DE2055927A1 - Poröser, elektrisch leitender Gegenstand, insbesondere elektrisches Heizelement - Google Patents
Poröser, elektrisch leitender Gegenstand, insbesondere elektrisches HeizelementInfo
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Description
elektrisches Heiselement
Die Erfindung bezieht sich auf einen porösen, elektrisch leitenden
Gegenstand, insbesondere ein elektrisches Heizelement zum raschen Erhitzen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder
Aerosolen, der aus einer Vielzahl von länglichen, miteinander verfilzten Teilchen besteht, die an ihren Berührungsstellen
metallisch miteinander verbunden sind.
Bei einem bekannten Heizelement dieser Art bestehen diese Teilchen aus Haaren, Nadeln, Stäbchen oder Nhiskern mit einem
Durchmesser unter 10 Aim oder aus blättchenförmigen Teilchen
mit einer Dicke unter 1 um. Diese Teilchen können metallisch sein oder aus einem durch eine Metallumhüllung elektrisch leitend
gemachten fadenförmigen Nichtleiter wie Aluminiumoxid, Quarz, Glas oder einem organischen Kunststoff bestehen. Vori
besonderer Bedeutung ist es sehr oft, daß das ausgewählte Material eine hohe Warmfestigkeit aufweist, also auch bei Temperaturen
um 10000C keine wesentliche Festigkeitselnbuße erleidet.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist es weiter bei der Herstellung solcher filzartiger Heizelemente von Bedeutung,
daß der fadenförmige Nichtleiter rationell und ohne großen Kostenaufwand mit einer leitenden Metallhülle versehen werden
kann. Ferner hat es sich gezeigt, daß ein gleichmäßiger Fadenquerschnitt wesentlich für eine homogene Erwärmung des zu erhitzenden
Mediums ist. Schließlich soll auch das zu metallisierende Ausgangsmaterial möglichst billig sein.
Die vorstehend erwähnten metallisierten haar-, fadenförmigen oder blättchenartlgen Teilchen erfüllen diese Forderungen-nur
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■· P ""
sum Teil. Nichtmetallische Whisker aus Aluminiumoxid mit an sich hoher Warmfestigkeit sind für die industrielle Anwendung
in fiisartigen Heieelementen noch su teuer (200.- DM pro Gramm).
Sie haben «war ein sehr großea Verhältnis von Länge su Durchmesser
in der Größenordnung von etwa 10 000 : i und darüber, jedoch bedeutet dies bei einem Durchmesser von 1 Mikron lediglich
eine Länge von etwa 10 mm, wodurch die rationelle Herstellung von einer Metallumhüllung erschwert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen porösen, elektrisch
leitenden Gegenstand der eingangs genannten Art zu schaffen, der billig herstellbar ist und sich durch eine hohe
Warmfestigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Teilchen, aus denen der Gegenstand besteht, von gegebenenfalls graphitίarten Kohlefäden gebildet sind, auf deren Oberfläche
durch thermische Zersetzung einer Metallverbindung ein Metall aus der Gasphase abgeschieden ist.
Kohlefäden werden bekanntlich dadurch hergestellt, daß natürliohe
oder synthetische Fäden, die aus einer Kohlenstoffverbindung bestehen, wie Baumwollfäden oder Polyacrylnitrilfäden,
bei relativ niedrigen Temperaturen verkohlt werden. Für erhöhte Beanspruchungen können diese Kohlefäden bei etwa 25OO°C in
kristallinen Graphit umgewandelt werden. Diese Kohlefäden werden als graphitierte Kohlefäden bezeichnet. Kohlefäden haben
•ine hohe Warmfestigkeit bis etwa 30000C, eine hohe spezifische
Festigkeit und ein geringes spezifisches Gewloht und sie fallen als Garn in beliebiger Länge an, da das Ausgangsprodukt,
z.B. Polyacrylnitrilfäden oder Baumwollfäden,als Faden endlos bzw. verzwirnt hergestellt werden kann. Dadurch besteht
dl· Möglichkeit, die Kohlefäden in einem Durchlaufverfahren
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mit hoher Geschwindigkeit (einige m/seo) su metallisieren,
und zwar einsein, oder was wirtschaftlicher ist, in einem Strang aus mehreren tausend Einseifäden, der nach dem Metallisieren
auf die gewünschte Lunge zerschnitten wird, worauf die dadurch entstehende metallisierte Stapelfaser verfilzt
wird und die Einzelfäden an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbunden werden. Polyacrylnitrilfäden
werden aus einer Ziehdüse heraus erzeugt und haben daher einen absolut gleichbleibenden Fadenquerschnitt. Entsprechend
haben auch die aus diesen Fäden durch Verkohlen gewonnenen Kohlefaden einen gleichbleibenden Querschnitt. Kohlefäden
sind in der Herstellung billiger als warmfeste Nichtmetallwhisker, haben eine noch höhere Warmfestigkeit als diese und
ein geringeres spezifisches Gewicht und sie können als Endlosfäden hergestellt und damit in der vorher beschriebenen
Veise auf rationelle Art elektrisch leitend.gemacht werden.
Zur Beschichtung der Kohlefäden wird vorzugsweise ein Carbonyl
der Netalle Chrom, Nickel, Wolfram, Molybdän oder ein Gemisch
solcher Carbonyle verwendet. Metallcarbonyle haben bekanntlich die Eigenschaft, daß sie sich bei einer bestimmten
Temperatur in Metall und Kohlendioxid zersetzen, wobei die Metalle sich aus atomarem Zustand feinkristallin auf der
Oberfläche der Kohlefäden niederschlagen und so eine festhaftende,
zusammenhängende Hülle bilden, die mit den Hüllen benachbarter Kohlefäden elektrisch leitend verbunden werden
kann· Diese Verbindung kann durch Sintern, durch zusätzliches Abscheiden von Metall aus der Gasphase bis zur metallischen
Verkittung an den Berührungspunkten der einzelnen metallumhüllten Kohlefäden, durch Hochfrequenz-Induktionserhitzung
bis zum Verschweißen der einzelnen Fäden, durch Elektronenstrahlschweißen, durch Ultraschallschweißen, durch Laserstrahlerhitzung
und andere bekannte Maßnahmen erfolgen·
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Für extreme Bedingungen, beispielsweise sum Erhitzen von reaktiven
Flüssigkeiten, kann eine Reaktion der Metallhülle mit
des Material des Kohlefadens herbeigeführt werden. Wird e,B„
ein Kohlefaden mit Wolfram beschichtet und wird dieser beschichtete Faden auf über 1OOO°C erhitzt, so bildet sich duroh
eine bekannte Reaktion des Wolframs mit der Kohle Wolframcarbid,
das sich bekanntlich durch eine außerordentliche Härte und chemische Beständigkeit auszeichnet.
Einige Verfahrensbeispiele zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Gegenstandes werden nun im folgenden beschrieben.
Kohlefäden mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikron
werden zu einem endlosen Garn verzwirnt oder versponnen und duroh bekannte Maßnahmen, beispielsweise durch Hochfrequenz,
auf die ZeraetZungetemperatur von Nickelearbonyl erhitzt, die
«wischen 100 und l60°C liegt. Anschließend werden die erhitzten Fäden durch einen abgeschlossenen Raum geführt, in den ein
Gemisch aus 9OJS Argon und 10? Nickelcarbonyldampf eingeleitet wird. Das Nickelearbonyl zersetzt sich an den erhitzten Fäden
in Nickel und CO, wobei um jeden einseinen Faden eine kohärente
Hülle aus Nickel gebildet wird. Die Dicke der Beschichtung ist abhängig von der Verweilseit der Fäden im Reaktionsraum,
d.h. von der Dureheugsgecchwindigkeit. Sie beträgt beispielsweise
0,1 bis 0,5 Mikron. Die auf diese Weise metallbeschiohteten Fäden sind noch ohne Zusammenhang und werden nun in
Stapelfasern zerschnitten, die auf bekannte Weise, s.B. mit einem Windsichtverfahren, in die Form eines losen Haufwerkes
gebracht werden. Dieses lose Haufwerk wird nun in den in der Zeichnung dargestellten Zylinder 1 zwischen zwei aufeinander
su bewegbare Kolben 2 und 3 gebracht. Die Kolben 2 und 3 begrenzen auf ihren voneinander abgewandten Seiten die ZyHn-
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derräume 4 und 5· In den Zylinderraum 5 mündet eine Zuflußleitung
6 für ein Gemisch aus Nickelcarbony!dampf und einem
inerten Gas und von dem Zylinderraum 4 geht eine Auslaßleitung 7 für die unsereetsten Reatgaee sowie für das bei de?
Zersetzung des Nickelcarbonyle anfallende CO aus. Die Kolben 2 und 3 haben Kanäle 8, sind an ihren einander zugewandten
Stirnflächen elektrisch leitend und können an eine Stromquelle angeschlossen werden. Nach dem Einbringen des Haufwerks
zwischen die Kolben 2 und 3 werden die beiden Kolben gegeneinander bewegt, bis die gewünschte Porosität erreicht ist* Dann
werden die Kolben 2 und 3 an die Stromquelle angeschlossen und das Haufwerk wird durch direkten Stromdurchgang auf die
Zersetzungetenperatur des verweniefcen Carbonyls erhitzt. Nun
wird durch die Zuflußleitung 6 ein Gemisch aus 9OJS Argon und
iOj NickeüLcarbonyldanpf in den Zylinderraum 5 und durch die
Kanäle 8 im Kolben 3 durch das Haufwerk 10 geleitet, wo sich
das Nickelcarbonyl zersetzt und ^iskelatome auf den metal!umhüllten
Fäden und an den Berührungsetellen der Fäden abgeschieden werden, wodurch eine elektrisch gut leitende Verbindung
zwischen den Fäden hergestellt wird. Diese zweite Beschichtung kann eine Dicke von 0,1 bis 2 Mikron haben. Wissentlich ist bei
diesem Vorgang, daß der durch din» Kolben 2 und 3 auf das Haufwerk
10 ausgeübte Druck während der nachfolgenden Metallisierung erhalten bleibt, da die metallisierten Kohlefäden aufgrund
ihres hohen Elastizitätsmoduls sonst bestrebt sind, sich wieder voneinander zu entfernen.
Kohlefäden werden in der vorher beschriebenen Weise mit einer
Nickelumhüllung von 1 bis 2 Mikron Dicke versehen. Dann werden die endlosen Fäden auf Längen von etwa 1 om zerschnitten
und diese Stapelfasern werden In die Form eines losen Haufwerks
gebracht, indem sie in eine Form geschüttet werden oder
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BAD ORIGINAL
Indem man sie aus einer Flüssigkeit absetzen läßt. Nun «erden
die einzelnen Faserstückohen einander bis sum Erreichen der
gewünschten Porosität genähert und dann durch Erhitzen auf
ca. 600 ** 100O0C über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten miteinander
verbacken. Es ist ersichtlich, daß bei diesem zweiten Verfahren die Dicke der Metallbeschichtung der endlosen
Kohlefaden dioker ist als bei dem ersten Beispiel, da bei der nachfolgenden Verbindung der Einseifäden durch einen Sintervorgang
im Gegensatz zu dem ersten Beispiel keine nochmalige Metallabacheidung auf den Fäden stattfindet.
Der erfindungsgemäße Qegenstand ist vorzugsweise als elektrisches Heizelement für das rasche Erhitzen von Gasdämpfen,
Aerosolen und Flüssigkeiten geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Heizelement können beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoff«}
in Bruchteilen von Sekunden in Dampfform umgewandelt
werden oder es kann ein heißer Gasstrahl, z.B. aus Argon, mit einer Temperatur von beispielsweise 13000C erzeugt werden,
der zum Hartloten, Schweißen oder Brennschweißen verwendet
werden kann. Obgleich der erfindungsgemäße Qegenstand vornehmlich für Anwendungszwecke bestimmt und geeignet ist, bei denen
sehr hohe Anforderungen an die Warmfestigkeit bestehen, ist er auch als Heiß- oder Kaltelektrode für elektrochemische
Verfahren, Brennstoffzellen oder Sammler geeignet. Hierbei ist das geringe spezifieohe Gewicht von besonderer Bedeutung.
- Patentansprüche -
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Claims (1)
- PatentansprücheBSSS3SSSg533S3SKSSS8S8SSSSgX./Poröser, elektrisch leitender Gegenstand, insbesondere St~-^ elektrisches Heiselement sum raschen Erhitzen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder Aerosolen, bestehend aus einer Vielsahl von länglichen, miteinander verfileten Teilchen, die an ihren BeruhrungsateIlen metallisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Teilchen aus gegebenenfalls graphitierten Kohlefaden bestehen, auf deren Oberfläche durch thermische Zersetzung einer Netallverbindung ein Metall aus der Oasphase abgeschieden ist.2. Poröser, elektrisch leitender Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung ein Carbonyl eines der Metalle Chrom, Nickel, Wolfram, Molybdän oder ein Gemisch von Carbonylen dieser Metall® ist.3« Verfahren zur Herstellung eines porösen, elektrisch leitenden Gegenstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkohlen von natürlichen oder künstlichen Fäden, die aus einer Kohlenstoffverbindung bestehen, Kohlefäden gewonnen und diese in einem Durchlaufverfahren auf die Zersetzungstemperatur eines Metallcarbonyle erhitzt, dann einer Metallcarbonyldampf enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt werden, bis ihre Oberflächen mit einer Metallschicht gewünschter Dicke versehen sind, darauf die metallisierten Kohlefäden zu Stapelfasern zerschnitten, in die Form eines losen Haufwerkes gebracht, auf die gewünschte Porosität komprimiert und an ihren Berührungsetellen metallisch miteinander verbunden werden.209830/0824ft. Verfahren nach Anspruch 3P dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der metallumhüllten Kohlefäden miteinander durch nochmaliges Erhitzen des komprimierten Haufwerkes und Zuführen eines Metallcarbonyldampfea unter Aufrechterhaltung des Komprimierdruokes erfolgt, wobei eine Abscheidung von Metall auf den Fäden und an den Berührungestellen der Fäden stattfindet und dieser Vorgang solange durchgeführt bew. so oft wiederholt wird, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennseichnet, daß die Kohlefäden nach der Metallbeschichtung auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der eine chemische Reaktion zwischen dem Netall der Umhüllung und der Kohle eintritt.209830/0824
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