DE1690665B1

DE1690665B1 - Heizkoerper

Info

Publication number: DE1690665B1
Application number: DE19671690665
Authority: DE
Inventors: Wringer Petrus H J De; Brieko Meindert W
Original assignee: Reactor Centrum Nederland
Current assignee: Reactor Centrum Nederland
Priority date: 1966-10-20
Filing date: 1967-10-20
Publication date: 1971-07-29
Also published as: BE705286A; GB1136368A; DE1690665C2; NL6614751A; US3492463A; NL153755C

Description

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Die Erfindung betrifft einen Heizkörper, der aus und Isolierschicht besteht. Es empfiehlt sich daher,

einem elektrischen Widerstandselement besteht, wel- gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform

dies einen von einer elektrischen Isolierschicht um- eine leichte Schrumpfverbindung zwischen Heizleiter

gebenen Heizleiter enthält, wobei um diese Isolier- und Isolierstoff zu bewirken.

schicht herum ein Metallaußenmantel zur Abführung 5 Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die

der erzeugten Wärme angeordnet ist. Isolierschicht aus Bornitrid hergestellt, wobei sowohl

Derartige Heizkörper weisen in der Praxis immer der Heizleiter als auch der aus Metall bestehende noch den Mangel auf, daß die in Watt/cm² aus- Außenmantel aus Molybdän, Tantal oder Niob oder gedrückte Heizflächenbelastung (Wärmestromdichte) aus Legierungen dieser Metalle hergestellt sind. Der für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten nicht aus- ίο derart, insbesondere mit den Vorzugsstoffen Borreichend ist. - nitrid und Molybdän erreichte vorteilhafte Effekt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wird durch den Umstand vergrößert, daß die Wärme-Heizkörper mit erhöhter Heizflächenbelastung zu ausdehnungskoeffizienten von Bornitrid und Molybschaffen. dän annähernd die gleiche Größe haben. Als Folge

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei Be- 15 davon bewirkt nach der Aufheizung des Heizkörpers

triebstemperatur zwischen dem Metallaußenmantel dessen Temperaturgradient eine derartige Ausdeh-

und der Isolierschicht eine Schrumpfverbindung vor- nung der einzelnen Stoffe, daß ein gegenseitiger Flä-

handen ist. chendruck aufrechterhalten bleibt.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine hohe Obwohl die Ausdehnungskoeffizienten von Bor-Heizflächenbelastung zu erreichen, und zwar von der 20 nitrid und Tantal etwas voneinander abweichen, ist Größenordnung von etwa 500 Watt/cm² bei einer es wohl möglich, diese Stoffkombination betriebsfähig Temperatur von ungefähr 600° C, da der Heizkörper zu verwenden, wenn die Ausmaße der Schrumpfung derart ausgeführt ist, daß selbst bei Betriebstempera- dieser Ungleichheit im Ausdehnungskoeffizienten antur noch eine Schrumpfverbindung und daher ein gepaßt sind.

Flächendruck zwischen dem Außenmantel und der 25 Anstatt Bornitrid kann auch Berylliumoxyd vorIsolierschicht besteht. Dieser bei Betriebstemperatur teilhaft als elektrischer Isolierstoff verwendet werden, bestehende Flächendruck ist sehr wichtig, da ein Ab- Am zweckmäßigsten erhält man die vorerwähnte führen der erzeugten Wärme nur auf diese Weise ge- Schrumpfverbindung, indem man einen Heizkörper währleistet wird. Weiterhin sorgt dieser Druck in Ver- gemäß den beschriebenen Ausführungen derart herbindung mit der engen Passung der Schrumpfverbin- 30 stellt, indem man von einem Rohr aus Molybdän, dung dafür, daß die Grundgeometrie des Heizkörpers Tantal oder Niob oder aus Legierungen dieser Meerhalten bleibt. DieTisf eine bedeutende Verbesse- talle ausgeht, worauf dieses Rohr fest auf einen Zyrung gegenüber den bisher bekannten elektrischen linder des verwendeten elektrischen Isolierstoffes, beHeizelementen, welche oft auf Grund von mangel- stehend aus Bornitrid oder Berylliumoxyd, aufhaftem Oberflächenkontakt lokale Hohlstellen oder 35 geschrumpft wird. Da dieser Zylinder massiv ist, infolge des Gesenkschmiedeverfahrens (swaging), dem kann die geforderte Schrumpfverbindung als eine bei das Element unterworfen wurde, eine asymmetrische ungefähr 700 bis 800° C feste Schrumpfpassung ausGeometrie aufweisen. Derartige Asymmetrien und geführt werden, ohne daß befürchtet werden muß, örtliche Hohlstellen führen in der Praxis immer zu daß sich das Bornitrid oder das Berylliumoxyd verörtlichen Überhitzungen (hot spots), wodurch die Be- 40 ziehen könnte. Nach Abkühlung der beschriebenen, lastbarkeit auf ungünstige Weise beeinflußt wird. zusammengefügten Teile wird das Mittelteil des aus

Außerdem empfiehlt es sich, geeignete Maßnahmen dem verwendeten elektrischen Isolierstoff bestehenfür eine weitere Schrumpfverbindung, die bereits bei den Zylinders ausgebohrt, so daß danach ein zylin-Zimmertemperatur existiert, zwischen dem Heizleiter drischer Mantel aus dem verwendeten elektrischen und der ihn umgebenden Isolierschicht zu treffen. 45 Isolierstoff entstanden ist, der mittels einer Schrumpf-Zur Erläuterung wird darauf hingewiesen, daß die verbindung von einem zylindrischen Mantel aus Mozuerst erwähnte Schrumpfverbindung besonders wich- lybdän, Tantal, Niob oder aus Legierungen dieser tig ist. Da die Kontaktoberfläche, auf der diese Metalle umgeben ist.

Schrumpfverbindung wirksam ist, sich mehr nach der Nachdem dann die Innenseite des aus dem beAußenseite des Heizkörpers hin befindet, hat der 50 nutzten elektrischen Isolierstoff bestehenden zylin-Temperaturgradient an dieser Stelle bereits etwas von drischen Mantels genau nachbearbeitet ist, wird diese seiner Bedeutung verloren. Damit mögliche Ungleich- Struktur von koaxialen Zylindermänteln bei einer heiten in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der an Temperatur von 100° C mit einer leichten Schrumpfdieser Stelle aufeinanderdrückenden Stoffe berück- passung auf einen Heizleiter, der ebenfalls aus Mosichtigt werden, ist es ratsam, an dieser besonderen 55 lybdän, Tantal, Niob oder aus Legierungen dieser Stelle durch Vorsehen einer starren Schrumpfverbin- Metalle besteht, aufgeschrumpft,
dung einen dauernden Flächendruck zu gewährleisten. Hierbei ist zu bemerken, daß die bisher bekannten

Bei der mehr nach der Mitte des Heizkörpers lie- elektrischen Heizelemente für hohe Heizflächen-

genden Kontaktschicht zwischen dem Heizleiter und belastungen in der Praxis manchmal versagen. Dies

dem Isolierstoff ist diese Vorsorge etwas weniger 60 wird im allgemeinen dadurch verursacht, daß sich

nötig. Infolge der hohen Temperatur des Heizleiters auf Grund von Unterschieden in der thermischen

wird sich dieser in der Regel viel mehr als die ihn Ausdehnung oder durch chemische Reaktionen

umgebende Isolierschicht ausdehnen, so daß durch lokale Hohlstellen bilden oder daß die Stärke der

die unterschiedliche thermische Ausdehnung auch Isolierschicht nicht gleichmäßig ist oder daß der Iso-

ohne die Unterstützung einer Schrumpfverbindung 65 lierstoff in seinen Eigenschaften nicht homogen ist.

im allgemeinen ein Flächendruck geschaffen wird. Durch Anwendung des oben beschriebenen Verfah-

Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß auch im kai- rens bei der Herstellung des erfindungsgemäßen

ten Zustand ein enger Kontakt zwischen Heizleiter Heizkörpers werden die den bisher bekannten Heiz-

elementen anhaftenden Nachteile dadurch behoben, daß man von einem aus dem Vollen gearbeiteten zylindrischen Rohr des verwendeten elektrischen Isolierstoffes ausgeht. Dazu kommt der Vorteil, der sich aus der Möglichkeit ergibt, die gewünschten und notwendigen Flächendrücke als Ergebnis der richtigen Auswahl der Abmessungen der Schrumpfung zu erhalten, die mit einem hohen Genauigkeitsgrad erreicht werden müssen.

Der auf diese Weise hergestellte Heizkörper kann einen sehr hohen Wärmestrom abgeben, der eine Heizflächenbelastung von bis zu ungefähr 500 Watt/ cm² bei Temperaturen in der Nähe von 600° C zur Folge hat.

Mit diesem Heizkörper können flüssige Metalle, wie Natrium, Kalium, Lithium oder deren Legierungen, auf sehr zweckmäßige Weise erhitzt werden.

Insbesondere eignet sich dieser Heizkörper für Wärmeübergangsversuche mit flüssigem Natrium als Kühlmittel, die in einem Kernreaktor oder in einem zur Nachahmung von Reaktorzuständen bestimmten Gerät durchgeführt werden. Er ist deshalb geeignet, weil der Metallaußenmantel aus Molybdän, Tantal oder Niob oder aus Legierungen dieser Metalle in keiner Weise von den angeführten flüssigen Metallen angegriffen wird.

In vielen Fällen weisen die erfindungsgemäßen Heizkörper einen Außendurchmesser von ungefähr 5 mm oder etwas höher auf. Bei diesem Durchmesser ist es möglich, eine Länge eines solchen Heizkörpers von ungefähr 50 cm zu erzielen.

In der Zeichnung werden die Querschnitte eines derartigen Heizkörpers dargestellt.

In F i g. 1 ist mit 1 der zentral angeordnete Heizleiter, mit 2 die ihn umgebende Isolierschicht und mit 3 der Außenmantel, der aus Molybdän, Tantal oder Niob oder aus einer Legierung dieser Metalle hergestellt ist, bezeichnet.

Die Ausführung von Fig.2 weicht nur insoweit von der in F i g. 1 dargestellten Ausführung ab, daß der zentral angeordnete Heizleiter 1 ebenfalls die Form eines zylindrischen Mantels hat, wobei im Innern dieses Mantels ein Zylinder 4 angeordnet ist, in welchem andere (nicht gezeigte) Organe, wie z. B. Kanäle für elektrische Leiter oder für ein Fluid untergebracht werden. Zylinder 4 kann aus einem Material mit für diesen Zweck geeigneten Eigenschaften hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Heizkörper, bestehend aus einem elektrischen Widerstandselement, welches einen von einer elektrischen Isolierschicht umgebenen Heizleiter enthält, wobei um diese Isolierschicht herum ein Metallaußenmantel zur Abführung der erzeugten Wärme angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebstemperatur zwischen dem Metallaußenmantel und der Isolierschicht eine Schrumpfverbindung vorhanden ist.

2. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zimmertemperatur zwischen dem Heizleiter und der Isolierschicht eine Schrumpfverbindung vorhanden ist.

3. Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Bornitrid besteht und sowohl der Heizleiter als auch der Metallaußenmantel aus einem Metall, das zu der Molybdän, Tantal und Niob umfassenden Gruppe gehört, oder aus Legierungen dieser Metalle hergestellt ist.

4. Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Berylliumoxyd besteht und sowohl der Heizleiter wie auch der Metallaußenmantel aus einem Stoff, der zu der Molybdän, Tantal und Niob umfassenden Gruppe gehört, oder aus Legierungen dieser Metalle hergestellt ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr, das aus einem Metall, welches zu der Molybdän, Tantal oder Niob umfassenden Gruppe gehört, oder aus einer Legierung dieser Metalle mit einem anderen Stoff oder untereinander hergestellt ist, fest auf einem Vollzylinder des verwendeten elektrischen Isolierstoffes aufgeschrumpft wird, worauf der Mittelteil dieses Zylinders ausgebohrt wird, und die auf diese Weise erhaltene Materialeinheit auf einen Heizleiter aus Molybdän, Tantal, Niob oder aus Legierungen leicht aufgeschrumpft wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen GOPY