DE1090774B - Heizelement fuer mittelbar geheizte Kathoden und Verfahren zur Herstellung eines Isolierueberzuges - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung besteht in einem Heizelement für mittelbar geheizte Kathoden für elektrische Entladungsgefäße, bei dem die überwiegend aus Aluminiumoxyd (Al₂O₃) bestehende Isolierschicht zur Erzielung einer besseren Wärmeabstrahlung ein dunkles Aussehen verursachende Zusätze besitzt.

Es ist bekannt, daß die Temperatur von Heizern indirekt geheizter Kathoden etwa 400 bis 600° C über der erforderlichen Betriebstemperatur der betreffenden Oxydkathode liegt. Neben der Wärmeableitung durch Halterung und Zuleitung liegt die Hauptursache für den hohen Temperaturgradienten in dem niedrigen Wärmeabstrahlungskoeffizienten (c = 0,ll) de,s als Heizerisoliermaterial allgemein benutzten Aluminiumoxyds.

Außer der aus diesem Grunde erforderlichen höheren Heizleistung wegen größerer Wärmeableitung über die Zuleitung und Halterung wird dadurch auch die Isolation zwischen Heizer und Kathodenkörper verschlechtert, da bei allen Isolierstoffen allgemein die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur stark ansteigt.

Je höher aber die Heizertemperatur ist, um so stärker erfolgt auch eine Verdampfung von Wolfram in die poröse Isolierschicht, die bekanntermaßen Ursache für eine relativ geringe Lebensdauer des Heizers ist.

Da in den meisten Fällen zwischen Heizer und Kathode im Betrieb im Rahmen der schaltungstechnischen Aufgabe Gleichspannung liegt, werden durch höhere Temperaturen eventuell sich ausbildende elektrolytische Prozesse derart begünstigt, daß sie bis zur völligen Zerstörung der Isolierschicht (Schmelzfluß) führen können, und zwar besonders dann, wenn in dem für die Isolierschicht verwendeten Aluminiumoxyd gewollt oder ungewollt Verunreinigungen vorhanden sind. Aus diesem Grunde verwendet man für Heizerisolierzwecke trotz hoher Kosten hochgereinigtes Aluminiumoxyd (Al₂O₃), das weitgehend frei von Oxydischen Beimengungen, wie z. B. von Eisen oder ähnlichen Metallen, aber auch frei von Kieselsäure und Alkali ist, d. h. von Stoffen, deren ungünstige Einflüsse auf Schmelzpunkt und Isolationsfähigkeit bekannt sind.

Es ist bereits bekannt, zur Herabsetzung der Heizelementtemperatur durch Verbesserung der Abstrahlungsverhältnisse für die Isolationsschicht an Stelle von weißem reinem Al₂O₃ dunkel aussehendes Aluminiumnitrid (Al N mit c = 0,45) zu verwenden. Auf der anderen Seite ist es aber bekannt, daß dunkle Stoffe stets eine höhere elektrische Leitfähigkeit, d. h. schlechtere Isolationsfähigkeit, als helle Stoffe besitzen. Bei der bekannten Anordnung wird somit eine bessere Abstrahlung durch eine schlechtere Isolation erkauft.

Heizelement

für mittelbar geheizte Kathoden

und Verfahren zur Herstellung

eines Isolierüberzuges

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. Walter Schmidt, Robert Lauter
und Dr. Georg Eckert, München,
sind als Erfinder genannt worden

Es ist weiterhin für den gleichen Zweck vorgeschlagen worden, dem allgemein üblichen Isolationsmaterial Aluminiumoxyd oxydische Beimengungen, wie z. B. Eisenoxyd (Fe₂O₃), Chromoxyd (Cr₂O₃) und/oder andere, absichtlich zuzusetzen, um dadurch eine durchgehende Anfärbung der Isolierschicht und damit eine bessere Wärmeabstrahlung zu erzielen. Abgesehen davon, daß der erreichbare Dunkel ton der Anfärbung (grünlich, rötlich) und entsprechend der dadurch erzielbare Effekt nur relativ gering sind, bedeuten, wie oben bereits erwähnt, die mit solchen Beimengungen verbundenen Nachteile erhebliche Schwierigkeiten.

Die bei den bekannten Anordnungen auftretenden Nachteile zu vermeiden, indem auf jeden Fall die gute Isolierfähigkeit des reinen. Aluminiumoxyds erhalten wird, und eine gute Wärmeabstrahlung durch eine in einfacher Weise oberflächlich aufgebrachte, praktisch mit dem Al₂O₃ in bezug auf Leitfähigkeit und Schmelzpunkt nicht störend reagierende, dünne und entsprechend dunkel aussehende Schicht zu erzielen, ist Aufgabe der Erfindung,

Erreicht wird dies bei einem Heizelement für mittelbar geheizte Kathoden für elektrische Entladungsgefäße, bei dem der Isolierüberzug aus zwei Schichten besteht, von denen die eine Aluminiumoxyd enthält und bei dem die Oberfläche zur Erzielung einer besseren Wärmeabstrahlung ein dunkles Aussehen verursachende Zusätze besitzt, nach der Erfindung da-■ durch, daß die unmittelbar den Heizerdraht bedeckende Isolierschicht aus reinstem hochisolierendem

009 627/327

Aluminiumoxyd zusätzlich mit einer relativ dünnen, dunkel aussehenden, die Wärme gut abstrahlenden, hochtemperaturbeständigen Schicht aus hochschmelzendem, bei Betriebstemperatur mit Aluminiumoxyd in bezug auf Leitfähigkeit und Schmelzpunkt praktisch nicht störend reagierenden Substanzen, wie Boriden oder Karbiden, insbesondere schwer schmelzender Metalle, zumindest teilweise versehen ist. Der wesentliche Vorteil gegenüber den bekannten Heizelementen besteht bei einer derartigen Anordnung mit übereinander angeordneten Schichten darin, daß es praktisch belanglos ist, wie groß die Isolierfähigkeit der oberflächlich gut wärmeabstrahlenden Schicht ist. Selbst metallische Leitfähigkeit wäre für sie zulässig, da das Heizelement mit dieser Schicht ja sowieso an der z. B. aus einem Ni ekel röhrchen bestehenden Wandung des betreffenden Kathodenschichtträgers anliegt. Wichtig ist lediglich für die Schichtsubstanz mit gutem Wärmeabstrahlungskoeffizient, daß sie bei Betriebstemperatur der betreffenden Kathode praktisch keine in bezug auf Leitfähigkeit und Schmelzpunkt störende Reaktion mit dem unter ihr befindlichen reinen Aluminiumoxyd zeigt. Als Material für eine solche dunkle, hochtemperaturbeständige Schicht kommen Boride oder Karbide zahlreicher, insbesondere schwer schmelzender Metalle, in Frage, bei deren Auswahl lediglich nur Preis, Verarbeitbarkeit und, wie bereits erwähnt, eventuell eintretende störende Reaktionen mit der Aluminiumoxydschicht zu berücksichtigen sind.

Als besonders geeignet erwiesen haben sich unter anderem die Karbide von Bor, Niob und Tantal, von denen das Tantalkarbid den gestellten Anforderungen am sichersten genügt, indem es den höchsten Strahlungskoeffizienten besitzt und indem es mit dem Aluminiumoxyd der Grundschicht bei den beim Auf sintern bzw. während der Kathodenformierung auftretenden Temperaturen von etwa 1400 bis 1500° C in bezug auf Isolationsfähigkeit und Schmelzpunkt praktisch keinerlei störende Reaktion zeigt. Der auf diese Weise erreichte Abstrahlungskoeffizient ist größer als 0,8, während die damit erzielte Temperaturherabsetzung des Heizers im Vergleich zu normalen Heizern, bezogen auf gleiche Kathodenbetriebstemperatur von z. B. 720° C, geringfügig unterschiedlich je nach Körnung des Tantalkarbids etwa 200° C beträgt. Außerdem bleibt bei derartigen Heizelementen, wie an entsprechend durchgeführten Lebensdaueruntersuchungen nachgewiesen werden konnte, die Isolation zwischen Heizer und Kathodenträger über die gesamte jeweils erzielbare lange Lebensdauer etwa gleich gut.

Ein weiterer Vorteil dieses Heizelements besteht darin, daß schon mit einer sehr dünnen Schicht, beispielsweise aus Tantalkarbid, von nur 2 bis 10 μ Dicke, d. h. daß mit einem Minimum an Materialaufwand, bereits ein Optimum an Wärmeübertragung vom Heizer auf den Kathodenkörper erzielt werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Anordnung besteht darin, daß man z. B. im Bedarfsfall die weiße Aluminiumoxydschicht nicht über die ganze Länge mit der auf ihrer Oberfläche aufgebrachten dunklen Schicht bedeckt. Hierdurch kann man die Wärmeabstrahlung längs des Heizers bzw. die Temperaturverteilung längs der betreffenden Kathode in gewünschter Weise beeinflussen. So kann es z. B. ratsam sein, die Temperaturverteilung bei Kathoden, die an beiden Enden gehaltert sind und deshalb an den Enden eine stärkere Wärmeableitung zeigen, also eine niedrigere Temperatur als in der Mitte haben, über die ganze Länge dadurch zu egalisieren, daß man z. B.

nur die Enden, aber nicht die Mitte des Heizerelements mit der gut wärmeabstrahlenden Schicht überzieht. Auf der anderen Seite kann z. B. eine starke Wärmeabstrahlung an den offenen Enden der heute meist benutzten Kathoden dadurch vermieden werden, daß die betreffenden Heizerenden im Gegensatz zu der Mitte nicht geschwärzt werden. Diese Maßnahmen sind in jedem Falle geeignet, ein Optimum an Ausnutzung (Wärmeökonomie) der aufgewendeten Heizleistung

ίο zu erzielen.

Die Herstellung der beschriebenen gut strahlenden Heizerelemente erfolgt z. B. in vorteilhafter Weise derart, daß zunächst ein geformter Wolframheizer in bekannter Weise mit einer aufgesinterten Aluminium-

x5 oxydschicht versehen wird und daß danach eine Suspension von z. B. Tantalkarbid in einem organischen Lösungsmittel, wie z. B. Butylacetat, über die ganze Länge oder mit frei gelassenen Stellen, z. B. in der Mitte oder an den Enden, besprüht wird. Die aufgebrachte Schicht wird dann anschließend in einer Schutzgasatmosphäre bei 1300 bis 1600° C aufgesintert. Allerdings ist die Haftfestigkeit einer derart aufgespritzten zunächst noch ungesinterten Tantalkarbidschicht bereits, derart gut, daß ein gesondertes Aufsintern unter Umständen auch vermieden werden kann. Die beim Formiervorgang der betreffenden Kathode innerhalb der völlig fertig montierten Röhre auftretenden Temperaturen reichen nämlich im allgemeinen bereits zum Aufsintern aus. Die Menge der aufgebrachten gut wärmeabstrahlenden Schicht, z. B. von Tantalkarbid, wird so bemessen, daß eine gerade gut deckende Schicht, je nach Rauhigkeit der Unterschicht von 2 bis 10 μ, erreicht wird.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel in Form eines Bifilarheizelements dargestellt. Unmittelbar auf dem mit 1 bezeichneten bifilar gewickelten Heizdraht befindet sich die relativ dicke, allgemein übliche Isolationsschicht 2 aus reinstem Aluminiumoxyd. Diese ist nochmals von einer dünnen, dunkel aussehenden Schicht 3 aus einem Karbid oder Borid, z. B. Tantalkarbid, mit gutem Wärmeabstrahlungsve'rmögen überdeckt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Heizelement für mittelbar geheizte Kathoden für elektrische Entladungsgefäße, bei dem der Isolierüberzug aus zwei Schichten besteht, von denen die eine Aluminiumoxyd enthält und bei dem die Oberfläche zur Erzielung einer besseren Wärmeabstrahlung ein dunkles Aussehen verursachende Zusätze besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar den Heizdraht bedeckende Isolierschicht aus reinstem hochisolierendem Al₂O₃ zusätzlich mit einer relativ dünnen, dunkel aussehenden, die Wärme gut abstrahlenden, hochtemperaturbeständigen Schicht aus hochschmelzenden, bei Betriebstemperatur mit Aluminiumoxyd in bezug auf Leitfähigkeit und Schmelzpunkt praktisch nicht störend reagierenden Substanzen, wie Boriden oder Karbiden, insbesondere schwer schmelzender Metalle, zumindest teilweise versehen ist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wärme gut abstrahlende Oberflächenschicht etwa 2 bis 10 μ stark ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wärme gut abstrahlende Oberflächenschicht zur Erzielung einer im Betrieb gleichmäßigen oder vorgegebenen Temperaturverteilung über die Länge der betreffenden mittelbar

geheizten Kathode stellenweise unterbrochen und/ oder unterschiedlich dick beschaffen ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Isolierüberzugs für ein Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zunächst in üblicher Weise aufgebrachte und gesinterte hochisolierende Aluminiumoxydschicht nachträglich an der Oberfläche mit einer Suspension von z. B. Tantalkarbid in einem organischen Lösungsmittel, wie z. B. Butylacetat, zumindest teilweise besprüht und beim Formiervorgang der betreffenden Kathode oder in Schutzgas in einem gesonderten Vorgang zu einer

gut haftenden, nur einige μ starken Schicht gesintert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Besprühen der hochisolierenden gesinterten Grundschicht aus Aluminiumoxyd mit der entsprechenden Suspension nicht zu bedeckende Oberflächenstellen mechanisch, z. B. durch Masken, abgedeckt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 856 486, 880 773;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 017 292.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 627/327 10.60