DE2011215A1

DE2011215A1 - Isoliertes Heizgerät mit Metallverkleidung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2011215A1
Application number: DE19702011215
Authority: DE
Inventors: James Emory Schenectady N.Y. Beggs (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-03-27
Filing date: 1970-03-10
Publication date: 1970-10-08
Also published as: US3581144A; FR2040031A5; NL7002986A; JPS5034769B1; DE2011215C3; GB1283143A; DE2011215B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizgeräte, insbesondere ein isoliertes Heizgerät niedriger Masse, das bei geringem Wärmeabfall mit einem zu heizenden Objekt verbunden werden kann, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bei elektrischen Heizsystemen werden zahlreiche Kunstgriffe aufgewendet, um den. Wärmeabfall zwischen dem Heizdraht und dem zu heizenden Objekt möglichst gering zu halten und gleichzeitig eine ausreichende elektrische Isolierung zu erhalten. Eine elektrische Bauweise, bei der die Aufgabe der Verminderung des Wärmeabfalls zwischen dem Heizgerät und dem zu heizenden Objekt auftritt, ist die Kathode für eine elektrische Entladungsvorrichtung und insbesondere eine Kathode niedriger Masse, die innerhalb eines äußerst kurzen

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Zeitraumes in der Lage ist, eine hohe Arbeitstemperatur zu erreichen. Eine Kathodenbauweise des z.Zt. verwendeten Typus wird beispielsweise in der eigenen US Patentschrift 3 400 294 beschrieben. Bei der Bauweise dieser Patentschrift ist der Heizdraht in einem keramischen feuerfesten Material eingebettet, das mit der Metallscheibe der Kathode verbunden ist. Auf der Unterseite der Kathode ist ein Metallpulver aufgesintert oder abgeschieden, das mit dem feuerfesten Material eine ineinandergreifende Anordnung ergibt. Obgleich eine solche Bauweise infolge der verschiedenen Ausdehnungen der bei dieser Anordnung und beim Verfahren des Verbindens verwendeten Materialien eine wesentliche Verbesserung gegen- f über den bisher üblichen Bauweisen in bezug auf die Schnelligkeit des Aufheizens und ihren Widerstand gegen mechanische Schocks zeigt, ist es dennoch in vielen Fällen schwierig, ein Verbiegen des Kathodendeckels zu vermeiden. Bei Elektronenentladungsvorrichtungen für Mikrowellen befindet sich die Kathode sehr nahe bei den verbundenen Gitterelektroden, wobei ein Verbiegen der Kathodenstruktur die Betriebsfähigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt.

Ein weiterer Fall, bei dem eine gleichmäßige elektrische Beheizung eines Gegenstandes bei geringem Wärmeverlust erforderlich ist, sind elektrische Kochgeräte und andere Haus- k haltsheizgeräte. Obwohl die übliche elektrische Calrod-

Heizeinheit bei solchen Geräten ausgezeichnete Dienste leistet, könnten trotzdem gewisse Verbesserungen erzielt werden, wenn eine flache, zusammenhängende Heizfläche von der Art einer Tischplatte vorhanden wäre, die unter geringem Wäraeverlust zwischen Oberfläche und Heizdraht und ohne Verbiegen der flachen Oberfläche rasch auf die gewünschte Temperatur gebracht werden könnte.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein isoliertes elektrisches Heizgerät dadurch hergestellt, daß koplanare Windungen eines Heizdrahtes hergestellt werden, der Draht mit einem dünnen, eng anhaftenden

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Überzug aus Isoliermaterial bedeckt wird, auf dem isolierten Material ein metallischer Überzug abgeschieden und eine dünne Schicht eines Löt- oder Legierungsmaterials auf mindestens eine Oberfläche der überzogenen koplanaren Windungen aufgebracht wird, die anschließend in die Nähe des zu heizenden Objektes gebracht und solange erhitzt wird bis eine enge feste Verbindung zwischen dem Objekt und dem zusammengesetzten Heizgerät erhalten wird, wobei die verschiedenen für die Struktur des Heizgerätes und das gewählte Objekt verwendeten Materialien sehr nah verwandte, thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels und der Zeichnung ausführlich beschrieben, in der die gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten und in der:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht des Herstellungsverfahrens des metallverkleideten isolierten Heizgerätes darstellt;

Figur 2 eine Seitenansicht des Heizgerätes der Figur 1 ist, in der eine dünne Schicht aus einem zusätzlichen Metall auf eine Oberfläche des Heizgerätes aufgebracht ist·,

Figur 3 eine andere Anordnung des erfindungsgemäßen Heizgerätes zeigt und

Figur 4 eine Kathode für eine Elektronenentladungsvorrichtung darstellt, die die erfindungsgemäße Heizvorrichtung enthält.

Bei der Durchführung des Verfahrens, dessen Stufen in Figur l dargestellt sind, wird ein Heizdraht 1 zu einer Schicht aus koplanaren Drahtwindungen 2 geformt. Obwohl jede gewünschte

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Drahtform verwendet werden kann, wird in der vorliegenden Figur die Schicht so gezeigt, daß sie viele Spiralwindungen des Drahtes 1 aufweist. Nachdem dem Draht die gewünschte Form gegeben wurde, wird er mit einem Überzug aus Isoliermaterial 3 überzogen. Der Überzug kann mit Hilfe der herkömmlichen Verfahren, wie z.B. des Flammspritzens, der Abscheidung aus der Dampfphase oder mittels Kataphorese aufgebracht werden. Besonders geeignet ist die Abscheidung aus der Dampfphase, da sie auf dem Draht einen sehr dünnen undurchlässigen Überzug ergibt, der eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist. Nach Aufbringen der Isolierung auf den Draht wird der isolierte Draht mit einem zweiten Überzug 4 aus Metall überzogen. Der zweite Überzug 4 kann gleichfalls mit Hilfe des Flammspritzens, des Aufsprühens oder durch irgendein anderes geeignetes Absehe idungs verfahren aufgebracht werden. Wahlweise kann das Material in Form des Metalloxides aufgebracht und später durch Erhitzen unter reduzierender Atmosphäre, wie z.B. unter trockenem Wasserstoff, in das reine Metall überführt werden. Beim nächsten Verfahrensschritt wird eine Oberfläche der Drahtschicht mit einem Metallpulver 5 überzogen und an das zu heizende Objekt oder die zu heizende Oberfläche 6 angelötet oder anlegiert. Wie Figur 2 zeigt, besteht das zu heizende Objekt aus einer flachen Metallplatte 6. Nachdem die überzogenen Windungen 4 und das Pulver 5 auf die Platte 6 gebracht wur-

den, wird die erhaltene Struktur erhitzt, so daß die Heizschicht 2 und das Pulver 5 an die Platte 6 angelötet oder anlegiert werden. Selbstverständlich kann die Schicht 5 vor ihrer Anbringung an die Platte 6 an das zusammengesetzte Heizgerät angebracht werden.

Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Heizgerätes kann der Draht 1 aus irgendeinem geeigneten Heizdraht, beispielsweise aus Wolfram, Nickel oder Molybdän bestehen. Es hat sich gezeigt, daß sich Molybdän besonders für die Herstellung einer Kathodenstruktur für eine Elektronenentladungsvorrichtung eignet, da es duktil ist und leicht zu einer

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Schicht koplanarer Windungen geformt werden kann. Das Material des Isolierüberzuges 3 wird so gewählt, daß seine thermischen Ausdehnungseigenschaften zu denen des Heizdrahtes 1 passen. Geeignete Isoliermaterialien sind Aluminiumoxid, eine Mischung aus Bornitrid und Aluminiumoxid, eine Mischung aus Magnesiumoxid und Bornitrid und eine Mischung aus Magnesiumoxid und Aluminiumoxid. Insbesondere ergibt eine Mischung aus Aluminiumoxid und Bornitridpulver ein Isoliermaterial mit Wärmeausdehnungseigenschaften, die zu denen des Molybdäns passen. Das ausgewählte Material wird durch Flammspritzen, Abscheidung aus der Dampfphase oder durch Kataphorese auf dem ausgebildeten Draht abgeschieden.

Das Material des zweiten Überzugs 4 wird gleichfalls so ausgewählt, daß seine thermischen Ausdehnungseigenschaften sowohl zu denen des Drahtes 1 und des Isolierüberzüges 2 passen. Geeignete Metalle zur Herstellung eines solchen Überzuges sind Molybdän, Wolfram und Nickel. Das Überziehen kann gleichfalls mit Hilfe geeigneter Verfahren, wie durch Flammsprühen, Abscheiden aus der Dampfphase oder durch Kataphorese erfolgen. Wiederum können Wolfram oder Molybd an oxide für den Überzug 4 verwendet und anschließend durch Erhitzen unter reduzierender Atmosphäre zum reinen Metall überführt werden. Das Pulver 5 kann aus Molybdän, Nickel oder einer Mischung aus pulverförmigem Molybdän und Nickel bestehen, was von den Metallen des Überzugs 4 und der Platte 6 abhängt, wobei die Löt- oder Anlegierungstemperaturen entsprechend gewählt werden. Beispielsweise kann mit einer Legierung aus Molybdän und Nickel ein Heizgerät, das einen Überzug 4 aus Wolfram, Molybdän oder Nickel aufweist, an eine Scheibe oder Platte 6 aus Wolfram, Molybdän öder Nickel mit Wasserstoff bei 135O°C angelötet werden.

Figur 3 zeigt eine ebene Anordnung, in welcher die Schichten der Heizdrahtwindungen nicht spiralförmig sind sondern andere Formen erlauben. Die gezeigte Anordnung eignet sich

insbesondere für Haushaltszwecke, sie weist eine zusammenhängende Oberfläche oder ein Feld auf, an das das Heizgerät angelötet oder auf andere Weise verbunden werden kann, wobei geeignete Anschlüsse (nicht gezeigt) mit den nicht überzogenen Drahtenden 1 verbunden sind.

Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Heizvorrichtung, die in Verbindung mit einer Kathode für eine Elektronenentladungsvorrichtung verwendet wird. Die Kathode 8 weist eine Wolframscheibe auf, welche Querschlitze 13 aufweist und auf die in der eigenen US Patentschrift 3 334 263 beschriebene Weise ausgebildet ist. Bei der Bauweise der Figur 4 wird gleichfalls eine Halterungsscheibe 9 verwendet, die in einigen Fällen deshalb zweckmäßig sein kann, die Kathode flach zu halten und weiterhin zur Verhinderung des Biegens beitragen kann. Die Verwendung einer Halterungsscheibe 9 ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Heizgerät- und Kathodenbauweisen nicht vollständig aus Materialien bestehen, die ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen. Besteht beispielsweise die Kathode 8 aus Wolfram und der Heizdraht 1 aus Molybdän mit einem Isoliermaterial 3 aus Aluminiumoxid und einem Überzug aus Molybdän, so ist die Verwendung einer Halterungsscheibe 9 aus Wolfram zweckmäßig.

Die Scheibe 9 kann aus dem gleichen Metall wie die Scheibe 8 bestehen und Öffnungen 10 zur Aufnahme der Anschlüsse des Heizgerätes aufweisen. Zwischen einer Oberfläche der Scheibe 9 und den Windungen 2 des erfindungsgemäßen Heizgerätes befindet sich eine Metallschicht 11, die sich zum Anlöten oder Anlegieren an die Scheibe 9 und das Überzugsmaterial 4 auf dem Heizgerät eignet. Die Schicht 11 kann beispielsweise aus einer Mischung aus pulverförmigem Nickel und Molybdän bestehen, die auf das Überzugsmetall 4 zur gleichen Zeit aufgebracht werden kann als die Metallschicht 5 zwischen die andere Oberfläche des Heizgerätes und der Kathode 8 gebracht wird. Anschließend wird die ganze Anordnung mit

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Wasserstoff bei einer geeigneten Temperatur, beispielsweise bei 135O°C angelötet und ergibt eine vollständige Einheit. Bei einer typischen Bauweise kann die Scheibe 9 beispielsweise eine sehr dünne Wolframscheibe mit einer Dicke in der ' Größenordnung von 0,01 Zoll sein. Es hat sich gezeigt, daß eine Wolframkathode 8, die die erfindungsgemäße Konstruktion des Heizgerätes verwendet, nach oft wiederholten Heiz- und Abkühlvorgängen flach bleibt. Eine derartige Struktur ist insbesondere für Mikrowellen-Elektronenröhren geeignet, bei denen ein sehr enger Zwischenraum zwischen der Kathodenstruktur und dem Netz der Entladungsvorrichtung verlangt wird. In einer typischen auf diese Weise hergestellten Kathodenstruktur besteht die Kathodenscheibe 8 aus einem porösen Wolframteil. Der Draht 1 ist ein Molybdändraht. Der Isolierüberzug 3 ist eine Mischung aus Bornitrid und Aluminiumoxid, und der Überzug 4 ist eine Schicht aus Molybdän, die durch Flammsprühen aufgebracht wird. Die gelöteten Metallschichten 5 und 11 bestehen aus einer Molybdän-Nickel-Legierung, die einen Schmelzpunkt von etwa 1315°C aufweist. Die Halterungsscheibe 9 besteht aus einer 0,25 mm (10 mil) dicken Wolframscheibe.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Heizgeräte wird die Halterungsscheibe 9 nur dann benötigt, wenn das Heizgerät und die Oberfläche 6, an die es angelötet wird, nicht ganz genau abgestimmte thermische Äusdehnungseigenschaften aufweisen. Die Verwendung einer Hal te rungs scheibe 9 hilft in solchen Fällen dazu, die Struktur und die Platte vollkommen flach zu halten, obwohl über einen weiten Temperaturbereich erhitzt wird.

Für die Herstellung des erfindungsgemäßen, me tall verkleideten isolierten Heizgerätes können zahlreiche Materialkombinationen Verwendung finden. Nachstehende Aufzählung enthält zahlreiche Materialkömtfinationen mit ähnlichen oder verträglichen thermischen Ausdehriungseigenschaf ten.

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Draht	Isolierung	Überzug	Lötmetall	geheiztes
(D	(3)	(4)	(5)(11)	Objekt
Molybdän	Aluminiumoxid	Molybdän	Molybdän- Nickel	(6) (8)
Molybdän	AIum in iumoxid+ Bornitrid	Molybdän	Molybdän- Nickel	Molybdän
Wolfram	Bornitrid	Vfo If ram	Molybdän- Nickel	Molybdän
Wolfram	Aluminiumoxid+ Bornitrid	Wolfram	Molybdän- Nickel	Wolfram
Molybdän	A1um in iumox id	Molybdän	Molybdän- Nickel'»⁴	Wolfram
Nickel	Aluminiumoxid+ Magnesiumoxid	Nickel	Molybdän- Nickel	Wolfram
Nickel

Halterungsplatte (9) aus Wolfram zweckmäßig

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß eine Isolierschicht 3 mit einem Zylinder eines Überzugsraetalles 4 so verbunden ist, daß sich die Isolierung nicht vom Draht lösen kann und auch nach wiederholten Heizvorgängen des Heizgerätes nicht versagt. Diese Bauweise macht deshalb eine Isoliermasse auf dem zu heizenden Gegenstand unnötig und gewährleistet ein rascheres Erhitzen ohne Biegung des geheizten Gegenstandes. Beim Betrieb einer solchen Struktur kann die Heizvorrichtung wiederholt auf Rotgluttemperaturen gebracht werden, ohne daß sich die Heizvorrichtung vom geheizten Gegenstand ablöst.

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Claims

Ansprüche

Elektrische Heizvorrichtung, gekennze ichnet d u r c h koplanare Windungen eines Heizdrahtes; Anschlüsse für diesen Draht, wobei das Metall des Drahtes aus der Gruppe Molybdän, Wolfram und Nickel gewählt ist; einen Überzug aus Isoliermaterial, der diesen Draht umgibt, wobei das Isoliermaterial aus der Gruppe Aluminiumoxid, einer Mischung aus Bornitrid und Aluminiumoxid, einer Mischung aus Bornitrid und Magnesiumoxid und einer Mischung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid gewählt ist; ein Metall, das den Isolierdraht umgibt, wobei das Metall des Überzuges aus der Gruppe Molybdän, Wolfram und Nickel gew/ählt ist; und einer Metallschicht, die mindestens an eine Seite des überzogenen Gitterdrahtes befestigt ist, wobei das Metall dieser Schicht aus Molybdän, Nickel oder einer Legierung aus Molybdän und Nickel besteht und der Draht, das Isoliermaterial, das Überzugsmetall und die Metallschicht gut zusammenpassende thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kathodenscheibe an die Metallschicht befestigt ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, d ad u r c h gek e η η ζ e lehne t , daß eine Metallschicht an beide Seiten des überzogenen Gitters und eine Halterungsscheibe mit der Metallschicht auf der der Kathodenscheibe gegenüberliegenden Seite befestigt ist.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet , daß der Heizdraht und der Überzug aus Molybdän, die Metallschicht aus einer Legierung aus Molybdän und Nickel und das Isoliermaterial aus Aluminiumoxid besteht.

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5. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, in der der Heizdraht und die Überzugsschicht aus Wolfram, die Metallschicht aus einer Legierung aus Molybdän und Nickel und das Isoliermaterial aus Bornitrid besteht.
6. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ichne t , daß der Heizdraht und der Überzug aus Nickel besteht, die Metallschicht eine Legierung aus Molybdän und Nickel und das Isoliermaterial eine Mischung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid ist.

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7. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -

kennze ichne t , daß sie einen zu erwärmenden metallischen Gegenstand befestigt enthält, wobei das Metall dieses Gegenstandes aus der Gruppe Molybdän, Wolfram und Nickel gewählt ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines mit geringer Masse isolierten flachen elektrischen Heizelementes, d a d u r c I gekennze ichne t , daß eine Schicht eines Heizdrahtes aus abständigen koplanaren Drahtwindungen hergestellt, auf dem Draht ein dünner Überzug aus Isoliermaterial abgeschieden, an den isolierten Draht ein

t dichter Metallüberzug befestigt und eine dünne Meta11-

schicht auf mindestens eine Seite der überzogenen Drahtschicht aufgebracht wird, wobei der Heizdraht, das Isoliermaterial, das Überzugsmetall und die Metallschicht gut übereinstimmende thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht, der Überzug und die Metallschicht aus Molybdän und das Isoliermaterial aus Aluminiumoxid besteht.

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10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge ken n ze i c h η e t , daß der Heizdraht und der Überzug aus Molybdän, die Metallschicht aus einer Legierung aus Molybdän und Nickel und das Isoliermaterial aus einer Mischung aus Aluminiumoxid und Bornitrid besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch, gekennzeichnet,, daß der Heizdraht und der Überzug aus Wolfram, die Metallschicht aus einer Legierung aus Molybdän und Nickel und das Isoliermaterial aus Bornitrid besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 8, da durch' "ge kennzeichnet, daß der Heizdraht und der Überzug aus Nickel, die Metallschicht aus einer Legierung aus Molybdän und Nickel und das Isoliermaterial aus einer Mischung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennz e i c h η e t , daß der Isolierüberzug auf den Heizdraht durch Flammspritzen aufgebracht wird, der metallische Überzug auf den isolierten Draht durch Flammspritzen aufgebracht wird, die Metallschicht auf den überzogenen Draht aufgebracht und die zusammengesetzte Heizvorrichtung an eine Metallscheibe angelötet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennz e lehne t , daß der Isolierüberzug auf den Heizdraht aufgespritzt wird, das Überzugsmaterial auf den isolierten Draht als Metalloxid aufgebracht und das Oxid durch Erhitzen des Heizelementes in einer reduzierenden Atmosphäre zum reinen Metall überführt wird.

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