DE3344650A1

DE3344650A1 - Temperaturstabilisierte, isotherme prozesskammer mit automatischer prozesswaermeregelung

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Publication number: DE3344650A1
Application number: DE19833344650
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 8000 München Vinz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1983-12-09
Publication date: 1985-02-21

Description

Temperaturstabilisierte isotherme Prozeßkammer mit automatischer
Prozeßwärmeregelung Isotherme Prozeßkammern werden in der Technik in einem weiten Temperaturbereich vor allem zur Thermostatisierung eingesetzt.
Die Anwendungen reichen von der Kryotechnik bis hin zur Hochtemperaturtechnik. Während in der Vergangenheit solche Geräte hauptsächlich für meßtechnische Problemlösungen z.B. zur Kalibrierung von Temperaturmeßgeräten oder für kalorimetrische Stoffdatenmessungen verwendet worden sind, ist heute ein verstärkter Einsatz in der thermischen Prozeßtechnik zu erkennen.
So stellt heute z.B. die Werkstofforschung hohe Anforderungen an die Isothermie und I,mperaturgenauigkeit von Rohröfen. Bei Temperaturen zwischen 1300 u. 15000 C müssen z.B. definierte und reproduzierbare Prozeßbedingungen für die Halbleiterdotierung realisiert werden. Oder in der Glasindustrie; wo zur ökonomischen Herstellung von lichtleitenden Glasfasern Vielfaserziehanlagen eingesetzt werden Hier kommt es allerdings bei Prozeßtemperaturen zwischen 850 u.
9000 C in erster Linie auf die Gleichheit der Temperaturprofile von mehreren, bis zu 100 gleichzeitig betriebenen Rohröfen an und weniger auf die Isothermie des einzelnen Rohrofens. Ähnliche Prozeßbedingungen sind bei Temperaturen zwischen 1900 u. 20000 C zur ökonomischen Herstellung von Lichtwellenleitern für die Nachrichtentechnik erforderlich. In der Stahlindustrie werden größte Anstrengungen unternommen, um für die Wärmebehandlung von Stählen großräumige isotherme Heizkammern mit Betriebstemperaturen zwischen 900 und 11000 zu realisieren.
Mit zwei grundsätzlich verschiedenen Verfahren werden heute isotherme Prozeßkammern realisiert. Am häufigsten wird das elektrische Verfahren angewendet. Bei diesem Verfahren wird die elektrische Kammerbeheizung in mehrere unabhängige Heizkreise aufgeteilt, die mit entsprechendem Aufwand geregelt werden.
Die Vorteile dieses Verfahrens sind vor allem : Jede beliebige räumliche Geometrie kann beheizt werden, der Arbeitstemperaturbereich der Kammer ist nur nach oben begrenzt, die Realisierung des Verfahrens ist bei nicht so hohen Ansprüchen unkompliziert. Der wesentliche Nachteil des Verfahrens ist es, daß selbst mit höchstem technischen Aufwand nur mittelmäßige isotherme Bedingungen geschaffen werden können.
Deutlich bessere isotherme Bedingungen lassen sich auf thermohydraulischem Wege mit nach dem Wärmerohr-Prinzip arbeitenden Prozeßkammern erzielen. Als Wärmetransportmittel kommen für solche Wärmerohr-Prozeßkammern alle kondensierenden Stoffe mit einem definierten Dampfpunkt infrage. Die gebräuchlichsten Wärmetransportmittel und ihre Betriebstemperaturbereiche sind aus der Literatur bekannt. Das thermohydraulische Verfahren ist in seinen Anwendungen bisher auf kleine Kammervolumina beschränkt, weil die kapillare Saugwirkung der eingesetzten Wärmetransportmittel und die Festigkeit des Strukturmaterials limitiert sind. Außerdem verfügt jedes Wärmetransportmittel und damit auch die ausgeführte Prozeßkammer nur über einen beschränkten Betriebstemperaturbereich.
Das thermohydraulische Wärmerohr-Verfahren wird bereits mit einem Inertgasdruckhaltesystem kombiniert, für die Realisierung von hochpräzisen Thermostaten technisch genutzt. Über den Inertgasdruck wird der Betriebsdruck und damit die Arbeitstemperatur des in der Heizkammer arbeitenden Wärmetransportmittels kontrolliei eingestellt. Das Auflösungsvermögen dieser indirekten Temperaturregelung ist etwa 10 mal besser als das der direkten Temperaturregelung. Die Beheizung solcher Kammern kann von außen mit elektrischen Heizelementen oder mit fossilen Brennern vorgenommen werden.
Zum Unterschied zu Thermostaten, bei denen Isothermie und Temperaturstabilisierung im Vordergrund stehen und die Heizung nur für den Ersatz der Wärmeverluste der gut isolierten Kammer sorgen muß, haben isotherme Heizanlagen die zusatzliche Aufgabe, eine variable Prozeßwärmemenge an ein Glühgut innerhalb der Kammer abzugeben.
Während beim kontinuierlichen Glühgutdurchsatz die abgegebene Prozeßwärmemenge der Prozeßkammer dem Materialdurchsatz entsprechend gleichbleibend ist, nimmt beim Chargenbetrieb die Prozeßwärmemenge mit sich verringernder Temperaturdifferenz zwischen der Kammerwandung und dem Glühgut ab.
Herkömmliche, nach dem elektrischen oder thermohydraulischen Verfahren arbeitende Heizanlagen können eine Anpassung ihrer Heizleistung an den Prozeßwärmebedarf nur über eine Änderung der Betriebstemperatur der Heizkammer vornehmen. Eine Ausnahme bildet das thermohydraulische Prinzip, das kombiniert mit einer druckstabilisierten Inertgaspufferung bei konstanter Temperatur arbeitet und das eine Änderung der Heizleistung mit einer Vergrößerung oder Verkleinerung seiner Wärmeübertragungsfläche kompensieren kann Mit einer neuen thermohydraulischen Methode läßt sich eine isotherme Prozeßkammer mit den bekannten Betriebstemperaturbereichen der Wärmerohr-Wärmetransportmittel realisieren, deren Heizleistung sich dem Prozeßwärmebedarf bei konstanter Prozeßkammertemperatur und bei konstanter Wärmeübertragungsfläche der Prozeßkammer automatisch anpasst.
Die Prozeßkanuner kann aus einem oder aus mehreren Wärmerohren bestehen. Jedes Wärmerohr ist zu seiner Temperaturstablisierung über eine Druckausgleichsleitung an ein zentrales druckstabilisiertes Inertgasreservoir angeschlossen. Um jede der Druckausgleichsleitungen ist außerhalb der Prozeßkammer eine Zwangsmantelkühlung mit einer kalorimetrischen Meßeinrichtung angeordnet.
Die Prozeßkammer wird von außen mit Heizenergie versorgt. Das Heizsystem ist in unabhängig regelbare Heizkreise aufgeteilt.
Jeder Heizkreis versorgt einen Prozeßkammerteil und die dazugehdrenue Zwangskühlung mit Heizenergie. Uber die Zwangskühlung wird die von der Prozeßkammer nicht beanspruchte Uberschußwärme abgeführt und von der kalorimetrischen Meßeinrichtung erfaßt Das Meßsignal dient als Regelgröße für den versorgenden Heizleistungs-Regler, der den Betrag der Uberschußwärme konstant hält Die einfachste Bauart der temperaturstabilisierten, isothermen Prozeßkammer ist ein Rohrofen, der aus einem Koaxialwärmerohr besteht und von dem eine Druckausgleichsleitung zu einem druckstabilisierten Inertgasreservoir führt. Um diese Druckausgleichs leitung ist in ausreichendem Abstand zum Rohrofen die Zwangsmantelkühlung mit der kalorimetrischen Meßeinrichtung angeordnet. Der Rohrofen wird von außen auf seiner gesamten Mantelfläche mit einem Heizelement elektrisch beheizt. Das Meßsignal der kalorimetrischen Meßeinrichtung dient dem Leistungsregler des Heizelements als Regelgröße.
Mehrere solcher isothermen Rohröfen können gleichzeitig auf gleichem Temperaturniveau stabilisiert betrieben werden, indem sie an ein zentrales, druckstabilisiertes Inertgasreservoir angeschlossen sind. Jeder Rohrofen besitzt seinen eigenen geregelten Heizer und eine Zwangsmantelkühlung mit der kalorimetrischen eßeinrichtung.
Eine besondere temperaturstabilisierte, isotherme Prozeßkammer-Bauart ist die zentralbeheizte Heizrohrkammer nach Abb. 1. Bei dieser Prozeßkammer wird die Prozeßwrmeanpassung für eine Vielzahl unabhängig arbeitender Heizrohre von einem zentralen Leistungsregler ausgeführt. Aus Gründen der Symmetrie sind mehrere Zwangskühlungen außerhalb der Heizrohrkammer angeordnet.
Die kalorimetrischen Signale der Meßeinrichtungen sind in Serie geschaltet und dienen als Regelgröße für den zentralen Heizsystem-Regler.
Mehrere solcher Heizrohrkammern können zur gemeinsamen Temperatu stabilisierung an ein zentrales druckstabilisiertes Inertgasreservoir angeschlossen werden und jede Heizrohrkammer für sich nach der beschriebenen Methode leistungsmäßig geregelt werden.
Ordnet man eine Vielzahl von leistungsfähigen Wärmerohren ohne Abstand z.B. auf einem Teilkreis an und verbindet jedes einzelne Wärmerohr mit dem zentralen druckstabilisierten Inertgasreservoi so begrenzt das kapilltE:éç;$;tiugvèrmögen des Wärmetransportmittels nicht mehr die Raungröße e,inXes Rohrofens und die Wärmerohr- Abmessungen und der Dampfdruck des Wärmetransportmittels legen die zulässige maximale Betriebstemperatur des Ofens fest.
Nach diesem Verfahren lassen sich nicht nur temperaturstabilisierte, isotherme Rohröfen, sondern auch andere geometrische Räume z.B. quaderförmige isotherme Ofenkammern mit beliebigen Abmessungen und mit einer automatischen Leistungsanpassung realisieren.
Das Prinzip der temperaturstabilisierten, isothermen Prozeßkammer eignet sich auch als Kalorimeter zur Messung von Stoffdaten z.B. zur Messung von Bildungs- oder Reaktionsenergien, wenn neben der Temperatur die Heizleistung der Prozeßkammer konstant gehalten wird.
Aufbau der isothermen Heizrohrkammer Die temperaturstabilisierte isotherme Heizrohrkammer (Abb. 1) ist als ringförmige Kammer (1) aufgebaut. Die Kammer (1) besteht aus einem inneren (2) und aus einem äußeren (3) zylindrischen Mantelrohr, den beiden kreisförmigen Lochkränzen (4, 5) als obere (4) und untere (5) Kammerbegrenzung und den in den Lochkränzen (4, 5) eingesetzten Heizrohren (6). Die Heizrohrkammer (1) besteht im vorliegenden Konzept aus 100 Heizrohren (6), die auf zwei konzentrischen Teilkreisen der Lochkränze (4,5) angeordnet sind.
Vom oberen Lochkranz (4) führen vier Verbindungsleitungen (7) zu einem Inertgasbehälter (8). Um die Rohre (7) sind wassergekühlte Ringspaltkühlelemente (9) angeordnet. Der Inertgasbehälter (8) ist über eine absperrbare Rohrleitung (10) an ein Inertgasdruckhaltesystem (11) angeschlossen. Das gesamte System (1-11) Heizrohrkammer, Inertgasbehälter und Druckhaltesystem) ist hochvakuumdicht und mit einer thermischen Isolation (12) umkleidet.
Die Heizrohrkammer (1) wird von außen auf der gesamten Oberfläche der beiden Mantelrohre (2, 3) mit elektrischen Heizelementen (13) beheizt. Die Heizelemente (13) werden vom Netz über einen 3-Phasen-Leistungsregler (14) mit nachgeschaltetem Spannungsformer (15) mit elektrischer Energie versorgt.
Innen sind die vertikalen Kühl- und Heizflächen (2,3,6) der Heizrohrkammer (1) mit einer saugfähigen Kapillarstruktur (16) ausgekleidet. Die Kapillarstruktur (16) ist mit flüssigem Natrium (17) gesättigt. Der verbleibende Freiraum (18) zwischen de Heizrohren (6) und der Kammerwandung (2, 3, 4, 5) ist im kalten Zustand mit Inertgas (19) und bei Betriebstemperatur mit Natrium dampf (20) gefüllt.
Die zur Atmosphäre hin offenen Innenflächen der Heizrohre (6) sind zur Egalisierung und Erhöhung der Strahlungsintensität oxidkeramisch beschichtet.
Funktionsweise der natriumdampfbeheizten Heizrohrkammer Am Beispiei eines schematisch dargestellten Heizrohres (6) (Abb. 2) und mit dem Regelschema (Abb. 3) soll das Funktionsprinzip der temperaturstabilisierten isothermen Heizrohrkammer und die automatische Anpassung der Heizleistung erklärt werden.
Im kalten Zustand stehen Inertgasbehälter (8) und Prozeßkammer (1) mit Inertgas (19) gefüllt unter atmosphärischem Druck. Das Natrium (17) in der vertikalen Kapillarstruktur (16) und am Kammerboden (5) ist erstarrt.
Für den Betrieb wird der Inertgasdruck in der Heizrohrkammer (1) auf den der gewünschten Betriebstemperatur entsprechenden Dampfdruckwert des Natriums eingestellt. Anschließend wird die elektrische Heizung (13, 14, 15) eingeschaltet. Während der Aufheizphase, d.h. bei Heizrohrkammertemperaturen unterhalb der eingestellten Betriebstemperatur, diffundiert Natriumdampf (20) von der beheizten, mit flüssigem Natrium (17) benetzten Mantelrohrinnenwänden (2, 3) in den Inertgas gefüllten Heizrohrkammerfreiraum (18). Das-Dampf-Ca5gemisch beginnt sich zu trenne sobald der Dampfdruck des Natriums gleich dem in der Heizrohrkammer (1) herrschenden Inertgasdruck wird. Es bildet sich eine horizontale Phasengrenze zwischen beiden Medien (19, 20) aus.
Im unteren Bereich des Heizrohrkammerfreiraums (18) arbeitet daS Natrium im Verdampfungs-Kondensationszyklus. Die von außen über den Kammermantel (2 u. 3) zugeführte Heizenergie wird durch die Wand zu den mit flüssigem Natrium (17) gesättigten senkrechten Innenwandkapillaren (16) geleitet. Das Natrium (17) verdampft an den Kapillaren (16) und kondensiert auf der vom Schmelzgut gekühlten Heizrohrwandung (6) und zwar, verstärkt an den intensiv gekühlten Heizrohrflächen. Das kondensierende Natrium (17) sammelt sich aufgrund der Schwerkrafteinwirkung am Kammerboden Mittels der kapillaren Saugwirkung der profillierten Verdampfern fläche (16) wird das flüssige Natrium (17) vom Kammerboden (5) abgesaugt und stetig auf der gesamten Heizfläche (16) der Heizrohrkammer (1) verteilt und verdampft.
Mit zunehmender Heizleistung verdrängt der Natriumdampf (20) das Inertgas (19) oben aus der Heizrohrkammer (1). Das verdrängte Inertgas (19) entweicht bei konstant gehaltenem Druck über die Verbindungsleitungen (7), den Inertgasbehälter (8) und das Druckhaltesystem (11) in die Atmosphäre. Wegen der Druckkonstanz ändert sich mit zunehmender Heizleistung nicht die Verdampfungstemperatur und damit auch nicht die Betriebstemperatur. Es ändert sich in der Startphase proportional zur Heizleistung die Kondensationsfläche an den Heizrohren (6) und damit ihre Wärmeübertragungsleistung.
Steigert man die Heizleistung soweit, daß sich die Phasengrenze Natriumdampf(2O), Inertgas (19) in den Bereich der wassergekühlten Ringspaltkühlelemente (9) verlagert, so arbeiten sämtliche Heizrohre (6) der Heizrohrkammer (1), ob mit Schmelzgut bestückt oder nicht, unabhängig von netzseitigen Leistungsschwankungen, auf voller Länge, mit ein und derselben Sollwerttemperatur. Eine gegenseitige thermische Beeinflussung der Heizrohre (6) ist ausgeschlossen.
Über die symmetrisch angeordneten Ringspaltkühlelemente (9) wird nur die überschüssige Heizenergie an das Kühlwasser abgeführt. Ihr Betrag wird mit der kalorimetrischen Meßeinrichtung erfaßt und über den Leistungsregler (14) des Heizsystems (13) konstant gehalten. Das Meßsignal dient als Regelgröße für den elektrischen Leistungsregler (14).
Die Dampf- Inertgas Phasengrenze (20/19) soll im Gleichgewichtzustand in der Mitte der Ringspaltkühlelemente (9) positioniert sein, damit ein definierter Heizleistungsbetrag als Regelreserve für netzseitige Leistungsunterschreitungen zur Verfügung steht. Zunehmende überschußwärmemengen, verursacht durch eine netzseitige Leistungsüberschreitung oder durch eine sinkende Wärmeabnahme der Prozeßkammer werden zunächst von den Ringspaltkühlelementen (9) weggekühlt und verzögert über die kalorimetrische Regelgröße mit dem Leistungsregler (14) korrigiert. In dieser Betriebsposition der Dampf-Inertgas-Phasengrenze (20/19) läßt sich die Heizleistung der Heizrohrkammer (1) bei konstanter Betriebstemperatur und unveränderter Heizfläche über den gesamten Teillastbereich von Leerlauf bis 100% Last automatisch einstellen.
Die Verschiebung der Phasengrenze (20/19) von der Sollwertposition (Mitte Ringspaltkühlelement (9) zum Anfang infolge netzseitiger Lastunterschreitung oder erhöhtem Wärmeentzug oder zum Ende der Ringspaltkühlelemente (9) infolge netzseitigem Leistungsüberangebot oder geringerem Wärmeverbrauch bewirkt eine kurzzeitige Änderung der Betriebstemperatur um weniger als i 0,5 K.
Die Sollwerttemperatur wird über den Inertgasdruck im Inertgasbehälter (8) des Druckhaltesystems (11) eingestellt. Die Einstellung und Stabilisierung des Inertgasdruckes innerhalb der Prozeßkammer kann nach 2 verschiedenen Methoden realisiert werden; - mit einer Druckanpassung in einem gleichbleibenden Prozeßkammer- und Inertgasdruckbehältervolumen mit Hilfe einer externen Inertgas- und Vakuumversorgung oder - mit einer Druckanpassung in einem hermetisch geschlossenen, variablen, einmalig mit Inertgas befülltem InertgasdruckbehäL-ter- und Prozeßkammervolumen ohne externe Versorgungseinrichtungen.
Abb. 3 zeigt das verfahrenstechnische und regelungstechnische Fließbild für das Druckhaltesystem mit externen Versorgungseinrichtungen. Das Druckhaltesystem (11) besteht aus der externen Inertgas-Druckgasversorgung (20) mit zweifacher (22, 23) Druckreduzierung und magnetisch betätigten Absperrventilen (24) sowie einem externen Unterdruckwindkessel (25) mit Vakugrpumpe (26) und zugehörigen Magnetventilen (24). Die Druckgasversorgung (21) enthält zusätzlich eine Gasreinigungseinrichtung (27) zur Entfernung von Clrückständen und gasförmigen Verunreinigungen aus dem Inertgas (20).
Die Vorteile dieses Inertgasdruckhaltesystems sind sein unbegrenzter Druckeinstellbereich und die präzise Druckhaltung. Als Nachteile sind zu nennen der kostenintensive anlagentechnische Aufwand für die externen Versorgungseinrichtungen und für die Sicherheitsmaßnahmen gegen unzulässige Inertgasdrucküberhöhungen und Lufteinbrüche über die atmosphärische Verbindung des Evakuierungssystems sowie die stetige Erneuerung des Inertgases bei wechselnden Drucksollwerten.
Der Inertgasaustausch ist bei Flüssigmetallwärmerohren mit verantwortlich für den Korrosionsangriff innerhalb des vom Wärmetransportmittel benetzten Wärmerohrs.
Die als Betriebs gas eingesetzten Edelgase Argon und Helium enthalten in ihrer technischen Reinheit korrosionsfördernde Verunreinigungen, vor allem Sauerstoff und ölrückstände.
Verstärkt wurden Korrosionen innerhalb der Heizzone und in der Kühlzone von Flüssigmetallwärmerohren beobachtet. Sie bewirken eine Funktionsbeeinträchtigung und führen letztlich zu einem vorzeitigen Versagen der Wärmerohre.
Mit dem hermetisch geschlossenen Inertgasdruckhaltesystem mit variablem Volumen lassen sich die genannten Nachteile des bisher angewandeten Druckhalteverfahrens eliminieren.
Abb. 4 zeigt das verfahrenstechnische una regelungstechnisci Fließbild ür das volumenvariable Druckhaltesystem.
Das hermetisch geschlossene volumenvariable Druckhaltesyste besteht aus einem großvolumigen InertgasdruckbehälL-er mit mindestens einer Volumenverstelleinrichtung, einer kleinvolumigen Druckausgleichsleitung, die den Behalter mit der Kül zone der isothermen Prozeßkammer verbindet und aus dem außer um die Kühlzone der isothermen Prozeßkammer angeordneten Rii spaltkühlelement sowie aus der elektronischen Betriebsmeß-und Regeleinrichtung.
Der im Volumen variable Inertgasdruckbehälter besteht aus einem großvolumigen, druckstabilen Edelstahlfaltenbalg, dessen Stirnflächen verschlossen sind. Die Betriebslage des tenbalgs ist senkrecht.
Im oberen Deckel ist das kleinste erforderliche Restgasvolumen wiederum in einem volumenvariablen druckstabilen Edelstahlfaltenbalg untergebracht. Der Boden des großvolumi Faltenbalgs ist als Verdrängungskolben ausgebildet. Der Fre raum zwischen den Wellen des Faltenbalgs und dem Verdrängungskclben ist mit der Flüssigmetallegierung NaK-78 soweit ausgefüllt, daß das Volumen des Edelstahlfaltenbalgs im zusammengedrückten Zustand vollständig mit Flüssigmetall ausg füllt ist, so daß nur noch der ebenfalls volumenvariable Re gasraum im Deckel besteht.
Die Volumenverstellung der beiden volumenvariablen Faltenbälge wird mit zwei getrennt arbeitenden,elektromotorisch angetriebenen Hubspindelgetrieben ausgeführt. Der Deckel de großvolumigen Faltenbalgs ist über Zuganker mit den Hubgetrieben fest verbunden. Die Hubspindel des unteren Getriebe ist fest mit dem Boden des großvolumigen Faltenbalgs verbun den. Die obere Spindel wirkt auf den Deckel des kleinvolumi Faltenbalgs und ist mit diesem fest verbunden. Uber die axialc Bewegung der Hubspindeln können beide Faltenbälge so wohl gedehnt wie auch zusammengedrückt werden.
Unterschiedlich sind die Aufgaben beider Faltenbälge. Während der großvolumige Faltenbalg mittels der Flüssigmetallfüllung bis auf das Volumen 0 zusammengedrückt werden kann, läßt sich der Restgasraum im oberen kleinvolumigen Faltenbalg nur auf ein minimales Restgasvolumen reduzieren. Mit dem großvolumigen Faltenbalg wird der Drucksollwert im Druckhaltesystem bei niederen Systemdrücken eingestellt und mit dem oberen kleinvolumigen Faltenbalg werden die Sollwertabweichungen bei niederen Drücken korrigiert und bei höheren Drücken gleichermaßen die Sollwerteinstellung ausgeführt und die Druckabweichung korrigiert.
Dem Druckregelkreis übergeordnet ist ein kalorimetrischer Meßkreis der Ofenzwangskühlung, der auf den Leistungsregler der Prozeßkammer wirkt. Mit ihm werden leistungsspezifische Volumenänderungen im Druckhaltesystem innerhalb der Kühlzone der isothermen Prozeßkammer frühzeitig erkannt und über die Heizleistung korrigiert und damit die Dampf-Inertgas-Phasenfront ortsstabil gehalten.
Beide Regelkreise sind drahtbruchüberwacht, d.h. bei Ausfall des Meßsignals schaltet die Prozeßkammer ab. Überschreitet das kalorimetrische Meßsignal infolge Kühlwasserausfalls einen oberen Grenzwert, so schaltet die Prozeßlcammer heizung ebenfalls ab. Eine Drucküberschreitung im Druckhaltesystem ist wegen der begrenzten Volumenreduktion unmöglich.
Undichtigkeiten werden vom Druckmeßsystem erfaßt und regelungs technisch verarbeitet, sie führen ebenfalls zur Heizerabschaltung.
Die Integration der Flüssigmetallegierung NaK 78 in den großvolumigen Faltenbalg erfüllt zwei Aufgaben. Einmal wird das Totvolumen des Faltenbalgs eliminiert, zum anderen reinigt die Flüssigmetallegierung während der einmaligen Befüllung des Druckhaltesystems das Inertgas und bindet die Verunreinigungen an das kalte Gesamtsystemende, so daß nur gereinigtes Inertgas mit dem Wärmetransportmittel des Wärmerohrs in Berührung kommt.
Korrosionen im Kühlzonenbereich der Prozeßkammer und Verstopfungen der Druckausgleichsleitung werden damit vermieden.
Die Befüllung des Gesamtsystems (Prozeßkammer und Inertgasdruckhaltesystem) mit Inertgas wird vor der Inbetriebnahme vorgenommen, anschließend wird der Einfüllstutzen hermetisch verschlossen und gegen Beschädigungen gesichert.
Das hermetisch geschlossene volumenvariable Inertgasdruckhaltesystem kann mit einer druckgestaffelten Kaskadenschaltung, wie sie z.B. Abb. 5 zeigt, bezüglich Druckeinstellbereich und Druckstabilisierung die gleichen Anforderungen erfüllen wie das volumenkonstante Inertgasdruckhaltesystem mit seinen externen Versorgungseinrichtungen.
Während mit dem einkammerigen volumenvariablen Inertgasdruckhaltesystem der druckstabilisierte Einstellbereich für eine Temperaturkonstanz innerhalb der isothermen Prozeßkammer von + 0,1 K bei etwa dem 200fachen Anfangsdruck endet, läßt sich mit der Kaskadenschaltung diese Temperaturkonstanz über den gesamten Betriebstemperaturbereich der technisch interessanten Wärmerohrbetriebsmittel ausdehnen.
Der Einsatz des hermetisch geschlossenen volumenvariablen Inertgasdruckhaltesystems ist vor allem bei den sauerstoffempfindlichen Hochtemperaturprozeßkammern unerläßlich.
Die temperaturstabilisierte isotherme Heizrohrkammer nach dem vorgeschlagenen Konzept bietet beispielsweise folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: - Die Produktion lichtleitender Glasfasern in Vielfaserziehanlagen kann nahezu verdoppelt werden. Diese Produktionserhöhung resultiert aus der 100%igen Nutzung der Kammerkapazität, aus einer Reduktion der Stillstandszeiten für di Wartung, Justierung und Einzelofenvermessung sowie durch di Reduktion des Faserausschusses.
- Die isothermen Ziehbedingungen führen darüber hinaus zu eine Angleichung der Faserstärke und der mechanischen Eigenschaften bei den Einzelfasern des Faserbündels. Sie verbessern damit die mechanische Belastbarkeit des Faserbündels.
mehrere solcher Ofenanlagen können im Parallelbetrieb mit einem gemeinsamen Inertgasdruckhaltesystem isotherm und mlt gleichen Betriebstemperaturen betrieben werden.
Hiermit besteht die Möglichkeit, die Produktion ohne Qualitätseinbußen zu erhöhen.
- Das Regel- und Steuerkonzept für die Ofenkammer bietet sich für den automatischen Anlagenbetrieb an. Das Persona: kann sich auf die Produktionsüberwachung konzentrieren.
- Der Platzbedarf für die regelungstechnischen Einrichtungen der Anlage reduziert sich erheblich.
Im Dauerbetrieb an Luft sollte die Betriebs temperatur der Prozeßkammer 10000 C nicht überschreiten.
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Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Anspruchs 1 Verfahren zur automatischen Heizleistungsanpassung von thermohydraulisch arbeitenden ,temperaturstabilisierten, isothermen Prozeßkammern dadurch gekennzeichnet t daß die W§rmeübertragungsEläche der Prozeßkammer konstant bleibt, daß ein bestimmter Betrag der zugeführten Heizenergie über eine außerhalb der Prozeßkammer angeordneten veränderliche Zwangskühlfläche als Uberschußwärmemenge an ein Kühlmedium abgeführt wird, daß der Betrag der Uberschußwärmemenge kalorimetrisch gemessen wird, daß das Meßsignal als Regelgr6ße für den Leistungsregler des Heizelements genutzt wird und, daß der Regler die Heizleistung so anpaßt daß der Betrag der Uberschußwärme konstant gehalten wird Anspruch 2 Temperaturstabilisierte, isotherme Prozeßkammer mit einer automatischen Prozeßwärmeregelung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer aus einem oder aus mehreren Wärmerohren aufgebaut ist, daß jedes Wärmerohr über eine Druckausgleichsleitung an ein gemeinsames, druckstabilisiertes Inertgasreservoir angeschlossen ist, daß um jede Druckausgleichsleitung eine Zwangs]ühlung mit einer integrierten kalorimetrischen Meßeinrichtung angeordnet ist, daß jedes Wärmerohr von einem unabhängig regelbaren Heizelement mit Heizenergie versorgt wird und, daß das kalorimetrische Meßsignal dem Leistungsregler des versorgenden Heizelements als Regelgröße dient Anspruch 3 Volumenvariables, hermetisch geschlossenes Inertgas-Druckhaltesystem dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas in einem volumenvariablen Faltenbalg untergebracht ist, daß der Faltenbalg einen als Verdrängungskolben ausgebildeten Boden aufweist, daß der Raum zwischen dem Verdrängungskolben und den Faltenbalgwellen mit Flüssigmetall beispielsweise mit NaK 78 ausgefüllt ist und, daß die Volumenanpassung mit einer mechanischen Verstelleinrichtung ausgeführt wird.

Anspruch 4 Volumenvariables, hermetisch geschlossenes Inertgasdruckhaltesystem nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere volumenvariable Räume druckgestaffelt und zu einer Kaskade zusammengeschaltet sind.

Anspruch 5 Temperaturstabilisierte isotherme Prozeßkammer mit einer automatischen Prozeßwärmeregelung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßkammer aus einem oder aus mehreren Koaxialwärmerohren besteht.

Anspruch 6 Temperaturstabilisierte, isotherme Prozeßkammer mit einer automatischen Prozeßwärmeregelung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß eine größere Zahl von Heizrohren auf einem oder auf mehreren Teilkreisen einer ringförmigen Kammer angeordnet ist , daß das Wärmetransportmittel in dem Freiraum zwischen der Kammerwandung und den Heizrohren arbeItet, daß die Kammer über mehrere symmetrisch angeordnete Druckausgleichsleitungen an ein druckstabilisiertes Inertgasreservoir angeschlossen ist, daß um jede der Druckausgleichsleitungen eine Zwangskühlung-mit einer integrierten kalorimetrischen Meßeinrichtung angeordnet ist uns und)daß as Meßsignal als Regelgröße für den Leistungsregler des zentralen Heizsystems dient.

Anspruch 7 Temperaturstabilisierte isotherme Prozeßkammer mit einer automatischen Prozeßwärme-Regelung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sich an ihrem Umfang berührende Wärmerohre auf einem Teilkreis angeordnet sind und so einen Rohrofen mit einem beliebigen Durchmesser bilden können , daß diese Wärmerohre gruppenweise zusammengefaßt sind und jede Gruppe über eine Druckausgleichsleitung an das zentrale druckstabilisierte Inertgasreservoir angeschlossen ist und daß jede Wärmerohrgruppe für sich beheizt und leistungsgeregelt wird Anspruch 8 Temperaturstabilisierte isotherme Prozeßkammer mit einer automatischen Prozeßwärmeregelung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmerohre zu ebenen Heizwänden zusammengefügt sind und die Wände zu quaderförmigen Heizkammern zusammengefügt werden können und , daß diese Wärmerohre in thermohydraulisch selbständige Gruppen zusammengefaßt sind, die zentral temperaturstabilsiert sind und jede für sich leistungsgeregelt ist.

Anspruch 9 Temperaturstabilisierter, isothermer Prozeßkammerverbund nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet daß mehrere Kammern gleichzeitig an ein zentrales druckstabi lisiertes Inertgasreservoir angeschlossen sind und, daß jede Kammer für sich beheizt und prozeßwärmegeregelt wird.

Anspruch 10 Temperaturstabilisierter, isothermer Zonenofen nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Prozeßkammern separat temperaturstabilisiert, beheizt und leistungsgeregelt werden, daß diese Prozeßkammern mit dem gleichen oder mit unterschiedlichen Wärmetransportmitteln betrieben werden und, daß die Kammern auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten.

Anspruch 11 Temperaturstabilisiertes, isothermes Kalorimeter nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß neben der Temperatur auch die Heizleistung der isothermen Prozeßkammer stabilisiert ist und, daß das kalorimetrische Meßsystem der Zwangskühlung zusätzlich zur definierten Überschußwärme Bildungs- oder Umwandlungswärmemengen erfassen kann.