DE1126530B

DE1126530B - Elektrisches Widerstandsheizelement

Info

Publication number: DE1126530B
Application number: DEN14998A
Authority: DE
Inventors: Brian Herbert Cox; Michael David Burggoyne
Original assignee: D Napier and Son Ltd
Current assignee: Napier Turbochargers Ltd
Priority date: 1957-04-29
Filing date: 1958-04-28
Publication date: 1962-03-29
Also published as: FR1195162A

Description

Elektrisches Widerstandsheizelement Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einer dünnen Schicht aus elektrischem Widerstandsmaterial; das neue Heizelement ist insbesondere bei solchen Anordnungen mit Vorteil verwendbar, bei denen die Widerstandsschicht zwischen zwei Schichten aus Isoliermaterial liegt.
Das Widerstandsheizelement nach der Erfindung hat einen verhältnismäßig hohen Widerstand, bezogen auf die Flächeneinheit, im Vergleich mit beispielsweise Heizelementen, bei denen der Widerstand aus einer dünnen Metallschicht, z. B. Aluminium, besteht.
An sich sind Heizelemente mit einer Schicht aus Widerstandsmaterial von verhältnismäßig hohem Widerstand bereits bekannt. Man hat auch bereits Widerstandselemente mit einer gemusterten Schicht aus einem Werkstoff von verhältnismäßig kleinem elektrischem Widerstand, wie z. B. Metall, hergestellt. Dabei wurde ein siebähnlich gestanztes Blech benutzt, das für den Anschluß an eine verhältnismäßig geringe Spannung gedacht war. Schließlich sind auch bereits Widerstandsheizelemente bekannt, bei denen mehrere sich überdeckende Schichten mit elektrisch verschiedener Leitfähigkeit vorgesehen sind, und solche, bei denen die leitenden Schichten mit einem äußeren isolierenden Überzug völlig umgeben sind.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einer aus einem Werkstoff von verhältnismäßig hohem Widerstand bestehenden Schicht, die eine gleich große, gemusterte Schicht aus einem Werkstoff von verhältnismäßig kleinem Widerstand bedeckt und mit ihr in elektrisch leitender Berührung steht, wobei die Schichten mit einem äußeren isolierenden Überzug umgeben sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches elektrisches Widerstandsheizelement mit einem für die praktische Verwendung besonders günstigen Widerstandswert bei gleichzeitiger sicherer Wärmeabfuhr und einfacher Herstellbarkeit auszugestalten.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schicht von verhältnismäßig kleinem Widerstand aus einer Mehrzahl voneinander getrennter, in geringem Abstand voneinander liegender kleiner Bereiche besteht, die gleichmäßig über die Schicht hohen Widerstands verteilt sind, daß ferner die beiden Schichten etwa die gleiche Dicke aufweisen, jedenfalls keine der Schichten mehr als doppelt so dick wie die andere ist, und daß beide Schichten gemeinsam mit dem isolierenden Überzug völlig umgeben sind. Insbesondere durch die Wahl annähernd gleicher Dicke wird bei dem neuen Widerstandsheizelement eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung erzielt. Dabei ist naturgemäß wesentlich, daß die beiden leitenden Schichten miteinander elektrisch verbunden sind und in entsprechendem Maße beide an der Stromleitung teilnehmen.
Bei einem Widerstandsheizelement nach der Erfindung sollen zweckmäßig die maximalen und minimalen Abmessungen der aus einem Werkstoff von verhältnismäßig kleinem Widerstand bestehenden kleinen Bereiche zwischen 0,35 und 5,2 mm groß sein. Etwa das gleiche Maß weisen mit Vorteil auch die gegenseitigen Abstände der kleinen Bereiche auf. Beispielsweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese kleinen Bereiche im wesentlichen kreisförmig auszubilden und ihnen einen Durchmesser von 0,8 mm bei einem gegenseitigen Abstand von ebenfalls etwa 0,8 mm zu geben.
Zweckmäßig enthält die Schicht von verhältnismäßig hohem Widerstand einen halbleitenden Stoff, der mit Vorteil aus einer Mischung kleiner Graphitteilchen mit einem synthetischen Harz besteht. Dagegen verwendet man zweckmäßig für die Schicht von verhältnismäßig niedrigem Widerstand ein Metall, beispielsweise Aluminium oder eine Kupferlegierung.
Zur Herstellung eines solchen Heizelements kann man mit Vorteil ein Verfahren benutzen, das das Merkmal aufweist, daß eine gemusterte, aus einem Werkstoff niedrigen Widerstands hergestellte und aus einer Mehrzahl voneinander getrennter, in geringem Abstand voneinander liegender kleiner Bereiche bestehende Schicht auf eine Grundschicht aus einem Isolierstoff aufgebracht und dann eine zweite Schicht aus einem Werkstoff hohen Widerstands unmittelbar auf die erste Schicht aufgetragen wird, so daß die beiden Schichten einander eng berühren und aneinanderhaften, wobei die Abstände zwischen den voneinander getrennten Bereichen wenigstens teilweise ausgefüllt werden, und daß eine äußere, beide Widerstandsschichten bedeckende Isolierschicht aufgebracht wird.
Die erste Schicht besteht am vorteilhaftesten aus Metall und wird dann durch Heißaufsprühen aufgebracht.
Die gemusterte Schicht läßt sich zweckmäßig zunächst in flüssigem Zustand, z. B. durch Heißaufsprühen des Metalls, auf eine Grundlage aus Isolierstoff' mittels einer Schablone aufbringen, worauf man die Schicht aus einem Werkstoff verhältnismäßig hohen Widerstands anschließend gleichfalls in flüssigem Zustand über der ganzen Fläche aufträgt.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 im Grundriß ein beim ersten Ausführungsbeispiel verwendetes Stück Glasleinewand, Fig. 2, 3 und 4 in ähnlicher Darstellung die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte.
Fig.5 im Querschnitt und in größerem Maßstaä eine fertige Heizkachel oder Heizplatte und Fig.6 im Schnitt ein zusammenhängendes Oberflächenheizelement, das auf einem Grundkörper aufgebracht ist.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein quadratisches Stück Glasleinewand 10 gemäß Fig./ mit einer .perforierten Schablone bedeckt, die kreisförmige Offnungen von 0,8 mm Durchmesser aufweist, welche voneinander einen Abstand von 0.8 mm besitzen. Durch die Schablone hindurch wird auf die eine Seite der Glasleinewand eine Schicht Kupferlegierung heiß aufgesprüht. Auf diese Weise werden viele voneinander getrennte, jedoch in gleichmäßigen Abständen verteilte klein Bereiche lla aus der Legierung gebildet, die an der Glasieinewand fest haften, wie Fig.2 zeigt. Die Dicke des Metallauftrags wird etwa zwischen 0,08 und 0,13 mm gewählt.
Gemäß Fig.3 werden anschließend kupferne Anschlußschienen in Form dünner paralleler Streifen 12, 13 an zwei gegenüberliegenden Kanten des Quadrats aufgesprüht, wobei jeder Streifen 4,8 mm breit ist. Auf jeden Streifen wird je ein kupferner Kontakt 14 bzw. 15 aufgelötet.
Fig.4 veranschaulicht, daß danach die ganze Fläche mit einer Graphit-Harz-Mischung (Schicht 16) bedeckt wird, die einen halbleitenden Stoff bildet., Diese Mischung wird wie folgt zusammengesetzt:

Silikonharz ..................... 20 g

Toluol .............. ......... 100 g

Graphit (99,5% Reinheit) . . . . . . . . 30 g

Diese Bestandteile werden in einer Kugelmühle aus Porzellan gemahlen; je 15 g der Mischung wird 1 g einer Katalysatorsubstanz zugesetzt, die aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt ist: 10 Gewichtsteile Diäthanolamintitanat, 20 Gewichtsteile Xylol, 20 Gewichtsteile Äthylcellosolve.
Nach Entfernen der Schablone wird die Graphit-Harz-Mischung zusammen mit dem Katalysator mittels eines Farbzerstäubers in einer Schichtdicke von 0,051 bis 0,08 mm aufgesprüht. Diese Schicht 16 bedeckt die kleinen Metallbereiche 11a und die kupfernen Anschlußschienen 12, 13. Anschließend läßt man das Heizelement 30 Minuten lang in Luft trocknen, so daß sich die Lösungsmittel verflüchtigen; anschließend wird das Heizelement 30 Minuten lang bei 80 bis 100°C gehärtet.
Zum Einbetten des Widerstandsheizelements in eine Isolierplatte od. dgl. wird aus Silikonharz und der gleichen Menge Toluol eine Harzmischung hergestellt, wobei je 4 g Mischung 1 g des obenerwähnten Katalysators zugesetzt wird. Ein dünner Film 17 aus dieser Mischung wird in den Boden einer z. B. rechteckigen Metallform 18 eingebracht und das soweit fertige Widerstandsheizelement darauf aufgelegt. Die Anschlußkontakte 14, 15 werden mit einem an der Wandung der Form vorgesehenen zweipoligen Stecker 19 od. dgl. verbunden. Danach wird eine weitere Schicht 20 aus der gleichen M schung auf das Heizelement aufgebracht, und die Form wird dann mit einem hitzebeständigen Werkstoff 21 aufgefüllt, so daß ein verhältnismäßig starrer hitzebeständiger Grundkörper für die Heizplatte od. dgl. entsteht.
Das hitzebeständige Material kann wie folgt zusammengesetzt sein

Silikonharz . . .................... 60 g

Toluof .......................... 60 g

Perlit ........................ 30 g

Katalysator (wie oben) ........... 30 g

Das in Toluol aufgelöste Silikonharz wird unter ständigem Rühren mit dem Perlit vermischt, bis eine feuchte Pulvermasse entstanden ist.
Die gefüllte Form wird 4 Stunden lang bei etwa 120 bis 150' C gehärtet. Nach dem Abkühlen einer derart hergestellten Heizplatte geeigneter Abmessung wurde ein Widerstand von 2900 Ohm gemessen. Beim Anschluß dieser Platte an 230 V wurde eine Temperatur von 70 bis 80' C festgestellt, ohne daß sich irgendwelche Hitzeflecke zeigten.
Die Erfindung kann mit Vorteil auch bei der Herstellung von elektrischen Oberflächenheizeinrichtungen verwendet werden, beispielsweise für Flugzeug-Enteisungsanlagen. Dabei ergibt der verhältnismäßig hohe Flächenwiderstand eines Heizelements nach der Erfindung einen verhältnismäßig hohen Spannungsabfall je Längeneinheit des Enteisungsbelages. Die bisher üblichen verwickelten Zickzackanordnungen des Heizleiters solcher Enteisungsvorrichtungen können einfacher durch Heizelemente gemäß der Erfindung in verhältnismäßig breiten Streifen ersetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 6. Dort ist mit 22 das Metall des Flugzeugflügels angedeutet, der mit einer Schicht 23 aus isolierendem Haftmaterial. z. B. Epoxyharz, bedeckt ist. Auf die Schicht 23 ist eine Kupferlegierung in Form vieler voneinander getrennter Bereiche 24 aufgebracht. wie dies oben beschrieben wurde. Darüber befindet sich die bereits geschilderte Schicht 25 aus einer Graphit-Harz- Mischung und schließlich eine isolierende Schutzschicht 26, z. B. aus einem Epoxyharz.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektrisches Widerstandsheizelement mit einer aus einem Werkstoff von verhältnismäßig hohem Widerstand bestehenden Schicht, die eine gleich große, gemusterte Schicht aus einem Werkstoff von verhältnismäßig kleinem Widerstand bedeckt und mit ihr in elektrisch leitender Berührung steht, wobei die Schichten mit einem äußeren isolierenden Überzug umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) von verhältnismäßig kleinem Widerstand aus einer Mehrzahl voneinander getrennter, in geringem Abstand voneinander liegender kleiner Bereiche (11a) besteht, die gleichmäßig über die Schicht (l6) hohen Widerstands verteilt sind, daß ferner die beiden Schichten (11, 16) etwa die gleiche Dicke aufweisen, jedenfalls keine der Schichten mehr als doppelt so dick wie die andere ist, und daß beide Schichten gemeinsam mit dem isolierenden Überzug (17, 20) völlig umgeben sind.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen und minimalen Abmessungen der aus einem Werkstoff von verhältnismäßig kleinem Widerstand bestehenden kleinen Bereiche (11a) zwischen 0,35 und 5,2 mm groß sind.
3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände der kleinen Bereiche (11a) zwischen 0,35 und 5,2 mm messen.
4. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16) von verhältnismäßig hohem Widerstand einen halbleitender. Stoff enthält.
5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Stoff eine Mischung kleiner Graphitteilchen mit einem synthetischen Harz enthält.
6. Element nach einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) von verhältnismäßig niedrigem Widerstand aus Metall besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizelementes nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemusterte, aus einem Werkstoff niedrigen Widerstands hergestellte und aus einer Mehrzahl voneinander getrennter, in geringem Abstand voneinander liegender kleiner Bereiche (11a) bestehende Schicht (11) auf eine Grundschicht (10) aus einem Isolierstoff aufgebracht und dann eine zweite Schicht (16) aus einem Werkstoff hohen Widerstands unmittelbar auf die erste Schicht aufgetragen wird, so daß die beiden Schichten (11, 16) einander eng berühren und aneinanderhaften, wobei die Abstände zwischen den voneinander getrennten Bereichen wenigstens teilweise ausgefüllt werden, und daß eine äußere, bei Widerstandsschichten (11, 16) bedeckende Isolierschicht (17, 20) aufgebracht wird. B.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) aus Metall besteht und durch Heißaufsprühen aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemusterte Schicht (11) zunächst in flüssigem Zustand, z. B. durch Heißaufsprühen des Metalls, auf eine Grundlage (10) aus Isolierstoff mittels einer Schablone aufgebracht und die Schicht (16) aus einem Werkstoff verhältnismäßig hohen Widerstands anschließend gleichfalls in flüssigem Zustand über der ganzen Fläche aufgetragen wird. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschriften Nr. 656 196, 882 245, 906 661, 965 859 (am 27. 12. 1956 bekanntgemachte Anmeldung), britische Patentschrift Nr. 671881.