DE29623184U1

DE29623184U1 - Heizbares keramisches Element

Info

Publication number: DE29623184U1
Application number: DE29623184U
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2006-12-05

Description

Forschungszentrum Karlsruhe, den 9. Okt. 1997

Karlsruhe GmbH PLA 97 60 Rü/he

ANR 5661498

Heizbares keramisches Element Heizbares keramisches Element

Die Erfindung betrifft ein heizbares keramisches Element gemäß dem Schutzanspruch. Unter einem heizbaren keramischen Element sollen im folgenden insbesondere Heizplatten, Glühstifte, Mikroheizer etc. verstanden werden.

Aus der EP 0 107 511 Al sind elektrisch leitende, mehrphasige Keramiken bekannt, aus denen Heizelemente wie Glühstifte, Gasanzünder etc. hergestellt werden k"nnen. Die Keramiken bestehen aus einer Matrixkeramik beispielsweise aus Aluminiumoxid, der eine elektrisch leitende, nichtoxidische Keramik zugesetzt ist. In der Druckschrift ist nicht angegeben, auf welche Weise der elektrische Anschluß der Heizelemente hergestellt werden soll.

Aus der Veröffentlichung von Y. Yasutomi und M. Sobue: &ldquor;Development of Reaction-Bonded Electro-Conductive TiN-Si3N4 and Resistive A12O3-Si3N4", Ceram. Eng. Sei. Proc. 11[7-8] pp. 857-867 (1990) sind mehrphasige Keramiken mit elektrisch leitenden Anteilen bekannt. Auf mögliche Einsatzgebiete dieser Keramiken gehen die Autoren in dieser Veröffentlichung nicht ein.

Aus der DE 24 55 151 Al sind keramische Heizelemente auf der Basis von Siliciumcarbid bekannt, bei denen die elektrische Leitfähigkeit der Anschlußenden größer ist als die elektrische Leitfähigkeit des inneren Bereichs,

Aus der EP 0 107 511 Al sind elektrisch leitfähige Keramiken und daraus hergestellte Heizelemente bekannt, die aus einer Mehrphasenkeramik bestehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres heizbares keramisches Element vorzuschlagen, das sich mit einem üblichen elektrischen Anschluß versehen läßt und das dennoch auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden kann. Das Element soll so ausgelegt sein, daß sich ein steiler Temperaturgradient vom Heizbereich, der im praktischen Betrieb meist auf Temperaturen von

weit über 1000° C aufgeheizt wird, zu denjenigen Bereichen des Elements, die für die Kontaktierung mit elektrischen Anschlußleitungen vorgesehen sind, einstellt. Die Bereiche für die elektrische Kontaktierung sollen in allen Betriebszuständen des Elements so niedrig sein, daß die elektrische Kontaktierung mit metallischen Werkstoffen möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Schutzanspruch beschriebene heizbare keramische Element gelöst.

Das erfindungsgemäße heizbare keramische Element weist zwei äußere Bereiche und mindestens einen inneren Bereich auf. Die äußeren Bereiche dienen zur Kontaktierung mit einem elektrischen Leiter, beispielsweise einer üblichen Kupferleitung. Sie werden in allen Betriebszuständen des Elements auf einer niedrigen Temperatur unterhalb von 500° C gehalten. Somit werden die Kontaktstellen nicht durch thermisch induzierte Spannungen belastet oder durch temperaturbedingte chemische Reaktionen verändert. Der Anschluß der elektrischen Leiter an den äußeren Bereichen kann dann auch mit einem Lot erfolgen. Der innere Bereich wird dagegen auf eine höhere Temperatur von z. B. 1300° C gebracht.

Die äußeren Bereiche bestehen aus einer Keramik mit vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit, während die Keramik des inneren Bereichs eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der Temperaturunterschied zwischen dem inneren Heizbereich und den äußeren Kontaktierungsbereichen ergibt sich hierbei durch das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten beider Keramiken.

Eine sehr feine Einstellbarkeit des Temperaturgradienten zwischen dem inneren Heizbereich und den äußeren Kontaktierungsbereichen und eine wesentlich höhere mechanische Beständigkeit wird mit Mehrphasenkeramiken erzielt. Bevorzugte Mehrphasenkeramiken bestehen aus einer nicht oder schlecht leitenden Matrixkeramik wie z. B. Al₂O₃, ZrO₂, Si₃N₄, SiC oder TiO₂, in die als weitere Phase mindestens eine der elektrisch leitfähigen Verbindun-

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gen wie &zgr;. &Bgr;. ZrC, ZrN, ZrB₂, ZrSi₂, TiC, TiN, TiB₂, TaC, TaN, TaB₂, TaSi₂, MoB₂, Mo₂C, MoSi₂, HfB₂, HfC, HfN, ThB₆, ThC, NbB₂, NbC, NbN, LaB₆, VC, VN,W₂C eingebettet ist. Durch unterschiedlichen Anteil der elektrisch leitfähigen Verbindungen in der Matrixkeramik läßt sich die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem inneren Heizbereich und den beiden äußeren, verhältnismäßig kühlen Bereichen einstellen.

In analoger Weise kann durch Variation des Anteils der elektrisch leitenden Phase in der Matrixkeramik auch innerhalb des Heizbereichs ein Temperaturgradient eingestellt werden. Der innere Heizbereich läßt sich damit in Bereiche verschiedener Temperatur unterteilen.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Elements können verschiedene, an sich bekannte Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Preßmatrize, die für jeden Bereich des Elements eine Kammer aufweist, mit den Pulvern der jeweiligen Mehrphasenkeramik gefüllt, gepreßt und gesintert werden. Alternativ kann eine Preßmatrize eingesetzt werden, die nur Kammern für einen äußeren und die inneren Bereiche aufweist, wenn nach dem Sintern beide äußere Bereiche des Elements durch Einsägen hergestellt werden. In gleicher Weise ist eine Strukturierung eines Grünlings mit Hilfe von mikromechanischen Methoden möglich.

Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die geometrische Gestalt des heizbaren keramischen Elements kann weitgehend unabhängig von seiner elektrischen Funktion gewählt werden, weil der Widerstand nicht durch eine vorgegebene Abmessung des stromdurchflossenen Querschnitts eingestellt werden muß, wie dies bei Elementen mit einheitlicher Zusammensetzung der Fall ist. Der Übergang zu Anschlußkabeln, etwa aus Kupfer, kann räumlich entfernt vom inneren Heizbereich an den beiden äußeren Bereichen erfolgen. Damit entfallen Probleme einer temperaturbeständigen und elektrisch zuverlässigen Kontaktierung weitgehend. Die Herstellung des Elements ist ohne einen Fügevorgang oder einen anderen Prozeß, bei dem elektrisch leitfähige Materialien mit ver-

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schiedenen spezifischen elektrischen Widerständen miteinander verbunden werden, möglich. Hierdurch werden insbesondere Kontaktprobleme zwischen dem inneren Heizbereich und den äußeren Kontaktierungsbereichen vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Preßmatrize mit drei Kammern,

Fig. 2 ein mit Hilfe der Preßmatrize hergestelltes Element,

Fig. 3 eine Prinzipskizze des mit der Preßmatrize hergestellten Elements,

Fig. 4 eine durch Prägen strukturierte Folie.

BEISPIEL 1:

Eine 4,5 cm &khgr; 6,5 cm große Matrize wurde durch dünne Trennwände 1 in drei Kammern A, A, B unterteilt. Die äußeren Kammern A, A wurden mit einer Pulvermischung gefüllt, die aus AI2O3 mit 40 Vol.-% TiN bestand (Mischung A). Die mittlere Kammer B wurde mit einer Mischung aus Al₂O₃ mit 20 Vol.-% TiN (Mischung B) befüllt (s. Fig. 1). Nach dem Entfernen der Trennwände 1 wurden diese Pulvermischungen mit einer Preßmatrize 2 zu einer einzelnen Platte von ca. 4 mm Dicke verpreßt und anschließend durch Sintern verdichtet. Aus der gesinterten Platte wurden durch Sägen mehrere Plättchen von ca. 6 cm Länge, 4 mm Breite und ca. 1 mm Dicke hergestellt. Für die Mischung A mit einem TiN-Anteil von 40 Vol.-% wurde ein spez. elektr. Widerstand von ca. 250 &mgr;&OHgr;&agr;&eegr; gemessen, die Mischung B mit einem TiN-Anteil von nur 2 0 Vol.-% hatte einen spez. elektr. Widerstand von ca. 23 &mgr;&OHgr;&ogr;&iacgr;&agr;. Das Plättchen wurde an den äußeren Enden mit zwei Krokodilklemmen kontaktiert und eine Spannung angelegt. Der mittlere Bereich (Nutzbereich) des Plättchens mit dem geringeren TiN-Anteil er-

wärmte sich dabei auf über 1350° C. Dagegen erhitzten sich die Enden mit dem hohen TiN-Anteil {Kontaktbereich) nicht über 500° C. An der Grenze der beiden Bereiche wurde ein Temperaturgradient von über 200 °C/mm festgestellt. Der Zustand konnte an Luft für über 1 h aufrechterhalten werden. Auch war ein wiederholtes An- und Ausschalten möglich. Im Nutzbereich {>1350° C) wurde eine oberflächliche Oxidation zu nichtleitendem TiO2 festgestellt, nicht jedoch im Bereich der Kontakte (<500° C).

BEISPIEL 2:

Entsprechend Beispiel 1 wurde eine Preßmatrize eingesetzt, die jedoch in nur zwei Kammern unterteilt war. Die damit hergestellte Platte bestand aus zwei Bereichen, aus der mehrere Plättchen gesägt wurden. Diese wurden ihrerseits mit einem Einschnitt versehen, so daß das in Fig. 2 gezeigte haarnadelförmige Element entstand. Die Schenkelenden bestanden aus Al₂O₃ mit 40 Vol.-% TiN {Mischung A), der Haarnadelbogen bestand aus Al₂O₃ mit 20 Vol.-% TiN {Mischung B). Das haarnadelförmige Element wurde an seinen äußeren Enden mit zwei Krokodilklemmen kontaktiert und konnte bei über 1350° C 1 h an Luft betrieben werden. An der Grenze zwischen äußerem Kontakt- und innerem Nutzbereich wurde ein Temperaturgradient von >200 °C/mm beobachtet. Das beschriebene Element ist insbesondere geeignet, um einen Behälter zu erwärmen, in das der innere Heizbereich hineinragt, wobei eine Kontaktierung außerhalb des Behälters am kälteren Kontaktbereich erfolgt.

BEISPIEL 3:

Zur Herstellung des in Beispiel 2 beschriebenen Elements konnten anstelle des Sägens in gleicher Weise funkenerosive Verfahren eingesetzt werden.

BEISPIEL 4:

Es wurden Pulvermischungen aus Al₂O₃ mit 4 0 Vol.-% TiN und aus Al₂O₃ mit 20 Vol.-% TiN, sowie reines Al₂O₃ jeweils mit 5 Vol.-% Polyvinylbutyral (PVB) als Binder hergestellt. Die Pulver wurden auch hier in getrennte Kammern eingefüllt und verpreßt. Es entstanden verschiedene Platten gemäß Fig. 3, die übereinandergelegt wurden und sich in einem zweiten Preßvorgang bei 80° C zu einem Teil verbinden ließen. Dieser Körper wurde durch Sintern verdichtet und stellt ein Heizelement dar, dessen Heizbereich durch einen Mantel aus Al₂O₃ geschützt ist. Der Übergang vom Heizbereich zum Kontaktbereich ist ebenfalls durch Al₂O₃ geschützt. Der Anschluß stromführender Zuleitungen erfolgt über die freiliegenden Kontaktbereiche aus Al₂O₃ mit 40 Vol.-% TiN.

BEISPIEL 5:

Aus den Pulvermischungen A und B (siehe Beispiel 2) wurden durch Addition organischer Hilfsmittel Grünfolien hergestellt. Im einzelnen wurden Ethanol als Dispersionsmedium, Polyvinylbutyral (PVB) als Binder, Dibutylphthalat (DBP) als Plastifizierer und KV 9021 der Fa. Zschimmer & Schwarz als Verflüssiger eingesetzt. Quadratische Folienstücke aus der Mischung B wurden wie in Fig. 4 dargestellt und in der DE 43 10 068 Cl beschrieben durch Prägen mit einer Grabenstruktur versehen. Mehrere dieser Folien wurden gestapelt, wobei unstrukturierte Folien der Mischung A als Boden und Deckel des gesamten Stapels verwendet wurden. Der Folienstapel ließ sich durch Sintern verdichten, wodurch ein einzelnes Bauteil entstand, das von parallelen Kanälen durchsetzt war. Dieses Bauteil läßt sich im Sinne der Erfindung als Element verwenden, um ein flüssiges oder gasförmiges Medium zu erwärmen, das das durch Stromfluß erhitzte Bauteil durchströmt.

BEISPIEL 6:

Die Strukturierung der Folien zur Herstellung des in Beispiel 5 beschriebenen Elements gelang in gleicher Weise, indem die Folienmasse wie in der DE 19509668 Cl beschrieben über pyrolysierbare Filamente gegossen wurde.

BEISPIEL 7:

Das in Beispiel 5 beschriebene Elements konnte auch hergestellt werden, indem bereits gesinterte Platten der Mischung B durch
ein funkenerosives Verfahren strukturiert wurden. Mehrere strukturierte Platten wurden in einer Heißpresse bei einem Druck von 10 MPa bei 1500° C zu einem Teil verbunden.

Claims

Heizbares keramisches Element mit

a)zwei äußeren Bereichen und mindestens einem inneren Bereich aus einer Keramik, wobei

b)die äußeren Bereiche mit einem elektrischen Leiter kontaktierbar und

c)der innere Bereich aufheizbar ist, bei dem

d)die Keramik der äußeren Bereiche eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Keramik des inneren Bereichs,

e)die Keramik eine Mehrphasenkeramik ist, die aus mindestens einer Keramikphase mit niedriger und mindestens einer Keramikphase mit höherer elektrischer Leitfähigkeit besteht und

f)der Anteil der Phase mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit in den zwei äußeren Bereichen höher ist als in dem inneren Bereich.