000C in Luft auftritt, was durch die niedrige Porösität des Elementes und infolge der dünnen Schicht von Siliciumcarbid, die an der Außenfläche der Anschlußleiter des Elementes vorgesehen ist, erreicht wird.
• Ein Merkmal der Erfindung ist, daß ein Widerstandselement der verbesserten Zusammensetzung und Eigenschaften mit einem wendelförmigen, leitenden Band längs des weißglühenden Bereichs ucrsehcn ist und dann abmessungsmäßigr zum Ersatz der herkömmlichen Siliziurncarbid-Elemente bei bereits vorhandenen Öfen benutzt werden kann, da die Energieabgabe an der Oberfläche gleich der der herkömmlichen Elemente ist. Außerdem haben die neuen Elemente etwa den gleichen Betriebswiderstand wie die herkömmlichen Siliciumcarbid-Elemente. Diese Abmessungs- und Widerstandseigenschaften werden durch bestimmte Werte für das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Widerstandselementes und der Dicke der Röhrenwand und außerdem für die Breite des Abstandes zwischen benachbarten Windungen der Wendel im Verhältnis zu der Breite des leitenden Bands erreicht. Anderc Werte dienen ebenfalls diesem Zweck, wie z.B. bevorzugten Bereichen für den Steigungswinkel des wendelförmigen Bandes.
• Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat das Widerstandselement einen einzelnen Schlitz und ein den weißglühenden Bereich bildendes leitendes Band. Bei einer anderen Ausführungsform weist der weißglühende Bereich zwei axial mit Abstand voneinander angeordnete Teile mit wendelförmigen Bändern auf, die durch einen mittleren, nicht-ge -schlitzten rohrförmigen Teil getrennt sind, während bei einer weiteren Ausführungsform der weißglühende Bereich eine Vielzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angeordneten wendelförmigen leitenden Bändern aufweist, deren Ansciilußleiter am gleichen Ende des rohrförmigen Elements angeordnet sind.
• Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Widerstandselement mit einem wendelförmigen, leitenden Band, Fig. 2 einen Schnit-t durch das in Fig. 1 gezeigte Widerstandselement längs der Linie 2-2 mit Elick in PSeilrichtung, Fig. 3 ein die Alterung als Funktion der Zeit zeigendes Schaubild, Fig. 4 ein die Alterungsgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur zeigendes Schaubild, Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Widerstandselementes mit zwei axial mit Abstand zueinander angeordneten weißglühenden Bereichsteilen und Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Widerstandselementes mit einem Paar in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angeordneten wendelförmigen Bändern.
• Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten typischen Ausführungsbeispiel des neuen Widerstandselementes 10 sind -nsei Anschlußleiter 12 und 14 und ein weißglühender Bereich 16 vorgesehen, die einstückig als ein rohrförmiger Körper gebildet sind. Ein wendelförmiger Schlitz des weißglühenden Bereichs 16 bewirkt ein relativ enges, wendelförmiges leitendes Band 20, durch das der elektrische Strom von einem Anschlußleiter zu dem anderen, z.B. vom Leiter 12 zum Leiter 14, fließt.
• Das Widerstandselement ist aus einem hitzebeständigen Material mit einem Skelett aus einem feinkörnigen, rekristallisierten Siliziumcarbid mit einem die Poren füllenden Zusatz von Molybdänsilicid hergestellt. Obwohl die Menge des Molybdänsilicids vorzugsweise etwa 35 Volumenprozent beträgt, wurde festgestellt, daß ihr Anteil in dem rohrförmigen Körper zwischen 20 und 50 Volumenprozent betragen kann. In das Widerstandselement 10 wird eine ausreichende Menge von diesem Zusatz eingesickert, um eine niedrige Porösität von höchstens 3 Volumenprozenten und vorzugsweise weniger als 1 Volumenprozent zu erreichen.
• Um diese niedrige Porösität zu erreichen, wie auch ein Widerstandselement mit einer dünnen Wandstärke herzustellen, soll die Hauptteilchengröße der Siliziumcarbidkörner niedriger als etwa 44 Mikrcn und vorzugsweise niedriger als etwa 25 Mikron sein. Ein Widerstandselement dieser Zus.nBmensetzung zeigt eine hohe Festigkeit und Beständigkeit sowohl gegen Wärme als auch gegen mechanische Stöße mit einer Biegesteifigkeit bei 20°C von etwa 15 kp/mm2 oder mehr, einer hohen Oberflächenenergieabgabe und einer guten elektrischen und .Jämeleitfähigkeit. Verfahren zur Herstellung eines solchen eingesiclerten Materials sind in der US-PS 3 321 727 und der GB-PS 976 468 beschrieben.
• Das neue Widerstandselement 10 widersteht auch einem Nolybdänsilicum-Zerfall, der bei Temperaturen zwischen etwa 300 Oc und 800°C in Luft auftritt, einmal infolge der Porösität des Widerstandselenentes und zweitens infolge einer dünnen Schicht von Siliziumcarbid an der Außenfläche der Anschlußleiter 12 und 14 des Widerstandselementes, die die Wirkung von Sauerstoff auf das Silicid unterhalb der Carbidschicht verzögern. Diese Vorteile treten hauptsächlich auf, wenn die Stärke der Siliziumcarbid-Schicht zwischen etwa 5 und 50 Mikron und vorzugsweise zwischen etwa 5 und 25 Mikron liegt. Obwohl der weißglühende Bereich 16 ursprünglich mit einer dünnen Schicht aus Siliziumcarbid versehen werden kann, die anfänglich die beschriebene Schutzfunktion ausübt, wurde festgestellt, daß diese Schicht allmählich bei hohen Betriebstemperaturen zerstört wird und durch eine Oberflächenschicht von SiC+IIoSi2 mit einer Schutzschicht aus SiO2 ersetzt wird.
• Beim Schutz der kältesten Teile des Widerstandselementes gegen einen Zerfall des Nolybdänsilicids ist zu berückpichtigen, daß diese Teile nicht den gleichen Temperaturen unterworfen werden wie die heißen Teile, so daß es wirtschaftlicher sein kann, den teuren und Molybdän enthaltenden Zusatz durch einen weniger teuren Porenfüllstoff, der leitend ist, zu ersetzen, wie z.B. durch Silicium oder Bor.
• In Fig. 3 ist die Alterung eines Widerstandselementes in einem Ofen, der bei einer Temperatur von 1450 °C kontinuierlich betrieben wird, dargestellt. Um diese Temperatur aufrechtzuerhalten, gibt die Oberfläche des weißglühenden Bereichs des Widerstandselementes 7 R/cmS ab. Die Ordinate zeigt den prozentualen Anstieg des elektrischen Widerstands des Elementes. Die Abszisse gibt die Anzahl von 24 Stunden-Tagen an. Zu Anfang steigt der Widerstand ziemlich schnell an, bis ein relativ stabiler Zustand nach etwa 20 Tagen erreicht wird. Ein Anstieg von etwa 21% des ursprünglichen Widerstandswertes ist festzustellen. Danach zeigt der Widerstand einen langsamen Anstieg in der Größenordnung von 2,6% pro 1000 Stunden oder etwa 42 Tagen.
• In Fig. 4 ist der prozentuale Anstieg der Alterung in 1000 Stunden nach Erreichen des relativ stabilen Zustandes und bei einem dann vorgenommenen weiteren Betrieb als Funktion der Ofentemperatur dargestellt. Es wird angenommen, daß der stabile Zustand nach einem anfänglichen Betrieb von 20 Tagen erreicht wurde und daß danach der Anstieg in Abhängigkeit von der Zeit nahezu konstant ist. Die Kurve A gilt dabei für das neue Material, während di.e Kurve B für das bisher bekannte Material gilt. Aus den Kurven ist zu ersehen, daß die Alterung schnell mit der Ofentemperatur ansteigt, insbesondere, wenn eine Ofentemperatur von etwa 1550 ° überschritten wird. Die Kurve A zeigt bei dieser Temperatur eine Alterung von etwa 12%, während die Kurve eine Alterung von etwa 30% zeigt.
• Das bekannte Material, wie auch andere bisher sich auf den Markt befindlichen Materialien zeigt nicht die gleiche Konstanz wie das neue Material hinsichtlich des Anwachsens des elektrischen Widerstandes pro Zeiteinheit, was durch ihre vergleichsweise große Porösität bedingt ist. Das neue iiaterial hat eine sehr niedrige Gesauitporosität, die kleiner als 3 Volumenprozente und vorzugsweise kleiner als 1 Volumenprozent ist.
• Eine Bedingung zum Erreichen einer derartig niedrigen Porösität ist, daß die Siliziumcarbid-Struktur aus sehr kleinen Teilen aufgebaut ist, die innerhalb eines Bereichs von wenigen Mikron bis zu einem Bruchteil von einem Millimeter, vorzugsweise bis zu einer Teiler-Maschengröße von 325 oder 44 Mikron reicht.
• Die an das neue Material zu stellenden Forderungen sind dementsprechend relativ groß, wie z.B.: Bei Ofentemperaturen unterhalb von 155000 und einem kontinuierlichen Betrieb soll das Widerstandsolement einen elektrischen Widerstandsanstieg nach einer anfänglichen Betriebsdauer von höchstens 20 24-Stunden-Tagen haben, der konstant ist und in Prozent während einer Zeitdauer von 1000 Betriebsstunden gerechnet wird, wobei dieser Anstieg höchstens 15%' bei einer Ofentemperatur von 155000 und einer maximalen Abstrahlung von 4 W/cm2 und höchstens 5% bei einer Ofentemperatur von 142500 und einer Oberflächenabstrahlung von höchstens 8 Watt/cm2 beträgt.
• Die anfängliche Widerstandsänderung, die praktischen Betrieb während der ersten zwei bis drei Wochen auftritt, , ist gewöhnlich nicht so groß, daß sie irgendwelche praktischen Nachteile bedingt. In bestimmten Fällen kann es jedoch bevorzugt werden, diese anfängliche änderung zu vermeiden, um damit die Widerstandsänderungen während des Betriebes des Widerstandselementes genauer bestimmen zu können.
• Entsprechend eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird die se anfängliche Änderung annähernd oder ganz vermieden, werni das Element nach den Einsickerungsprozeß zuerst in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1300 biz 1600°C erhitzt wird.
• Die Erhitzungszeit wird dann entsprechend dem Brhitzungsgrad eingestellt. Die Zeit soll mindestens eine Stunde betragen und kann auf einem oder mehrere 24-Stunden-Tage ausgedehnt werden. Bei dieser Behandlung wird eine schnelle Alterung erzielt, die das Element auf Bedingungen umwandelt, die denen entsprechen, die nach einer anfänglichen Änderung während einer entsprechend längeren Zeit in Luft entsprechen.
• Nach dem Ende der ,Sauerstoffbehandlung wird die Oberfläche des Widerstandselementes mit einer dünnen Schicht aus Quarzglas bedeckt, die offensichtlich eine weitere Oxydation in Luft vermindert. Sind die Anschlüsse oder die Oberfläche des weißglühenden Bereichs mit einer dünnen Schicht von Siliziumcarbid bedeckt, so werden auch diese mit einem dünnen Film aus Quarzglas bei der Sauerstoffbehandlung bedeckt.
• Beispiel 1 Ein Widerstands element wird lurch einen elektrischen Strom bei 1400°C in Sauerstoff erhitzt und bereits nach 24 Stunden hat sich der Widerstand um 19% erhöht, wonach jedoch der Widerstand bei einer weiteren Erhitzung in Sauerstoff merklich nicht weiter ansteigt. Danach wurde das Widerstandselement be einer Temperatur von 145000 in Luft betrieben.
• Nach 14 24-Stunden-Tagen hatte sich der Widerstand nur un weitere 3,8% erhöht.
• Beispiel 2 Ein Widerstandselement wurde zuerst in Wasserstoff oder Argon bei einer Temperatur von 12000C und danach in Sauerstoff bei 1400°C während 14 Stunden erhitzt. Dann wurde das Element im praktischen Betrieb in einen Ofen bei 1400°C und bei einer Elementtemperatur von 1550°C geprüft. Während dar Erhitzungsdauer erhöhte sich der Widerstand sehr langsam, so daß nach 70 24-Stunden-Tagen die gesamte Alterung etwa 10,8% entsprach.
• Die besonderen Vorteile der Herstellung des Widerstandselementes 10 aus einem vorstehend beschriebenen Material werden durch bestimmte Verhältnisse in den Abmessungen des Widerstandselementes realisiert, so daß das neue Element n bereits bestehenden Öfen die herkömmlichen Elemente ersetzen kann.
• So wird z.B. ein herkömmliches Element als ein festes stangenförmiges Element ohne axiale Bohrung angenommen. Die folgenden Bezeichnungen werden zur Berücksichtigung dieser Parameter benutzt: a = die Wandstärke des Rohres und des leitenden Bandes in radialer Richtung w5 = der Abstand über und senkrecht zu benachbarten Windungen des Bandes 20 die Breite des leitenden Bandes 20, senkrecht zu diesem gemessen, b = ws/(wb+ws) d = der Außendurchmesser des rohrförmigen Elementes 10 und der Wendel 20 1 = die axiale Länge des wißglühenden Bereichs N = das Verhältnis der Oberflächen-Energieabstrahlung in Watt/mm2 für den weißglähenden Bereich 16 eines neuen Widerstandselementes, geteilt durch die entsprechende Oberflächen-Energiesbstrahlung eines herkönnlichen Widerstandselementes, A - der leitende Bereich des Bandes 20 des weißglühenden z Bereichs 16 At = der leitende Bereich der Anschlußleiterteile 12 und 14 P = At/Az r = der spezifische Widerstand bei 1500 0 des Materials des Widerstandselementes in Ohm-mm2/m S = die maximale mechanische Festigkeit des Elementes V = der Steigungswinkel der Längsachse des wendelförmigen Schlitzes, gemessen gegenüber einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Widerstandselementes 10 liegt.
• Falls erforderlich, gibt ein Index n an, daß die jeweiligen Eigenschaften zu einem neuen Widerstandselement mit einem wendelförmigen Band gehören, und ein Index o gibt an, daß die Eigenschaften zu einem bekannten Widerstandselement herkömmlichen Aufbaues gehören, die einen nicht unterbrochenen, gleichmäßigen Körper ohne Schlitze aufweisen.
• Da das neue Widerstandselement eine vergleichsweise diinne Rohrwand hat, wird für die folgenden Gleichungen angenähert, daß die Oberflächen-Energieabstrahlung des Elementes unabhängig von der Wandstärke ist. Da der Widerstand der Anschlußleiter 12 und 14 vergleichsweise niedrig ist, wird außerdem der Einfluß des Widerstandes der Anschlußleiter vernachläßigt im Vergleich zu dem relativ großen Widerstand des weißglähenden Bereichs.
• Die Gesautlänge L des wendelförmigen Bandes ist: L =. n (1) sin V Der elektrisch leitende Querschnitt in den Anschlußleitern At für ein dünnwandiges Rohr wird durch die Gleichung gegeben; At = a # (dn-a) (2) während der elektrisch leitende Bereich des weißglühenden Bereichs Az für ein dünnwandiges Rohr durch die folgende Uvlegung gegeben ist. Ein Steigungswinkel V ergibt für jede vollständige Windung der Wendel einen Zuwachs von # (d-a)tg V, der in koaxialer Richtung gezählt wird. Wird dieser Zuwachs auf eine Gerade projiziert, die senkrecht zum leitenden Band angeordnet ist, so entspricht dieses # (d-a)tg V . cos V = # (d-a) sin V. Der entsprechende leitende Bereich ist daher durch die Gleichung gegeben: Az = a # sin V (l-b) (dn-a) (3) Wird die Gleichung (2) durch die Gleichung (3) dividiert und vereinfacht, so ergibt sich für das Verhältnis P: sin Vv (4) Der elektrische Widerstand eines Widerstandselementes wird durch die Beziehung gegeben: R = rL/A (5) Worden die Gleichungen (1) und (3) in die Gleichung (5) eingesetzt, so ergibt sich der Widerstand eines neuen rohrförmigen Elementes 1?n mit einem wendelförmigen Band zu: rl @ @ Rn = (6) a # sin2V (l-b) (dn-a) Wird die Gleichung (5) für den Widerstand Ro für ein herkömmliches, festes, stangenförmiges Widerstandselement aufgelöst, so ergibt sich die Gleichung: 4 rolo Ro = (7) #do2 Wird die Oberflächen-Energieabstrahlung des neuen Widerstandselementes gleich der des alten Widerstandselementes gemacht, so ergibt sich der Ausdruck: lnN #d(nl-b2) = #dolo (8) wobei der Paktor (l-b2) die verminderte Strahlungsfläche angibt, die sich durch das Schneiden des wendelförmigen Schlitzes ergibt Diese Verminderung ist nicht so groß, wie sie allein durch die Verminderung der Außenfläche des wendelförmigen Bandes erwartet werden kann, da die Innenflächen des Bandes, die der Längsachse gegenüberliegen, im gewissen Grade durch die gegenüberliegenden offenen Schlitze ebenfalle Energie abstrahlen.
• Nach Vereinfachung und Gleichsetzung von 1o mit ln, ergibt sich: dn 1 (9) do N(l-b2) Gleiche Widerstände sowohl für das alte als auch für das neue Widerstandselement worden erhalten, wenn die Gleichung (6) gleich der Gleichung (7) gesetzt wird, und, nach dem Auflösen der Gleichung (9) nach do, do ersetzt wird, so daß sich ergibt: rnln 4 rolo = (10) a # sin2V (l-b)(dn-a) # N2 dn2 (l-b2)2 Diese ergibt nach Vereinfachung: Für eine gegebene Zusammensetzung des alten und neuen Widerstandselementes und für gegebene Abmessungsparameter des alten Elementes können die vorstehenden Gleichungen so auf gelöst werden, daß das neue Element einen elektrischen Widerstand und eine Oberflächen-@nergieabstrahlung hat, die gleich der des alten Elementes sind. Da der Ausdruck in der Gleichung (11) zwisdchen 1.00 und 1.09 für Wert@ vo@ b zwischen etwa 0,1 bis 0,5 fällt und einen maximalen Wert von 1,09 bei b = 0,33 hat, können Werte b von etwa 0,1 bis 0,5 ohne Materialänderungen für den Wert der Gleichung (11) gewählt werden. Der Wert für rn/rO ist eine Eigenschaft der benutzten Materialien, die nicht merklich geändert werden kann Is-t z.B. rn/ro konstant und gleich 0,015, so wird der Ausdruck dn/a gleich 9 angenommen und der Wert von N wird gleich 1,5 gesetzt, so daß dann die Gleichung (11) nach sin V aufgelöst werden kann zu: Die folgende Tabelle gibt verschiedene Kombinationen von b und sin V für ein Widerstandselement 10 an, das Ausgangsleistungen und Widerstände aufweist, die gleich denen eines herkömmlichen Elementes sind, das die zuvor angenommenen Werte für rn/rO und n erfüllt. Die entsprechenden Werte für P und das Verhältnis dn/do sind ebenfalls in der Tabelle angegeben.
• b sin V P dn/do 0,1 0,305 3,64 0,675 0,2 0,314 3,99 0,695 0,3 0,318 -4,50 0,730 0,33 0,320 4,70 0,750 0,4 0,317 5,26 0,795 0,5 0,310 6,45 0,890 Die maximale Belastung, die von dem Element 10 während seiner Lebensdauer ausgehalten werden muß, hat ebenfalls eine bestimmte Wirkung auf die Abmessungseigenschaften des Elementes. Die grundsätzliche Betriebsbelastung ergibt sich aus dem Gewicht des weißgluhenden Bereichs 16, da das Element 10 jeweils an seinen Anschlußleitern 12 und 14 an jeden Ende getragen wird, wobei der weißglühende Bereich die beiden Widerlager überbrückt. Werden die Anschlußleiter locker in keramischen Büchsen in der Ofenwand gehalten und angenommen, daß die Bruchbelastung im schlimmsten Fall am kleinston Querschnitt des leitenden Bandes 20 des weißglühenden Bereichs 16 auftritt, so ist die durch das Gewicht mg des weißglühenden Bereichs bedingte Belastung S durch folgende Gleichung gegeben: 2 mgl S = (13) 3 a2wb die sich vereinfachen läßt zu 12 S = IC - (14) a sin V Der Wert der Konstanten K ist eine Funktion des spezifischen Gewichts des das Element 10 bildenden Materials und für ein Material mit einem spezifischen Gewicht von etwa 4,0 g/cm) beträgt diese Konstante K etwa 2,7 x 10 G, Für ein erfindungsgemäß ausgebildetes neues Widerstandselement mit einer radi.alen Dicke a von 2,5 mm und einer Länge 1 von 500 mm wurde die Belastung 5 bei 0,84 k@/mm2 festgestellt, was selbst bei hohen Temperaturen einen ausreichend niedrigen Wert darstellt. Der Durchmesser dn für dieses Element betrug 22 mm, während der Abstand WS zwischen den Windungen des Bandes 6,5 mm betrug.
• Es können viele Änderungen der zuvor erwähnten Abmessungsparameter vorgenommen werden, obwohl immer noch die Vorteile und Merkmale der Erfindung erhalten bleiben. Bestimmte bevorzugte Bereiche für diese Änderungen wurden aufgestellt, nachdem die Wirkungen jeder Veränderung auf das Widerstandselement insgesamt festgestellt wurden.
• Aus Herstellungsgründen wird das Verhältnis dl/a zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke des weißglühenden Bereichs 16 des neuen Widerstandselementes innerhalb eines Bereiches zwischen etwa 8 und 12 festgelegt, obwohl jedoch festgestellt wurde, daß Werte für dieses Verhältnis zwischen etwa 6,5 und 15 immer noch voll befriedigend sind.
• Die Gleichung (14) zeigt, daß die Belastung abnimmt, wenn der Wert für sin V ansteigt, so daß damit die Beständigkeit des Elementes für höhere Werte von sin V anwächst. Da jedoch die Werte für sin V und das Breitenverhältjnis b Funktionen voneinander sind, wie dieses aus der Gleichung (12) zu ersehen ist, können die Abmessungsbereiche für sin V nicht ohne Berücksichtigung des Wertes b festgelegt werden. Da andererseits das Gesamtgewicht des weißglühenden Bereiches 16 für jedes Kilowatt von Ausgangsenergie umgekehrt proportional sin2V ist und sin2V sich sehr wenig ändert, wenn das Verhältnis b sich zwischen 0,1 und 0,5 ändert, ist das Gewicht und die Ausgangsleistung des Elementes nahezu unabhängig vom Verhältnis b, wenn b sich zwischen 0,1 bis 0,5 ändert.
• Andererseits vermindert eine Vergrößerung des Wertes b die Gefahr eines elektrischen Überschlages, der ein überhitzen und eine Verunreinigung des weiglühenden Bereiches des Elementes bewirken kann und außerdem bewirkt, daß der Durchmesser des neuen Elementes (dn) ) nahezu den Durchmesser eines herkömmlichen Elementes do erreicht so daß das Verhältnis d sich 1 nähert. Der Wert für das Bereichsverhältnis P hängt ebenfalls hauptsächlich direkt von dem Wert für das Breitenverhältnis P ab, wie dieses aus der Gleichung (4) zu erkennen ist, in Verbindung mit dem relativ konstanten Wert von sin V für b innerhalb des Bereiches von 0,1 bis 0,5.
• Es wurde festgestellt, daß das Bereichsverhältnis P mindestens so niedrig wie 4,7 sein kann und daß bei einem Ersatz eines gegebenen Silikoncarbid-Elementes durch ein neues Element gleicher Länge, gleicher Ausgangsleistung und gleichen elektrischen Widerstandes, das Durchmesserverhältnis dn/do zufriedenstellend bei etwa 0,75 liegen könnte. Durch Benutzung dieser Zahlenwerte kann ein Widerstandselement aus der zuvor erwähnten Tabelle ausgesucht werden, bei dem das Verhältnis b bei etwa 0,33 und der Wert für den Winkel V bei etwa 18,7 ° liegt.
• Es wurde ebenfalls festgestellt, daß der Ausdruck NVrnro im Bereich von etwa 0,123 bis 0,274 liegen kann. Durch Einsetzen dieser Bereiche in die Gleichung (11) wurde festgestellt, daß das Verhältnis im Bereich von etwa 7,3 bis 16,3 und vorzugsweise im Bereich von etwa 8,1 bis 14,7 liegen kann.
• Um die erfindungsgemäßen Widerstandselemente näher zu erläutern, werden zwei Ausführungsbeispiele beschrieben.
• Beispiel 1: Ein Element mit einer Zusammensetzung von 35 Volumenprozent von Molybdsidicid, wobei das übrige Volumen Silizimcarbid ist, wurde mit einem weißglühenden Bereich von einer Länge 1 von 150 mm und einem Durchmesser d von 22 mm @@fgebaut. Die Wandstärke a betrug 2,5 mm und der Steigungswinkel V wp-35°. Das Verhältnis b war gleich 0,1. Bei der Prüfung bei einer Spannung von 6,1 Volt betrug der Strom 190 Amp.
• Beispiel 2: Ein rohrförmiges Widerstandselement. mit einer Zusammensetzung von 32 Volumenprozent von Molybdänsilicid und dem übrigen Bestandteil in Form von Siliziumcarbid hatte einen Außendurchmesser d von 32 mm und eine Wandstärke a von 3,5 Pam.
• Der Steigungswinkel V betrug 180, während die Länge des weiß glühenden Bereichs 1 1000 mm war. Die relative Breite b des Abstandes zwischen den Windungen entsprach 0,25. Das Widerstandselement wurde bei 155000 betrieben, die bei einem Strom von 110 Ampere bei einer Spannrn:tg von 70 Volt über den Anschlußleitungen erzeugt wurde.
• Ein unerwartetes Ergebnis der Ionstruktion eines geschlitzten Widerstandsolementes 10 liegt dar. in, daß das Widerstandselemeint eie bemerkenswert bessere Beständigkeit gegenüber mechanischem Verschleiß bei einem relativ niedrigeren Gewicht hat.
• Obwohl der genaue Grund für diesen Anstieg der Beständigkeit bisher nicht vollständig erkannt wurde, wird angenommen, daß er durch die größere Elastizität der schlankeren Konstruktion und der höheren Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Stößen und Schwingungen bedingt ist.
• In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des neuen Widerstandselementes dargestellt, bei dem das Widerstandselement 22 zwei Anschlußleitungen 24 und 26 und zwei mit Abstand zueinander angeordnete weißglühende Bereiche 28 und 30 hat, die axial voneinander durch ein mittleres Rohrglied 36 getrennt sind, das eine nicht eingeschnittene zylindrische Fläche hat.
• Falls gewünscht, können, obwohl dieses nicht gezeigt ist, die Schlitze 32 und 34 in entgegengesetzten Richtungen weisende Steigungswinkel haben. Infolge des größeren Leitungsquerschnittes ist das Mittelglied 36 etwas kühler während des Betriebes und mechanisch fester als die weißglühenden Bereiche 28 und 30. Dieses beides verstärkt das gesamte Widerstandselement 22 da die größten mechanischen Belastungen in Mittenteil des Elementes auftreten und bewirkt einen gleichmäßigeren Wärmegradienten in Längsrichtung für das Element 22.
• Eine weitere Ausführungsform eines Widerstandselementes ist in Fig. 6 dargestellt. Das rohrförmige Widerstandselement 33 ist einstückig hergestellt und weist ein Pear elektrisch isolierte Anschliißleiter 40 und 42 auf, die an gleichen Ende 44 des Elementes 33 angeordnet sind. Ein Paar von wendelförmigen Schlitzen 46 und 48 erstrecken sich in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander, um ein Paar leitender Bänder 50 und 52 über den weißglühenden Bereich 54 des Elementes 38 zu bilden. Die leitenden Bander 50 und 52 sind mit den Anschlußleitungen 40 und 42 jeweils verbunden.
• Ein Verbindungsteil 56 am anderen Ende 58 des rohrförmigen Elementes 38 wird nicht eingeschnitten, um eine elektrische Verbindung zwischen den leitenden Bändern 50 und 52 zu bewirken. Eine an die Anschlußleitungen 40 und 42 gegebene Spannung erzeugt daher einen Strom, der in Serie durch die leitenden Bänder 50 und 52 und den Verbindung-steil 58 hindurchgeht, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß alle elektrischen Verbindungen an einem Ende des Elementes 38 hergestellt werden können. Da das Widerstandsmaterial des Elementes 38 einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die herkömmlichen Materialien für Widerstandselemente hat, die in erster Linie Siliziumcarbid sind, ist die Gefahr eines eleirtrischen überschlages im Widerstandselement 38 auf annehmbare Grenzen beschränkt.

Claims (14)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Elektrisches Widerstandselement für hohe Temperaturen mit einem durch ein leitendes, die Form einer Wendel aufweisendes Band gebildeten weißglühenden Bereich und einem Paar von mit diesen Bereich verbundenen Anschlußleitern, dadurch g e L e n n z e i c h n e t , daß der weißglühende Bereich aus einer Struktur rekristallisiertem Siliziumcarbid mit einem schwer schmelzbaren,'metallisch leitenden Zusatz aus Molybdänsilicid gebildet ist, wobei der Zusatz mindestens 20 und höchstens 50 Volumenprozente des Materials bildet, der weißglühende Bereich eine Porösität von höchstens etwa 3 Volumenprozent hat und das Verhältnis d/a des Außendurchmessers d der Wendel des weißglühenden Bereichs und der radialen Dicke a des Bandes im weißglühenden Bereich von 6,5 bis 15 liegt.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1., dadurch g e -k e n n z e i zu c h n e t , daß das Verhältnis d/a innerhalb des Bereichs von etwa 8 bis 12 liegt.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis b der Breite des Abstandes W5 zwischen nebeneinanderliegenden Windungen des Bandes (20,50,52) geteilt durch die Breite WD des Bandes zuzüglich der Breite dises Abstandes innerhalb eines Bereiches von etwa 0,1 bis 0,5 liegt, wobei sowohl die Breite des Abstandes als auch die Breite des Bandes in einer die Längsachse des Schlitzes (18,32,46,48) aufweisenden Ebene gemessen sind.

4. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t- s daß aer rohrenförmige weißglühende Bereich (1G) zwei einander gegenüberliegende Enden und nur ein einziges wendelförmiges Band (20) hat, daß einer der Anschlußleiter (12,14) lt dem einen Ende des weißglühenden Bereiches und der andere mit dem anderen Ende des weißglühenden Bereichs verbunden ist und daß die Anschlußleiter eine nicht eingeschnittene zylind@ische Oberfläche haben und einstückig niet und aus dem gleichen Material wie der weißglühende Bereich gebildet sind.

5. Widerstandselement nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Anschlußleiter (12,14) mit einer dünnen, oberflächigen Schicht versshen sind, die im wesentlichen aus Siliziumcarbid besteht.

6. Widerstandselement nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht aus Silliziumcarbid mit einer dünnen Siliziumdioxidschicht beschichtet ist.

7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere weißglühende Bereichs-Bänder (28,30) in Form einer rohrförmigen Wendel vorgesehen sind und daß mindestens ein Mittenteil (36) mit einer nicht eingeschnittenen zylindrischen Fläche vorgesehen ist, die jeden der weißglühenden Bereiche In Abstand voneinander hält.

8. Elektrisches Widerstandselement für hohe Temperaturen, g e k e n n z e i c h n e t durch einen röhrenförmigen, weißglühenden Bereich (54) mit zwei Enden (44,58) und mindestens zwei wendelförmigen, leitenden Bändern (50,52), die sich zwischen den Enden in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander erstrecken, durch ein elektrisches Verbindungsstück (56) zur Verbindung der Bänder an einem Ende (58) des weißglühenden Bereichs und durch mindestens zwei Anschlußleiter (40,42), die elektrisch an dem anderen EiMe (44) des weißglühenden Bereichs mit den leitenden andern verbunden sind, wobei der weißglühende Bereich eine Struktur rekristallisiertem Siliziumcarbid mit einen schwer schmelzbaren, metallisch leitenden Zusatz aus Molybdänsilicid hat und der Zusatz von mindestens 20 und höchstens 50 Volumenprozenten dieses materials gebildet ist und der weißglühende Bereich eine Porösität von höchstens etwa 3 Volumenprozenten hat.

9. Widerstandselement nach Anspruch 8, dadurch g e -k e n n s e i o h n e zu t 9 daß das Verbindungsstück (56) und die Anschlußleiter (40,42) aus dem gleichen Material wie der weißglühende Bereich (54) und einstückig mit diesem hergestellt sind.

10. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t 9 daß die Siliziumcarbid-Struktur aus Teilchen mit einer Größe aufgebaut i'.st, die innerhalb eines Bereiches von wenigen Mikron bis zu einem Bruchteil eines Millimeters liegen.

11. Widerstandselement nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die obere Grenze dieses Bereiches 44 ilikron ist.

12. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß während eines kontinuierlichen Betriebes in Luft nach einer ursprünglichen Vorbehandlungszeit in Luft von höchstens 480 Stunden ein konstantes Anwachsen des elektrischen Widerstandes in Prozent während einer Zeitdauer von 1000 Betriebsstunden in Luft auftritt, der höchstens 15% bei einer Ofentemperatur von 1550°C und einer maximalen Oberflächenabstrahlung von 4 Watt/cm2 und höchstens 5% bei einer Ofentemperatur von 1425°C und einer Energieabstrahlung von höchstens 8 Watt/cm2 liegt.

15. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß während eines kontinuierlichen Betriebes in Luft nach einer ursprünglichen Oxydations-Vorbehandlungszeitdauer in einer Sauerstoffatmosphäre bei 1300 biz 1600°C für mindestens eine Stunde ein konstantes Anwachsen des elektrischen Widerstandes in Prozent während einer Zeitdauer von 1000 Bewriebsstunden in Luft auftritt, wobei dieses Anwachsen höchstens 15% bei einer Ofentemperatur von 1550°C und einer maximalen Energieabgabe von 4 Watt/cm2 und mindestens 5% bei einer Ofentemperatur von 1425°C und einer Energieabgabe von höchstens 8 Watt/cm2 beträgt.

14. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß nach dem Einsickern des leitenden Zusatzes das Widerstandselenent einer Voroxydations-Behandlung in Sauerstoff während mindestens einer Stunde bei einer Temperatur im Bereich von 1300 bis 160900 ausgesetzt ist.

L e e r s e i t e