DD227854A1

DD227854A1 - CERAMIC HEATING ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

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.The invention relates to a ceramic heating element which should be trouble-free and overload-proof and which should be economically viable. According to the invention, the heating element consists of a sandwiched magnesium oxide ceramic body, the core of which is formed from an MgO matrix with conductivity-determining metal oxide precipitates as intercrystalline phases, while the surface layers of the body consist of a MgO ceramic without conductivity-determining metal oxide dopings. Such heating elements are suitable for outputs up to 2,000 W and operating temperatures up to 500C.

Description

Dr. Volker Hilarius P 1075Dr. Volker Hilary P 1075

Dr. Wolfgang Fischer H 05 B, 3/10Dr. Wolfgang Fischer H 05 B, 3/10

Günter Clauß 16.10.1984Günter Clauß 16.10.1984

Title of the invention

Keramisches Heizelement und Verfahren zu dessen HerstellungCeramic heating element and method for its production

Field of application of the invention

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.The invention relates to a ceramic heating element which is suitable for electric heaters with powers up to 2000 W and operating temperatures up to 500 C. These are in particular consumer goods, such as Hotplates, hot air generators, irons, onduliersticks, immersion heaters and the like or technical heaters, such as hand soldering devices, heaters for sensors, heating tables and the like.

Characteristic of the known technical solutions

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. DesweiterenIn conventional heaters for the above-mentioned uses * cases, it is known to use as an active element a heating wire made of a metal alloy (DE-OS 2,533,935). This wire is susceptible to breakage and corrosion. Furthermore

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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.prepares the necessary mechanical support and insulating sheath technical problems. Ceramic coated heaters have a low life and a loose suspension makes the heater sensitive to mechanical shock. Me production of such elements is very expensive and not very automatable (DS 661 521). Ceramic heating elements are currently known as thick-film heaters on insulating base (DE-OS 2,524,839) or as elements of barium titanate ceramic with volume conductivity (DE-OS 2 "639 370, 3 048 452.) Ceramic thick film heaters consist of a ceramic base body (usually Al _? 0 ~ ceramic), the resistance layer (usually a metal alloy) and a cover layer. This complicated structure requires a comparatively high outlay on the production side.

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.Due to their lower thermal conductivity, barium titanate ceramic heating elements allow use only for smaller outputs. Due to the resistance anomaly of the barium titanate occurring at high heat outputs partial internal overheating of the heater is thermally destructive prone. The realization of high heater temperatures is limited to values below 400 ° C due to the setting options for the critical temperature of the heater resistor. In addition, problems occur at high temperatures on the production side, which require the use of more sophisticated technologies.

Object of the invention

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.The aim of the invention is to provide a simple, uncomplicated constructed heating element with a wide Binsatzspektrum. The heating element should be economical to produce and not susceptible to interference and overload in operation.

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Explanation of the essence of the invention

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.The invention is therefore based on the object to build a ceramic heating element of a single material system whose electrical conductivity can be varied very greatly by the addition of a component, so that in one and the same sintered body on the one hand good conductive and on the other hand well insulating areas can be realized. According to the invention, the ceramic heating element consists of a magnesium oxide ceramic body sandwiched, the core of which is formed from an HgO matrix with conductivity-determining metal oxide precipitates as intercrystalline phases, while the surface layers of the body consist of a MgO ceramic without conductivity-determining metal oxide dopants.

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.The production of such a heating element is carried out by first pressed the core of a MgO offset with a liquid phase component, nucleating agents and at least one Metalloxidzusatz contacted the core and then at least partially encased with a MgO-Yersatz without metal oxide additive and finally the composite body under Y. / oxygen is sintered.

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 derenIt can be advantageous if the sintered body is cooled above a temperature of 1800 G at a spatially different speed so that heating elements with a specifically desired heat distribution can be produced. The core of the heating element is made of a conductive MgO mixed ceramic. By arranging an electrically conductive metal oxide intermediate phase in the space around the MgO matrix crystallites, the resistance of the heater of the application can be adjusted accordingly. This is done in the following way: The ceramic MgO offset is added to a component which becomes liquid at the usual sintering temperatures of 1400-1600 ° G and dissolves the added to achieve the electrical conductivity metal oxides. This liquid phase component may be a compound such as feldspar, alkali or alkaline earth compounds or silicic acid or their

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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.Mixtures. During the cooling of the ceramic, the metal oxides' - in the form of AO, AO ₂ -, B ₂ ⁰ I "* ^ABO 3"> ^ ₂ ⁰ ^Λ ~ or similar compounds in the intermediate phase partially excreted and form the determines the electrical conductivity -anende rungs. By adding suitable nucleating agents, such as GaP or MgF _? , the resistance can be influenced over large areas. "A variation of the resistance is also possible by changing the cooling rate above SOO ⁰ C.

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 alsFor electrical insulation of the heating element of the ceramic compact is surrounded at the points to be isolated by a MgO offset without Metallloxidbeimengungen. This makes partial insulation resistances greater than

10 0hm in dem erfindungsgemäß aufgebauten Keramikkörper realisiert.10 0hm realized in the inventively constructed ceramic body.

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.With this inhomogeneous structure of the heating element, it is possible to limit the heat generation to certain parts of the MgO ceramic and at the same time to achieve electrical insulation at all required points of the heating element in a simple manner.

AusfUhrungsbeispiel , Embodiment ,

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-The invention will be described in detail using the example of the heater for a ceramic gas sensor. For this purpose, a heater is required, which permanently heats the active layer of the Sonsors to a fixed temperature of 400 ° C and at the same time forms the mechanical support for this active layer whose electrical conductivity is evaluated by measurement. For this purpose, a rod-shaped compact of 20 mm in length and 2 mm in diameter is pressed from the MgO offset described below. The offset used is a mixture prepared by conventional ceramic technology, which consists of at least 90 % MgO to form the 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 fürMatrix, 3 - 4 % talc, 1 - 3 % TiO ₂ and "ca. 1 % CaO to form the metal oxide-containing liquid phase and Λ-2% CaF "ordered as Keiinbildiier. The compacts are contacted at the ends with a Mo suspension. Thereafter, the compact is covered with a ceramic offset consisting of at least 95% MgO and 3-5 % talc. The contacted ends are left free. The crude body thus produced is then sintered at 1550 - 1β00 ° C under a hydrogen atmosphere and cooled at an initial cooling rate of 1000 K / h. The sintered body thus produced has a resistance of 1 kli and thus realized as a heater at a voltage of 100 V, a heating power of 10 watts. This heats the sintered body to a temperature of 400 ⁰ G. The titanium oxide-free cladding forms the underlay for

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.10 the sensor active layer and is insulated to the heater with at least 10. This is sufficient to register smallest changes of the sensor active layer independently of the heating current supply.

Falls es wünschenswert ist, die Wärmebe lastung der Kontaktstellen zu senken, werden die Enden des Preßlings mit 50 K/min abgekühlt.If it is desirable to lower the heat load on the pads, the ends of the compact are cooled at 50 K / min.

Claims

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invention claim

Ceramic heating element, characterized in that it consists of a sandwiched magnesia ceramic body whose core consists of a KgO matrix
with conductivity-determining metal oxide precipitates formed as intergranular phases while
the superficial layers of the body from one
MgO ceramics without conductivity determining metal oxide doping exist.

A method for producing a ceramic heating element according to item 1, characterized in that first the core of a MgO offset with a Plüssig-phase component, nucleating agents and at least one
Metal oxide additive pressed, the core contacted and then with a MgO offset without metal oxide additives
at least partially enveloped and the composite body finally sintered under hydrogen
becomes.

3. The method according to item 2, characterized in that the sintered body is cooled above a temperature of SOO C at a spatially different speed.