-
HEIZELE:MENT MIT ÜBERI$TUNGSSOHUTZ
-
Die Erfindung betrifft ein Heizelement zum Beheizen von Flüssigkeiten,
insbesondere von Laugen- und Säurebädern, wie sie in der Produktion von mikroelektronischen
Bauteilen und in der Galvanik Verwendung finden, wobei das Heizelement aus einem
vorzugsweise stabförmigen Metallkern mit integrierter Heizspule und einer säure-
und laugenresistenten Ummantelung gebildet ist.
-
Heizelemente der eingangs genannten Art dienen dem Zweck, saure oder
alkalische Flüssigkeiten zu erwärmen. Derartige Flüssigkeiten werden insbesondere
bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauteilen und in der Galvanik benötigt.
-
Ein für die vorstehend genannten Zwecke geeignetes Heizelement besteht
in der Regel aus einem stabförmigen Metallkern, der eine rechteckige Querschnittsform
aufweist.
-
In diesen Metallkern ist, zur Erwärmung der Flüssigkeiten, eine Heizspule
integriert. Da diese Flüssigkeiten gegenüber Metallen ein hoch-aggresives Verhalten
aufweisen, muß der Metallkern durch eine Ummantelung geschützt werden. Diese Ummantelung
kann beispielsweise aus einem Kunststoffüberzug, vorzugsweise aus Fluorkunststoffen,
insbesondere jedoch aus Polytetrafluoräthylen, bestehen.
-
Durch diese Ummantelung ist der Metallkern vor Zerstörung geschützt.
-
Das Heizelement, gebildet aus der Heizspule, dem Metallkern und der
Ummantelung kann beispielsweise, nach Art eines Tauchsieders, spiralförmig oder
auch mäanderförmig gewunden sein, so daß auch die Beheizung größerer Bäder möglich
ist.
-
Während des Betriebes derartiger Heizelemente kommt es immer wieder
zu Ausfällen, die auf eine Zerstörung der Ummantelung durch Überhitzung zurückzuführen
sind. Derartige Störungen können dann auftreten, wenn beispielsweise das zu erwärmende
Bad versehentlich nicht vollständig gefüllt ist.
-
Über einen Temperaturfühler, der an den Regler des Heizkreises des
Heizelementes angeschlossen ist, wird bei Erreichen eines oberen bzw. unteren Grenzwertes
die Beistungszufuhr zum Heizelement unterbrochen bzw. eingeschaltet. Durch die räumliche
Trennung der Temperaturmeßstelle vom Heizelement liegt ein insgesamt gesehen relativ
träger Regelungskreis vor. Hier kann es zu kurzfristigen Überhitzungserscheinungen
kommen, durch die das Heizelement zwar momentan nicht zerstört wird, die jedoch,
über längere Zeit gesehen, ebenfalls zum Ausfall des Heizelementes führen. Durch
derartige Störungen, die sich in der Praxis zunächst nicht bemerkbar machen, bilden
sich nämlich feine Haarrisse in der Ummantelung, durch die die hochaggresiven Flüssigkeiten
- zwar langsam, aber stetig - bis auf den Metallkern durchdringen und diesen dann
zerstören.
-
Es wäre zwar möglich, die Empfindlichkeit des Regelkreises durch den
Einsatz empfindlicher Temperaturfühler (beispielsweise ThermoeLemente), die in das
Bad eingetaucht werden, zu steigern, jedoch wäre dies mit einem beträchtlichen Mehraufwand
verbunden, da auch diese Bausteine sehr emfindlih gegen aggressive Dämpfe, Säuren
und Laugen sind.
-
Sie müssen demzufolge besonders geschützt sein.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Heizelement der eingangs
genannten Art für die genannten Einsatzzwecke so weiterzubilden, daß dieses bei
geringem konstruktiven und baulichen Aufwand und einfacher Herstellung sicher vor
tfberhitzungserscheinungen geschützt ist.
-
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß zwischen der
Ummantelung und dem Metallkern ein Temperaturfühler eingebettet ist, der Geberelement
eines Uberhitzungsschutz-Regelkreises ist. Durch die Erfindung wird auf sehr elegante
Art und Weise dafür Sorge getragen, daß das Heizelement zuverlässig vor Zerstörung
durch Überhitzung geschützt ist. Dies insbesondere deswegen, da der Temperaturfühler
in unmittelbarer Nähe des Metallkerns angeordnet ist.
-
Es lassen sich verschiedene Arten von Temperaturfühlern einsetzen,
insbesondere solche, die empfindlich und sehr genau die Temperatur des Metallkerns
erfassen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen,
daß Temperaturfühler eingesetzt werden können, die an sich sehr empfindlich gegen
aggretive Medien sind. Für derartige Temperaturfühler, die sonst, bei räumlich getrennter
Lage zum Heizelement, mit erheblichem, zusätzlichen Aufwand geschützt werden müßten,
entfallen diese zusätzlichen Maßnahmen, da sie durch die ohnehin vorhandene
Ummantelung
des Metallkerns zuverlässig geschützt sind.
-
Dieser wertvolle Vorteil wird zusätzlich zu der Empfindlichkeitserhöhung
des Regelkreises erzielt.
-
Es hat sich erwiesen, daß der Einsatz eines Thermoelementes besonders
vorteilhaft ist. Dieses Thermoelement besteht vorzugsweise aus einem Draht-Thermopaar,
zum Beispiel der Paarung Eisen/Konstantan. Die Schweißperle dieses Drahtpaares kann
flach gefertigt werden, so daß ein guter Kontakt zum Metallkern des Heizelementes
gewährleistet ist.
-
Ferner ist diese Ausbildung für die Herstellung des Heizelementes
von Vorteil, da dieses zunächst stabförmig, d.h.
-
geradlinig verlaufend gefertigt werden kann, um es anschließend in
eine spiral- oder mäanderförmige Form zu bringen.
-
Diese Verarbeitung ist ohne weiteres möglich, da das Draht-Thermopaar
leicht verformbar ist, ohne daß eine Beschädigung befürchtet werden müßte.
-
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann der Temperaturfühler
aus einem Meßwiderstand gebildet sein.
-
Auch hier ist, mit den gleichen Vorteilen verbunden, der Einsatz eines
Widerstandsdrahtes möglich.
-
Eine einfache Handhabung bei der Herstellung des Heizelementes ist
dann gegeben, wenn das Draht-Thermopaar bzw.
-
der Widerstandsdraht zwischen einer der seitlichen Flächen des Metallkerns
und der Ummantelung eingelegt ist. Der Widerstandsdraht kann hierbei mäanderförmig
gewunden angeordnet sein oder auch um den Metallkern gewickelt werden.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung steht der Temperaturfühler
mit einem Regler in Verbindung, der seinerseits bei Erreichen eines Höchsttemperaturwertes
eine weitere Leistungszufuhr für das Heizelement unterbindet.
-
Weitere für die Erfindung wesentliche Merkmale sowie die hieraus resultierenden
Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung
zu entnehmen.
-
Es zeigen: Fig. 1: die schematische, vereinfachte Darstellung einer
Anordnung zur Beheizung eines Flüssigkeitsbades über ein Heizelement nach der Erfindung;
Fig. 2: den Querschnitt durch das Heizelement nach der Linie II-II in Fig. 1;
Fig.
3: ein Teilstück eines Heizelementes mit einem Temperaturfühler in Form eines Thermoelements
und Fig. 4: ein Ausschnitt eines Heizelementes mit einem Temperaturfühler in Form
eines Meßwiderstandes.
-
In Fig. 1 ist in schematischer, vereinfachter Darstellung eine Gesamtanordnung
eines auf einer bestimmten Temperatur zu haltenden Flüssigkeitsbades wiedergegeben.
Ein derartiges Bad kann zum Beispiel bei der Herstellung mikroelektronischer Bauteile,
in der Galvanotechnik oder in einem Labor Verwendung finden.
-
In einem Gefäß 1 befindet sich eine Flüssigkeit, zum Beispiel eine
Lauge oder Säure, die durch den Flüssigkeitsstand 2 symbolisch wiedergegeben ist.
-
In diese Flüssigkeit ist ein Heizelement 3 eingetaucht. Das Heizelement
3 ist über einen Beitungxsstrang 4 an einen Regler 5 des Heizkreises angeschlossen,
der seinerseits über
einen weiteren Leitungsstrang 6 an das Stromnetz
angeschlossen ist.
-
In das Heizelement 3 ist - wie weiter unten noch näher erläutert -
ein Temperaturfühler 7 eingelassen. Die freien Leitungsenden 8 und 9 des Temperaturfühlers
7 fuhren zu einem Regler 10. Der Regler 10 weist Zwei-Punkt-Charakteristik auf und
steht, wie dies durch eine Steuerleitung 11 angedeutet ist, mit dem Regler 5 des
Heizkreises des Heizelements 3 in Verbindung und zwar derart, daß die Stromzufuhr
zum Heizelement 3 bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalwertes unterbrochen wird.
Auf diese Weise ist das Heizelement 3 vor Überhitzungen zuverlässig geschützt.
-
Der Zeichnung ist zu entnehmen, daß das Heizelement 3 L-förmig ausgebildet
ist. Das Maß "L" gibt die Länge der beheizten Zone des Heizelementes 3 wieder. Es
sei angenommen, daß der vertikalgerichtete Schenkel des Heizelementes 3 nicht beheizt
ist, also die unbeheizte Zone darstellt. Das Maß "1" gibt den Bereich der beheizten
Zone wieder, in dem der Temperaturfühler die Temperatur erfaßt. Es hat sich herausgestellt,
daß die
Temperatur in der beheizten Zone des Heizelements 3 mindestens
unter Einhaltung eines Abstandes von ca. 30 mm von der unbeheizten Zone des Heizelementes
3 gemessen werden sollte.
-
Der Aufbau des Heizelementes 3 geht im einzelnen aus der Fig. 2 hervor.
Im Inneren eines Metallkerns 12 ist eine Heizspule 13 angeordnet. Um den Metallkern
12 vor Zerstörung durch die hochaggresive Badflüssigkeit zu schützen, ist dieser
mit einer Ummantelung 14 umgeben, die gegenüber dieser Flüssigkeit resistent ist.
-
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß der Temperaturfühler 7 zwischen
dem Metallkern 12 und der Ummantelung 14 eingebettet ist. Die Temperatur des Metallkerns
12 wird daher "an Ort und Stelle" erfaßt.
-
In Fig. 3 ist in schematischer Darstellung ein Ausschnitt des Heizelementes
3 mit einem Temperaturfühler in Form eines Thermoelements 15 wiedergegeben. Dieses
Thermoelement 15 ist in an sich bekannter Weise aus einem Draht-Thermopaar (beispielsweise
Eisen/Konstantan) hergestellt.
-
Die sogenannte "kalte" Vergleichsstelle befindet sich im Regler 10
(Fig. 1).
-
In Fig. 4 ist in schematischer Darstellung ein Ausschnitt des Heizelementes
3 mit einem Temperaturfühler in Form eines Meßwiderstandes 16 gezeigt. Der Meßwiderstand
ist z. B. aus Platindraht gefertigt. Der Widerstandsbetrag des Meßwiderstandes gibt
die Temperatur des Metallkerns 12 des Heizelementes 3 wieder.
-
Leerseite