DE1565812A1

DE1565812A1 - Electric heating element

Info

Publication number: DE1565812A1
Application number: DE19661565812
Authority: DE
Inventors: Rene Clement; Maurice Ducos
Original assignee: ELEMENTS CATALIQUES SOC DE FAB
Current assignee: ELEMENTS CATALIQUES SOC DE FAB
Priority date: 1965-06-14
Filing date: 1966-06-14
Publication date: 1970-03-19
Also published as: FR1447293A; GB1157891A; NL6608212A; US3504327A

Description

Elektrisches HeizelementElectric heating element

Die zur Herstellung elektrischer öfen derzeit verwendeten Widerstandserhitzer oder Heizelemente bestehen entweder aus hochschmelzenden Metallen oder aus intermetallischen Verbindungen oder auch aus Karbiden.The ones currently used to make electric ovens Resistance heaters or heating elements consist either of refractory metals or of intermetallic ones Compounds or made of carbides.

Die am häufigsten verwendeten Heizelemente bestehen aus Siliciumkarbid. Diese Widerstände, die die Form von Stäben oder Zylindern besitzen, werden durch Verformung von Pulvern und durch Strangpressen mit einem plastischen Bindemittel hergestellt. Diese Rohlinge werden dann durch eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur, oft unter einer Schutzatmosphäre (Argon, Stickstoff, Wasserstoff) zur Vermeidung einer Oxydation der Körner verdichtet.The most common heating elements are made of silicon carbide. These resistors that take the form of Rods or cylinders are made by deforming powders and by extrusion with a plastic Binder made. These blanks are then heat treated at high temperature, often under a protective atmosphere (argon, nitrogen, Hydrogen) to avoid oxidation of the grains.

Dr.Ha/MaDr Ha / Ma

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Dieses Herstellungsverfahren ist kostspielig und viele Stücke müssen wegen Verformungen während des Brandes oder wegen Rissbildungen, welche Anlass zur Bildung heisser Stellen geben, die dann rasch den Widerstand zerstören, verworfen werden. Schliesslich darf ihre Verwendungstemperatur H50 nicht übersteigen, was ein wichtiger Punkt ist.This manufacturing process is costly and many pieces are required because of deformations during firing or because of cracks, which give rise to the formation of hot spots, which then quickly create resistance destroy, be discarded. After all, their use temperature must not exceed H50, which is a important point is.

Die vorliegende Erfindung schafft ein elektrisches Heizelement ohne diese Nachteile.The present invention provides an electrical heating element without these disadvantages.

Das erfindungsgemässe elektrische Heizelement besteht aus einem elektrisch leitenden Teil, welches mit einem Schutzüberzug versehen ist, und kennzeichnet sich im · wesentlichen durch die folgenden Eigenschaften, die es entweder einzeln oder in Kombination aufweisen kann:The electrical heating element according to the invention consists consists of an electrically conductive part, which is provided with a protective coating, and is marked in essential through the following properties, which it can have either individually or in combination:

1.) Der Schutzüberzug besteht aus aufeinanderfolgenden und abwechselnden Schichten aus hochschmelzenden Verbindungen und Metallegierungen, wobei die letzteren bei der Betriebstemperatur geschmolzen sein können. Da die Metallschichten bei ihrem Schmelzen die angrenzenden Oxydschichten benetzen, gewähren sie eine Dichtigkeit des Niederschlags und fangen die Sauerstoffspuren ab, welche die äusserste feste Schicht bei der Betriebstemperatur durchlässt.1.) The protective coating consists of successive and alternating layers of high-melting points Compounds and metal alloys, the latter of which may be molten at the operating temperature. Since the metal layers melt the adjacent Moisten oxide layers, they ensure a tightness of the precipitate and catch the oxygen traces which allows the outermost solid layer to pass through at the operating temperature.

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

2.) Das leitende Stück "besteht aus Kohle.2.) The conductive piece "is made of coal.

Gemäss der Erfindung werden die genannten Niederschläge mittels Spritzbrennern aufgebracht.According to the invention, the said precipitates applied by means of spray burners.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich.The invention will be better understood from the following description in conjunction with the drawing.

In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:

Pig. T einen Längsschnitt durch eine beispielsweisePig. T is a longitudinal section through an example

* Ausführungsform eines erfindungsgemässen Heizelements; * Embodiment of a heating element according to the invention;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Element in dem von Schichten bedeckten Teil, undFig. 2 shows a cross section through the element in the part covered by layers, and

Pig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform gejnäss der Erfindung. Pig. 3 shows a longitudinal section through another embodiment according to the invention.

In Fig. 1 ist ein zylindrischer Graphitkern mit einem im Mittelteil stark verringerten Durchmesser mit 1 bezeichnet. Dieser Kern ist unter Freilassung der Enden zur Anbringung der elektrischen Anschlüsse mit einer Umhüllung versehen, welche aus abwechselnden Schichten 2 aus hochschmelzenden Materialien und Schichten 3 ausIn Fig. 1 is a cylindrical graphite core with a marked 1 in the central part with a greatly reduced diameter. This core is leaving the ends free for attaching the electrical connections provided with a sheath, which consists of alternating layers 2 made of high-melting materials and layers 3

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BADBATH

Metall besteht, dessen Schmelztemperatur niedriger sein kann als die Betriebstemperatur oder das während der Verwendung geschmolzen sein kann. Eine auf die Enden des Elements aufgespritzte Metallschicht 4 gewährleistet einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Graphitkern und den elektrischen Anschlussklemmen.Metal, the melting temperature of which may be lower than the operating temperature or that during may be melted after use. A metal layer 4 sprayed onto the ends of the element is guaranteed Good electrical contact between the graphite core and the electrical connection terminals.

Pig". 2 zeigt einen Querschnitt durch das Element in dem mit der Umhüllung versehenen Teil. Man sieht darauf die aufeinanderfolgenden, konzentrischen Niederschläge aus hochschmelzendem Oxyd 2 und Metall 3 auf dem Graphitkern. Pig ". Figure 2 shows a cross-section through the element in the clad part. This can be seen the successive, concentric deposits of refractory oxide 2 and metal 3 on the graphite core.

Die hochschmelzenden Schichten bestehen aus Oxyden oder oxydischen Verbindungen, deren Schmelzpunkt höher als 1600 C ist; beispielsweise seien genannt Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd (stabilisiert mit Kalk oder Yttriumoxyd), Chromoxyd, Magnesiumspinell (AlgO- - MgO), Zirkonsilikat usw.The high-melting layers consist of oxides or oxidic compounds whose melting point is higher than Is 1600 C; for example aluminum oxide, zirconium oxide (stabilized with lime or yttrium oxide), Chromium oxide, magnesium spinel (AlgO- - MgO), zirconium silicate etc.

Die erste hochschmelzende Schicht braucht nicht aus einem einzigen Oxyd zu bestehen, sondern aus mehreren übereinander angeordneten dünnen Schichten verschiedener Oxyde, deren Ausdehnungskoeffizienten so zunehmen, dass sich ein "Ausdehnungsgefälle¹¹ zwischen dem Graphitkern, der sichThe first high-melting layer does not have to consist of a single oxide, but of several thin layers of different oxides arranged one on top of the other, the expansion coefficients of which increase so that there is an expansion gradient ¹¹ between the graphite core, which is

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wenig ausdehnt, und der Metallschicht einstellt, welche in der Regel einen Ausdehnungskoeffizienten von über 15O.1CT⁷ besitzt.expands little, and sets the metal layer, which usually has a coefficient of expansion of over 150.1CT ⁷ .

Das Metall muss sorgfältig ausgewählt werden, da sein Dampfdruck bei der Betriebstemperatur des Heizelements nicht 10 mm Hg übersteigen darf, weil ein starker Dampfdruck zu einer Zerstörung der äussersten Oxydschioht führen würde.The metal must be carefully selected because its vapor pressure is at the operating temperature of the heating element must not exceed 10 mm Hg, because a strong vapor pressure destroys the outermost oxide would lead.

Als Metall kann beispielsweise eines der folgenden gewählt werden: Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer, Chrom, Silicium, Titan oder deren Legierungen.For example, one of the following can be selected as the metal: iron, nickel, cobalt, copper, chromium, Silicon, titanium or their alloys.

Das Metall oder die Metallegierung soll andererseits die angrenzenden Oxydschichten "benetzen" können und es wurde gefunden, dass die eine bestimmte Menge Titan enthaltenden Legierungen, z.B. Nickel-Titanlegierung, Kupfer-Titanlegierung, die Aluminiumoxydschichten vollständig "benetzen". Diese Eigenschaft ermöglicht eine gute Ausbreitung der Metallschichten in Form'eines dichten, zusammenhängenden Niederschlags zwischen den Oxydschichten. Wenn das Metall die angrenzenden Oxydniederschiäge nicht benetzt, sammelt es sich nach dem Schmelzen in Form von "Inselohen", welche grosse Poren bilden, durch "welche der Sauerstoff der Luft den Graphitkern oxydierenThe metal or metal alloy should on the other hand the adjacent oxide layers can "wet" and it has been found that those containing a certain amount of titanium Alloys, e.g. nickel-titanium alloy, copper-titanium alloy, the aluminum oxide layers completely "wet". This property enables a good spread of the metal layers in the form of a dense, coherent precipitation between the oxide layers. When the metal deposits the adjacent oxide not wetted, it collects after melting in the form of "island pores", which form large pores "which the oxygen in the air oxidize the graphite core

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Natürlich ist die Anzahl von Schichten nicht begrenzt und zur Erzielung einer optimalen Dichte kann man Überzüge herstellen, die aus drei Oxydschiohten oder Schichten hochschmelzender Verbindungen und sogar noch mehr bestehen.Of course, there is no limit to the number of layers and coatings can be used for optimum density made of three oxydschiohten or layers of refractory compounds and even more exist.

Um die Metallschicht kompakter zu machen, kann man sie mittels elastischer Membranen bei isostatischem Druck komprimieren.In order to make the metal layer more compact, it can be closed by means of elastic membranes under isostatic pressure compress.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden, nicht beschränkenden Zahlenbeispiele besser verständlich.The invention can be better understood with the aid of the following non-limiting numerical examples.

Der Graphitkern besitzt einen Durchmesser von etwa 20 mm und eine Länge von 250 mm. Er ist in seinem Mittelteil auf einer Länge von etwa 80 mm auf einen Durchmesser von 3 mm verdünnt. Diese Form lässt sich leicht z.B. mittels einer Drehbank erhalten, indem man einen feinkörnigen Graphit wählt, der sich leicht abschleift.The graphite core has a diameter of about 20 mm and a length of 250 mm. It's in its middle part thinned to a diameter of 3 mm over a length of about 80 mm. This shape can easily be made using, for example A lathe can be obtained by choosing a fine-grained graphite that grinds off easily.

Dann bringt man mit einer Spritzpistole auf den ver-Then you bring a spray gun to the

dünnten Teil eine Aluminiumoxydschicht auf, wobei man jedoch diesen Überzug auf etwa 10 mm der Enden mit dem grösseren Durchmesser übergreifen lässt. Auf diese Aluminiumoxydschicht spritzt man eine Schicht aus einer Kupferlegierung auf (66 # Cu - 33 i> Ti), wobei man daraufthinned part on an aluminum oxide layer, but this coating is allowed to extend over about 10 mm of the ends with the larger diameter. A layer of a copper alloy is sprayed onto this aluminum oxide layer (66 # Cu - 33 i> Ti), whereby one

009812/0870 achtet.'009812/0870 pays attention. '

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achtet, dass dieser Metallniederschlag nicht über die darunter befindliche Aluminiumoxydschicht hinausgeht, da das Metall den Graphit kurzschliessen würde.make sure that this metal precipitate does not have the The aluminum oxide layer underneath goes out, since the metal would short-circuit the graphite.

Man bringt dann eine dritte Schicht aus Aluminiumoxyd auf, welche die beiden anderen vollständig überdeckt*A third layer of aluminum oxide is then applied, which completely covers the other two *

Auf jedes Ende dieses Elements wird in einer Länge von etwa 10 bis 15 mm auf den Graphit eine Silber-Kupferlegierung aufgespritzt, um die elektrischen Anschlüsse su ermöglichen.At each end of this element is a length of about 10 to 15 mm on the graphite a silver-copper alloy sprayed on to enable the electrical connections su.

Wenn man die angelegte Stromstärke erliöht, wird der Mittelteil sehr rasch rotglühend. Bei einer verbrauchten Leistung von etwa 500 Watt erreicht die Temperatur 1500⁰O* Diese Temperatur kann ohne weiteres aufrechterhalten und sogar noch stark überschritten werden, bis sie 1700⁰C erreicht.If you increase the applied current, the middle part quickly turns red hot. With a consumed power of about 500 watts, the temperature reaches 1500 ⁰ *. This temperature can be easily maintained and even exceeded by a large amount until it reaches 1700 ⁰ C.

Fig. 3 erläutert eine zweite Ausführungsform der Erfindung.Fig. 3 illustrates a second embodiment of the invention.

Ee wurde festgestellt, dass, wenn man auf den Graphit eine erste Schicht aus einem oxydierbaren, hochschmelzenden Metall, z.B. aus Molybdän, Wolfram, Mob oder Tantal, aufbringt, die Betriebstemperatur und die Lebensdauer der Heizelemente ganz wesentlich gesteigert werdenEe was found that when looking at the graphite a first layer made of an oxidizable, refractory metal, e.g. made of molybdenum, tungsten, mob or Tantalum, the operating temperature and the service life of the heating elements can be increased significantly

können. __ ^can. __ ^

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Diese Zwischenschicht aus oxydierbarem, hochschmelzendem Metall bewirkt wahrscheinlich eine Kompensation der Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Graphit und den Schutzschichten, und zwar infolge des eigenen Ausdehnungskotffizienten dieser Zwischenschicht, welcher zwischen demjenigen des Graphits und der Oxyde liegt, sowie infolge Bildung einer Karbidzwischenschicht. This intermediate layer of oxidizable, refractory metal probably compensates for the differences in the coefficients of thermal expansion between the graphite and the protective layers, due to the expansion coefficient of this intermediate layer, which lies between that of the graphite and the oxides, and due to the formation of an intermediate layer of carbide.

Andernteils ermöglicht diese Schicht das Abfangen der Spuren von Luftsauerstoff, welche durch die äussersten Schutzschichten hindurchtreten könnten.On the other hand, this layer enables the interception of the Traces of atmospheric oxygen, which by the extreme Protective layers could pass through.

Schliesslich wurde auch festgestellt, dass die zwischen den Oxydschichten befindlichen Metallschichten aus einem reinen Metall bestehen können, welches bei erhöhter Temperatur oberflächlich die angrenzenden Oxyde reduzieren kann. Aus diesem Grund benetzt reines, zwischen zwei Aluminiumoxydsohiohten eingebrachtes Aluminium diese Oxydschichten vollständig, da ab 105O⁰C das geschmolzene Aluminium das Aluminiumoxyd zu einem niedrigeren AIunüniumoxyd reduziert und so eine gute zusammenhängende Ausbreitung der geschmolzenen Metallschicht ermöglicht wird.Finally, it was also found that the metal layers located between the oxide layers can consist of a pure metal which, at elevated temperature, can reduce the surface of the adjacent oxides. For this reason, pure aluminum inserted between two aluminum oxide layers completely wets these oxide layers, since from 105O ⁰ C the molten aluminum reduces the aluminum oxide to a lower aluminum oxide, thus enabling the molten metal layer to spread well together.

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In fig. 3 ist ein Graphitstab 10 mit einem Durchmesser • von etwa 20 mm und einer Länge von etwa 250 mm dargestellt", welcher in seinem Mittelteil auf einer Länge vonIn fig. 3 is a graphite rod 10 having a diameter • shown by about 20 mm and a length of about 250 mm ", which in its central part over a length of

etwa 80 mm mittels z.B. einer Drehbank auf einen Durohmesser von 3 mm verdünnt wurde.about 80 mm was thinned to a Durohmesser of 3 mm by means of e.g. a lathe.

Man bringt mit einer Spritzpistole auf den verdünnten feil eine Molybdänschicht 11 auf, welche jedoch noch etwa 10 mm auf die Stabenden mit grossem Durchmesser übergreift. Auf diese Molybdänschicht spritzt man dann eine Aluminiumoxydschicht 12 und auf diese eine Aluminiumschicht 13 und schliesslich eine letzte Aluminiumoxydschicht 14 auf, welche das Ganze überdeckt.One brings with a spray gun on the diluted File a molybdenum layer 11, which, however, is still about 10 mm overlaps the rod ends with a large diameter. This is then sprayed onto this molybdenum layer an aluminum oxide layer 12 and on top of this an aluminum layer 13 and finally a last aluminum oxide layer 14, which covers the whole.

Man kann diese Schichten aus Aluminiumoxyd und Aluminium zur Erzielung einer vollständigen Dichtigkeit noch vermehren. These layers can be made of aluminum oxide and aluminum increase to achieve complete tightness.

Auf jedes Ende dieses Elements wird eine Silber-Kupferlegierung auf eine Länge von etwa 10 bis 15 mm auf den Graphit aufgespritzt, um den elektrischen Anschluss zu ergeben.On each end of this element there is a silver-copper alloy sprayed onto the graphite to a length of about 10 to 15 mm in order to close the electrical connection result.

Erhöht man die angelegte Stromstärke, wird der Mittelteil sehr rasch rotglühend, für eine verbrauchte Leistung von etwa 1 kW erreicht die Temperatur 1700°0 und diese Tera-If you increase the applied current, the middle part very quickly turns red-hot, for a used power of about 1 kW, the temperature reaches 1700 ° 0 and this tera-

009812/087 0 - ~ - *009812/087 0 - ~ - *

BAD ORiGtW^¹- peraturBAD ORiGtW ^ ¹ - temperature

- to -- to -

peratur kann ohne Schaden für den Graphit aufrechterhalten werden.temperature can be maintained without harm to the graphite will.

natürlich spielt die Form des Stabes keine Rolle und er kann z.B. die Form eines Prismas oder eines Parallelepipeds haben.of course, the shape of the rod does not matter and it can, for example, have the shape of a prism or a parallelepiped.

Patent claims

OFUGlNAL 009812/0870 OFUGlNAL 009812/0870

Claims

P a t et η t a.η epr Uc h e

1) Elektrisches Heizelement mit einem Leiterkern, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Kern mit aufeinanderfolgenden und abwechselnden Schichten1) Electrical heating element with a conductor core, characterized in that this core with successive and alternating layers "aue hochschmelzenden Verbindungen und Metallen besteht, welche die angrenzenden Schichten benetzen können«"Aue refractory compounds and metals which can wet the adjacent layers "

2)2) Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des Metalls niedriger liegt als die Betriebstemperatur des Elements·Heating element according to claim 1, characterized in that the melting temperature of the metal is lower than the operating temperature of the element

3) Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen von den Schichten bedeckten Terdünnten Mittelteil besitzt und dass die beiden Enden mi^&iner Metallschicht bedeckt sind.3) heating element according to claim 1, characterized in that the core covered one of the layers Has a thinned middle part and that both ends are covered with a metal layer.

4) Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ■ dass der Kern aus Graphit besteht.4) Heating element according to claim 1, characterized in that ■ that the core consists of graphite.

5) Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochschmelzende Verbindung aus einem bei über 160O⁰O schmelzenden Oxyd besteht.5) Heating element according to claim 1, characterized in that the high-melting compound consists of an oxide melting ^{at over 160O 0 O.}

009812/0870 BAD ORtelNAL 6}.009812/0870 BAD ORtelNAL 6}.

6) Heating element according to claim 1, characterized in that there is a between the core and the layers
an additional layer of a metal "whose coefficient of expansion is between that of the core and that of the layers of refractory compounds. f

7) Heating element according to claim 6, characterized in that the metal of the additional Sohicht can be oxidized and is high melting point.

8) Heating element according to claim 1, characterized in that the wetting metal is iron, nickel, cobalt,
Is copper, chromium, silicon or titanium.

9) heating element according to Anspruoh 8, characterized in that the wetting metal at the operating temperature has a vapor pressure of less than 10 mm Hg.

009812/0870009812/0870

-43 r-43 r

L e e r s e i t eL e r s e i t e