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Verfahren zur Herstellung von Heizkörpern von elektrisch beheizten
Gefäßen und Widerständen, bei denen ein Widerstandsmaterial in ein keramisches Schutzmaterial
eingelegt ist Für die Erzeugung vonWärme aus elektrischer Energie verwendet man
im allgemeinen Widerstände aus Metalldrähten, die meistens aus nickelhaltigen Legierungen
bestehen. Sie gelangen in schraubenliniger Form zur Verwendung und werden frei oder
auf eine isolierende Unterlage gewickelt der Luft ausgesetzt. Solche Metallwiderstände
fallen je nach ihrer Beanspruchung einer mehr oder weniger raschen Zerstörung durch
Oxydation und Durchschmelzen anheim.
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Es sind auch nichtmetallische Heizelemente bekannt, die als leitendes
Material Siliciumcarbid enthalten und in Form von Stäben für Glühherde Verwendung
finden. Sie vertragen hohe Temperaturen, erleiden aber auf die Dauer derartige innere
Veränderungen, daß das betreffende Stück nach einiger Zeit ersetzt werden muß.
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Sowohl Drahtwiderstände als auch nichtmetallische Heizkörper können
nur dann zur Erhitzung von Flüssigkeiten verwendet werden, wenn sie durch eine Umhüllung
gegen jede Berührung mit der Flüssigkeit geschützt sind, denn die Flüssigkeit würde,
besonders wenn sie Salze oder Säuren enthält, an der Stromleitung teilnehmen, und
die dabei auftretenden elektrolytischen Wirkungen würden zu einer raschen Zerstörung
der Widerstände führen.
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Es sind zwar elektrische, als elektrische Heizkörper dienende Widerstände
bekannt geworden, bei denen in eine keramische Schutzmasse ein elektrischer Leiter
eingelegt wurde. Infolge der ungleich großen Ausdehnung der keramischen Masse und
des Leiters war eine innige Verbindung von Leiter und Schutzmasse unmöglich, ohne
daß die Schutzmasse rasch zerstört wurde.
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Gemäß dem neuen Verfahren wird in eine formbare keramische Masse ein
Kern aus einer ebenfalls formbaren oder plastischen Masse eingebettet, die so -beschaffen
ist, daß sie in ihrer keramischen Umhüllung gebrannt einen elektrischen Leiter bzw.
Widerstand bildet, dessen Ausdehnung in der Wärme derjenigen der keramischen Masse
nahekommt.
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Die Widerstandsmasse, d. h. die Masse, die nach dem Brennen den leitfähigen
Kern bildet, genügt den Anforderungen: x. Beim Trocknen und Brennen schwindet sie
ungefähr im gleichen Maße wie die umgebende keramische Masse.
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z. Sie erleidet in Berührung mit der keramischen Umhüllung bei den
hohen Temperaturen des Brennofens keine nachteiligen chemischen Veränderungen.
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3. Der Ausdehnungskoeffizient der beiden Materialien in gebranntem
Zustand stimmt ungefähr überein.
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Als Materialfür den leitenden Kern, das diesen Bedingungen in genügendem
Maße entspricht, verwendet man die Arten des Kohlenstoffs und
Siliciums
oder Mischungen von beiden unter Beifügung von Bindemitteln am besten in Form der
in der Keramik gebräuchlichen Rohstoffe und Flußmittel. Beispielsweise eignen sich
folgende Massen für Steinzeug: x. 6o Teile staubfein gepulvertes Silicium, 3o Teile
natürlicher, stark tonhaltiger Graphit, ro Teile Borsäure oder 2. 5o Teile Silicium,
5o Teile reiner, künstlicher Graphit oder 3. 7o Teile Silicium, 3o Teile Borsäure
oder q.. 8o Teile reiner Graphit, to Teile Steinzeugton, ro Teile Feldspat.
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Solche Gemische lassen sich in Pulverform mit Wasser zu einer knetbaren
Masse anrühren. An Stelle von Wasser können auch Lösungen, insbesondere Wasserglas,
Öle, Petrol oder andere organische Flüssigkeiten oder Teer verwendet werden.
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An Stelle von Graphit kann man eine ganze Reihe anderer kohlenstoffhaltiger
Produkte verwenden, wie Retortengraphit, Petrolkoks usw., oder Produkte, die bei
hoher Temperatur verkohlen. An Stelle des reinen Siliciums kann man reine Legierungen
verwenden. Als Zusätze kommen in Betracht Silicate, wie Tone, Kaolin, Feldspat,
Chamotte, Kieselsäure, ferner Flußspat, Borsäure, Borate, Siliciumcarbid, organische
Substanzen usw. Diese Zusätze verfolgen den Zweck, die Plastizität zu beeinflussen,
ein gutes Sintern beim Brennen und eine homogene Beschaffenheit der Kerne zu erzielen.
Man hat aber in diesen Zusätzen gleichzeitig ein Mittel, um den spezifischen Widerstand
zu verändern. Die Leitfähigkeit ist am größten bei einer Mischung mit viel Kohlenstoff,
sie wird um so geringer, je mehr nichtleitende Zusätze beigemengt werden. Sie kann
andererseits noch erhöht werden dadurch, daßman der Kernmasse ein Metallpulver,
z. B. Kupferbronze, oder ein solches Metalloxyd oder Salz beifügt, aus dem beim
Brennen in Gegenwart des Kohlenstoffs bzw. eines zugesetzten Reduktionsmittels das
Metall befreit wird.
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Die beschriebenen Kernmassen werden in feuchtem Zustand in den feuchten
Ton eingelegt und schwinden in ungefähr demselben Grade wie die umgebende keramische
Masse. Sie besitzen aber außerdem eine große chemische Widerstandsfähigkeit, es
findet bei Brenntemperaturen von r3oo bis 400' und darüber keine Reaktion des Kohlenstoffs
oder des Siliciums mit den umgebenden Silicaten statt. Es ist hingegen darauf zu
achten, daß sich oberhalb 1300' Silicium und Kohlenstoff, sofern sich beide
zugleich in der Kernmasse befinden, zu vereinigen beginnen unter Bildung von Siliciumcarbid,
das dann die Leitfähigkeit herabsetzt.
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Als keramisches Material verwendet man mit Vorteil Massen, die einen
dichten Scherben ergeben, wie sie z. B. für Steinzeug und Porzellan üblich sind.
Es können auch porige Massen, wie z. B. Steingut, verwendet werden, diese müssen
dann aber irgendeine dichte Schicht enthalten, sei es an der Oberfläche in Form
einer Glasur oder als Zwischenschicht zwischen der Oberfläche und dem Kern, oder
man muß dem Kern selbst eine dichte Struktur geben, sofern man nicht in reduzierendem
Feuer oder in mit Kohlen gefüllten Kassetten brennt.
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Um beispielsweise einen stabförmigen Heizkörper r herzustellen (vgl.
Abbildung), verfährt man am besten in folgender Weise Auf einer Röhrenpresse wird
aus der keramischen Masse ein dickwandiges Rohr z mit engen Lumen gepreßt und die
gewünschte Länge geschnitten. Dann wird es durch eine zweite Presse mit der Widerstandsmasse
2 ausgefüllt und an den Enden 3, q. mit einer Schicht aus keramischer Masse, die
auf dem Rohrende gut abbinden muß, zugarniert. Diese Kappe schützt die Widerstandsmasse
vor oxydierenden Einflüssen des Brennfeuers und wird nach dem Brennen durch Schmirgelscheibe
bis zur punktierten Linie abgeschliffen, um die Anschlußstellen freizulegen. Wie
in der Abbildung angedeutet, kann man die Enden 5, 6 mit einem größeren Querschnitt
ausbilden und eine besser leitende Masse verwenden, um eine starke Erhitzung der
Anschlußstellen beim Gebrauch zu verhindern. In einem Stab können mehrere solcher
Widerstandskörper nebeneinander in symmetrischer Anordnung liegen. Es können mehrere
Anschlüsse vorgesehen sein.
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Nach dem neuen Verfahren hergestellte Stäbe können als Heizkörper
in Gefäße, Trockenschränke, elektrische Ofen eingebaut werden und können in geeigneten
Formen und Dimensionen auch zur Beheizung von Räumen benutzt werden.
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Statt stabförmig könnte der Erhitzungskörper beispielsweise auch plattenförmig
ausgebildet sein, um als Einsatz in elektrische Bügeleisen, in Kochplatten Verwendung
zu finden. Die Widerstandsmasse kann dabei in Form einer Platte Verwendung finden.
Die Herstellungsart variiert mit dem Gegenstand, in den man den Widerstand einlegen
will, um ihn z. B. in einer Platte -oder Gefäßwandung anzubringen, zieht man in
dem betreffenden Formstück, das leicht angetrocknet ist, eine Rinne von gewünschter
Form und Querschnitt und füllt diese mit der Widerstandsmasse aus. Alsdann garniert
man einen Streifen aus keramischer Masse auf, so daß er auf und zu beiden Seiten
der Rinne gut auf der Unterlage abbindet und die Kernmasse überall gut eingeschlossen
ist.
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Die Anschlüsse, d. h. die Verbindung der Widerstände mit einem metallischen
Leiter geschieht in der Weise, daß man an den Anschlußstellen durch Abschleifen
der keramischen Deckschicht bis zur punktierten Linie den Widerstand
freilegt.
Alsdann wird ein Kontaktstift in den Kern eingeschraubt oder er wird mit Graphit
und Wasserglas eingekittet. Um ein sicheres Festhaften zu erzielen, kann man einen
Teil des Raumes zwischen dem Stift und der Höhlung, in der er sitzt, mit einem Kitt
oder Zement ausfüllen. Es ist vorteilhaft, die Widerstände so zu dimensionieren,
daß an der Anschlußstelle eine schwächere Erwärmung erfolgt. Man kann dies nicht
nur dadurch erreichen, daß man dem Kern an den betreffenden Stellen einen größeren
Querschnitt gibt, sondern auch durch Verwendung einer Masse mit geringerem spezifischem
Widerstand, so daß der Kern an den zu erhitzenden Stellen aus einer Masse mit hohem
Widerstand besteht und gegen die Anschlußstellen hin einen geringeren spezifischen
Widerstand besitzt.