DE3636448A1 - Elektrischer widerstandsofen zur erzeugung hoher temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch beheizten Widerstandsofen für hohe Temperaturen und insbesondere auf das Heizelement selbst.

Es ist bekannt, daß sich mit Hilfe elektrischer Widerstandsöfen hohe Temperaturen erreichen lassen. Dabei fließt ein elektrischer Strom durch einen als Heizkörper ausgebildeten Ohm′schen Widerstand und die elektrische Leistung wird dabei größtenteils in Wärme umgewandelt. Als Heizleiter kommen einige Metalle wie Molybdän, Tantal, Platin, oder Keramik, oder Graphit in Betracht.

Maßnahmen zur Steigerung der erzielbaren Temperatu­ ren beruhen auf einer Erhöhung der elektrischen Stromdichte. Der trivialen Erhöhung der Stromstärke sind durch den noch vertretbaren Energieaufwand wirtschaftliche und das maximale Gewicht der Zulei­ tungen technische Grenzen gesetzt. Die andere Mög­ lichkeit, die elektrische Stromdichte zu steigern, besteht darin, den stromdurchflossenen Querschnitt zu verkleinern.

Die vorliegende Erfindung zielt auf einen im we­ sentlichen rohrförmigen Widerstandsofen mit ent­ sprechendem Heizkörper, der geeignet ist, insbeson­ dere rohr- und stabförmiges Material zu erhitzen.

Das Hauptaugenmerk ist bei derartigen Heizvorrich­ tungen darauf zu richten, daß das aufzuheizende Gut gleichmäßig erhitzt wird. In vielen Anwendungsfäl­ len ist es zudem erforderlich, die eingestrahlte Heizleistung gezielt nur einem definierten, be­ grenzten Bereich aufzuprägen. Erreicht wird dies durch die Ausbildung eines Teiles des Heizelementes als Heißzone.

In einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik (DE-OS 25 25 809) wird durch Verringerung der Wand­ dicke des rohrförmigen Heizelementes eine solche Heißzone geschaffen. Dabei ist die Änderung des elektrischen Widerstandes proportional der rezipro­ ken Wanddicke.

Zur Erreichung hoher Temperaturen sind bei dieser Ausführungsweise allerdings sehr dünne Heizelement­ wandungen erforderlich. Es ist bekannt und wird zudem durch eigene Versuche bestätigt, daß solche Heißzonen bei höheren Temperaturen als 1500°C und längerer Betriebszeit durchbrennen. Obendrein tre­ ten schon bei niedrigeren Temperaturen erhebliche Festigkeitsprobleme auf. Zudem kann die Wärmeüber­ tragung vom Heizelement an das Heizgut ausschließ­ lich durch Strahlung vonstatten gehen.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß - ausgehend von einer minimalen Wand­ dicke des Heizelementes - große axiale Temperatur­ gradienten nur durch eine entsprechende Vergröße­ rung der Wanddicke in den kühleren Gebieten reali­ siert werden können. Aufgrund der dann relativ großen Wanddicke entstehen starke thermische Span­ nungen zwischen Innen- und Außenmantel des Heizele­ mentes. In DE-OS 25 25 809 werden als Abhilfemaßnahme nicht durchgehende, axiale Dehnungsschlitze an der Außenseite des Heizelementes angebracht. Es bleibt jedoch der Nachteil bestehen, daß die größeren Abmessungen des Heizelementes eine Vergrößerung der gesamten Heizvorrichtung und damit ein erhöhtes Gewicht nach sich ziehen, ein Nachteil, der sich insbesondere bei verfahrbaren Heizvorrichtungen negativ bemerkbar macht.

In einer weiteren Vorrichtung nach dem Stand der Technik ( EPA 00 80 013 A 1) werden mäanderförmige Heizelemente eingesetzt. Ein wesentlicher Nachteil solcher Heizelemente besteht darin, daß sich keine axialen Temperaturgradienten in der Heizzone erzie­ len lassen. Außerdem ergibt sich durch die die Festigkeit stark herabsetzende Formgebung die An­ fälligkeit gegenüber mechanischer Beschädigung. Diese Heizelemente müssen häufig ausgewechselt werden. Durch die beschriebene Vorrichtung nach dem Stand der Technik, dessen Heizzone segmentartig aus den beschriebenen Heizelementen zusammengesetzt ist, soll die Auswechselung einzelner, defekt ge­ wordener Segmente erleichtert werden. Eine Steige­ rung der Betriebssicherheit ist nicht angestrebt.

Eine Verbesserung stellt eine mehrstöckige Heizvor­ richtung nach dem Stand der Technik nach DE-OS 33 28 431 A 1 dar, in der ebenfalls mäanderförmige Heizelemente eingesetzt werden, deren Temperatur etagenweise separat eingestellt werden kann. Neben dem hohen Fertigungs- und Installationsaufwand macht sich auch der durch die Komplexität der Appa­ ratur erforderliche Platzbedarf negativ bemerkbar, der einige Anwendungsmöglichkeiten von vornherein ausschließt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Widerstandsofen zur Erzeugung hoher Temperaturen bereitzustellen, der sich neben einer erhöhten Betriebssicherheit durch geringen Ferti­ gungs- und Installationsaufwand sowie hohe Flexibi­ lität bei der Anpassung an unterschiedliche Heizan­ forderungen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Widerstandsofen gelöst, der sich aus äußerer Hal­ terung und dem eigentlichen Heizelement zusammen­ setzt. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und des Wartungskomforts ist das Heizelement aus einem Stück gefertigt. Die Halterung übernimmt die Ge­ währleistung der mechanischen Festigkeit, die An­ schlüsse für die Stromversorgung, die Anschlüsse für eine Inertgasbeaufschlagung, die Abschirmung der Wärmestrahlung sowie Anschlüsse zum Einbau in eine Verfahreinrichtung für Sonderanforderungen wie zum Beispiel die Herstellung von Glasfaservorformen für Lichtwellenleiter.

Durch die funktionale Trennung der beiden Komponen­ ten ist es möglich, die Halterung universell einzu­ setzen und nur durch eine geänderte Ausführung des Heizelementes die Anpassung des Ofens an diverse Einsatzbedingungen zu bewerkstelligen.

Neben den bereits oben erwähnten Heizelement-Mate­ rialien bietet sich insbesondere Graphit durch seine leichte Bearbeitbarkeit und die günstige Kostensituation an.

Die erfindungsgemäßen, rotationssymmetrischen Heiz­ elemente werden axial elektrisch durchströmt und zeichnen sich in der Heißzone durch axiale Längs­ schlitze aus, die den durchströmten Querschnitt reduzieren und so die elektrische Stromdichte und damit die auf die Reizfläche bezogene Reizleistung der verbleibenden Stege erhöhen.

Durch die Länge der Längsschlitze läßt sich auf einfache Weise die Ausdehnung der Heißzone variie­ ren. Durch die Anzahl und die Breite der Längs­ schlitze läßt sich die Oberflächentemperatur des Heizelementes in der Heißzone einstellen. Zur wei­ teren Steigerung der Wärmeabgabe kann ein Inertgas von außen radial durch die Längsschlitze strömen und so dem Strahlungswärmetransport einen konvekti­ ven Wärmetransport von den Stegen des Heizelementes zum Heizgut hinzufügen.

Ausdrückliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, Hochleistungs-Graphitwiderstandsöfen für den Herstellungsprozeß von Vorformen für opti­ sche Wellenleiter zur Verfügung zu stellen. Haupt­ anwendungsgebiet sind dabei das MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapor Deposition) und seine Weiterentwicklungen.

Außerdem eignen sich solche Öfen als Faserziehofen für verschiedene Einsatzgebiete.

Die obigen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vor­ teile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen und den dazugehörigen Beschreibungen und Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Heizelement nach dem Stand der Technik mit axialer Änderung der Wanddicke

Fig. 2 eine Heizvorrichtung nach dem Stand der Technik mit mäanderförmigem Heizelement

Fig. 3 einen Heizer vom Stapeltyp nach dem Stand der Technik mit mäanderförmigen Heizseg­ menten

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung be­ stehend aus Halterung und Heizelement

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Graphitwiderstands- Heizelement mit axialen Längsschlitzen

Fig. 6 ein Schnitt durch die Heißzone eines erfindungsgemäßen Heizelementes

In Fig. 1 ist ein Heizelement 1 nach dem Stand der Technik dargestellt, welches rotationssymmetrisch ist und eine Variation der Wanddicke in axialer Richtung aufweist. Durch die Formgebung entsteht am Ort geringer Wanddicke eine Heißzone 3, die die eigentliche Hochtemperatur-Heizzone des axial durchströmten Widerstandsofens bildet. Zu den plan­ parallelen Stirnflächen 5 hin nimmt die Wandstärke stark zu. Dehnungsschlitze 7 sollen Thermospannun­ gen vorbeugen. Die Dehnungsschlitze 7 werden aller­ dings nicht zur gezielten Beeinflussung der ange­ strebten Temperaturprofile eingesetzt.

Ein weiteres Beispiel für ein Heizelement aus Gra­ phit nach dem Stand der Technik gibt Fig. 2 wieder. Ein solches, kreissegmentförmiges Heizelement 9, das sich zu einem ringförmigen Heizer zusammenset­ zen läßt, besteht aus dem Segment eines Kreiszylin­ dermantels, in das wechselseitig nicht durchgehende Schlitze 11, 13 gefräst werden, so daß ein mäander­ förmiges Heizelement 9 entsteht. Um einen Ringofen aufzubauen, sind Anschlußstücke 15 erforderlich, die mit Bohrungen 17 für die Verschraubung mit jeweils zwei Heizelementen 9 versehen sind und eine weitere Bohrung 19 für eine Schraubverbindung mit der hier nicht dargestellten elektrischen Strom­ quelle aufweisen. Demzufolge werden die Heizelemen­ te mäanderförmig elektrisch durchflossen und keine axialen Temperaturprofile im Heizgebiet angestrebt.

Fig. 3 zeigt die Konfiguration von mäanderförmigen Heizsegmenten 21 zu einem mehrstöckigen Heizer 23 vom Stapeltyp in einem Heizer-Haltekäfig 25, der seinerseits aus ringförmigen Graphitgliedern 27 und graphitischen Stützsäulen 29 besteht. Auf Grund des hohen Fertigungs- und Installationsaufwandes ist die Verwendung zusammensetzbarer Heizsegmente auf große Heizvorrichtungen und entsprechende Anwen­ dungsfälle begrenzt.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung dargestellt. Das graphitische, zylindrische Heize­ lement 31 wird zwischen den Halterungen 33, 35 eingespannt, die auch über die hier nicht gezeigten elektrischen Anschlüsse verfügen und durch isolier­ te oder isolierende, zum Beispiel keramische Stütz­ stäbe 37 verbunden sind. Die Halterungen 33, 35 werden teilweise von den Halterungsmänteln 39, 41 umschlossen, die mit Wasseranschlußstutzen 43 ver­ sehen sind. Dadurch kann eine Wasserkühlung der Halterungen 33, 35 erfolgen. Zur Abschirmung der Ofenstrahlung ist das Mittelteil des Heizelementes 31 von einem Keramik-Zylinder 45 umschlossen. Die thermische Isolierung nach außen wird durch eine Keramikfasermatte 47 vervollständigt. Die Abschir­ mung des Heizelementes 31 in axialer Richtung er­ folgt über Gewindehülsen 49, die ebenfalls mit nicht gezeigten Fasermatten den Spalt zwischen zu beheizendem Heizgut 51, zum Beispiel einem Glasrohr und der Gewindehülse 49 ausfüllen und so das Heize­ lement 31 gegen die Umgebung abschirmen. Zur Beauf­ schlagung des Heizelementes 31 mit einem Inertgas­ strom ist die untere Halterung 35 mit Inertgas­ stutzen 53 versehen.

Wie Fig. 5 zeigt, ist das Heizelement 31 mit axialen Längsschlitzen 55 versehen, die in dem zwischen den Anschlußkonussen 57 befindlichen, axial elektrisch durchströmten, verbliebenen Stegen 59 die Strom­ dichte stark erhöhen, so daß gesteigerte Tempera­ turen in dieser sogenannten Heißzone hervorgerufen werden.

Fig. 6 verdeutlicht, daß mit Hilfe der Inertgasbe­ aufschlagung 53 Wärme von außen durch die Längs­ schlitze 55 des Heizelementes 31 an das von diesem umschlossene Heizgut 51 konvektiv übertragen werden kann. Damit dient das Inertgas neben einem Schutz des graphitischen Heizelementes 31 einer verbesser­ ten Wärmeabfuhr an das Heizgut 51.

Das folgende Ausführungsbeispiel belegt die hohe Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Heizvor­ richtung, ohne jedoch die Leistungsgrenzen anzuge­ ben.

Eine Heizvorrichtung nach Fig. 4 wurde für die Simu­ lation eines vertikalen MCVD-Prozesses zur Her­ stellung von Glasfaservorformen für optische Wel­ lenleiter in eine Verfahreinrichtung eingebaut und die mit einem Heizelement nach Fig. 5 und Fig. 6 erzielten Temperaturen und Temperaturprofile im obigen Prozeß experimentell ermittelt. Als Heizgut wurde, dem simulierten Prozeß entsprechend, ein Heralux-Quarzglasrohr der Firma Heraeus Quarz­ schmelze GmbH, Hanau mit den Abmessungen 040×1,8×1000 verwendet und die Temperaturen auf der Rohrinnenwand des Quarzrohres, an dem entlang die Heizvorrichtung verfahren wurde, gemessen.

Bei einer Leistungsaufnahme von 16 kVA und einer Inertgasbeaufschlagung von 4 l Stickstoff / min wurde bei einer dem Vorbild entsprechenden Ofenver­ fahrgeschwindigkeit von 20 cm/min die angestrebte Temperatur von 2000 K erreicht. Noch höhere Tempe­ raturen konnten mit Rücksicht auf den Er­ weichungspunkt des Quarzglases nicht angefahren werden.

Claims (7)

1. Elektrischer Widerstandsofen zur Erzeugung hoher Temperaturen dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Strom­ dichte in dem axialsymmetrischen und axial durchströmten, im wesentlichen rohrförmigen Wider­ standskörper aus Graphit oder keramischem Material durch die Anbringung axialer, über den Umfang ver­ teilter Schlitze, die sich nicht über die ganze Ofenlänge erstrecken, sondern wenige Zentimeter vor den Stirnflächen des Widerstandskörpers enden, in den verbleibenden, elektrisch durchströmten Stegen stark erhöht wird und dadurch wesentlich gesteiger­ te Ofentemperaturen hervorgerufen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung und die Formgebung der stromdurchflossenen Stege - insbesondere hinsichtlich Länge und Breite - vorge­ gebene Temperaturprofile erzielt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch symmetrische Anordnung der Längsschlitze über den Umfang kon­ stante Temperaturen in azimutaler Richtung erzeugt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch unsymmetrische Anordnung der Längsschlitze über den Umfang Tempe­ raturgradienten in azimutaler Richtung erzeugt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung des Wärmeüberganges von der Heizvorrichtung an das zu beheizende Objekt ein von außen radial durch die Schlitze geführter, geeigneter Gasstrom zusätzlich eine konvektive Wärmeübertragung hervorruft.

6. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der axia­ len Temperaturgradienten eine lokale Kühlung des Widerstandskörpers mittels geeigneter Fluide vorge­ sehen wird.

7. Halterung gekennzeichnet durch seine Bestimmung zur Aufnahme der Heizelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 6.