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Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines in eine Schutzhülle aus isolierendem kera- mischem Material eingebetteten elektrischen Widerstandes, dessen Widerstandsmaterial zumindest teil- weise freiliegt und auf einen Trägerkörper aus feuerfestem Material gewickelt ist.
Es ist seit langem ein Bestreben der Elektroindustrie, beispielsweise der Rundfunk-und Femsehindu- strie, nur solche elektrische Widerstände in Geräte einzubauen, die ein grösstmögliches Mass an Sicherheit als elektrisches Bauelement gewährleisten. Um dieser Forderung gerecht zu werden, ist es erforderlich,
Widerstände zu entwickeln, die sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht hohen Anfor- derungen genügen. Ausserdem sollen sie-abgesehen von den Anschlussdrähten- aussen allseitig, z. B. durch eine Glasur, isoliert sein, um unerwünschte Kurzschlüsse durch Berührung mit andern Bauelemen- ten zu vermeiden. Die allseitige äussere Schutzschicht soll gleichzeitig auch das Widerstandsmaterial ge- gen alle äusseren Einflüsse schützen, die sich in jedem Fall schädlich auswirken.
Schichtwiderstände sind bezüglich obiger Forderungen nicht sehr kritisch, weil die Widerstandsschicht fest auf einem isolierenden Trägerkörper aufgebracht ist, von welchem sie sich durch Stromwärme selbst bei den gegebenen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber der Unterlage wegen ihrer geringenDicke kaum abheben kann. Deshalb wirken sich bei diesen Widerständen die infolge Erwärmung auftretenden mechanischen Kräfte auf die allseitig aufgebrachte Isolierung praktisch nicht aus.
Bei aus Draht oder Bandmaterial hergestellten elektrischen Widerständen liegen die Verhältnisse ganz anders, weil hier das Widerstandsmaterial einen weitaus voluminöseren Anteil ausmacht, als es bei Schichtwiderständen der Fall ist.
Es sind allgemein die in der Schwach- und Starkstromtechnik verwendeten Drahtwiderständt. bekannt, zu deren Herstellung, abgesehen von Sonderkonstruktionen, praktisch immer das gleiche Prinzip angewendet wird, d. h. es wird ein Widerstandsdraht auf einen stab- bzw. rohrförmigen Körper aus Porzellan gewickelt. Anfang und Ende der Wicklung werden mit Kontaktdrähten oder Anschlussschellen versehen, während der Körper oder Widerstandsträger mit einem Speziallack oder einem Spezialzement, oder in besonderen Fällen, wenn es auf hohe Belastbarkeit, d. h. auf Hitzebeständigkeit ankommt, mit einer eigens hiefür entwickelten Glasur überzogen wird.
Glasierte Widerstände haben die Eigenschaft, hohe Temperaturen auszuhalten. Sie werden deshalb dort verwendet, wo es sich um spezifisch hohe Leistungen bei kleinen Abmessungen handelt. Diesem Vorteil steht jedoch der Nachteil relativ hoher Herstellungskosten gegenüber, die durch nachstehend beschriebene Umstände verursacht werden.
Der Trägerkörper des Widerstandsdrahtes muss im Hinblick auf die thermische Beanspruchung besonders hochwertige Eigenschaften haben. Bei einer Bewicklung mit mittelstarken oder dicken Drähten gelingt das Glasieren meist nicht mit einer Behandlung. Es müssen daher mehrere Schichten, die jeweils einen Zwi schenbrand erfordern aufgetragen werden. Als Folge des mehrfachen Glasierens steigt der Ausschuss. Ferner erfordert das Fertigungsprogramm in bezug auf Typen, Längen und Durchmesser das Halten eines grossen Rohmateriallagers.
Ein weiterer Nachteil der Drahtwiderstände, deren Wicklungen durch eine Glasur festgelegt sind, besteht darin, dass bei Erwärmung des Widerstandes infolge Stromdurchfluss erhebliche mechanische Kräfte auftreten, die zu Glasurrissen führen, weil die Schutzglasuren gegenüber dem Widerstandsmaterial einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoffizienten besitzen. Es komm : noch hiezu, dass bei dem ke-
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ramischen Brand bei Temperaturen zwischen 600 - 8000C bei der Abkühlung im Bauelement durch die Drahteinlagerung ohnehin erhebliche mechanische Spannungen entstehen, die die Rissbildung fördern.
Durch entsprechend zusammengesetzte Massen sowohl für den Trägerkörper als auch für die Glasur hat man zwar versucht, den Schwierigkeiten zu begegnen, jedoch sind die erzielten Ergebnisse noch immer nicht zufriedenstellend. Ausserdem kommt es bei diesen Widerständen auch wegen der Wärme im keramischen Brand häufig zu Bündelungen einzelner Windungen, so dass der ursprüngliche Widerstandswert sich imFertigfabrikat vermindert. Mit der Widerstands minderung steigt aber die Stromaufnahme, so dass dann häufig das Widerstandsmaterial an diesen Stellen durchbrennt.
Bei der Herstellung glasierter Drahtwiderstände ist überdies eine weitgehend automatische Fertigung nicht möglich, da die Mehrzahl der Arbeitsgänge nur von Hand ausgeführt werden kann.
Es ist weiterhin eine Schwierigkeit dahingehend zu überwinden, dass die Widerstandsdrähte nicht mit beliebig kleinen Durchmessern hergestellt werden können, und dass man deshalb auf einem vorgegebenen Trägerkörper nicht genügend hohe Widerstandswerte unterbringen kann. Man ist daher dazu übergegangen, die Widerstandsdrähte doppelt zu wendeln. Man erhoffte sich von dieser Massnahme gleichzeitig auch eine Verminderung der Neigung zu Glasurrissen, da die durch die Stromwärme bedingte Ausdehnung des Widerstandsmaterials und die dadurch entstehenden Kräfte sich in der Richtung der Glasurebenemehr auswir - ken sollen als in radialer Richtung, so dass die Glasur nunmehr unter Druck- und in einem nicht mehr so starken Masse unter Zugspannung steht. Man hat aber durch diese Massnahme die Schwierigkeiten in bezug auf die Rissebildung nicht überzeugend beseitigen können.
Es wurde daher zur Ausschaltung dieser Nachteile bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht, die aber die genannten Schwierigkeiten nur teilweise oder unvollkommen beseitigen konnten, dafür aber mit neuen, zum Teil schwerwiegenderen Nachteilen behaftet waren.
So wurde z. B. vorgeschlagen, den Widerstandsdraht auf Rohre aus Papier zu wickeln und nach Auftragung einer Glasurschicht diese im Ofen zu erschmelzen, wobei das Papierrohr verbrennt und die Wicklung dann durch die Glasur getragen wird. Es ist auch bekannt, kleine Widerstandselemente in Porzellanschalen einzuglasieren, wobei der ganze Hohlraum mit Glasur ausgefüllt wird. Beide Verfahren haben den Nachteil mangelhafter mechanischer Festigkeit, begrenzter Widerstandswerte und Schwierigkeiten in der Handhabung bei der Fertigung.
Es ist ferner bekannt, Widerstandsnetze oder andere Gebilde aus Widerstandsdraht mit feuerfesten keramischen Massen zu umpressen und bei Temperaturen über 10000C zu brennen. Dieses Verfahren gestat- tet zwar eine weitgehend automatische Fertigung und Einsparung der teueren Porzellankörper, hat aber wegen der hohen Brenntemperaturen viele Nachteile. Es wurde daher vorgeschlagen, der keramischen Mas- se aus Scherbenmehl eine niedrigschmelzende Fritte zuzusetzen, um die Brenntemperatur herabzusetzen.
Um den Widerstandswert zu erhöhen, kann man nach einem Vorschlag den Widerstandsdraht auf eine isolierende Seele aus Nähgarn, Seide oder Asbest aufspinnen. Es ist auch bekannt, das so gewendelte Wi - derstandsmaterial nochmals auf einen Trägerkörper aufzuwickeln. Diese Widerstandskörper wurden mit Glasfasern, Lack oder Kunststoff umkleidet, oder, falls eine anorganische Seele verwendet wurde, in Glasröhrchen eingeschmolzen oder glasiert.
Es ist auch bekannt, auf einen drahtbewickelten Widerstandskern einen dünnen flüssigen Überzug aus Kaolinton oder Bindeton aufzubringen, der 2 - 500/0 Betonit enthält. Nach dem Trocknen wird auf diesen Überzug aus anorganischem Material eine glasartige Emailleschichte aufgebracht und gebrannt. Beim Brennen verschwindet der Überzug, wodurch ein festes Anhaften des Emailles am Kern und am Draht bewirkt wird.
Bei allen diesen bekannten Verfahren werden aber die angeführtenNachteile, insbesondere die als Folge der verschiedenen thermischenAusdehnung des Widerstandsmaterials und des Träger- bzw. Hüllen- materials auftretenden Fehler, wie z. B. Glasurrisse oder Bündelung einzelner Windungen nicht vermieden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde es für die Herstellung von mit Glasur, z. B. Emaille, überzogenen Widerständen vorgeschlagen, das Widerstandsmaterial vor dem Aufbringen der Glasur mit einer Hülle aus Papier, Zellulose oder Lack zu versehen, die bei den zum Aufschmelzen der Glasur erforderlichen Temperaturen verbrennt oder sich verflüchtigt. Diese Ausführung hat den Nachteil, dass die Durchschlagsfestigkeit der Glasur gering ist.
Es ist auch bekannt, einen Widerstandsdraht in einer schraubenförmigen durch eine Emailleschicht abgedeckten Nut eines Tragkörpers aus Isoliermaterial anzuordnen, wobei in der Nut noch zusätzlich Füll- körper angeordnet werden, die entweder zusammendrückbar sind oder bei Erhitzung verbrennen. Dabei kann das Füllmaterial den WiderstandsdrahtinForm ein-oder mehrlagigerumwindungen umgeben. Nach- teilig ist auch hier die geringe elektrische und mechanische Festigkeit von Emaille.
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Dieselben Nachteile treten bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung isolierender Schutzüber- züge aus Glasur für Widerstände auf, bei dem dem Widerstandsmaterial gegenüber der Glasur dadurch Spielraum ver : chafft werden soll, dass die Glasur nach dem Schmelzen rasch abgekühlt wird.
Weiters ist ein Verfahren zum Herstellen elektrischer Heizkörper bekannt, bei dem ein Heizwiderstand aus Platin unter Verwendung einer nicht bleibenden Zwischenschichtmiteinerkeramischen Schutz- hülle umgeben wird. Die Stärke dieser Zwischenschicht wurde dabei so gewählt, dass das Widerstandsmaterial nach dem Glühen in einem engen Kanal liegt, so dass es sich beliebig ausdehnen und zusammenziehen kann. Analog wurde es vorgeschlagen. Heizdrähte aus hochschmelzenden Legierungen mit einer Zwischenschicht aus Wachs, Paraffin, Lack od. dgl. sowie mit einer Schutzhülle aus schwer schmelzbaren Metalloxyden od. dgl. zu versehen und letztere bei einer Temperatur von über 16000C zu sintern, wodurch die Zwischenschicht verdampft, deren Stärke so gewählt ist, dass sie der Schwindung der Schutzhülle beim Brennen entspricht.
Diese Verfahren haben den Nachteil, dass dem Widerstandsmaterial nur wenig Spielraum verschafft werden kann, da das Aufbringen starker Zwischenschichten auf dünnen Widerstandsdraht umständlich und aufwendig ist.
Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, Druck- wie auch Zugkräfte in der Glasur-bzw. zwischen Träger und Widerstandsmaterial weitgehend auszuschalten und somit Glasurrisse zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines in eine Schutzhülle aus isolierendem keramischem Material eingebetteten elektrischen Widerstandes, dessen Widerstandsmaterial zumindest teilweise freiliegt und auf einem Trägerkörper aus feuerfestem Material gewickelt ist, ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper vor dem Bewickeln mit dem Widerstandsmaterial mit einem beim Brennen des keramischen Materials sich verflüchtigenden Überzug auf vorwiegend organischel Basis, insbesondere aus Lack, Kleber, Kunststoff od. dgl. versehen wird.
Dieses Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass auf dem im Vergleich zum Widerstandsmaterial relativ starken Trägerkörper in einfacher Weise eine dickere Zwischenschicht aufgebracht werden kann, so dass auch nach dem Schwinden der keramischen Schutzhülle den Widerstandsmaterial bei seiner normalen Betriebstemperatur ein hinreichender Spielraum verbleibt.
Aus dem gleichen Grunde ist es günstig, wenn nach dem Bewickeln mit dem Widerstandsmaterial das so geschaffene Zwischenprodukt mit einem beim Brennen de keramischen Materials sich verflüch- tigenden Überzug, insbesondere aus Lack, Kleber, Kunststoff od. dgl., auf vorwiegend organischer Basis versehen wird.
Nach einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Widerstandsmaterial vor dem Aufwickeln in an sich bekannter Weise mit einem beim Brennen des keramischen Materials sich verflüchtigenden Überzug, beispielsweise einer Lackschicht, auf vorwiegend organischer Basis versehen.
Als feuerfester, isolierender Trägerkörper kann vorzugsweise ein Glasfaser- oder ein Asbeststrang ver- wendet werden, dessen Länge ein Vielfaches der Länge des herzustellenden Widerstandes betragen kann.
Da die Aufbringung des Widerstandsmaterials auf den feuerfesten, isolierenden Trägerkörper ebenfalls maschinell erfolgt, ist es möglich. z. B. auf eine unendlich lange Glasfaserkordel eine unendliche Länge des
Widerstandsmaterials aufzuwickeln. Davon kann dann die für den jeweiligen Widerstand erforderlichen
Länge abgeteilt werden. Es ist möglich, die Abteilung der erforderlichen Länge vor oder nach dem Anbrin- gen der Kontakte vorzunehmen. Falls der Widerstandskörper bereits mit dem Lacküberzug od. d gl. versehen ist, so muss dieser an den Stellen, an denen die Kontakte beseitigt werden sollen, natürlich entfernt werden.
Der mit Kontakten versehene Wlderstandskorper wird dann mit einer Schutzhülle aus keramischem Material umgeben. Dazu wird die keramische Masse preys-odeur ziehfähig aufbereitet. Der Widerstandskörper kann dann in Pressformen nach dem Nass- oder Trockenpressverfahren mit der keramischen Schutzhülle umpresst werden.
Die so umpressten Widerstandskörper werden dann nach dem Trocknen zur Verfestigung der kerami- schen Schutzhülle bei Temperaturen unter 1000oC, vorzugsweise bei etwa 700 - 8000C gebrannt. Bei diesen Temperaturen tritt noch kein Schmelzen der keramischen Masse ein.
Beim Brand wird die Temperatur zur Verflüchtigung des Überzuges langsam gesteigert, damit die bei der Verflüchtigung entstehenden Gase und Dämpfe durch die noch poröse keramische Masse ungehindert entweichen können.
Die keramische Masse besteht im wesentlichen aus einer hochschmelzenden Substanz oder aus einem Gemisch von hochschmelzenden Substanzen, wie Metalloxyden, Silikaten od. dgl. und einem geringen Prozentsatz eines niedrigschmelzenden Stoffes, z. B. einer Glasur oder eines Glases. Während des Brandes verflüchtigt sich oder verbrennt der Überzug auf dem Trägerkörper bzw. auf dem Widerstandsmaterial oder dem bewickelten Widerstandskörper. Dadurch entstehen zwischen dem Trägerkörper, dem Wider-
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standsmaterial und der keramischen Schutzhülle Hohlräurae, in die das Widerstandsmäterial bei einer ther- mischen Beanspruchung insbesondere bei einer Stossbelastung ausweichen kann. Das Widerstandsmaterial liegt in einem geringenAbstand vom Trägerkörper und/odervomEinbettungsmaterial.
Es ist also auch hier bei thermischer Beanspruchung ein gewisses Spiel und eine Ausweichmöglichkeit für das Widerstandsmaterial gewährleistet.
Da : die keramische Masse aus einem Gemisch von hochschmelzenden Stoffen mit einem geringen Zu- satz von niedrig schmelzenden Substanzen besteht, werden beim Brand die niedrigschmelzenden, glasigen Substanzen gerade die vorhandenen Poren im Überzugsmaterial füllen, während die hochschmelzenden Anteile den Überzug in seiner Form so lange abstützen, bis die Glasschmelze die Poren geschlossen und damit das Gerüst der hochschmelzenden Stoffe verkittet hat. Dadurch wird auch ein Nachdrängen der keramischen Masse in den durch die Verflüchtigung des flexiblen Trägers gebildeten Hohlraum verhindert.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird erreicht, dass sich kaum noch mechanische Kräfte infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung gegenüber der Glasur an dieser auswirken. Vielmehr können sich die einzelnen Windungen je nach den Erfordernissen im Hohlraum in vorgegebenen Grenzen verlagern. Die Gefahr, dass sich durch eine derartige Massnahme Bündelungen in der Wicklung ergeben, ist jedoch völlig ausgeschaltet, da das Widerstandsmaterial praktisch in einem Formabdruck seiner eigenen äusseren Form ruht.
Eine beispielsweise Ausführung des erfindungsgemässen Widerstandes wird in der Zeichnung näher erläutert :
Fig. 1 zeigt mit Kontakten versehene Widerstandskörper ohne keramische Schutzhülle. In Fig. 2 ist ein
Längsschnitt durch einen Widerstand mit radialen Zuleitungen, in Fig. 3 ein Querschnitt nach III - III in
Fig. 2 und in Fig. 4 wieder ein Längsschnitt durch einen Widerstand mit axialen Zuleitungen dargestellt.
In Fig. l bedeutet 1 den feuerfesten, isolierenden Trägerkörper, der um ein Vielfaches länger ist, als die Länge der einzelnen Widerstände und 2 das Widerstandsmaterial, das gegebenenfalls bereits um einen flexiblen, verflüchtigbaren Träger gewendelt sein kann. Die Kontakte sind mit 3, die an ihnen befestigtenZuführungen mit 5 bezeichnet. An den angedeuteten Trennstellen 4 werden die einzelnen Widerstände abgetrennt.
Einen Längsschnitt durch mit der keramischen Schutzhülle versehene Widerstände zeigen die Fig. 2 und 4. Es bedeuten : 1 den Trägerkörper, 2 das Widerstandsmaterial, 3 die Kontakte, 5 die Zuleitungen, die in Fig. 2 radial und in Fig. 3 axial ausgeführt sind, 6 die keramische Schutzhülle und 7 eine Glasurschicht, die auf der keramischen Schutzhülle aufgebracht ist.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt nach III - III in Fig. 2 dargestellt, in dem 1 den Trägerkörper, 2 das Wi derstandsmaterial, 6 die keramische Schutzhülle und 7 die Glasurschicht bedeutet.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäss hergestellten Widerstände selbst bei hohen Impulsbelastungen den elektrischen thermischen und den sich daraus ergebenden mechanischen Beanspruchungen in ausgezeichneter Weise gewachsen sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines in eine Schutzhülle aus isolierendem keramischem Material eingebetteten elektrischen Widerstandes, dessen Widerstandsmaterial zumindest teilweise freiliegt und auf einem Trägerkörper aus feuerfestem Material gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper vor dem Bewickeln mit dem Widerstandsmaterial mit einem beim Brennen des keramischen Materials sich verflüchtigenden Überzug auf vorwiegend organischer Basis, insbesondere aus Lack, Kleber, Kunststoff od. dgl. versehen wird.
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