DE2011215B2

DE2011215B2 - Elektrische Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2011215B2
Application number: DE2011215A
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: 1980-11-20
Also published as: DE2011215C3; US3581144A; JPS5034769B1; NL7002986A; DE2011215A1; GB1283143A; FR2040031A5

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mil koplanaren Windungen eines metallischen Hcizdrahtcs, Anschlüssen für diesen Draht, einem Überzug uns Isoliermaterial, wie aus Aluminiumoxid, b^r> der diesen Draht umgibt und einem Metall, das den Isolierdraht umgibt, sowie einem zu beheizenden, flachen Gegenstand.

Eine Heizvorrichtung der vorgenannten Art ist in der US-PS 31 17 249 beschrieben. Bei dieser bekannten Heizvorrichtung liegt das den Isolierdraht umgebende Metall in Form einer aus Metallpulver, vorzugsweise Nickel, gesinterten Matrix vor. Auf die außenliegende Oberfläche der gesinterten Matrix wird direkt ein Elektronen emittierendes Material aufgebracht

In der weiter entgegengehaltenen US-PS 32 21 203 ist nun in Spalte 1, Zeilen 20 bis 39, auf die Nachteile einer Einbettung in eine gesinterte Masse aus Metallpulver hingewiesen. So hat sich bei solchen Heizvorrichtungen gezeigt, daß sich eine teilweise Trennung des gesinterten Metallkörpers sowohl von der Innenwand der rohrförmigen Kathode als auch der Außenwand des Heizdrahtes ergibt, wodurch die Wärmeübertragung stark beeinträchtigt wird. Außerdem ist darauf hingewiesen, daß bei Vibrationen des Heizdrahtes gegenüber dem Sinterkörper ein Bruch in der Isolation des Heizdrahtes auftreten kann.

Diese Nachteile sollen nach der US-PS 32 21 203 dadurch überwunden werden, daß sowohl auf die Innenseite des Kathodenrohres als auch auf den Heizdraht relativ dünne Überzüge aus Nickelteilchen aufgesintert werden, die dann ihrerseits mit einem Körper aus gesinterten Nickelteilchen verbunden werden, der den Raum dazwischen ausfüllt

Es ist festzustellen, daß es sich hierbei nicht nur um eine recht komplizierte Heizvorrichtung handelt, da sowohl auf die innere Oberfläche des Kathodenrohres als auch auf den isolierten Heizdraht gesonderte dünne Schichten aus gesintertem Nickelpulver aufgebracht werden müssen, sondern daß diese Heizvorrichtung außerdem wegen der recht kompakten Ausführung der Füllung aus gesinterten Nickelteilchen keine kurze Ansprechzeit haben dürfte. Im übrigen ist der US-PS 32 21 203 nicht zu entnehmen, das auf die Problematik des Verbiegens des zu heizenden Gegenstandes hindeutet.

Der vorliegenden Erfindung lag zum Unterschied von den beiden vorgenannten US-PS die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizvorrichtung mit kleiner Masse zu schaffen, die mit geringem Wärmeabfall mit dem zu heizenden Gegenstand verbunden werden kann, wobei ein Verbiegen des zu heizenden Gegenstandes vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Heizvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Heizdraht aus Wolfram oder Molybdän besteht, das den Heizdraht umgebende Isoliermaterial außer Aluminiumoxid auch eine Mischung aus Bornitrid und Aluminiumoxid oder eine Mischung aus Bornitrid und Magnesiumoxid sein kann, daß das den Isolierdraht umgebende Metall als Überzug aufgebracht ist und daß dieses Metall Molybdän oder Wolfram ist und daß außerdem eine Metallschicht auf mindestens einer Seite des derart überzogenen Heizdrahtes vorhanden ist, wobei das Metall dieser Schicht Molybdän oder eine Legierung aus Molybdän und Nickel ist und Heizdraht, Isoliermaterial, Überzugsmetall und Metall der Metallschicht über einen weiten Temperaturbereich gut angepaßte thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen und der flache, zu beheizende Gegenstand aus Metall besteht, wobei auch die thermischen Ausdehnungscigenschaften des Metalles dieses Gegenstandes denen der anderen Materialien gut angepaßt sind.

Die kleine Masse der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung sorgt für eine kurze Aufheizzeil. Deshalb sine! vorteilhafte Anwendungen der Heizvorrichtung nach

der Erfindung die für eine beheizte Kathode und für elektrische Koch- und andere Haushaltsheizgeräte. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung finden sich in den Unteransprüchen. s

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Heizvorrichtung, wie sie dem Stand der Technik entspricht

Fig.2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der, ausgehend von der Heizvorrichtung nach der Fig. 1, eine dünne Schicht aus einem zusätzlichen Metall auf eine Oberfläche der Heizvorrichtung aufgebracht ist

F i g. 3 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung und

Fig.4 eine Kathode für eine Elektrone:;entladungsvorrichtung, die die erfindungsgemäße Heizvorrichtung enthält

,' Bei der Herstellung der Heizvorrichtung, die in F i g. 1

dargestellt ist, wird ein Heizdraht 1 zu einer Schicht aus

■^:'·' koplanaren Drahtwindungen 2 geformt Obwohl jede

gewünschte Drahtform verwendet werden kann, ist in der F i g. 1 die Schicht so gezeigt daß sie viele

Spiralwindungen 2 des Drahtes 1 aufweist. Nachdem

dem Draht die gewünschte Form gegeben wurde, wird

er mit einem Überzug aus Isoliermaterial 3 überzogen, so

[ Der Überzug kann mit Hilfe der herkömmlichen

Verfahren, wie z. B. des Flammspritzens, der Abschei-

.. dung aus der Dampfphase oder mittels Kataphorese

'■.;■ aufgebracht werden. Besonders geeignet ist die

Ausscheidung aus der Dampfphase, da sie auf dem Draht einen sehr dünnen undurchlässigen Überzug ■^rT ergibt, der eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist.

i.;_: 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

j;. Hilfe des Flammspritzens, des Aufsprühens oder durch

' irgendein anderes geeignetes Ausscheidungsverfahren

ί, aufgebracht werden. Wahlweise kann das Material in

^ Form des Metalloxides aufgebracht und später durch

^j 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 (vergl. Fi g. 2) überzogen und an den zu

}'■: heizenden flachen Gegenstand 6 angelötet oder >c>

anlegiert. Wie Fig.2 zeigt, besteht der zu heizende [': Gegenstand aus einer flachen Metallplatte 6. Nachdem

die mit Metall 4 überzogenen Windungen und das Pulver 5 auf die Platte 6 gebracht wurden, erhitzt man die erhaltene Struktur, so daß die Schicht 2 aus >^r> Heizdraht 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 (Teile I₁ 3 und 4) angebracht werden. wi

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besteht der Draht I aus Wolfram oder Molybdän. Es hat sich gezeigt, daß sich Molybdän besonders für die Herstellung einer Katlioclenstruktur für eine Elektroneniintladungsvorrichtung eignet, da es i<; duktil ist und leit'h· zu einer Schicht koplanarer Windungen geformt Werden kann. Das Material ties Isolierüber/uges 3 Wi¹¹J so gewählt, daß seine Ihermischen Ausdehnungseigenschalten 211 denen des Heizdrahtes 1 passen. Geeignete Isoliermaterialien sind außer Aluminiumoxid eine Mischung aus Bornitrid und Aluminiumoxid und eine Mischung aus Magnesiumoxid und Bornitrid. 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 Metallüberzugs 4 wird gleichfalls so ausgewählt, daß seine thermischen Ausdehnungseigenschaften sowohl zu denen des Drahtes 1 als auch denen des Isoliermaterials 2 passen. Geeignete Metalle zur Herstellung eines solchen Überzuges sind Molybdän oder Wolfram. Das Überziehen kann gleichfalls mit Hilfe geeigneter Verfahren, wie durch Flammspritzen, Abscheiden aus der Dampfhase oder durch Kataphorese erfolgen. Es können Wolfram- oder Molybdänoxide für den Überzug 4 verwendet und anschließend durch Erhitzen unter reduzierender Atmosphäre in das reine Metall überführt werden. Das Pulver 5 kann aus Molybdän oder einer Legierung aus pulverförmiger!! Molybdän ui.d Nickel bestehen, was von den Metallen des Überzugs 4 und der Platte 6 abhängt, wobei die Lötoder Anlegierungstemperaturen entsprechend gewählt werden. Beispielsweise kann mit einer Legierung aus Molybdän und Nickel ein Heizgerät das einen Überzug 4 aus Wolfram oder Molybdän aufweist, an eine Scheibe oder Platte 6 aus Wolfram, Molybdän oder Nickel mit Wasserstoff bei 1350° C angelötet werden.

F i g. 3 zeigt eine ebene Anordnung, in welcher die Schicht 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 gebunden werden kann, wobei geeignete Anschlüsse (nicht gezeigt) mit den nicht überzogenen Drahtenden 1 verbunden sind.

F i g. 4 zeigt die erfindungsgemäße Heizvorrichtung, die in Verbindung mit einer Kathode für eine Elektronenentladungsvorrichtung verwendet wird. Die Kathode 8 besteht aus einer Wolframscheibe, welche Querschlitze 13 aufweist und auf die in der US-PS 33 34 263 beschriebene Weise ausgebildet ist. Bei der Bauweise der Fig.4 wird gleichfalls eine Halterungsscheibe 9 verwendet, die in einigen Fällen zweckmäßig sein kann, um die Kathode flach zu halten und zusätzlich zur Verhinderung des Verbiegens beitragen kann. Die Verwendung einer Halterungsscheibe 9 ist besonders dann zweckmäßig, wenn Heizvorrichtung und Kathode 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 4 aus Molybdän, so ist die Verwendung einer Halterungsscheibe 9 aus Wolfram zweckmäßig.

Die Scheibe 9 kann aus dem gleichen Metall wie die Kathode 8 bestehen und Öffnungen 10 zur Aufnahme der Anschlüsse der Heizvorrichtung aufweisen. Zwischen einer Oberfläche der Scheibe 9 und ilen Windungen 2 der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung befindet sich eine weitere Metallschicht 11, die sich /um Anlöten oder Anlegieren an die Scheibe 9 und ilas Überzugsnietall 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, wie die Metallschicht 5 zwischen der anderen Oberfläche des Heizgerätes und der Kathode 8. Anschließend wird die ganze Anordnung mit Wasserstoff bei einer geeigneten Temperatur, beispielsweise bei 1350° C angelötet und ergibt eine vollständige Einheit Bei einer typischen Bauweise kann die Scheibe 9 beispielsweise eine sehr dünne Wolframscheibe mit ι ο einer Dicke in der Größenordnung von 0,25 mm sein. Es hat sich gezeigt, daß eine Wolframkathode 8, die die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 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 Flammspritzen 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 dicken Wolframscheibe.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung wird die Halterungsscheibe 9 nur dann benötigt, wenn das Heizgerät (Teile I₁ 3 und 4) und Gegenstand 6, an den es angelötet wird, nicht ganz genau abgestimmte thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen. Die Verwendung einer Halterungsscheibe 9 hilft in solchen Fällen dazu, die Struktur und die Platte vollkommen flach zu halten, obwohl über einen weiten Temperaturbereich erhitzt wird.

In der folgenden Zusammenstellung finden sich einige vorteilhafte Materialkombinationen für die erfindungsgemäße Heizvorrichtung:

Heizdraht	Isoliermaterial	Metall	Metallschicht	Zu heizender
				Gegenstand
(D	(3)	(4)	(5) (11)	(6) (8)
Molybdän	Aluminiumoxid	Molybdän	Molybdän-Nickel	Molybdän
Molybdän	Aluminiumoxid +	Molybdän	Molybdän-Nickel	Molybdän
	Bornitrid
Wolfram	Aluminiumoxid +	Wolfram	Molybdän-Nickel	Wolfram
	Bornitrid
Molybdän	Aluminiumoxid	Molybdän	Molybdän-	Wolfram
			Nickel)

⁺) Halterun»splatte (9) aus Wolfram zweckmäßig.

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

versagt Diese Bauweise macht deshalb eine Isoliermas- 45 die Heizvorrichtung vom geheizten Gegenstand ablöst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizvorrichtung mit koplanaren Windungen eines metallischen Heizdrahtes, Anschlössen für diesen Draht, einem Oberzug aus Isoliermaterial, wie aus Aluminiumoxid, der diesen Draht umgibt und einem Metall, das den Isolierdraht umgibt, sowie einem zu beheizenden, flachen Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (1) aus Wolfram oder Molybdän besteht, das Isoliermaterial (3) außer Aluminiumoxid auch eine Mischung aus Bornitrid und Aluminiumoxid oder eine Mischung aus Bornitrid und Magnesiumoxid sein kann, daß das den Isolierdraht umgebende Metall als Oberzug (4) aufgebracht ist und dieses Metall Molybdän oder Wolfram ist und daß außerdem eine Metallschicht (5) auf mindestens euer Seite des überzogenen Heizdrahtes vorhanden ist, wobei das Metall dieser Schicht Molybdän oder eine Legierung aus Molybdän und Nicke] ist und Heizdraht, Isoliermaterial, Überzugsmetall und das Metall der Metallschicht über einen weiten Temperaturbereich gut angepaßte thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen und der flache, zu beheizende Gegenstand aus Metall besteht (6, 8), wobei auch die thermischen Ausdehnungseigenschaften des Metalles dieses Gegenstandes denen der anderen Materialien gut angepaßt sind.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu heizende flache Gegenstand eine Kathodenscheibe (8) ist

3. Heizvorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des zu heizenden flachen Gegenstandes (6, 8) aus der Gruppe Molybdän, Wolfram und Nickel ausgewählt ist.

4. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüberzug (3) auf dem Heizdraht (1) abgeschieden ist.

5. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüberzug (3) auf dem Heizdraht (I) durch Flammspritzen und der metallische Überzug (4) auf 4^r> den isolierten Draht durch Flammspritzen aufge bracht ist und daß der zu heizende, flache Gegenstand (6, 8) die Form einer Metallscheibe hat und mit der Metallschicht (5) an dem metallischen Überzug (4) angelötet ist.

6. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüberzug (3) auf den Heizdraht (1) aufgespritzt ist und das den isolierten Draht umgebende Metall (4) als Metalloxid aufgebracht und das Oxid durch ^r,^r» Erhitzen der Heizvorrichtung in einer reduzierten Atmosphäre in das Metall überführt ist.