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Keramisches Heizelement Die Erfindung betrifft ein neues Heizelement,
beiFdem eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung aus einer einen Widerstand aufweisenden,
jedoch leitenden Metallpaste hermetisch in einem Körper aus einer gebrannten keramischen
Platte oder einem gebrannten keramischen Blatt eingeschlossen ist.
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Der Körper ist in der Weise hergestellt worden, daß keramische Materialien,
welche darin die Widerstandanordnung enthalten, gesintert werden. Die Erfindung
betrifft insbesondere ein Heizelement, bei dem die gewünschte wärmeerzeugende Widerstands
anordnung in einem dicken Film auf einem gebrannten keramischen Substrat oder einem
"grünen" oder ungehärteten oder rohen Plattensubstrat durch ein bekanntes Druckverfahren
gebildet worden ist und bei dem eine keramische Uberzugsschicht auf dem Substrat'in
dünneren Schichten als das gebrannte keramische Substrat oder das ungehärtete Plattensubstrat
durch ein herkömmliches Beschichtungsverfahren, zum Beispiel durch ein Seidensiebdruckverfahren,
ein Tauch- oder Sprühbeschichtungsverfahren
gebildet und aufgesintert
worden ist.
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Es sind schon verschiedene Arten von Heizelementen bekannt.
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Eine einfachste und sehr beliebte Vorrichtung ist mit einem Nickelchrom-Draht
auf einem isolierenden Körper versehen.
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Ein solches mit einem Nickelchromdraht versehenes Heizelement hat
jedoch einen ziemlich hohen elektrischen Stromverbrauch und, weil der Nickelchromdraht
der Luft ausgesetzt ist, ist das Erhitzen des Drahts immer mit einer gewissen Oxidation
verbunden. Diese Erscheinung bewirkt schon in relativ kurzer Zeit, daß die Vorrichtung
unbrauchbar wird. Dazu kommt noch, daß bei bestimmten Bedingungen der Anwendungsumgebung
der Nickelchromdraht einer chemischen Erosion unterworfen ist, wodurch ebenfalls
die Lebensdauer vermindert wird. Andererseits haben Heizelemente mit einem Nickelchromdraht
als wärmeerzeugendesMedium den Vorteil, daß sie billig hergestellt werden können
und daß die hierdurch erzeugte Wärmemenge groß genug ist. Jedoch ist die Verwendung
dieser Heizelemente mit Störungen wie zum Beispiel einem Brechen, einer Oxidation
und dergleichen verbunden, wodurch die Vorteile der niedrigen Herstellungskosten
wieder aufgewogen werden.
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Bei einem weiteren Heizelement wird ein leitendes Harz als wärmeerzeugendes
Medium verwendet, in dem die Wärme sich ausbreitet. Jedoch ist die bei solchen Heizelementen
erhaltene Wärmemenge aufgrund des relativ niedrigen Wårmewiderstands des Harzes
geringer, wodurch die Anwendbarkeit solcher Vorrichtungen begrenzt wird. Diese Arten
von Heizelementen sind auch aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten in ihrer Anwendbarkeit
begrenzt.
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In der JA-OS 47947/1974 wird ein Heizelement vorgeschlagen, bei dem
eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung, die durch
ein Druckverfahren
als dicker Film gebildet worden ist, zwischen oberen und unteren keramischen Schichten
eingesetzt worden ist. Hierdurch ist es schon gelungen, einige Nachteile der bekannten
Heizelemente zu eliminieren. Jedoch hat bei dieser Vorrichtung die Tatsache, daß
als Ausgangsmaterial in der keramischen Schicht direkt oberhalb der wärmeeerzeugenden
Widerstands anordnung eine ungehärtete Platte verwendet wird, die Bildung der keramischen
Schicht in dünnen Schichten erschwert, was dazu geführt hat, daß die keramische
Schicht mit einer Dicke von 250 bis 500/u hergestellt werden mußte. Hierdurch wurde
aber die Wärmeabstrahlung von der wärmeerzeugenden Widerstandsanordnung auf einen
bestimmten Wert begrenzt. Weiterhin ist die Stufe der Zusammenschichtung der oberen
und unteren Rohplatten, insbesondere in dem Fall, daß in den Platten eine Durchgangsloch-Verbindungseinrichtung
gebildet wird, die zu einem Leiterteil wird, schwierig und es erfordert eine hohe
Geschicklichkeit, die Verbindungseinrichtung an Ort und Stelle in Ausrichtung zu
bringen und sie zu laminieren. Die Tatsache, daß eine zwangsweise Bildung der oberen
und unteren Platten in dünnen Schichten nicht nur die Gefahr von Rissen und Deformationen
bei der Handhabung während der Herstellung sondern auch die Schwierigkeit der homogenen
Bildung von laminierten isolierenden Schichten über der gesamten Oberfläche mit
sich bringt, führt notwendigerweise zu der Bildung einer dicken Schicht. Ferner
besteht, selbst wenn in den oberen und unteren Platten ein keramisches Material
mit identischen oder nahezu gleichen thermischen Expansionskoeffizienten verwendet
wird, immer noch die Gefahr einer Rißbildung in einer der Platten durch eine auf
das Brennen zurückzuführende Wärmekontraktion.
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Angesichts der oben beschriebenen Nachteile wird bei der Erfindung
ein sogenanntes Beschichtungsverfahren, zum Beispiel das Seidensiebdruckverfahren,
das Tauchverfahren oder das Spriihbeschichtungsverfahren,verwendet, wodurch nicht
nur eine Verbesserung der Wärmeabstrahlung durch Bildung der keramischen Schicht
in den dünnsten Schichten auf der wärmeerzeugenden Widerstandsanordnung, die möglich
sind, verbessert wird, sondern auch die Produktionskosten vermindert werden, indem
man auf die Laminierungsstufe verzichten kann, die erhebliche Geschicklichkeit erfordert.
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Weiterhin wird hierdurch verhindert, daß die keramische Schicht sich
von der Widerstandsanordnung abtrennt und daß aufgrund der Mrårmekontraktion Risse
gebildet werden.
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Damit in Kombination hat die Erfindung den Vorteil, daß, weil die
keramische Uberzugsschicht über der'warmeerzeugenden Widerstandsanordnung als dünner
Film gebildet worden ist, nicht nur eine rohe Platte sondern auch ein gebranntes
Substrat verwendet werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es wird hierbei eine Ausführungsform der Erfindung, nämlich ein Heizelement, beschrieben,
bei dem die keramische überzugsschicht aus dem gleichen keramischen Material wie
in dem keramischen Substrat oder eine rohe Platte auf dem keramischen Substrat gebildet
wird oder bei dem die keramische Beschichtungsschicht aus einem keramischen Material
mit unterschiedlichen Eigenschaften als das Substrat oder die Platte auf dem Substrat
oder der Platte gebildet wird.
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Im einzelnen zeigen die Figuren folgendes: Fig. 1 eine perspektivische
Ansicht eines keramischen Heizelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
bei dem
das Substrat und die Uberzugsschicht gesondert vor dem Zusammensintern
in einen Körper dargestellt sind; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Heizelements,
welches aus der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration in einen Körper zusammengebrannt
oder zusammengesintert worden ist; Fig. 3 einen entlang der Linie III-III der Fig.
2 aufgenommenen Querschnitt; und Fig. 4 Temperaturverlaufskurven eines erfindungsgemäßen
Heizelements, bei dem verschiedene keramische Materialien verwendet werden.
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In Fig. 1 ist ein keramisches Heizelement gemäß der Erfindung dargestellt.
Das Heizelement enthält einen Körper 12 aus einer gebrannten Platte eines wärmebeständigen
keramischen Stoffes, eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung 3 für die Bildung
von Joule'scher Wärme mit ersten und zweiten Enden, ein Paar frei darliegende Anschlüsse
4 und 5, die an die Widerstandsanordnung 3 an deren ersten und zweiten Enden angeschlossen
ist, und gegebenenfalls ein Paar von Stromleitungen 7, 7, die mit den Anschlüssen
4 und 5 verbunden sind, um der Anordnung 3 Wechselstrom oder Gleichstrom zuzuführen.
In den Fig. 1 bis 4 ist insbesondere dargestellt, daß die gebrannte Platte 12 ein
keramisches Substrat 2 und eine keramische Uberzugsschicht 1 enthält, wobei die
erstere Komponente aus einer keramischen grünen oder ungehärteten und ungesinterten
Platte und die letztere Komponente aus einer wärmebeständigen keramischen rohen
ttberzugsschicht besteht und wobei beide zu einem gleichförmigen Körper 12 zusammengesintert
worden sind.
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Die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung 3 ist in Form eines dicken
Films durch ein bekanntes Druckverfahren auf dem keramischen Substrat 2 gebildet
worden. So ist zum Beispiel die Anordnung 3 auf dem Substrat 2 durch ein herkömmliches
Beschichtungsverfahren,
zum Beispiel durch das Seidensiebdruckverfahren, durch Tauch- oder Sprühbeschichten,
aufgedruckt worden.
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Die Anordnung ist sodann hermetisch innerhalb des Körpers 12 eingeschlossen
worden, so daß sie zwischen das keramische Substrat 2 und die keramische Beschichtungsschicht
1 eingelegt worden ist. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlüsse
4 und 5 auf einer abgestuften und freigelegten Gegend 6 vorgesehen, die zwischen
dem Substrat 2 und angrenzend an die Überzugsschicht 1 angeordnet ist. Die Leitungen
7,7 sind an die Anschlüsse 4 und 5 durch Löten oder durch Verbinden angeschlossen,
so daß eine elektrische Verbindung gewährleistet wird. Eine grüne Platte des wärmebeständigen
keramischen Stoffes wird vorzugsweise für das Substrat 2 verwendet. Die grüne Platte
stellt ein Gemisch aus einem wärmebeständigen keramischen Rohmaterial wie Aluminiumoxid
(Al203) und Berylliumoxid (BeO), einem Kornwachstums-Kontrollmittel wie MgO, einem
Sinterungsbeschleuniger wie CaO, SiO2 etc., einem organischen Bindemittel wie Polyvinylalkohol,
einem Harz der Acrylsäurereihe und einem Flußmittel wie Toluol, Wasser etc., dar.
Dieses Gemisch wird sodann in einem Mischer unter Kontrolle der Viskosität aufgeschlämmt.
Die Aufschlämmung wird in ein Band in der Form einer grünen oder ungehärteten Platte
mit der gewünschten Dicke verformt. Die keramische rohe Überzugsschicht 1 wird in
einer solchen Weise gebildet, daß die Aufschlämmung oder die Paste mit der gleichen
Zusammensetzung wie oben, deren Viskosität jedoch kontrolliert ist, daß sie für
einen Beschichtungsprozeß verwendet werden kann und auf das keramische Substrat
als dünner Film durch das Seidensiebdruckverfahren, den Sprüh- oder Tauchprozeß
nach dem Anbringen der wärmeerzeugenden Widerstandsanordnung 3 aufgebracht werden
kann. Die auf diese Weise durch den Beschichtungsprozeß behandelte Überzugsschicht
1 kann
eine extrem geringe Dicke in der Gegend von 40 bis 701u haben,
wodurch in vorteilhafter Weise eine hohe Wärmeabstrahlung von der Schicht 1 erhalten
wird.
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Als Materialien für das keramische Substrat 2 und die keramische
Überzugs schicht 1 können erfindungsgemäß die gleichen keramischen Materialien verwendet
werden.
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Es können auch unterschiedliche wärmebeständige keramische Materialien
verwendet werden, solange sowohl das Substrat 2 und die überzugsschicht 1 den gleichen
oder eng ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und Sinterungsbedingungen
(Temperatur und Atmosphäre) haben. Der Grund hierfür ist, daß solange unterschiedliche
keramische Stoffe in einem Körper bei dem gleichen Brennprozeß zusammen gesintert
werden können, es verhindert wird, daß in den gebrannten keramischen Materialien
schädliche Hitzerisse gebildet werden.
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Beispiele für Kombinationen von unterschiedlichen keramischen Materialien,
wie sie oben genannt wurden, sind Aluminiumoxidkeramiken-Berylliumoxidkeramiken,
Kordieritkeramiken-Zirkonkeramiken, Kordieritkeramiken-Mullitkeramiken oder Kordieritkeramiken-Celsian-Keramiken
oder Zirkonkeramiken-Mullitkeramiken. Die unterschiedlichen Keramik ken können'sich
ferner hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden, wobei die Keramik mit
der besseren Wärme leitfähigkeit zur Herstellung der Überzugsschicht geeignet ist,
für die mehr Wärmeabstrahlung gewünscht wird, und die andere Keramik mit der geringeren
Wärmeleitfähigkeit für das Substrat geeignet ist, für das eine geringere Wärmeabstrahlung
erwartet wird, so daß eine relativ heiße Seite und eine relativ kohle Seite gebildet
wird.
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Das für die Herstellung der wärmeerzeugenden Widerstandsanordnung
3 vorgesehene Material sollte unter Bezugnahme auf die Sinterungsbedingungen der
oben genannten keramischen Materialien und hinsichtlich der Verwendung des Materials
als Heizelement ausgewählt werden. Im allgemeinen wird eine metallhaltige Masse
mit hohem Widerstand, die aber leitend ist, verwendet. Bevorzugte Metalle sind Wolfram
(W), Molybdän (Mo) und Legierungen aus Molybdän und Mangan (Mo-Mn), Platin (Pt)
und Gemische davon. Die zur Herstellung der Anordnung 3 verwendete Masse sollte
auch so ausgewählt werden, daß eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung 3 mit der
gewünschten Wärmebeständigkeit der Paste per se erhalten wird. Die Abmessungen hinsichtlich
der Dicke, Breite, Gesamtlänge und Konfiguration, zum Beispiel als Spiral-, Kammform
oder dergl., der Anordnung 3 sollten ebenfalls in Erwägung gezogen werden. Bei einer
derzeit bevorzugten Ausführungsform wird eine Anordnung mit kammartigen Vorsprüngen
verwendet. Die Anschlüsse 4 und 5 für die Verbindung mit den Leitungen 7, 7 können
an den Enden der Anordnung 3 gedruckt sein, wobei die gleiche Paste verwendet werden
kann, oder es kann sich um metallische Anschlußteile handeln, die durch eine Lötlegierung
oder dergl.
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damit verbunden sind. Die Anschlüsse 4 und 5 sind frei daliegend bzw.
freigelegt, damit Befestigungsteile für einen elektrischen Anschluß des Heizelements
8, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, erhalten werden. Eine sich nach außen erstreckende
abgestufte Gegend bzw. Fläche 6 kann zwischen der keramischen Überzugs schicht 1
und dem keramischen Substrat 2 ausgebildet sein, um die Anschlüsse 4 und 5 freizulegen
und zu tragen.
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Um das keramische Substrat 2 und die keramische Uberzugsschicht 1
zu einem gleichförmigen Körper zu kombinieren, werden das Substrat 2 und die Uberzugsschicht
1 bei Sinterungstemperatur und unter Anwendung einer Sinterungsatmosphäre
der
keramischen Materialien erhitzt. Hierdurch werden die keramische Überzugs schicht
1 und das keramische Substrat 2 zu einem gleichförmigen Körper zusammengesintert.
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Bei diesen Bedingungen wird die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung
3 hermetisch innerhalb der Dicke des Körpers 12 aus der gebrannten Platte abgeschlossen.
Da die Widerstandsanordnung 3 in einem gleichförmigen Körper des keramischen Materials
eingeschlossen ist, ist sie nicht länger (1) Sauerstoff oder (2) anderen Umgebungsbedingungen
ausgesetzt. Dazu kommt noch, da sie in dem Körper befestigt worden ist, daß die
Bruchgefahr verringert oder vermieden wird. Hierauf wird ein Paar Stromleitungen
7, 7, die in Fig. 2 als Leiterdrähte 7, 7 gezeigt sind, an die Anschlüsse 4, 5 durch
Anlöten oder dergl. angeschlossen.
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Nachfolgend wird der Betrieb des erfindungsgemäßen keramischen Heizelements
mit der obigen Konstruktion beschrieben.
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Es wird eine Quelle für Gleich- oder Wechselstrom angeschlossen und
nach dem Anlegen einer gewünschten Spannung an die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung
3 wird durch die Anordnung Joule'sche Wärme erzeugt, deren Menge dem Widerstandswert
der Anordnung 3 proportional ist. Die auf diese Weise in der Widerstandsanordnung
3 bei Bedingungen eines vollständigen Luftausschlusses erzeugte Wärme wird sofort
zu dem Körper 12 aus der gebrannten keramischen Platte geleitet, wodurch sie sich
gleichförmig in dem gesamten Heizelement 8 verbreitet.
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Die Erfindung wird in Beispielen erläutert.
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Beispiel 1 Ein keramisches Substrat aus einer keramischen Aluminiumoxid-Grünplatte
mit den Abmessungen nach dem Brennen von 50 x 50 x 0,5 mm wird hergestellt. Auf
das keramische Substrat
2 wird die Anordnung 3 (mit Einschluß
der Anschlüsse 4, 5) gemäß Fig. 1 unter Verwendung einer Wolframpaste bis zu einer
Dicke von 30/u aufgedruckt. Danach wird eine keramische Aluminiumoxidpaste, die
ein keramisches Aluminiumoxidmaterial, Polyvinylalkohol und Toluol enthält, über
das keramische Substrat 2 auf die wärmeerzeugende Anordnung 3 aufgeschichtet, wodurch
eine dünne keramische Alvminiumoxidüberzugsschicht bis zu einer Dicke von 50/u gebildet
wird. Das auf diese Weise beschichtete Substrat 2 wird in einer reduzierenden Atmosphäre
in einem Ofen auf 16300C erhitzt, um die kombinierten Materialien 1, 2 und 3 zu
einem Körper zusammenzusintern. Die Anschlüsse 4, 5 werden durch Löten mit Silber
an ein Paar Kobarleitungen 7, 7 angeschlossen. Auf diese Weise wird das in Fig.
2 dargestellte keramische Heizelement 8 erhalten. Es wird festgestellt, daß in dem
bei diesem Verfahren erhaltenen Heizelement keine Rißbildung vorliegt.
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An das auf diese Weise erhaltene Heizelement wird ein Wechselstrom
mit 50 V angelegt. Es wird die in Fig. 4 (b) dargestellte Oberflächentemperaturkurve
erhalten. (Die Messung der Oberflächentemperatur erfolgt in der Mitte der keramischen
Überzugsschicht.) Die Oberflächentemperatur nimmt in einer Minute bis auf 425 0C
zu. Es werden weitere Tests unter Zuführung von Wechselstrom mit 50 V an das Heizelement
dieses Beispiels einerseits kontinuierlich über einen Zeitraum von 20 Stunden und
andererseits intermittierend siebenmal alle sieben Minuten durchgeführt.
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Bei beiden Tests werden keine Abnormalitäten festgestellt.
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Beispiel 2 Anstelle der rohen Platte wird ein gebranntes keramisches
Substrat mit Abmessungen von 50 x 50 x 0,5 mm verwendet
und es
wird wie in Beispiel 1 verfahren, mit der Ausnahme, daß die Sinterungstemperatur
auf 15100C vermindert wird. Auf diese Weise wird ein weiteres Beispiel für ein erfindungsgemäßes
Heizelement erhalten. Die keramische Überzugsschicht 1 und das gebrannte Substrat
2 waren äußerst gut zu einem Körper zusammengesintert und es hatten sich keine Risse
gebildet. Beim Anlegen von 50 V Wechselstrom an das auf diese Weise erhaltene Heizelement
wurde praktisch die gleiche Temperaturkurve (nicht gezeigt) wie in Beispiel 1 erhalten.
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Beispiel 3 Die keramische Aluminiumoxidpaste des Beispiels 1 wird
durch eine keramische Berylliumoxidpaste ersetzt, welche 99,5 % Berylliumoxid (BeO),
ein Acrylsäureharz und Wasser enthält. Die Gestalt und die Dimensionen sind wie
in Beispiel 1. Wie in Beispiel 1 werden die kombinierten Materialien, nämlich das
keramische Substrat 2, die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung 3 und die keramische
Berylliumoxidüberzugsschicht in der reduzierenden Atmosphäre auf 16400C erhitzt,
so daß die Komponenten zu einem Körper zusammensintern. Auf diese Weise wird ein
weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Heizelements erhalten. Auch bei diesem
Heizelement wird keine Rißbildung festgestellt. An das Heizelement wird ein Wechselstrom
mit 50 V angelegt und seine Oberflächentemperatur beträgt, wie in Fig. 4 (c) gezeigt
wird, innerhalb einer Minute 475°C. Die Temperatur verändert sich selbst nach kontinuierlicher
Zuführung von Wechselstrom nicht.
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Vergleichsbeispiel Die rohe Überzugs schicht 1 des Beispiels 1 wird
durch eine grüne Platte einer Aluminiumoxidkeramik mit einer Dicke von 0,5 mm ersetzt.
Die untere grüne Platte 2, auf der sich die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung
3 mit einer Dicke von 30/u befindet und die obere grüne Platte 1 werden so laminiert,
daß die Anordnung 3 zwischen die beiden Platten 1, 2 eingelegt ist. Das Laminat
wird sodann in einen Ofen eingebracht und dort in einer reduzierenden Atmosphäre
auf 1300°C erhitzt, so daß die grünen Platten 1, 2 zu einem Körper zusammensintern.
Die Anschlüsse 4 und 5 werden mit einem Paar Kobarleitungen 7, 7 mittels einer Lötverbindung
verbunden, wodurch ein keramisches Heizelement erhalten wird.
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Beim Anlegen von 50 V Wechselstrom an die Anordnung 3 steigt die Oberflächentemperatur
innerhalb 1 Minute auf 3500C, wie aus der Oberflächentemperaturkurve der Fig. 4
(a) hervorgeht.
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In Fig. 4 sind die Wärmeerzeugungseigenschaften beim Anlegen von 50
V Wechselstrom an die in den Beispielen 1 bis 3 beschriebenen Heizelemente und an
eine Vergleichsprobe zusammengestellt.- In dieser Figur zeigt die Kurve (a) die
Wärmeerzeugungseigenschaften nach dem Stand der Technik und die Kurven (b) und (c)
zeigen'die Wärmeerzeugungseigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kurven
(c) und (b) zeigen einen rascheren Temperaturanstieg als bei der Vergleichsprobe.
Auf der Seite der Überzugsschicht wird eine bessere thermische Abstrahlung beobachtet.
Insbesondere die Tatsache, daß die Kurve (c) höher als die Kurve (b) ansteigt, erläutert
die besseren Wärmeerzeugungseigenschaften gemäß Kurve (c) gegenüber denjenigen der
Kurve (b). Der Grund dafür liegt darin, daß in der Uberzugsschicht eine Berylliumkeramik
verwendet wurde, die hinsichtlich
der Wärmestrahlung der Aluminiumoxidkeramik
überlegen ist.
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Durch die Erfindung werden die folgenden Vorteile realisiert: a) Gemäß
der vorliegenden Erfindung wird die wärmeerzeugende Anordnung 3 auf dem Substrat
2 durch ein Beschichtungsverfahren mit einer dünnen keramischen Uberzugsschicht
1 überzogen, so daß das erfindungsgemäße Heizelement hinsichtlich der Wärmeabstrahlung
einem Heizelement der vorstehend erwähnten offengelegten japanischen Patentanmeldung
überlegen ist, in dem eine notwendigerweise in dikker Schicht gebildete rohe Platte
als Material für das obere und untere Substrat verwendet wird, zwischen die eine
wärmeerzeugende Widerstandsanordnung eingelegt wird.
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Weiterhin ermöglicht das Beschichtungsverfahren zur Herstellung der
keramischen Uberzugsschicht 1 in dünnen Schichten auf die Laminierungsstufe zu verzichten,
die hohe Geschicklichkeit erfordert, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden.
Im Falle daß das gleiche keramische Material wie für das Substrat 2 bei der Bildung
der überzugsschicht 1 verwendet wird, wird im Falle, daß eine keramische Aufschlämmung
oder Paste aus einem unterschiedlichen keramischen Material verwendet wird, nicht
nur die Gefahr des Ablösens der keramischen Überzugsschicht 1 von dem Substrat 2
beseitigt, weil die Überzugs schicht 1 in Form von dünnen Schichten gebildet worden
ist, sondern es wird auch eine ausgezeichnete Haftung der überzugsschicht an dem
Substrat 2 gewährleistet, wobei die Möglichkeit von Rißbildungen aufgrund der thermischen
Kontraktion verhindert wird.
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b) Die Anwendung des erfindungsgemäß in Betracht gezogenen Überzugsverfahrens
zur Herstellung einer Beschichtungsschicht macht es möglich, nicht nur eine rohe
Platte, sondern auch ein gebranntes Substrat zur Herstellung des Substrats 2 zu
verwenden.
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c) Bei der Ausführungsform, bei der ein keramisches Material mit besserer
Wärmeleitfähigkeit als diejenige des Substrats 2 in der Überzugsschicht 1 verwendet
wird, ist das Heizelement sehr wirtschaftlich, weil es das Heizelement möglich macht,
den Wärmeerzeugungseffekt in Richtung auf die Seite der Überzugsschicht 1 abzulenken
und weil weiterhin der Strahlungseffekt im Zusammenwirken mit der dünn gebildeten
Überzugsschicht wirksam in Richtung auf die Seite der Überzugsschicht fortschreitet.
Die Erfindung ermöglicht schließlich auch die Beschichtung von teuerer Berylliumkeramik
in dünnen Schichten.
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d) Gemäß der Erfindung werden ein keramisches Substrat 2 und eine
keramische Überzugs schicht 1 zu einem Körper zusammengesintert und zwischen diesen
ist eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung 3 mit dem gewünschten thermischen
Beständigkeitswert vorgesehen, so daß diese, wenn elektrische Energie zugeführt
wird, vollständig vor dem Zutritt von Luft geschützt ist, so daß eine Verschlechterung
durch Oxidation verhindert wird und die Anordnung chemisch geschützt wird. Da die
wärmeerzeugende Anordnung 3 innerhalb der Dicke der gebrannten keramischen Platte
mit sehr guten physikalischen und mechanischen Eigenschaften abgeschlossen ist,
wird ein guter Schutz des Produkts in mechanischer Hinsicht erzielt.
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In dem erfindungsgemäßen Heizelement sind die Dicke, die Breite, die
Gestalt und die Länge der wärmeerzeugenden Anordnung 3 in geeigneter Weise so angeordnet,
daß diese
in Form eines Films vorliegt, wodurch bei der Wårmeerzeugung
in der wärme erzeugenden Anordnung sich thermische Spannungen nicht in dem keramischen
Material konzentrieren, das unmittelbar mit der wärmeerzeugenden Anordnung in Berührung
steht. Es besteht daher nicht die Gefahr, daß die wärmeerzeugende Anordnung 3 sich
von dem Substrat abschält oder daß in dem keramischen Material eine Rißbildung bewirkt
wird.
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e) Durch Auswahl der Größe und der Dicke des keramischen Substrats
2 und der keramischen Überzugsschicht 1 zusammen mit der Dicke, der Breite, der
Gestalt und der Länge der wärmeerzeugenden Anordnung 3 kann ein Heizelement von
kompakter Größe erhalten werden, das eine relativ große Heizfläche besitzt. Weiterhin
hat das erfindungsgemäße Heizelement einen weiten Anwendungsbereich und es kann
durch kontinuierliche Herstellungsmaschinen hergestellt werden, wodurch die Produktivität
erheblich erhöht und die Kosten gesenkt werden.
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f) Gemäß der Erfindung werden das keramische Substrat 2, die keramische
Überzugsschicht 1 und die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung 3 zusammen gebrannt,
um zu einem Körper gesintert zu werden, bei dem die wärmeerzeugende Anordnung zwischen
den anderen zwei Materialien liegt. Die Wärmemenge, die durch Stromzuführung an
die wärmeerzeugende Anordnung erhalten wird, kann auf diese Weise vollständig zu
der keramischen gebrannten Platte oder zu dem Plattenkörper überführt werden, was
gestattet, daß die Vorrichtung gleichförmig erhitzt wird. Da weiterhin die wärmeerzeugende
Anordnung 3 als solche nicht in direkter Berührung mit der Luft steht, sammelt sich
die Wärme von der Anordnung 3 in dem keramischen Körper an, wodurch eine gleichmäßige
Wärmeabstrahlung von dem Element während des Heizens ermöglicht wird.
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Es können folgende Modifikationen durchgeführt werden, ohne daß der
Rahmen dieser Erfindung verlassen wird: 1) Anstelle des Seidensiebdruckverfahrens,
wie es als Beschichtungsverfahren bei den beispielhaften Ausführungen beschrieben
wurde, ist es möglich, die dünne keramische Überzugsschicht auch durch andere herkömmliche
Verfahren, zum Beispiel durch Eintauchen eines Substrats mit der wärmeerzeugenden
Widerstandsanordnung in eine Aufschlämmung oder durch Aufsprühen einer Aufschlämmung
zu bilden.
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2) Zusätzlich zu der Gestalt des flachen Heizelements, das in den
Beispielen beschrieben wird, ist es möglich, ein Heizelement mit gewünschter andersartiger
Gestalt vorzusehen, beispielsweise in der Weise, daß man eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung
auf einer rohen Platte bildet, auf der resultierenden rohen Platte eine keramische
Überzugsschicht herstellt und daß man die auf diese Weise behandelte rohe Schicht
zu einer zylindrischen oder wellenartigen Gestalt sintert.
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3) Anstelle von streifenartigen Substraten ist es möglich, ein Heizelement
in anderer Form zu bilden, indem man eine keramische Uberzugsschicht auf im wesentlichen
einer langen Reihe von wärmeerzeugenden Widerstandsanordnungen ausbildet und indem
man die resultierenden Anordnungen brennt. Gegebenenfalls kann man zur Kontrolle
der Zunahme oder Abnahme des Warmeerzeugungswiderstandswertes die so gebildeten
Widerstandsanordnungen an geeigneten Stellen in Scheiben schneiden.
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4) Anstelle daß man, wie in der gezeigten Ausführungsform, ein Paar
Leitungen an der wärme erzeugenden Widerstandsanordnung befestigt, ist es zum Beispiel
möglich, einen
leitenden Teil von einem gewünschten Teil der wärmeerzeugenden
Widerstandsanordnung durch eine Durchgangsloch-Verbindungseinrichtung zu der Oberfläche
des Substrats herzustellen und die Leitungen in geeigneter Weise an diesem leitenden
Teil zu befestigen.
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5) Die Wärmeleistung des Heizelements per se gemäß der Erfindung kann
in der Weise erhöht werden, daß man ein Färbemittel (zum Beispiel Cr203, CoO), welches
eine geeignete dunkle Färbung verleihen kann, dem keramischen Material der keramischen
Überzugsschicht zusetzt. In diesem Fall ist es nicht störend, eine Überzugsschicht
zu bilden, der das Färbemittel direkt oberhalb der wärmeerzeugenden Widerstandsanordnung
zugesetzt worden ist.
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Es ist jedoch zweckmäßiger, eine Überzugsschicht zu bilden, die kein
Färbemittel oberhalb des Substrats enthält, und danach eine gefärbte Überzugs schicht
darüber zu bilden, damit eine Abnahme des Isolierungswiderstandswertes aufgrund
der gefärbten Uberzugsschicht verhindert werden kann.
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6) Es ist möglich, den Heizeffekt insbesondere auf einer Seite zu
konzentrieren, indem man die der wärme erzeugenden Widerstandsanordnung des Substrats
des Heizelements entgegengesetzte Seite mit einer wärmereflektierenden Platte, zum
Beispiel einer Metallplatte, verkleidet oder indem man umgekehrt die Oberfläche
der keramischen Überzugsschicht mit einer Metallpaste mit guter Wärmeabstrahlung
oberflächlich metallisiert.