DE2946799C2

DE2946799C2 - Heizelement aus einem wabenförmigen Körper aus Kaltleitermaterial auf der Basis von durch Dotierung halbleitender Titanatkeramik

Info

Publication number: DE2946799C2
Application number: DE19792946799
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. Schwanberg Ott; Johann Deutschlandsberg Sparoutz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-11-20
Filing date: 1979-11-20
Publication date: 1981-11-26
Also published as: DE2946799A1; ATA538780A; AT375802B

Description

Die Erfindung belriflt ein Heizelement, bestehend .ms einem wabcnförmigen Korper aus K.uticitcnr.aicri.il auf der Basis von durch Dotierung halhlcdcndcr Tiianatkeramik und Siromzuführungsbelegungen auf i, den beiden gegenüberliegenden Flächen des Korpers unter Freilassung tier Öffnungen tier VS'ahenkan.ile

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur lerslellung eines solchen 1 lcizelemcnies

In der DE-AS 24 IG 499. pnordaiM-'leich mn der v. US-PS 19 27 JOO. isl im Rahmen cin<cr elektrischen Heizvorrichlung ein Heizelement mn waben.irtiger Struktur mil mehreren parallelen Kanälen beschrieb«.η Wie aus tier genannten US PS hervorgeht, wird dieses bekannte Heizelement dadurch hergestellt, dall vorne ,-, brannte* keramisches Kallleiierui.neri.il zu einem feinen Pulver vermählen wird, das nach entsprechender Aufbereitung mit Ziisaizuiitteln /\\ einer plastisch verformbaren Masse bereite! wird Diese Masse -λινΙ durch einen wabenförmig strukturierten Körper exiiu ·,(, dierl. so dall ein noch ungebrannter wabenförmig strukturierter Korper enlslehl. Dieser Körper «itd hei I emper ,Huren von etwa I l"id ( »rchianni und weist danach einen Diirclimessei son ι,ιιι '-">e I )ι. ».·.- mim I cm. einen inneren Duri limesser .Ie¹ Kanal·- ■■"■ · . ί.Ι-Ι-'μπ: um,I ,in, V. .im,lsi,iik,- /mim lie- .le·· K.i/i· |ι· der (ill I¹S 11 "1(1

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Struktur durch Extrusion, die auch in der DE-OS 24 54 846 besehrieben ist, ist der bei der Extrusion entstehende Druck so verteilt, daß die an der Peripherie des Körpers sich befindenden Kanäle zusammengepreßt sind. Die Folge hiervon ist, daß die Kanäle für die Erwärmung des strömenden Mediums praktisch ausfallen und somit die wirksame Querschnittsfläche des I leizelemeiiis verringert wird. Abgesehen hiervon ist das Herstellen einer Wabenstruktur mittels Strangpressung ein von der Technologie her schwierig zu handhabender Vorgang, weil die dabei angestrebten sehr dünnen Zwischenwände zwischen den Kanälen der wabenartigen Struktur eine nur ungenügende mechanische Festigkeit bis zum Brennen des Körpers gewährleisten.

Die in der DE-AS 24 10 999 beschriebene elektrische Heizvorrichtung weist ein eine dünne Wandung aufweisendes säulenförmiges Heizelement aus einem keramischen Material mit positivem Temperalurkoeffi-/ienlen auf, wobei das Heizelement eine wabenartige Struktur mit mehreren parallelen Kanälen besitzt.

In der DE-PS 11 87 5J5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus keramischem Material mit wabenartigem Gefüge beschrieben, das für Wärmeaustauscher, k'alalisatoreniräger. Turbinenschaufeln und andere hitzebeständig«.* Körper bestimmt ist. Das Verfahren sieht vor. daß ein oder mehrere gewellte Folien aus einem keramischen Material und/oder anorganischen Oxiden und/Oder Metallen oder Gemischen aus keramischem Material und Metall und einem organischen Plastifizierungsmittel in grünem Zustand entlang der Kanten der Wellungen und/oder mit einer oder mehreren nichtgewellien Folien zeitweilig miteinander verbunden werden, wonach durch Sinterung dieses Gefüges eine starre, wabenartige Struktur entsteht. Dieses Verlahren ist für den großtechnischen Einsatz bei tier Herstellung von Massenoroduktcn nicht geeignet, weil tlic Herstellung gewellter Folien aus keramischem Kaltlcitermaterial sow oh! von der Technologie als auch von den Kosten her für die Erzeugung wabenartiger Strukturen nicht in Frage kommt.

In der US-PS 32 W 421 ist ein Verfahren zur Herstellung keramischer Körper mit Wabenstruktur beschrieben, bei dem sechskantige Prismen in eine Form eingebracht werden, und /war in der Weise, daß zwischen einer Viel/.ahl solcher senkrechisiehcnder Prismen Zwischenräume frei bleiben. In diese Zwischenrifiime wird eine mit dem pulverförmigen Material bereitete Aufschlämmung eingebrachi und ausgehärtet. Nach Entfernen tier Prismen liegt die gewünschte Wabenstruktur vor

In der CiH-PS K)HI 422 ist ein Heizelement beschrieben, das aus einer Vielzahl von sich auf einer "•eile konisch verjüngender und auf tier anderen Seile konisch sich öffnender Düsen besieht. Diese Düsen, die ic scchseckformig sind, werden zusammengesetzt und in einem Rahmen zusammengehalten. Zum Zwecke der Erwärmung sitiil diese Düsen an ihrer Oberfläche mit elektrisch lcitfaliigem. einen Wulersl.iiul bildendem Material versehen.

Sdwohl the I lcrsicllunt! der ein/clncn Düsen, the sich in zwei Richtungen konisch erweitern, ,ils auch the /iisainmenslclliing solcher Diiseu zu einem (icsainlkör per beredet Schwierigkeiten und isi lur die groHlechni •.clic Herstellung von Masseiiprodnktrii nicht ueeignei

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Koblenstoffmaierial ist in einem «ohr untergebracht, in welchem außerdem einzelne weitere Rohre fiir den Durchtritt des strömenden Mediums vorgesehen sind. Diese weiteren Rohre bestehen aus isolierendem Material und sind von dem mit Kohlenstoff gefüllten Kunststoffmaterial umgeben. Der Zusammenhalt wird durch das äußere Umgebungsrohr bewirkt.

Auch ein solches Heizelement ist in der Herstellung teuer und umständlich und läßt auch die gewünschten hohen Temperaturen nicht zu.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement anzugeben, dessen Herstellung besonders einfach ist und dessen Wirkungsweise im praktischen Gebrauch eine gute Erwärmung des strömenden Mediums bei hohem Ausnutzungsgrad der vom Heizelement erzeugten Wärme gewährleistet.

Zur Losung dieser Aufgabe ist das Heizelement der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltlciterkörper aus einzelnen Röhrchen geringen Durchmessers (el. h Ο,τ his 5 mm) und geringer Wandstärke (d. h. 0.2 bis 2 mm) zusammengesetzt ist. die durch Keramikmalerial gleicher Zusammensetzung wie das Kallleiterniaterial miteinander durch keramischen Sinterpro/.eß fest verbunden sind.

Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelements ist erfindungsgemaß dadurch gekennzeichnet, daß aus dem durch Vorbrennen und Mahlen er/.eugten Kaltleilcrmaterial zunächst durch Strangpressen Rohre von einer Lange hergestellt weiden, die em Vielfaches der Dicke des ein/einen Heizelementes jo beträgt, daü diese Rohre bis /um Lederharizustand getrocknet werden, daß die geirockneten Rohre in eine Lehre, die den Außenabmessungen des Heizelementes inner Berücksichtigung der Brennschwindung entspricht, lagenweise unter Zuführung \on Schlicker aus pulverförmiger, vorgebranntem Kalt leitermaterial gleicher Zusammensetzung wie die Rohre eingebracht werden, dall danach das Bündel aus Rohren und Schlicker gi'rocknet wird, wonach es in die Hei/clementkörper gewünschter Dicke unier Berücksichtigung der Brennschwindung aufgeteilt wird, diese Körper dem Sinterviirgang unterworfen und schließlich mit den Siromzuführungsbclegungen versehen »erden.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen im folgenden: 4i

Durch das Herstellen ein/einer Rohre können diese /ur Erzielung optimaler mechanischer und elektrischer Eigenschaften individuell bemessen und auf einer einfachen Strangpresse hirgesiclli werden. Das Zusammenfügen der einzeln hergestellten Rohre kann im w Hinblick iiaf die gewünschten Abmessungen des lleiztlciitcnics erfolgen, wobei eine relaiiv große Variationsbreite gegeben ist. Is können in einem Arbeitsgang Rohre bis /11 einer Lange von ' .· bis I tu in der Lehre /usanimeiigesielll werden, mi daß bei einer ■·'< Dicke des I lei/elemenles bis /u I cm große .Stückzahlen in gleicher (lute und mit gleicher Abmessung erzeugt werden können. Das Verbinden der in der Lehre zusammengefügten Rohre miliels Schlicker aus pulverformigem, keramischem Material gleicher chemischer mi /iisammcnscl/ung wie die der RnMn lsi cuu- anlache iiikl dennoch sehr sichere Methode, wobei hinzukommt, daß durch die gleiche ihcmische /iisjiiiincnselzuiig auch dei zwischen den Köln cn befindliche /wischen IJUiIi mn Kiiltk-ilL-rMi.ilcn.il .iiisgcliilll lsi und spater bei ' ■ der Arlvilsw eise des I Ic ; .'lciiienlcs initw 11 kl.

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Fig, I iit Seitenansicht und teilweise geschnitten ein Heizelement gemäß der Erfindung,

F i g, 2 eine Einzellage von Rohren im Querschnitt,

F i g, 3 mehrere übereinandergeschichtete Lagen von Rohren und

Fig.4 schematisch eine Lehre, in der eine Vielzahl von Rohren untergebracht und mit Schlicker vergossen ist.

In Fig. I ist mit 1 das Heizelement bezeichnet, das aus mehreren einzelnen Rohren 2 zusammengefügt ist. wobei die Zwischenraumes zwischen den Rohren durch Material gleicher chemischer Zusammensetzung ausgefüllt sind und der gesamte Körper durch Sintern verfestigt ist. Bei dem Sinterprozeß wird auch das keramische Kaltleitermaterial auf der Basis von durch Dotierung halbleitendem Perowskiwiaterial letztlich zum eigentlichen Kaltleitermaierial umgebildet, das die für dieses Maleria! bekannten Eigenschaften hat. nämlich bei oder in der Nähe der Cure'emperatur einen extrem steilen Anstieg des Widerstwi.'lswertes bei nur geringfügig zunehmender Temperatur.

An den Stirnseiten des Heizelementes, das beispielsweise eine runde, quadratische oder rechteckformige Querschnitisfläche aufweist, sind in an sich bekannter Weise Meiallbelegungen 4 und 5 aufgebracht, die selbstverständlich die Kanäle nicht bedecken, weil dort das strömende Medium durchtreten können muß. Die Metallbelegungen 4, 5 bestehen vorzugsweise aus eingebrannter Silbersuspension, die für diese Zwecke allgemein bekannt ist. Zwischen dem Keramikkörper I und der Metallauflage ist dafür Sorge getragen, daß der Kontakt sperrfrei ist. d. h. daß keine Sperrschichten vorhanden sind. Die hierfür anzuwendenden Verfahren sind hinlänglich bekannt und in vielen Veröffentlichungen beschrieben.

Die Belegungen 4 und 5 sind mit Stromzuführungen 6 und 7 verbunden.

Die Herstellung eines Heizelementes gemäü der Erfindung geht aus den F i g. 2 bis 4 hervor.

Nachdem aus dem durch Vorbrennen und Mahlen erzeugten Kaltleitermaterial durch Strangpressung zunächst möglichst lange Rohre hergestellt worden sind, werden diese bis zum Lederhartzustand getrocknet, so daß sie ohne Bruchgefahr handhabbar sind. Die getrockneten Rohre werden lagenweise (Fig.2) in einer Lehre 9 (Fig.4) zusammengefaßt und vorzugsweise in solchen Lagen bereits durch das der Verbindung dienende Material 8 aneinander befestigt. Mehrere solcher Lagen werden übereinandcrgeschichlet (F i g. 3). bis die Lehre 9 (F i g. 4) gefüllt ist. Die Breite Ii und die Höhe H der Lehre 9 sind — unter Berücksichtigung der Brcnnschwindung — auf die spateren Abmessungen von Breite und Höhe des Heizelementes I abgestimmt. Die Länge I. der Lehre richtet sich danach, wie lang die vorab hergestellten Rohre sind.

Nach dem Verbinden sämtlicher Rohre 2 in der Lehre 4 miliels in die Zwischenräume 3 gefüllten Schlickers oder miliels aus im Lederharizusiand befindlicher Bänder aus Material 8 gleicher chemischer Zusammensetzung wie die Rohre wird getrocknet, bis eine ausreichende Festigkeit gcwahrlcisicl ist. Nach Entfernen der Lehre 9 wird der Stapel aus Rohren längs den Linien Il aufgeschlagen, wobei der Abstand vom Rand Ins zur Schnittlinie auf die spätere Dicke des I lcizclemcntcs abgestimmt ist. Auf diese Weise werden von dem im Rohzustand befindlichen M.ipel 1110 einzelnen Heizelemente abgetrennt. Die I leizelemcnie

werden dann der Sinterung unterworfen, wobei die Sinterfiihrung auf das verwendete Kaltlcitermaicrial abgestimmt ist. Die Sinterführung schließt das Aufheizen in einer bestimmten Heizperiode mit bestimmtem Temperaturgradienten, die Sinterung bei etwa 1200 bis I4OO^CC und die Abkühlung in einer bestimmten Zeitperiode mit einem bestimmten Temperaturgradienlenein.

Die gesinterten Heizelemente 1 werfen dann in an

sich bekannter Weise mit den Belegungen 4 und 5 an den Stirnflächen derart belegt, daß die öffnungen der Rohre 2 auf bcitlcn Seiten für den Durchtritt des strömenden Mediums frei sind.

Es liegt auf der Hand, daß die yucrschniltsform der Röhrchen nicht nur — wie gezeigt — rund sein muß. sie kann auch oval oder flachrohrförmig sein sowie die Form eines Vielecks, vorzugsweise Sechsecks haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Heizelement, bestehend aus einem wabenförmigen Körper aus Kalileitermaterial auf der Basis von durch Dotierung halbierender Tiianatkeramik und Stroinzufühningsbelegungen auf den beiden gegenüberliegenden Rächen des Körpers unier Freilassung der Öffnungen der Wabenkanäle, dadurch j gekennzeichnet, daß der Kaltleiterkörper (I) aus einzelnen Röhrchen (2) geringen Durchmessers (d. h. 0,5 bis 5 mm) und geringer Wandstärke (d. h. 0.2 bis 2 mm) zusammengesetzt ist. die durch Keramikmaierial (8) gleicher Zusammensetzung wie das Kalileiterniateria! miteinander durch keramischen η Sinierprozeß fest verbunden sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dal! aus dem durch Viyrbrcnnen und Mahlen erzeugten Kaltlcilcrmalcrial zunächst durch Strangpressling »,> Rohre (2) von einer Länge hergestellt werden, die ein Vielfaches der Dicke des einzelnen Heizelementes (1) beträgt, daß diese Rohre (2) bis zum Lcdcrharizusiand getrocknet werden. daß die gelrockneten Rohre (2) in eine Lehre (9). die den >, Außenabmes>ungen des Heizelementes (I) unter Berücksichtigung der Brennschwindung entspricht, lagenweise unter Zuführung von Schlicker .ms pulvcrförmigcm vorgenanntem K.ihlcitermaicri.tl

(8) gleicher Zusammensetzung mc «lic Rohre m eingebracht »erden, daß dan.ic . das Bündel .ms Rohren und Schlicker geir<K.knci wird, wonach es in die llei/elemenlkorper (l)gcwünsi jfer Dicke unter Berücksichtigung tier Brcnnschwiiidung .iuigeteil; wird, diese Korper (I)dem Smiervorgang mrcru.ir- .-> fen und schließlich mit den .Sin
gungen (4, i) v« rsehen «erden