DE2548019A1 - Keramisches heizelement - Google Patents

Keramisches heizelement

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DE2548019A1 DE19752548019 DE2548019A DE2548019A1 DE 2548019 A1 DE2548019 A1 DE 2548019A1 DE 19752548019 DE19752548019 DE 19752548019 DE 2548019 A DE2548019 A DE 2548019A DE 2548019 A1 DE2548019 A1 DE 2548019A1
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ceramic
ceramics
heating element
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Nobukazu Sagawa
Yasuo Uchikado
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Kyoto Ceramic Co Ltd
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/20Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/28Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H05B3/283Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material the insulating material being an inorganic material, e.g. ceramic
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    • H05B3/28Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material

Description

  • 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.
  • 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.
  • Es sind schon verschiedene Arten von Heizelementen bekannt.
  • Eine einfachste und sehr beliebte Vorrichtung ist mit einem Nickelchrom-Draht auf einem isolierenden Körper versehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weiterhin wird hierdurch verhindert, daß die keramische Schicht sich von der Widerstandsanordnung abtrennt und daß aufgrund der Mrårmekontraktion Risse gebildet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als Materialien für das keramische Substrat 2 und die keramische Überzugs schicht 1 können erfindungsgemäß die gleichen keramischen Materialien verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird der Betrieb des erfindungsgemäßen keramischen Heizelements mit der obigen Konstruktion beschrieben.
  • 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.
  • Die Erfindung wird in Beispielen erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • Bei beiden Tests werden keine Abnormalitäten festgestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Patentansprüche
    r" ? Keramisches Heizelement in Plattenform, gekennzeichnet durch ein keramisches Substrat (12) aus einer wärmebeständigen keramischen grünen Platte oder einer gebrannten Platte aus dem keramischen Material, eine wärmeerzeugende Widerstandsanordnung (3), welche als dicker Film durch ein Druckverfahren auf dem Substrat durch Aufbringung einer Metallpaste mit hohem Widerstand, die jedoch leitend ist, hergestellt worden ist, eine keramische Überzugsschicht (1), welche als dünner Film durch ein Beschichtungsverfahren durch Aufbringung einer rohen keramischen Paste oder Aufschlämmung über das Substrat (12) auf der'wärmeerzeugenden Widerstandsanordnung (3) gebildet worden ist, wobei das Substrat (12) und die Überzugsschicht (1) zu einem Körper gebrannt worden sind, wodurch die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung (3) hermetisch zwischen dem keramischen Substrat (12) und der Überzugsschicht (1) eingeschlossen worden ist, und ein Paar von frei daliegenden Anschlüssen (4, 5) auf dem Substrat, wobei die Anschlüsse (4, 5) mit der Widerstandsanordnung (3) verbunden sind und so ausgestaltet sind, daß sie an Stromleitungen angeschlossen werden können, so daß der Anordnung (3) elektrische Energie zugeführt wird.
  2. 2. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Substrat (12) und die keramische ftberzugsschicht (1) aus dem gleichen wärmebeständigen keramischen Material hergestellt sind.
  3. 3. Keramisches Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Substrat (12) und die keramische Uberzugsschicht (1) aus den gleichen keramischen Materialien aus der Gruppe Aluminiumoxidkeramiken, Berylliumoxidkeramiken, Kordieritkeramiken, Zirkonkeramiken, Mullitkeramiken und Celsiankeramiken hergestellt sind.
  4. 4. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Substrat (12) und die keramische Uberzugsschicht (1) aus verschiedenen keramischen Materialien aus der Gruppe Aluminiumoxidkeramiken-Berylliumoxidkeramiken, Kordieritkeramiken-Zirkonkeramiken, Mullitkeramiken oder Celsiankeramiken und Zirkonkeramiken-Mullitkeramiken hergestellt sind.
  5. 5. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramiken der Uberzugsschicht (1) und des Substrats (12) sich voneinander hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden und daß für die keramische überzugsschicht (1) das keramische Material mit höherer Wårmeleitfähigkeit verwendet worden ist.
  6. 6. Keramisches Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Substrat (12) und die keramische Uberzugsschicht (1) aus unterschiedlichen Keramiken aus der Gruppe Aluminiumoxidkeramiken-Berylliumoxidkeramiken, Kordi eritkeramiken- Zirkonkeramiken, Kordieritkeramiken-Mullitkeramiken, Kordieritkeramiken-Celsiankeramiken und Zirkonkeramiken-Mullitkeramiken hergestellt sind.
  7. 7. Keramisches Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des keramischen Substrats (12) 250 bis 500/u und daß die Dicke der keramischen Überzugsschicht (1) 40 bis 70 /u beträgt.
  8. 8. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung (3) mit kammartiger Gestalt ausgebildet ist.
  9. 9. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung (3) ein Material aus der Gruppe W, Mo, Mo-Mn und Pt enthält.
  10. 10. Keramisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (4, 5) aus dem gleichen Material wie die wärmeerzeugende Widerstandsanordnung (3) hergestellt sind.
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