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Durch eine Gasentladung ,geheizter elektrischer Ofen Es wurde bereits
eine größere Anzahl verschiedenartiger, elektrischer Ofen entwickelt, wie z. B.
Widerstandsöfen, Lichfbogenöfen, Hochfrequenzöfen und Kathodenstrahlöfen. Bei allen
diesen Ofen ist man an bestimmte Betriebsbeidingungen gebunden, die genau eingehalten
werden müssen.- Diese Bedingungen betreffen den Gasdruck oder die Art .des Füllgases
und in vielen Fällen auch die Betriebsstromstärke. Auch ist häufig ,die Zone höchster
Erhitzung sehr klein oder schwer auf den zu erhitzenden Körper zu richten. Für idie
verschiedenen Zwecke, insbesondere fündas Erschmelzen hochschmelzender, leicht reduzierbarer
Gläser oder für die Herstellung von sogenannten Hartmetallen, genügendiese Ofen
nicht in allen Fällen. Die Erfindung gibt einen neuartigen Ofen, der auch diesen
besonderen Bedingungen gerecht wird. Insbesondere erlaubt es dieser Ofen auch, mit
chemisch aktiven Gasen z. B. unter stark oxydierenden Bedingungen und bei wechselnden
Stromstärken und Gasdrucken zu arbeiten.
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Nach der Erfindung wird als Heizquelle des elektrischen Ofens die
positive Säule einer Glimmentladung benutzt. Hierzu wird gemäß der Erfindung in
einem mit Gasen oder Dämpfen .und vorzugsweise mit chemisch aktivem Gasen oder Dämpfen
gefüllten, rohrförmigen, eIektrischen Entladungsgefäß ein aus hocherhitzbarem, insbesondere
isolierendem Werkstoff bestehendes Ofenrohr zur Aufnahme des zu erhitzenden Gutes
so zwischen den Elektroden ,des Entladungsgefäßes angeordnet, daß es von der positiven"
Säule der Glimmentladung durchsetzt wird. Es ist zwar bereits bekannt, zur Beheizung
eines
elektrischen Ofens das negative Glimmlicht einer Gasatmosphäre
zu benutzen, wobei der zu erhitzende Gegenstand entweder selbst die negative Elektrode
bildet oder mit ihr in wärmeleitender Verbindung steht. Da die Elektroden notwendigerweise
aus Metall bestehen müssen, ist man infolgedessen bei dieser bekannten Anordnung
sowohl in bezug auf ,die zu erreichende Temperatur als auch in bezug auf die am
Ofen herrschende Atmosphäre durch die Wahl dieser Elektroden begrenzt. Die Verwendung
einer oxydierenden Atmosphäre ist daher wenigstens, wenn höhere Temperaturen benutzt
werden sollen, immer ausgeschlossen, und die Temperatur kann die Schmelztemperatur
des Wolframs nicht übersteigen. Dagegen ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung
der positiven Säule einer Glimmentladung die Erreichung höherer Temperaturen wie
auch die Anwendung beliebiger Gasatniosphären, da die Elektroden die höheren Temperaturen
nicht anzunehmen brauchen und z. B. durch Flüssigkeit besonders gekühlt werden können.
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Bei dem Druckbereich von einigen Millimetern bis etwa ioo mm Hg-Säule,
in dem man eine Glimmentladung -aufrechterhalten kann, ist es auch unwesentlich,
ob das Entladungsgefäß völlig vakuumdicht ist oder nicht, da man mit einfachen Pumpanomdnungen
stets den gewünschten Druck einstellen kann. Infolgedessen ist der Ofen nach der
Erfindung leicht so herzustellen, daß er schnell auseinandergenommen und zusammengesetzt
werden kann. Es ist auch ein Vorteil, daß die mit auf hohe Temperatür zu bringende
Ofenmasse gering sein darf, da die zu brennenden Stoffe unmittelbar in die positive
Säule eingebracht werden können. Der Ofen nach der Erfindung :kann außer zum Brennen
oder Schmelzen fester Körper oder Pulver auch zur Erzeugung chemischer Umsetzungen
benutzt werden, .da er mit verschiedenen Gasfüllungen betrieben werden kann. Zunächst
ist ein Betrieb mit Wasserstoff oder Formiergas möglich. In diesem Falle wird der
Wasserstoff nicht nur durch die-hohe Temperatur, sondern durch die elektrischen
Vorgänge .dissoziiert, und es erfolgt außerdem noch eine Überführung in angeregte
Atomzustände. Es ergibt Eich daher unter der doppelten Wirkung der :hohen Temperatur
und der elektrischen Entladung eine außerordentlich gesteigerte Reduktionswirkung.
Wenn,der Ofen mit Sauerstoff gefüllt ist, so bildet sich .bei der Entladung atomarer
Sauerstoff, der in Verbindung mit der hohen Temperatur eine sehr starke Reduktion
hervorruft. Bei einer Edelgasfüllung hat man ausschließlich die Temperatiurwirkung.
Andere chemische Wirkungen lassen sich durch Füllungen mit Stickstoff oder kohlenstoffhaltigen
Verbindungen, beispielsweise Kohlenmon-oxyd, Kohlendioxyd, oder Leuchtgas
erzielen. Es tritt dann unter der vereinten Wirkung der hohen Temperatur und des
aktivierten Gases- beispielsweise eine Karbidbildunig oder bei der Verwendung stickstoffhaltiger
Gase eine Nitridbildung ein. Die erreichbaren Temperaturen hängen von der verfügbaren
Energie und der Beständigkeit des Heizrohres ab. Mit Heizrohren aus Thoroxyd wurden
Temperaturen von a8oo° K und höher ohne Mühe erreicht, und zwar insbesondere in
oxydierender Atmosphäre. Dies ist beispielsweise für die Herstellung hochschmelzender
Gläser und für das Brennen verschiedener keramischer Werkstoffe von .großer Bedeutung.
Von den bisher bekannten Ofenbauarten können nur die Lichtbogenöfen in oxydierender
Umgebung betrieben werden. Diesen Ofen gegenüber zeichnet sich ;aber der Ofen noch
der Erfindung durch die leichte Regelbarkeit der Temperatur und die ,gleichmäßige
Temperaturvertei.lung aus. Außerdem ist die Enhitzung unter sehr sauberen Bedingungen
möglich. Der zu erhitzende Stoff kommt nur mit dem Heizrohr und der Gasfüllung und
.gegebenenfalls mit einem in das Heizrohr eingeschobenen Schiffchen in Verbindung.
Im Gegensatz zu den Lichtbogenöfen kann also keine Verunreinigung durch das Elektrodenmaterial
eintreten. Ein weiterer Vorteil ist es, daß der Ofen nach der Erfindung ohne weitere
Umbauten je nach Bedarf -mit oxydierender, reduzierender, neutraler oder in bestimmter
Weise chemisch reagierender Gasfüllung betrieben werden kann. Der Ofen ist also
sehr allgemein verwendbar.
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Der Ofen sei an Hand der Abbildung näher erläutert.
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In der Abbildung ist ein rohrförmiges Entladungsgefäß i dargestellt,
das beispielsweise aus vakuumdichter Keramik oder Quarz bestehen kann. Von den Enden
paus sind in -das Entladungsgefäß Elektroden? eingeführt, die als hohle, wassergekühlte
Metallgefäße ausgebildet sind. Die Wasserzuführungen und Wasserabführungen sind
mit 3 bezeichnet. Gegebenenfalls können, wie angedeutet, zusätzliche Absohlußplatfien
vorgesehen sein. An Stelle der wassergekühlten Metallelektroden wird man in vielen
Fällen vorteilhaft und insbesondere .geheizte Oxydelektro.den benutzen und beim
Betriebe mit oxydierenden Gasen insbesondere auch Elektroden -aus Nernstm:asse,
also einem Gemisch von Zirkonoxyd und Yttriumoxyd. Durch die Verwendung solcher
Elektroden wird der Kathodenfall herabgesetzt, so rdaß der Ofen mit niedriger Spannung
unddaher wirtschaftlicher arbeitet. In der Mitte .des Gefäßes i ist ein
Rohr
4 angeordnet. Diieses Rohr besteht aus einem Werkstoff, der :die. ,gewünschte Temperatur
ohne"zu schmelzen ertragen kann. Es dient zur Führung,der Entliadung. In ,ihm soll'
sich die positive Säule ausbilden, und diese positive Säule ist derart-einzuengen,
@daß idie gewünschte hohe Temperatur entsteht. Dass Rohr wird vorzugsweise aus Isolierstoff
hergestellt. Wenn :es aus einem hochschmelzenden Metall .gemacht wird, muß es einen
:geeigneten isolierenden Überzug ibesitzen. Als isolierender Stoff für das Rohr
oder den Überzug bewährten sieh für Temperaturen unterhalb von 2ooo° C Aluminiumoxyd
(Sinterkorund) und für höhere Temperaturen reines Zirkonoxyd, Thoroxyd o: ä. Die
höchste erreichbare Temperatur ist idurdh den Schmelzpunkt dieser Werkstoffebedingt.
Der Schmelzpunkt liegt (bei Thoroxyd z. B. bei 3323°K. Das zu erhitzende Rohr ist
in eine Trennwand einzusetzen, die verhindert, dd ,die Entladung unter Umgehung
des Rohres unmittelbar zu den Elektroden 2 Übergeht: Die Trennwand teilt das Gefäß
also in zwei Teile, und in jedem dieser Teile eist eine der Elektroden angeordnet.
Die Trennwand braucht nicht gasdicht zu sein. Es genügt; wenn sie das Gefäß -so
weit abdichtet, daß der geringste Entladungswiderstand durch, das Rohr 4 hindurch
voiihanden.dst. Bei der Anordnung nach der Abbildung besteht die Trennwand aus mehreren
ineinander angeordneten Rohren 5 und 6, die durch ringförmige Abstandsstücke 7 und
8 gegeneinander abgestützt sind.' Die Werkstoffe können dabei so ausgewählt werden,
@daß ihr Schmelzpunkt nach außen abnimmt"da,dort ,die Temperatur geringer ist. Beispielsweise
kann das äußere Rohr auch aus Porzellan .bestehen. Bei einem Ausführungsbeispiel
bestand Glas äußere Rohr 5, das unmittelbar das Entladungsgefäß i berührt, aus Quarz.
Die Ringe 7 und das Rohr 6 bestanden aus Zirkonoxyd und die Ringe 8 und das Rohr
4 aus Thoroxyd. Die Zahl und Anordnung der Ringe und Rohre oder entsprechender Vorrichtungen
ist dem jeweiligen Geibrauehs.zweck anzupassen. Sie haben die Aufgabe, reiben der
Trennung der Gefäßhälften voneinander eine möglichst weitgehende thermische Isokerung
des Rohres 4 zu bewirken; um mit geringer .Energie eine hohe Temperatur im Rohr
4 erzwingen zu können.
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Wenn das Außengefäß i des Ofens aus Metall .bestecht, so sind die
Betriebsbedingungen (Potentialgefäjlle; Gasdruck, Stromstärke) so zu wählen, @daß
der Potentialabfall in @ der Gasentladungsstreclce kleiner äst ' als die Summe von
Kathodenfall und Anodenfall an der Gefäßwand, damit die Entladung nicht unter Umgehung
,des Heizrohres an der Gefäßwand einsetzt. Außerdem kann man natürlich. durch Auskleidendes
Metallgehäuses mit einer nicht notwendig vakuumdichten, elektrisch ;nicht leitenden
Schicht z. B. aus keramischen Stoffen den unmittelbaren Stromübergang zum Gehäuse
vermeiden. Es ist auch möglich, das Gehäuse aus zwei Teilen herzustellen und die
zum ; Stützen des Ofenxohres dienende Trennwand nach außen durchzuführen, um auf
diese Weise den Übergang der Entladung auf das Gefäßrohr zu vermeiden.
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Das Entladungsgefäß wird in vielen Fällen zweckmäßig mit einer Vakuumpumpe
und mit einer Zuleitung. für die zu benutzende Gasfüllung verbunden. Auf diese Weci.se
wird es möglich, im strömenden Gas und .damit also unter besonders reinen Gasbedingungen
zu arbeiten. Durch die Anordnungen von zwei Saugleitungen 9 und zwei Zuleitungen
io .mit Absperrhähnen i i an den beiden Elektrodenräumen kann erreicht werden, @daß
das Füllgas auch nur durch die Elektrodenräume strömt und .im Heizrohr 4 selber
keine Strömung vorhanden .ist.
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Der Gasdruck im Ofen darf dabei wenige . Millimeter Hg bis etwa ioo
mm Hg betragen. Die Glimmentladung wird z. B. mit einem Transformaior von iooo .bis
2ooo Volt Sekundärspannung in Verbindung .mit geeigneten Vorschaltwiderständen in
der Primär-oder Sekundärleitung betrieben. Bei einem kleinen Ausführüngsbeispiel
mit einem Heizrohr laus T:horoxyd von 6 mm Innendurchmes,ser und 6o mm Länge wurden
mit 6oo bis iooo Volt bei einem Strom von 3 Amp. (Leistungsverbau.ch 2 bis 3 kW)
26oo° K erreicht. Von dieser Leistung entfällt noch ein bemerkenswerter Teil auf
.den Spannungsabfä;ll an den Elektroden und wird damit nutzlos zur Erwärmung ider
Kühlflüssigkeit verwendet. Diese Verluste lassen sich, wie bereits gesagt wurde,
durch die Verwendung von Oxydkathoden verringern. Der Druck im Ofen:kann innerhalb
bestimmter Grenzen verändert werden. Es ist zweckmäßig, ihn so hoch zu wählen, daß
mit der verfügbaren Spannung noch eben eine ausgesprochene Glimmentladung möglich
ist, ohne daß die i Entladung in eine Bogenentladung umschlägt. Man erreicht auf
diese Weise höhere Temperaturen, @da .mit steigendem Druck das Po- -tentialgefälle
im Heizrohr stark zunimmt.