CH653200A5

CH653200A5 - Elektrisches heizelement.

Info

Publication number: CH653200A5
Application number: CH2919/81A
Authority: CH
Inventors: James Francis Pollock; John Malcolm North; Roy Frederick Preston; Vincent Keith Hewinson
Original assignee: Atomic Energy Authority Uk
Priority date: 1979-06-14
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1985-12-13
Also published as: FR2503589A1; IT1147749B; SE454932B; US4982068A; GB2086875B; FR2461424A1; GB2056829A; SE8102972L; FR2503589B1; SE8004352L; GB2056829B; GB2083330A; CH653199A5; DE3022259C2; GB2083330B; JPS568220A; NL8003493A; SE8203612L; FR2459602B1; IT8067932A0

Description

Die Erfindung betrifft ein fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement und eine ein solches Heizelement enthaltende Vorrichtung zum Übertragen von Wärme. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise dazu dienen, die Temperatur einer Gussform, eines Kalanders oder eines Extruders zu steuern.

Beispiele poröser, elektrischer Heizelemente sind in den GB-PSen 1 466 240 und 1 503 644 und in der DE-OS Nr. 2 822 536 offenbart, wobei hiermit ausdrücklich auf alle diese technischen Unterlagen hingewiesen wird.

Es ist oft notwendig, ein Fluid, sei es ein Gas oder eine Flüssigkeit, elektrisch zu erwärmen und einen geschlossenen Fluidkreislauf zu verwenden, um die genannte Wärme anderen Fluiden oder Anlageteilen einer Wärmetauschanordnung überzuführen. Ein insbesonderes Beispiel ist die Verwendung einer erwärmten Flüssigkeit (z.B. Öl oder Wasser) mit dem Zweck, die Temperatur von Gussformen, Extrudern und Kalandern zu steuern, welche in der Kunststoffindustrie verwendet werden. Bekannte Ausbildungsformen solcher Temperatursteuereinheiten verwenden elektrische Tauchelemente der gekapselten bzw. ummantelten Bauform, wobei die Wärme, die in diesen Elementen erzeugt worden ist, durch Wärmeleitung durch die Metallmantel wand auf die diese umgebende Flüssigkeit übertragen wurde, welche Flüssigkeit am Element vorbeiströmt. Da ein Zersetzen des Öls verhindert werden muss, besteht in bezug auf den Wärmeübertragungskoeffizienten, der mit dieser Bauform des Elementes verwendet werden kann, ein Grenzwert, beispielsweise

1-10 Watt/cm2 Heizelementoberfläche. Dieser Wert verursacht folglich eine Auswirkung auf die Abmessungen und das Gewicht der Heizanlage, insbesondere bei hohen Leistungen. Weiter ist die Ansprechzeit solcher Einheiten verhältnismässig klein, weil eine Grenze in bezug auf die Wärmemenge besteht, die während einer kurzen Zeitspanne der Flüssigkeit übertragen werden kann. Dieses kann auf die Produktionszyklen einen entscheidenden Einfluss ausüben, wenn solche Einheiten dazu verwendet werden, Gussformen zu beheizen im Falle, dass identische Bauteile serienmässig hergestellt werden.

Die Erfindung will nun diese Nachteile umhüllter Metallelemente beheben und ein fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement zeigen, bei dem .das Fluid anstatt über lediglich die Aussenfläche des Heizelementes durch den Körper des porösen Heizelementes strömen kann. Es können dabei Energiedichten von 1 kW/cm3 Heizelementstoff erreicht werden, und dies kann nicht nur zu einer Verminderung der Abmessungen und des Gewichts einer Heizeinheit für eine gegebene Aufgabe führen, sondern auch die Ansprechdauer derart vermindern, dass die gesamte Anordnung auf einen Bedarf für eine starke, schrittweise Erhöhung der erzeugten Wärmemenge und der dem umlaufenden Fluid übertragenen Wärmemenge sozusagen unverzüglich ansprechen kann.

Das erfindungsgemässe Heizelement ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Ein zweckdienliches Element kann poröses Siliziumkarbid mit einem Leerstellenanteil von 50 bis 98% und ein Schüttgewicht von 50-750 kg/m3 aufweisen, in welchem die einzelnen Heizelemente aus feinen Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 3 bis 150 Mikron bestehen. Um einen gleichförmigen Fluidfluss sicherzustellen, kann zusammen mit dem Heizelement eine thermische Schranke/thermische Verteilanordnung verwendet werden (siehe GB-PS Nr. 1 466 240).

Es kann auch erwünscht sein, eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides durch dass Element aufrechtzuerhalten, welche den Temperaturanstieg durch das Element auf nicht mehr als ungefähr 50° C beschränkt; dieses ist jedoch nicht entscheidend, und mit einem Element, das eine Wandstärke von 2-10 mm aufweist, können Temperaturanstiege von

2-300° C möglich sein. Das Heizelement kann bei irgendeiner bestimmten Temperatur einen vorbestimmten elektrischen Widerstand aufweisen und kann derart verwendet werden, dass er mit einer Hauptspeiseleitung direkt verbunden sein kann, ohne dass ein Transformator notwendig ist.

Die Bauteile der Vorrichtung sind z.B. eine Umlaufpumpe, ein Heizelementzusammenbau, Ventile und Rohrleitungen, wobei das Öl das in Serie geschaltete Element, die Gussform, den Extruder oder den Kalander, die erwärmt werden müssen, durchströmt, wobei eine Steueranordnung ebenfalls vorhanden ist. Solche Einheiten mit den oben erwähnten Abmessungen und der oben erwähnten Ausbildungsform sind für einen Energieauslegewert von 1-15 kW hergestellt und auch betrieben worden, wobei die Ansprechzeit nur wenige Sekunden betrug. Für die hochenergetischen Einheiten können sehr gedrängte Einheiten ausgebildet werden, wobei im Vergleich mit den herkömmlichen Wärmeübertragungsanordnungen die kleinen Abmessungen die Herstellungskosten beträchtlich vermindern.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die dazu bestimmt ist, eine Gussform zu erwärmen,

Fig. 2 in einem vergrösserten Massstab eine schaubildliche Darstellung der Gussform, die in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 in vergrössertem Massstab einen Längsschnitt einer elektrischen Heizeinheit, die zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1 dient,

Fig. 4 im vergrösserten Massstab einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Heizeinheit,

Fig. 4a einen Teil eines Schnittes entlang der Linie Va-Va der Fig. 4,

Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Temperatur über der Zeit für die Einheit der Fig. 4 gezeigt ist, und

Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum plasmaaktivierten Dampfauftragen.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 1 genommen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung weist im wesentlichen eine Gussform 10 (beispielsweise eine Spritzgussform) auf, welche Gussform 10 mittels einer Leitung 11 mit einer Kühleinheit 13 und mit einer porösen, elektrischen Heizeinheit 14 verbunden ist. In der Leitung 11, die eine Leitungsanordnung sein kann, ist ein Wärmeübertragungsöl vorhanden, beispielsweise ein British Petroleum (BP) «Transeal N», welches Öl mittels einer Umwälzpumpe 15 zum Umlaufen in der Anordnung gebracht ist. Bei der Gussform 10 ist ein thermoelektrisches Element 20 bei dessen Einlass und ein weiteres thermoelektrisches Element 21 bei dessen Auslass angeordnet, welche ther-moelektrischen Elemente dazu dienen, die Temperatur des Öles in der Leitung 11 abzutasten, wobei eine Einrichtung 23 zum Steuern der Temperatur der Gussform 10 vorhanden ist, welche Einrichtung 23 im Betrieb der Kühleinheit 13 und den der Heizeinheit 14 steuert, derart, dass die Gussform 10 bei einem erwünschten Temperaturwert gehalten ist. Mit der Leitung 11 ist eine Umgehungszweigleitung 25 verbunden, in welcher Zweigleitung 25 ein Entlastungsventil 26 angeordnet ist, welche Umgehungsleitung 25 parallel zur Gussform 10 verlaufend geschaltet ist.

Die Gussform 10 ist in vergrössertem Massstab in der Fig. 2 gezeigt, auf welche nun Bezug genommen wird. Diese Gussform 10 weist zwei Gussformhälften 10a bzw. 10b auf und weist weiter Ölkanäle 18 auf, die in Serie zur Leitung 11 verlaufen und mittels welchen das Öl durch die Gussform 10 geleitet wird, wobei eine Verbindungsleitung 1 la vorhanden ist, welche dazu dient, die Ölkanäle 18 der zwei Gussformhälften 10a, 10b miteinander zu verbinden.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 3 genommen. Die poröse, elektrische Heizeinheit 14 weist eine ungefähr kreisförmige Querschnittsform auf und enthält ein fluiddurchlässiges, poröses, faseriges oder Silizium-Karbidheizelement 30, welches Heizelement 30 die Form eines Hohlzylinders aufweist und enthält bei dem oberen bzw. unteren Ende des Heizelementes 30 goldplattierte Kupferelektroden 31 bzw. 32. Die untere Elektrode 32 ist mit einer Endkappe 34 aus Bronze verbunden, welche mit einem Stahlrohr 33 verbunden ist, das seinerseits mit einer Kupferstange 35 mittels einer Hartlötung verbunden ist, welche Kupferstange 35 mittels eines klem-menförmigen Endsteckers 36 mit einer elektrischen Zufuhranordnung (nicht gezeigt) verbunden ist. Um die Stange 35 verlaufen zwei metallene Kühlscheiben 38, welche Kühlscheiben 38 mittels einer «Starlock»-Sicherungsscheibe 14 festgehalten sind, welche über der obersten Kühlscheibe 38 angeordnet ist. Weiter sind drei «Schnorr»-Federscheiben 41 zwischen den Kühlscheiben 38 angeordnet, derart, dass auf eine Platte 42 eine Druckkraft ausgeübt wird, wleche Platte 42 derart angeordnet ist, dass sie auf einen Ring 43 mit Bund aufliegt, der aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist. Ein Einsatzstück 45 mit Bund, das aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Polyamid «Tuf-nol» hergestellt ist, ist in einer Ausnehmung 46 im Gehäuse 37 angeordnet und trägt einen O-Dichtungsring 48, der um die Stange 35 herum verläuft, trägt ein ringförmiges, oberes Distanzstück 49, das aus demselben Werkstoff gefertigt ist, aus dem das Einsatzstück 45 mit Bund gefertigt ist, welches Distanzstück 94 durch den Ring 43 mit Bund gegen die O-Ringdichtung gepresst ist.

Das Gehäuse 37, welches mit der oberen Elektrode 31 verbunden ist, weist eine innere Kammer 52 auf, welche mit der Leitung 11 verbunden ist, und weist Einlassöffnungen 53 auf (wobei nur zwei davon gezeigt sind), welche Einlassöffnungen 53 die innere Kammer 52 mit einem Raum 54 verbinden, der zwischen der Innenfläche des Heizelementes 30 und der Aussenfläche des Stahlrohres 33 vorhanden ist, wobei das Rohr 33 eine obere Öffnung 55 und eine untere Öffnung 56 aufweist, welche den Innenraum des Rohres 33 mit dem Raum 54 verbinden und als thermische Verteiler dienen.

Das Gehäuse 37 weist einen Rohrabschnitt 58 auf, der einen Aussenflansch 59 aufweist, der an einem Aussenflansch

62 eines rohrförmigen inneren Gehäuses 63 angeklemmt ist, in welchem Gehäuse 63 das Heizelement 30 angeordnet ist, wobei in einer ringförmigen Ausnehmung 66 eine O-Ring-dichtung 65 angeordnet ist, und wobei weiter ein Erdungsendstück 60 mit dem Flansch 62 verbunden ist.

Ein thermischer Isolierstoff, beispielsweise «Kaowool» ist als Auskleidung 70 zwischen dem inneren Gehäuse 63 und dem äusseren Gehäuse 71 angeordnet, wobei die Leitung 11 durch den unteren Abschnitt des äusseren Gehäuses 71 und durch die Auskleidung 70 hindurch verläuft und bis zum unteren Ende des inneren Gehäuses 63 verläuft, wobei ein Luftauslassrohr 73 durch den oberen Abschnitt des äusseren Gehäuses 71 und der Auskleidung 70 zum inneren Gehäuse

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Im Betrieb, wenn die Gussform 10 zum Herstellen von (nicht gezeigten) Kunststoffteilen verwendet wird, wird diese Gussform 10 bei einer erwünschten Betriebstemperatur durch das Öl gehalten, welches Öl durch die Pumpe 15 durch die Gussform 10 hindurch gefördert wird. Die Temperatursteuer-einrichtung 23 tastet die Temperatur der Gussform 10 ab und verstellt je nach Notwendigkeit den Mengenfluss eines Kühlmittels (beispielsweise Wasser), welches durch die Kühleinheit 13 strömt, und verstellt auch den Wert des der porösen elektrischen Heizeinheit 14 zugeführten elektrischen Stromes, so dass die Temperatur des Öles gesteuert ist und die Gussform 10 bei der notwendigen Betriebstemperatur gehalten wird. Die thermoelektrischen Elemente 20,21, die der Öltem-peratur zugeordnet sind, bilden eine zusätzliche Überwachungsmöglichkeit und können bei einem vorbestimmten Temperaturunterschied die Heizeinheit 14 in Betrieb setzen.

Um die Strömungsgeschwindigkeit des Öles durch die Elemente zu erhöhen, kann ein mehr gedrängt ausgebildetes Heizelement verwendet werden, wie in der Fig. 4 gezeigt ist, auf welche Fig. 4 nun Bezug genommen wird. In der Fig. 4 ist eine elektrische Heizeinheit 14a gezeigt, welche Heizeinheit 14a ein fluiddurchlässiges, poröses, faseriges Heizelement 80 aus Silizium-Karbid aufweist, welches Element 80 die Form eines Hohlzylinders aufweist, mit folgenden kennzeichnenden Abmessungen: Aussendurchmesser 45 mm, Innendurchmesser 35 mm, Länge 10 mm. Bei den jeweiligen Enden des Heizelmentes 80 sind goldplattierte, ringförmige Kupferelektroden 81 und 82 angeordnet, und jede Elektrode 81, 82 ist auf einem Vorsprung 83 bzw. 84 abgestützt, welche Vorsprünge 83, 84 von einem Tragring 85 bzw. 86 aus rostfreiem Stahl getragen sind. Der Tragring 85 ist auf einem Vorsprung 87 eines ringförmigen, elektrischen Isolators 88 aus Polyamid «Tufnol» getragen, und der Tragring 86 ist in gleicher Weise

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auf einem Vorsprung 89 eines kreisförmigen Isolators 90 aus Polyamid «Tufnol» getragen. (Nicht gezeigte), dünne Dichtungsringe aus einem verformbaren Stoff, beispielsweise Graphit, Kupfer oder Aluminium, können zwischen den Enden des Elementes 80 und den Elektroden 81 und 82 angeordnet sein.

Eine Verteilstange 96 aus rostfreiem Stahl verläuft durch die Isolatoren 88, 90 und trägt diese Isolatoren 88, 90 und weist einen ringförmigen Flansch 97 auf. Der Isolator 90 ist durch die Wirkung einer Druckfeder 98 gegen eine Seite des Flansches 97 gespannt und gehalten, wobei ein Ende der Druckfeder 98 über einen von einer Kappe 99 abstehenden Vorsprung 110 verläuft. Der Vorsprung 110 verläuft um ein Ende der Verteilstange 96. Die Kappe 99 ist mittels einer Schraube 11 mit der Verteilstange 96 verbunden. Das andere Ende der Feder 98 liegt auf dem Isolator 88 auf, um die Isolatoren 88,90, die Elektroden 81, 82 und den Isolator 90 eng zusammenzupressen. Ein in axialer Richtung verlaufendes Loch 112 erstreckt sich in der Verteilstange 96 von zwei in axialer Richtung im Abstand angeordneten Gruppen von vier (es sind lediglich drei gezeigt) jeweils einen gleichen Abstand aufweisenden, in radialer Richtung verlaufenden Auslasslöchern 113 bzw. 114, wobei das in axialer Richtung verlaufende Loch 112 sich in eine Richtung gegen das andere Ende der Verteilstange 96 hin erstreckt.

Die Verteilstange 96 ist bei der anderen Seite des Flansches 97 bei 115 mit einem Schraubengewinde versehen, und ist in einem entsprechenden Gewindeloch 116 angeordnet, welches Gewindeloch 116 in einer hohlzylindrischen Hülse 117 aus Polyamid «Tufnol» angeordnet ist, um gegen eine Schulter 119 anzuliegen, und wird mittels einer Sicherungsmutter 121 aus rostfreiem Stahl fest im Gewindeloch 116 gehalten. Die Hülse 117 weist bei ihrer Aussenfläche ein Schraubengewinde auf, um in einem entsprechend ausgebildeten Gewindeloch 123 eingesetzt zu sein, welches Gewindeloch 123 von einer Seite eines Traggliedes 125 aus rostfreiem Stahl absteht und gegen eine Schulter 126 anliegt, wobei die Hülse 117 durch eine Sicherungsmutter 128 aus rostfreiem Stahl fest gegen die Schulter 126 gehalten ist. Ein zylindrisches Loch 130 mit einem verhältnismässig kleinen Durchmesser, welches zylindrische Loch 130 bei der axialen Mitte der Schulter 119 und dem Tragglied 125 angeordnet ist, führt zu einem Gewindeloch 132, das bei der anderen Seite des Traggliedes 125 angeordnet ist, in welchem ein Druckrohrverbinder 134 angeordnet ist, welcher dazu dient, die Leitung 11 mit dem Tragglied 125 zu verbinden. Das Tragglied 125 ist einstückig mit einem kreisförmigen Flansch 137 ausgebildet, der durch mehrere Bolzen 138 (wovon lediglich zwei gezeigt sind) gegen einen ringförmigen Flansch 140 eines hohlzylindrischen Gehäuses 142 gehalten ist, wobei eine ringförmige Dichtung 144 aus weichem Kupfer eine Dichtung zwischen den Flanschen 137, 140 bildet. Zwei Elektrodenanordnungen

146 bzw. 147 sind in einem Loch 148 bzw. 149 im Flansch 137 angeordnet und sind mit dem Flansch 137 verschweisst, um eine druckdichte Verbindung zu bilden. Jede Elektrodè 146,

147 bildet eine druckdichte, elektrische Durchführung von Zufuhrkabeln 150,151 für die Zufuhr elektrischer Energie zu den jeweiligen verkupferten, elektrischen Verbindungsstük-ken 152, 153, die jeweils bei einem Kupferendstück 155, 156 enden, welche, wie in der Fig. 4a gezeigt ist, mit jeweils einer Schulter 157 der Elektrode 81 bzw. 82 verbunden ist. Solche Elektrodenanordnungen 146, 147 können zweckdienlich beispielsweise von der VG Electronics Ltd., Hastings, Sussex, England, oder Ferranti Limited, Hollinwood, Lancashire, England, oder Friedrichsfeld GmbH, Mannheim, West-Deutschland (Vertreter für das Vereinigte Königreich: Bush Beach Engineering Ltd., Cheadle, Cheshire, England) erhalten werden.

Eine Endplatte 160 schliesst das Gehäuse 142 ab, welche Endplatte 160 ein Gewindeloch 162 für eine Verbindung 164 für ein thermoelektrisches Element aufweist, wobei ein in axialer Richtung verlaufendes Gewindeloch 166 für einen weiteren Druckrohrverbinder 134 vorhanden ist, der den Innenraum des Gehäuses 142 mit der Leitung 11 verbindet, weist weiter ein Gewindeloch 168 für ein hydraulisches Druckentlastungsventil 169 auf und weist schliesslich ein enges Gewindeloch 171 für ein automatisch arbeitendes Druckentlastungsventil 172 auf. Ein thermischer Isolierstoff 174 (z.B. «Kaowool» [Kaowolle]) umgibt die Heizeinheit 14a, ist jedoch in der Zeichnung nur teilweise gezeichnet, dies aus Klarheitsgründen.

Im Betrieb, wenn die Heizeinheit 14a anstatt der Heizeinrichtung 14 in der Wärmeübertragungsvorrichtung der Fig. 1 vorhanden ist, strömt Öl durch die Leitung 11 (mit einem Mengenfluss von ungefähr 2,5 1/min.) und tritt in das axiale Loch 112 in der Verteilstange 96 ein, um durch die Auslasslöcher 113, 114 in das Innere des Heizelementes 80 auszutreten. Nachdem es durch das Heizelement 80 hindurchgeströmt ist, strömt das Öl in das Gehäuse 142 und verlässt das Gehäuse durch den Rohrverbinder 134, um wieder in die Leitung 11 hineinzuströmen und endlich durch die Gussform 10 hindurchzuströmen. Die Elektrokabel bzw. elektrischen Leiter 150, 151 sind mit einer 240-V-Wechselstrom-Spannungszufuhr (nicht gezeigt) verbunden, so dass vom Heizelement 80 Energie abgegeben wird, um das Öl bis zu einer erwünschten Temperatur (z.B. 200-300° C) zu erwärmen. Die Temperatursteuereinrichtung 23 tastet die Temperatur der Gussform 10 ab und schaltet die elektrische Zufuhr zum Heizelement 80 aus und ein, je nach dem es notwendig ist, die Temperatur des Öles zu steuern, das durch die Heizeinheit 14a hindurchströmt, und um damit die Gussform 10 bei der notwendigen Betriebstemperatur zu halten. Weil das Heizelement 80, sobald die elektrische Zufuhr eingeschaltet ist, sehr schnell anspricht, ist eine enge Steuerung der Temperatur der Gussform 10 erhalten und ein Beispiel dieser Tatsache ist graphisch in der Fig. 5 dargestellt, in welcher für ein Silizium-Karbid-Heizelement 80 das für 3,4 kWbei 231,5°C ausgelegt ist, eine Aufzeichnung der Temperatur über die Zeit für

(1) Öl, das in die Gussform 10 eintritt,

(2) Öl, das aus der Gussform 10 austritt,

(3) Temperatur der Gussform 10.

Der Wert der Grösse der abgegebenen Energie hängt unter anderem von der Dichte des Elementes 80 ab und ist üblicherweise im Bereich von 1-15 kW.

Die Aufeinanderfolge der kurzen, vertikal verlaufenden Linien, die auf die Temperatur des in die Gussform eintretenden Öles bezogen sind, sobald ein gleichförmiger Temperaturzustand erhalten wird, zeigt das schnelle Ansprechen des Heizelementes 80, wenn die elektrische Zufuhr zu diesem Element 80 wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, um die Gussform 10 bei der notwendigen Betriebstemperatur zu halten, welche im gezeigten Fall in der Fig. 5 225° C beträgt.

Das poröse Silizium-Karbid-Heizelement kann aus einem elektrischen Heizelement aus porösem Kohlenstoff hergestellt sein, beispielsweise wie in den vorgängig erwähnten Patentschriften offenbart ist, und einen Überzug aus Silizium-Kar-bid aufweisen, welcher Überzug in zweckdienlicher Weise mittels eines plasmaaktivierten Ablagerungsverfahrens (PAVD) aufgetragen sein kann. Beispiele dieses PAVD-Ver-fahrens sind in der GB-Patentanmeldung Nr. 21709/77 offenbart (FR-PS Nr. 2 392 508, US-Patentanmeldung Nr. 908 438, hinterlegt am 22. Juni 1978) und im Artikel «Préparation of Ceramic Films by Plasma Activated Vapour Déposition (PAVD)» von K.R. Linger, Proceedings of Conference on «Ion Plating and Allied Techniques» (Seiten 223-229, Ausgabe Juni 1977), herausgegeben durch die CEP Consultants

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Limited, Edinburgh, wobei auf diese Beispiele der PAVD ausdrücklich hiermit Bezug genommen ist. Beim PAVD-Ver-fahren wird ein Plasma als Mittel für die chemische Umsetzung und Ablagerung eines Überzuges auf ein Substrat verwendet und nützt die Zersetzung eines Gases in einem elektrisch erzeugten Plasma aus. Entsprechende Techniken sind im Aufsatz «Codeposition of Glassy Silica and Germania inside a Tube by Plasma Activated CVD» beschrieben, Verfasser D. Kuppers et al. Journal of the Electrochemical Society Vol. 123 No 7, Seiten 1079-1082, Ausgabe Juli 1976.

Eine Ausbildungsform einer Vorrichtung, mittels welcher das PAVD-Überzugsverfahren durchgeführt werden kann, ist in der Fig. 6 gezeigt, auf welche Fig. nun Bezug genommen wird. Gemäss der Fig. 6 ist ein poröses, elektrisches Heizelement 200 mittels eines Aluminiumoxydrohres 201 in einer horizontalen Stellung getragen, welches Rohr 201 innerhalb des mittleren Abschnittes entlang des Innenraumes eines zylindrischen Siliziumrohres 201 angeordnet ist, und von einer Endkappe 203 aus verläuft, welche das vergrössert ausgebildete Ende 204 abschliesst. Ein vom vergrössert ausgebildeten Ende 204 verlaufendes Auslassrohr 206 ist durch ein Vakuumventil 208 mit einer Vakuumpumpe 209 verbunden. Das andere vergrössert ausgebildete Ende 205 ist mittels einer Einlassendkappe 210 verschlossen, welche Kappe 210 ein Zufuhrrohr 212 aufweist, welches zu einem Quecksilbermanometer 214 führt, und weist einen Einlass 216 auf, der mit einer Verteilleitung 218 verbunden ist, welchem Gas durch Gaszufuhrleitungen 220,222,224 zugeführt ist, wobei die Leitungen durch Ventile 221,223 bzw. 225 gesteuert sind. Ein Kieselerdegefäss 226 kreisrunder Form ist entlang der Aus-senseite des Rohres 202 verschiebbar, welches ringförmige Gefäss 226 den mittleren Bereich des Rohres 202 umgibt. Das Gefäss 226 trägt einen elektrisch isolierten Graphitaufnahmeteil 228 und ist durch ein Vakuumventil 230 und eine Vakuumpumpe 232 bis zu einem Wert von 1 bis 10 Torr evakuiert. Das Gefäss 226 ist seinerseits von einer wendeiförmigen, wassergekühlten Kupferschlange 236 umgeben, welche Kupferschlange 236 acht Windungen aufweist und mit einem Hochfrequenzerzeuger 238 verbunden ist, der eine Frequenz im Bereich von 10M08 Hz erzeugt. Erdungen bzw. Erdungsverbindungen 240,241,242 sind beim Heizelement 200, bei der Endkappe 203 und beim vergrösserten Ende 204 angeordnet. Der Hochfrequenzerzeuger 238 ist in gleicher Weise mittels einer Verbindung 246 geerdet.

Im Betrieb wird das Rohr 202 bis zu einem Wert von ungefähr 0,01 Torr durch die Vakuumpumpe 209 evakuiert und dann durch die Gaszufuhrleitung 220 hindurch mit Argon gefüllt, bis zu einem Vakuumdruck innerhalb des Rohres 202 zwischen 0,01 und 100 Torr. Der Hochfrequenzerzeuger 238 wird üblicherweise bei 1 bis 4 kV erregt und bei 4 x 105 Hz, und somit baut sich ein Plasmaschild um das Heizelement 200 auf, währenddem das Gefäss 228 durch elektrische Induktion erwärmt wird, und somit das Heizelement 200 erwärmt. Nach einer Zeitspanne von ungefähr 15 bis 30 min., wenn das Heizelement 200 das thermische Gleichgewicht erreicht hat und seine Oberfläche durch Ionenbombardierung vom ionisierten, gasförmigen Argon gereinigt worden ist, wird das ausgewählte sich umsetzende Gas bzw. die Gase durch die entsprechenden Gaszufuhrleitungen 222 und/oder 224 in das Rohr 221 eingebracht, und der Druck innerhalb des Rohres 202 wird im Bereich von 0,1 bis 100 Torr gehalten, indem die Ventile 223,225 zweckdienlich betätigt werden, und indem das Vakuumventil 208 und die Vakuumpumpe 209 zweckdienlich betrieben werden. Darauf wird nun auf das Heizelement 200 durch das sich umsetzende Gas bzw. durch die sich umsetzenden Gase, ein Überzug mit einer Dicke aufgetragen, der proportional zur Auftragsdauer wächst. Beispielsweise kann ein Überzug mit einer

Dicke von 1 bis 5 (im in ungefähr 24 Std. aufgetragen werden. Darauf werden die Ventile 221,223 und 225 geschlossen, der Hochfrequenzerzeuger 238 abgeschaltet, währenddem das Rohr 202 weiterhin mittels der Vakuumpumpe 209 evakuiert wird, so dass das Heizelement 200 im Vakuum abkühlen kann (beispielsweise 0,01 Torr), nach welchem Abkühlen das Heizelement 200 aus dem Rohr 202 entfernt wird.

Darauf wird faseriger Kohlenstoff durch Oxidation in Luft bei einer Temperatur oberhalb 300° C entfernt, derart, dass die Silizium-Karbid-Struktur der faserigen Rohre verbleibt. Eine zweckdienliche Wärmebehandlung wird nachfolgend bzw. darauf bewirken, dass das Siliziumkarbid elektrisch leitfähig wird. Das Auftragen des Überzuges auf das faserige, Kohlensstoff enthaltende Heizelement kann in der Vorrichtung nach der Fig. 6 in einer Weise durchgeführt werden, die gleich ist, wie die oben beschriebene, wobei ein Silan/Äthylen-Gemisch als das sich zersetzende Gasgemisch verwendet wird, um damit einen Silizium-Karbid-Überzug auf das faserige Kohlenstoffsubstrat abzulagern. Phosphingas kann zusammen mit dem Silan/Äthylen, falls erwünscht, in Form eines Zusatzstoffes verwendet werden, um damit beizu-helfen, dass der Silizium-Karbid-Überzug elektrisch leitfähig wird, nachdem die Wärmebehandlung durchgeführt worden ist, bei der in den Silizium-Karbid-Überzug Phosphor abgelagert wird. Ein zweckdienlicher Zusatzstoff, Hilfsstoff kann Bor oder Arsen sein. Die dazugehörige Wärmebehandlung des Silizium-Karbids wird üblicherweise bei einer Temperatur von 1200-1900° C durchgeführt und kann dazu verwendet werden, eine erwünschte Widerstandszahl des Silizium-Kar-bides bei einer ausgewählten Temperatur herzustellen. Die Verwendung von Phosphingas als Zusatzmittel erlaubt, dass es möglich ist, dass die Wärmebehandlungstemperatur, um einen vorbestimmten Widerstand zu erreichen, auf einem Wertbereich von 800-1000° C herabgesetzt werden kann. Ein Beispiel der Herstellung eines solchen Silizium-Karbid-Heizelementes mittels des PAVD-Verfahrens ist das folgende:

Beispiel III

Heizelement verkohlt aus dem Rohling bei irgendwelcher zweckdienlichen Temperatur (650-1000° C)

Länge des Heizelementes 120 mm

Aussendurchmesser des Heizelementes 44 mm

Innendurchmesser des Heizelementes 35 mm

Gasstromzustände :

Kennzeichnen- Bereich derweise:

60% Silan/40%

Äthylen-Gemisch 40 ml/min 10-200 ml/min

Argon 260 ml/min 100-500 ml/min 2% Phosphin/Argon-

Gemisch 10-20 ml/min 5-50 ml/min Gasdruck bei der

Umsetzung 1-2 Torr 0,1-10 Torr

Das Heizelement wird in das Rohr 202 der Fig. 6 eingesetzt und darauf das Rohr 202 bis zu einem Unterdruck von 0,01 Torr evakuiert. Argon wird durch die Gaszufuhrleitung 220 zu einem Unterdruck innerhalb des Rohres 202 bei einem Wert von etwa 1,0 Torr eingelassen. Darauf wird der Hochfrequenzerzeuger 238 in Betrieb gesetzt, und nach ungefähr einer Stunde wird das Silan/Äthylen-Gemisch, das auf das Siliziumkarbid aufgetragen werden soll, in das Rohr 202 durch die Gaszufuhrleitung 222 eingebracht, und das

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Phosphin/Argon-Gemisch wird durch die Gaszufuhrleitung 224 in das Rohr 202 eingebracht, wobei der Unterdruck innerhalb des Rohres 202 bei einem Wert von ungefähr 1,0 Torr gehalten wird. Nach Ablauf einer zweckdienlichen Zeitspanne (z.B. 48 Std.), abhängig von der benötigten Dicke des Silizium-Karbid-Überzuges (kennzeichnenderweise werden 0,3 g/Std. aufgetragen), werden die Ventile 221,223 und 225 geschlossen, das Rohr 202 zu ungefähr 0,01 Torr evakuiert und der Hochfrequenzerzeuger abgeschaltet, so dass das einen Überzug aufweisende Heizelement im Vakuum abkühlen kann. Darauf wird das Heizelement aus dem Rohr 202 entfernt und in zweckdienliche Längenabschnitte geschnitten, je nach den Anwendungsbedingungen, welche Stücke dann in Luft während ungefähr 4 Std. bei etwa 900° C erwärmt werden, um den ursprünglichen porösen Kohlenstoff durch oxydation desselben aus dem Heizelement zu entformen. Diese Wärmebehandlung jedes Heizelementes ändert auch die Struktur des Silizium-Karbid-Überzugs so, dass er elektrisch leitfähig wird und erzeugt den benötigten elektrischen Widerstand in Funktion von Zeit bei dieser Temperatur. Es ist offensichtlich, dass die Ablagerung des Silizium-Karbides nicht entlang der Längsausdehnung des Heizelementes gleichförmig ist, und es kann notwendig sein, die Temperatur der Wärmebehandlung bei jedem Abschnitt des Elementes jeweils zu ändern bzw. verschieden zu wählen, so dass der notwendige elektrische Widerstand.erhalten wird. Dieses Ändern der Temperatur bzw. dieses Verstellen der Temperatur wird am besten in einem schrittweisen Verfahren durchgeführt, in welchem der Widerstand stufenweise auf den erwünschten Wert vermindert wird, indem die Wärmebehandlungstemperatur zunehmend erhöht wird.

Nach der Wärmebehandlung wiesen Heizelemente eines mit einer Länge von 10 mm und ein anderes mit einer Länge von 30 mm folgende elektrische Eigenschaften für eine Dicke eines Silizium-Karbid-Überzuges von zwischen 3 bis 6 um auf:

Elektrischer Widerstand (Ohm)

Leistungsaufnahme (kW) (i)

Leistungsaufnahme (kW) (ii)

10

1,36 bei 230° C/10 mm Länge 3,4 bei 68 Volt (Wechselstrom) für ein Element mit einer Länge von 10 mm 14,1 bei 240 Volt (Wechselstrom) für ein Element mit einer Länge von 30 mm.

Indem die Wärmebehandlungstemperatur zweckdienlich ausgewählt wird, und die Zeitdauer derselben zweckdienlich 15 ausgewählt wird, können Silizium-Karbid-Heizelemente erzeugt werden, welche jeweils einen benötigten elektrischen Widerstandswert aufweisen.

Obwohl das Auftragen eines Überzuges aus porösem Kohlenstoff in bezug auf das PAVD-Verfahren beschrieben 20 worden ist, ist es offensichtlich, dass zweckdienliche, alternative Auftrags verfahren verwendet werden können.

Die porösen, elektrischen Heizelemente können Formen oder Abmessungen aufweisen, die von den oben beschriebenen verschieden sind.

25 Es ist offensichtlich und wohl zu verstehen, dass die Erfindung, die im Zusammenhang mit dem obenerwähnten Gesichtspunkt beschrieben worden ist, in alternativen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, beispielsweise, wenn das Wärmeübertragungsfluid ein Gas ist bzw. ein Gas 3o enthält.

Weiter können die oben beschriebenen, offenbarten, porösen, elektrischen Heizelemente auch bei anderen Anwendungsfällen verwendet werden, bei denen ein Fluid zu erwärmen ist.

G

5 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Fluiddurchlässiges, poröses, elektrisches Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement von einem faserigen Körper (30,80) gebildet ist, der elektrisch leitende faserige Rohre aus Siliziumkarbid aufweist, wobei die Leerstellen zwischen den faserigen Rohren einen Durchgang für ein zu heizendes Fluid bilden.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne faserige Rohre einen Innendurchmesser von 10 bis 20 prn und eine Wandstärke von3 bis 6 p.m aufweisen.
3. Verfahren zur Herstellung des fluiddurchlässigen, porösen, elektrischen Heizelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein faseriger, Kohlenstoff enthaltender Rohling (200) gebildet wird, dass auf dem Rohling (200) ein Überzug aus Siliziumkarbid und ein Zusatzmittel aufgebracht werden, das beihilft, den Überzug elektrisch leitfähig zu machen, dass der überzogene Rohling (200) in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung zu einer solchen Temperatur erwärmt wird, bei der der faserige Kohlenstoff durch Oxydation entfernt wird und eine Änderung des Aufbaus des Überzugs bewirkt wird, um den Überzug elektrisch leitend zu machen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug durch die Zersetzung eines Gemisches in einem elektrisch erzeugten Plasma erzeugt wird, das ein Überzugsgas und ein das Zusatzmittel enthaltendes Gas enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überzugsgas Silan und Äthylen enthält, und dass das Zusatzmittel enthaltende Gas Phosphin und Argon enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur einen Wert zwischen 800° C und 1000°C aufweist.
7. Vorrichtung zur Übertragung von Wärme, einschliesslich eines Fluidkreislaufs (11) und einem zur Übertragung von Wärme auf einen zu erwärmenden Gegenstand dienenden Flächenabschnitt, mit einem Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30, 80) mit wenigstens einem Teil des Fluidkreislaufs (11) in Serie geschaltet ist.