DD227854A1

DD227854A1 - Keramisches heizelement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DD227854A1
Application number: DD26879784A
Authority: DD
Inventors: Volker Hilarius; Wolfgang Fischer; Guenter Clauss
Original assignee: Hermsdorf Keramik Veb
Priority date: 1984-10-29
Filing date: 1984-10-29
Publication date: 1985-09-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Heizelement, das stoerungsunanfaellig und ueberlastungssicher sein soll und das sich wirtschaftlich produzieren lassen soll. Erfindungsgemaess besteht das Heizelement aus einem sandwichartig aufgebauten Magnesiumoxid-Keramikkoerper, dessen Kern aus einer MgO-Matrix mit leitfaehigkeitsbestimmenden Metalloxidausscheidungen als interkristallinen Phasen gebildet ist, waehrend die oberflaechigen Schichten des Koerpers aus einer MgO-Keramik ohne leitfaehigkeitsbestimmende Metalloxiddotierungen bestehen. Derartige Heizelemente sind fuer Leistungen bis 2 000 W und Einsatztemperaturen bis 500C geeignet.

Description

Dr. Volker Hilarius P 1075

Dr. Wolfgang Fischer H 05 B, 3/10

Günter Clauß 16.10.1984

Titel der Erfindung

Keramisches Heizelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Heizelement, das für elektrische Heizgeräte mit Leistungen bis 2000 W und Einsatztemperaturen bis 500 C geeignet ist. Das sind insbesondere Konsumgüter, wie z.B. Kochplatten, Warmlufterzeuger, Bügeleisen, Ondulierstäbe, Tauchsieder und dgl. oder technische Heizgeräte, wie Handlötgeräte, Heizer für Sensoren, Heiztische und dgl.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In herkömmlichen Heizungen für die oben genannten Einsatz-* fälle ist es bekannt, als aktives Element einen Heizdraht aus einer Metallegierung zu verwenden (DE-OS 2 533 935). Dieser Draht ist bruch- und korrosionsanfällig. Desweiteren

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bereitet die notwendige mechanische Halterung und isolierende Umhüllung technische Probleme. Keramisch^ umhüllte Heizer haben eine geringe.lebensdauer und eine lose Aufhängung macht die Heizung gegen mechanische Erschütterung empfindlich» Me Herstellung derartiger Elemente ist sehr aufwendig und wenig automatisierbar (DS 661 521). Keramische Heizelemente sind gegenwärtig als Dickschichtheizer auf isolierender Unterlage (DE-OS 2 524 839) oder als Elemente aus Bariumtitanat-Keramik mit Volumenleitfähigkeit bekannt (DE-OS 2 "639 370; 3 048 452). Keramische Dickschichtheizer bestehen aus einem keramischen Grundkörper (meist Al_?0~-Keramik), der Widerstandsschicht (meist eine Metallegierung) und einer Deckschicht. Dieser komplizierte Aufbau verlangt herstellungsseitig einen vergleichbar hohen Aufwand.

Heizelemente aus Bariumtitanat-Keramik erlauben auf Grund der geringeren Wärmeleitfähigkeit einen Einsatz nur für kleinere Leistungen. Durch die auf Grund der Widerstandsanomalie des Bariumtitanats bei hohen Heizleistungen auftretenden partiellen inneren Überhitzungen wird der Heizer thermisch zerstörungsanfällig. Die Realisierung hoher Heizertemperaturen ist auf Grund der Einstellmöglichkeiten für die Sprungtemperatur des Heizerwiderstandes auf Werte unter 400° C beschränkt. Außerdem treten bei hohen Temperaturen herstellungsseitig Probleme auf, die den Einsatz aufwendigerer Technologien erfordern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen, unkompliziert aufgebauten Heizelementes mit einem weiten Binsatzspektrum. Das Heizelement soll sich wirtschaftlich produzieren lassen und im Betrieb störungsunanfällig und überlastungssicher sein.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Heizelement aus einem einzigen Werkstoffsystein aufzubauen, dessen elektrische Leitfähigkeit durch Zusatz einer Komponente sehr stark variiert werden kann, so daß in ein und demselben Sinterkörper einerseits gut leitende und andererseits gut isolierende Gebiete realisiert werden können. Erfindungsgemäß besteht das keramische Heizelement aus einem sandwichartig aufgebauten Magnesiumoxid-Keramikkörper, dessen Kern aus einer HgO-Matrix mit leitfähigkeitsbestimmenden Metalloxidausscheidungen als interkristallinen Phasen gebildet ist, während die oberflächigen Schichten des Körpers aus einer MgO-Keramik ohne leitfähigkeitsbestimmende Metalloxiddotierungen bestehen.

Die Herstellung eines derartigen Heizelementes erfolgt, indem zunächst der Kern aus einem MgO-Versatz mit einer Flüssigphasenkomponente, Keimbildnern und wenigstens einem Metalloxidzusatz gepreßt, der Kern kontaktiert und danach mit einem MgO-Yersatz ohne Metalloxidzusatz wenigstens teilweise umhüllt und der so zusammengesetzte Körper schließlich unter Y/asserstoff gesintert wird.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der gesinterte Körper oberhalb einer Temperatur von 1800 G mit einer örtlich unterschiedlichen Geschwindigkeit abgekühlt wird, so daß Heizelemente mit einer speziell gewünschten Wärmeverteilung hergestellt werden können. Der Kern des Heizelementes wird aus einer leitfähigen MgO-Mischkeramik ausgeführt. Durch die Anordnung einer elektrisch leitenden Metalloxidzwischenphase im Raum um die MgO-Matrix-Kristallite läßt sich der Widerstand des Heizers der Anwendung entsprechend einstellen. Das geschieht in folgender Weise: Dem keramischen MgO-Versatz wird eine Komponente zugegeben, die bei den üblichen Sintertemperaturen von 1400 - 1600° G flüssig wird und die zur Erzielung der elektrischen leitfähigkeit beigegebenen Metalloxide löst. Diese Flüssigphasenkomponente kann eine Verbindung sein, wie Feldspat, Alkalioder Erdalkaliverbindungen oder Kieselsäure oder deren

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Gemische. Während des Abkühlens der Keramik werden die Metalloxide '-in Form von AO-, AO₂-, B₂ ⁰I"* ^AB03"> ^₂ ⁰ ^Λ~ oder ähnlichen Verbindungen in der Zwischenphase teilweise ausgeschieden und bilden die die elektrische Leitfähigkeit bestimt-anende Strompfade. Durch Zugabe geeigneter Keimbildner, wie GaP oder MgF_?, läßt sich der Widerstand über weite Bereiche beeinflussen« Eine Variation des Widerstandes ist außerdem noch durch die Veränderung der Abkühlgeschwindigkeit oberhalb von SOO⁰ C möglich.

Zur elektrischen Isolation des Heizelementes ist der keramische Preßling an den zu isolierenden Stellen von einem MgO-Versatz ohne Metalloxidbeimengungen umgeben. Damit werden partielle Isolationswiderstände größer als

10 0hm in dem erfindungsgemäß aufgebauten Keramikkörper realisiert.

Mit diesem inhomogenen Aufbau des Heizelementes gelingt es, die Wärmeerzeugung auf bestimmte Teile der MgO-Keramik zu begrenzen und gleichzeitig eine elektrische Isolation an sämtlichen erforderlichen Stellen des Heizelementes auf einfache Weise zu erzielen.

AusfUhrungsbeispiel ,

Die Erfindung soll am Beispiel des Heizers für einen keramischen Gassensor näher beschrieben werden. Dazu wird ein Heizer benötigt, der die Wirkschicht des Sonsors dauerhaft auf eine feste Temperatur von 400° C aufheizt und für diese Wirkschicht, deren elektrische Leitfähigkeit meßtechnisch ausgewertet wird, gleichzeitig den mechanischen Träger bildet. Dazu wird aus dem im folgenden beschriebenen MgO-Versatz ein stabellenförmiger Preßling von 20 mm Länge und 2 mm Durchmesser gepreßt. Als Versatz wird ein in der üblichen keramischen Technologie aufbereitetes Gemisch verwendet, das aus mindestens 90 % MgO zur Bildung der MgO-

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Matrix, 3 - 4- % Talkum, 1 - 3 % TiO₂ und„ca. 1 % CaO zur Bildung der metalloxidhaltigen Flüssigphase und Λ - 2 % CaF-„ als Keiinbildiier bestellt. Die Preßlinge werden an den Enden mit einer Mo-Suspension kontaktiert. Danach wird der Preßling mit einem Keramikversatz umhüllt, der aus mindestens 95 % MgO und 3 - 5 % Talkum besteht. Dabei werden die kontaktierten Enden frei gelassen. Der so hergestellte Rohkörper wird nun bei 1550 - 1β00° C unter Wasserstoffatmosphäre gesintert und mit einer Anfangsabkühlrate von 1000 K/h abgekühlt. Der so hergestellte Sinterkörper hat einen Widerstand von 1 kli-und realisiert damit als Heizer bei einer Spannung von 100 V eine Heizleistung von 10 Watt. Diese heizt den Sinterkörper auf eine Temperatur von 400⁰G auf. Die Titanoxid-freie Umhüllung bildet die Unterlage für

10 die Sensorwirkschicht und ist zum Heizer mit mindestens 10 isoliert. Das reicht aus, um unabhängig von der Heizstromversorgung kleinste 7/iderstandsänderungen der Sensorwirkschicht zu registrieren.

Falls es wünschenswert ist, die Wärmebe lastung der Kontaktstellen zu senken, werden die Enden des Preßlings mit 50 K/min abgekühlt.

Claims

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Erfindungsanspruch

Keramisches Heizelement, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem sandwichartig aufgebauten Magnesiumoxid-Keramikkö'rper besteht, dessen Kern aus einer KgO-Matrix
mit leitfähigkeitsbestimmenden Metalloxidausscheidungen als interkristallinen Phasen gebildet ist, während
die oberflächigen Schichten des Körpers aus einer
MgO-Keramik ohne.leitfähigkeitsbestimmende Metalloxiddotierungen bestehen.

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Heizelementes nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zunächst der Kern aus einem MgO-Versatz mit einer Plüssig- Phasenkomponente, Keimbildnern und wenigstens einem
Metalloxidzusatz gepreßt, der Kern kontaktiert und danach mit einem MgO-Versatz ohne Metalloxidzusätze
wenigstens teilweise umhüllt und der so zusammengesetzte Körper schließlich unter Wasserstoff gesintert
wird.

3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der gesinterte Körper oberhalb einer Temperatur von SOO C mit einer örtlich unterschiedlichen Geschwindigkeit abgekühlt wird.