DE4204288A1

DE4204288A1 - Keramische heizvorrichtung

Info

Publication number: DE4204288A1
Application number: DE4204288A
Authority: DE
Inventors: Shunkichi Nozaki; Yasuhiko Suzuki; Kazuho Tatematsu; Masakazu Iwai; Kiminori Horiki
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1992-08-20
Anticipated expiration: 2012-02-14
Also published as: US5264681A; DE4204288C2

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer keramischen Heizvorrich tung, welche im wesentlichen einen gesinterten Körper aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff und einen Heiz widerstand umfaßt, welcher in den Keramikkörper als ein Heiz element eingebettet ist. Die keramische Heizvorrichtung wird beispielsweise als eine Glühkerze bei einer Diesel-Brenn kraftmaschine oder als eine Zündeinrichtung für einen Gas oder Ölbrenner eingesetzt.

Bei üblichen keramischen Heizvorrichtungen ist der nichtoxi dische keramische Körper im allgemeinen aus einem keramischen Werkstoff auf Siliciumnitrid (Si₃N₄)-Basis oder einem kera mischen Werkstoff auf Aluminiumnitrid (AlN)-Basis hergestellt. Das Material des Heizwiderstandes ist entweder ein Metall, wie beispielsweise Wolfram oder seine Legierungen, oder es han delt sich um eine Metallverbindung, wie Wolframcarbid (WC), Titannitrid oder Tantalnitrid. Im Falle eines Metallwider standes wird häufig ein wendelförmig gewundener Draht einge setzt. Im Falle eines Widerstandes in Form einer Metallver bindung wird üblicherweise eine sogenannte Dickfilmauslegung eingesetzt, bei welcher ein Auftrags- und Brennverfahren un ter Verwendung einer Paste eingesetzt wird, welche ein Pulver aus dem Widerstandsmaterial enthält.

Im Hinblick auf bekannte keramische Heizvorrichtungen zeigt beispielsweise die JP-A-2-1 83 718 eine Glühkerze, welche einen Heizwiderstand aus Wolfram in einem keramischen Körper aus Aluminiumnitrid hat, welcher mit einem Siliciumcarbidfilm beschichtet ist. In JP-A-63-88 777 ist eine keramische Heiz vorrichtung gezeigt, die einen Heizwiderstand auf WC-Basis in einem keramischen Körper auf Siliciumnitrid- oder Alumi niumnitridbasis hat. In JP-A-63-81 787 ist eine keramische Heizvorrichtung gezeigt, die einen Heizwiderstand auf TiN- Basis in einem keramischen Körper mit Aluminiumnitridbasis hat.

Keramische Werkstoffe auf Siliciumnitridbasis haben ein rela tiv geringes Wärmeleitvermögen (etwa 17 W/mK). Wenn daher der Heizwiderstand in einem Heizvorrichtungskörper, der von ei nem solchen keramischen Material gebildet wird, mit Strom versorgt wird, verstreicht eine relativ lange Zeit, bis die Oberflächentemperatur des Heizteils einen ausreichend hohen Wert erreicht. Aus praktischen Gründen ist es ferner bei Heiz vorrichtungen erforderlich, die Temperatur des keramischen Körpers auf Siliciumnitridbasis niedriger als 1300°C zu hal ten. Wenn die Temperatur des keramischen Körpers 1300°C über schreitet, wird durch die Wärmeabgabe von dem Heizwiderstand oder von einer Umgebung mit hoher Temperatur, in welcher die Heizvorrichtung eingesetzt wird, der Keramikkörper ernsthaft und schnell ausgehend von der Oberfläche oxidiert. Selbst in der Luft führt der Ablauf der Oxidation des Keramikkörpers zu einem Oxidieren und Brechen des Heizwiderstandes. Bei dem Ein satz einer Glühkerze in einer Brennkraftmaschine wird der Ke ramikkörper durch die Erosion dünn.

Bei einem keramischen Werkstoff auf Siliciumnitridbasis gibt es eine Korngrenzenphase, welche einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (etwa 1400°C) hat. Wenn der Heizwiderstand in dem Körper aus keramischem Werkstoff aus Siliciumnitridbasis aus Wolfram, einer Wolframlegierung oder Wolframcarbid besteht und lange Zeit ein Stromdurchfluß aufrechterhalten wird, bis die Temperatur in der Nähe des Widerstandes sich 1600°C annähert, erfolgt eine Reaktion zwischen Wolfram und der vor stehend angegebenen Korngrenzenphase, wobei Wolframsilizid, WSi₂ im Oberflächenbereich des Widerstands gebildet wird. Als Folge hiervon wird der Heizwiderstand größer und es tritt ört lich im Extremfall ein nichtleitender Zustand ein.

Wenn der Heizwiderstand in dem keramischen Körper auf Sili ciumnitridbasis aus einem Metallnitrid wie TiN oder TaN be steht, besteht eine Möglichkeit, daß ein Teil des keramischen Werkstoffs auf Siliciumnitridbasis elektrolytisch versetzt wird, da eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der posi tiven Seite und der negativen Seite des Metallnitridwiderstan des auftritt. Wenn eine derartige Versetzung auftritt, erge ben sich Poren in dem keramischen Körper, wodurch die mecha nische Festigkeit des Keramikkörpers herabgesetzt wird und der Heizwiderstand örtlich nichtleitend werden kann.

Keramische Werkstoffe auf Aluminiumnitridbasis haben ein re lativ hohes Wärmeleitvermögen (etwa 170 W/mK). Als ein Mate rial für den Körper einer keramischen Heizvorrichtung ist diese Eigenschaft für einen schnellen Temperaturanstieg auf der Oberfläche des Heizteils des Heizkörpers günstig. Hierbei treten jedoch andere Schwierigkeiten auf. Im allge meinen wird ein Teil des Keramikkörpers als ein Tragteil ge nutzt, indem kein Heizwiderstand in diesem Teil eingebettet ist, und die elektrischen Anschlüsse der keramischen Heiz vorrichtung und die nach außen führenden Leitungen im Bereich dieses Halteteils eingeschlossen sind. Wenn die keramische Heizvorrichtung einen Keramikkörper auf Aluminiumnitridbasis hat, läßt er sich derart betreiben, daß sich die Temperatur des Heizteiles in einer Größenordnung von etwa 1300°C ein halten läßt, oder die Temperatur des Tragteils bzw. Stütz teils des Keramikkörpers steigt auf Werte von bis zu etwa 800°C innerhalb einer kurzen Zeit an. Daher besteht die Mög lichkeit für eine Oxidation an den Lötverbindungen der elek trischen Anschlüsse, woraus eine Verschlechterung der elek trischen Anschlußbedingungen resultiert. Das hohe Wärmeleit vermögen des Keramikkörpers führt zu einer leichten Frei setzung der Wärme von dem Tragteil des Keramikkörpers, wo durch der Energieverbrauch der Heizvorrichtung ansteigt.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine keramische Heizvorrich tung bereitzustellen, welche einen schnellen Temperaturan stieg des Heizteils gestattet, ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen hat, nie drige Temperaturen am Tragteil während des Arbeitens der Heiz vorrichtung hat und einen geringen Energieverbrauch ermög licht.

Nach der Erfindung wird eine keramische Heizvorrichtung bereit gestellt, welche einen gesinterten, nichtoxidischen kerami schen Körper hat, welcher ein Heizteil und ein Tragteil um faßt und welcher einen Heizwiderstand besitzt, der in das Heizteil des Keramikkörpers eingebettet ist. Nach der Erfin dung wird das Heizteil des Keramikkörpers von einem kerami schen Material auf Aluminiumnitridbasis wenigstens im Kern bereich gebildet, welcher in Kontakt mit dem Heizelement ist und dieses umgibt, und ferner ist nach der Erfindung die Aus legung derart getroffen, daß das Tragteil von einem kerami schen Werkstoff auf Siliciumnitridbasis wenigstens an sei nem Oberflächenbereich gebildet wird.

Bei dem Keramikkörper einer Heizvorrichtung nach der Erfin dung wird das Heizteil entweder vollständig oder nur in ei nem Kernbereich, welcher den Heizwiderstand umgibt, von ei nem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis gebildet. Im letzt genannten Fall kann gegebenenfalls der Kernbereich einen ihn bedeckenden Oberflächenbereich haben, welcher von ei nem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis gebildet wird.

Das Tragteil des Keramikkörpers wird von einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis entweder vollständig oder nur im Oberflächenbereich gebildet. Im letztgenannten Fall grenzt ein Kernbereich des Tragteils an den Kernbereich des Heiz teils an und wird von einem keramischen Werkstoff auf AlN-Ba sis gebildet.

Bei dem Keramikkörper nach der Erfindung kann gegebenenfalls oder vorzugsweise ein Verbindungsteil in Zwischenlage vorge sehen sein, welches von einem keramischen Werkstoffgemisch gebildet wird, welches sowohl AlN als auch Si₃N₄ mit einem An teilsgradienten von AlN zu Si₃N₄ zwischen dem Teil oder dem Bereich gebildet wird, der von dem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis gebildet wird und dem Teil oder dem Bereich, der von dem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis gebildet wird, um die beiden keramischen Werkstoffarten fest und haltbar miteinander zu verbinden, welche unterschiedliche Wärmedeh nungskoeffizienten haben.

Bei einer keramischen Heizvorrichtung nach der Erfindung wird das Hauptmaterial des Heizwiderstandes ausgewählt aus Wolfram, Wolframlegierungen, Wolframcarbid (WC) und Metallnitriden, wie TiN und TaN. Die Form des Heizwiderstandes ist keinen Beschränkungen unterworfen. Sie kann spiralförmig gewunden sein oder es kann sich um einen ungewundenen Draht oder ein bandförmiges Teil oder einen Film oder ein Flächengebilde han deln. Im Falle eines Filmwiderstandes kann es sich um eine sogenannte Dickfilmauslegung handeln, welche man mittels ei nes Auftrags- und Brennverfahrens unter Verwendung einer lei tenden Paste erhält, welche ein Pulver des Widerstandsmate rials enthält.

Beim Arbeiten einer keramischen Heizvorrichtung nach der Er findung steigt die Oberflächentemperatur des Heizteils schnell auf eine gewünschte hohe Temperatur an, da ein keramisches Material auf Aluminiumnitridbasis vorhanden ist, welches ein hohes Wärmeleitvermögen hat, und dieses als Hauptma terial des Heizteils genutzt wird. Der Heizwiderstand ist in einem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis eingeschlossen, so daß man eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen eine Oxidation bei hohen Temperaturen erhält, wodurch der Heizwiderstand vor einer Oxidation und einem hieraus resul tierenden Brechen geschützt ist. Andererseits bleibt die Temperatur des Tragteils relativ niedrig, da ein keramischer Werkstoff auf Si₃N₄-Basis vorhanden ist, welcher ein geringes Wärmeleitvermögen hat und dieser als Hauptmaterial für das Tragteil verwendet wird. Folglich bleiben die Lötverbindun gen der elektrischen Anschlüsse der Heizvorrichtung auf re lativ niedrigen Temperaturen und daher können sie nicht bre chen oder zu schlechten Übertragungsverhältnissen selbst dann nicht führen, wenn die Temperatur des Heizteils hoch wird. U.a. hat das geringe Wärmeleitvermögen des keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis im Tragteil den Effekt, daß ein Verlust der durch den Heizwiderstand erzeugten Wärme dank des Tragteils herabgesetzt wird, woraus sich ergibt, daß die Heizvorrichtung einen relativ geringen Energieverbrauch hat.

Bei einer keramischen Heizvorrichtung nach der Erfindung ist der Heizwiderstand in Kontakt mit einem keramischen Werk stoff auf AlN-Basis und ist in diesem eingeschlossen, ohne daß ein Kontakt mit einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Ba sis hergestellt wird. Daher ergeben sich im praktischen Ein satz keine Schwierigkeiten, wenn man irgendwelche beliebige vorstehend angegebene Widerstandsmaterialien einsetzt. Wenn Wolfram, eine Wolframlegierung oder Wolframcarbid zum Ein satz kommt, bleibt der Widerstand chemisch stabil und sein spezifischer Widerstand steigt selbst dann nicht an, wenn der Widerstand hohe Temperaturen annimmt, da der keramische Werkstoff auf AlN-Basis nur wenig von der Korngrenzenphase enthält und frei von Si ist. Selbst wenn ein Metallnitrid, wie TiN oder TaN verwendet wird, ist keine Möglichkeit für eine Elektrolyse des keramischen Werkstoffes auf AlN-Basis in Kontakt mit dem Nitridwiderstand gegeben. Somit führt das Vorhandensein eines Nitridwiderstandes nicht zu einer Herabsetzung der mechanischen Festigkeit des ihn umgebenden keramischen Werkstoffes auf AlN-Basis, oder es treten keine Poren im keramischen Werkstoff auf, so daß als Folge hiervon der Widerstand selbst kaum beschädigt oder ungünstig beein flußt wird.

Eine keramische Heizvorrichtung nach der Erfindung kann bei spielsweise als eine Glühkerze bei einer Diesel-Brennkraft maschine, als eine Zündeinrichtung für einen Öl- oder Gas brenner oder als eine Heizeinrichtung zur Verdampfung von Kerosin in einem mit einem Gebläse versehenen Kerosinofen eingesetzt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeich nung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar stellung einer keramischen Heizvorrichtung ge mäß einem ersten Beispiel nach der Erfindung in einem Rohzustand bzw. einem ungebrannten Zu stand vor dem Sintern,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der fertigbehan delten keramischen Heizvorrichtung gemäß dem ersten Beispiel,

Fig. 3 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar stellung einer Hälfte eines Rohkörpers, welcher in Fig. 1 gezeigt ist,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Hälfte des Rohkörpers, der in Fig. 1 gezeigt ist,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Heizwider standes, welcher in einer keramischen Heizvor richtung gemäß dem ersten Beispiel zum Einsatz kommt,

Fig. 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Anstiegs rate der Temperatur des Tragteils der kerami schen Heizvorrichtung gemäß dem ersten Bei spiel während des Betriebs der Heizvorrichtung unter Gegenüberstellung zu einer üblichen kera mischen Heizvorrichtung,

Fig. 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Art und Weise, mit der sich der Energieverbrauch der keramischen Heizvorrichtung gemäß dem ersten Beispiel zeit abhängig verändert, wobei eine Gegenüberstel lung zu einer üblichen keramischen Heizvor richtung verdeutlicht ist,

Fig. 8 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar stellung einer keramischen Heizvorrichtung ge mäß einem zweiten Beispiel nach der Erfindung in einem Rohzustand bzw. einem ungebrannten Zu stand vor dem Sintern,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der gesinterten, keramischen Heizvorrichtung gemäß dem zweiten Beispiel,

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen aufgebrachten Heiz widerstand der keramischen Heizvorrichtung gemäß dem zweiten Beispiel,

Fig. 11 eine Draufsicht auf ein Paar von gedruckten elektrischen Anschlüssen bei dieser kerami schen Heizvorrichtung,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht der keramischen Heizvorrichtung gemäß dem zweiten Beispiel, bei welcher zur Vervollständigung externe Leitungen angebracht sind,

Fig. 13 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar stellung einer keramischen Heizvorrichtung ge mäß einem weiteren Beispiel nach der Erfindung in einem Rohzustand bzw. ungebrannten Zustand vor dem Sintern,

Fig. 14 eine Draufsicht eines aufgebrachten bzw. auf gedruckten Heizwiderstands bei der keramischen Heizvorrichtung, welche in Fig. 13 gezeigt ist,

Fig. 15 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar stellung einer keramischen Heizvorrichtung ge mäß einem dritten Beispiel nach der Erfindung in einem Rohzustand bzw. einem ungebrannten Zu stand vor dem Sintern,

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht der gesinterten, keramischen Heizvorrichtung gemäß dem dritten Beispiel,

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer Hälfte des Rohkörpers nach Fig. 15 in einem nichtfertig gestellten Zustand, und

Fig. 18 eine perspektivische Ansicht der gleichen Hälfte des Rohkörpers in einem Zustand unmittelbar vor dem Aufdrucken des Heizwiderstandes und dem Anbringen der Anschlüsse.

Eine keramische Heizvorrichtung nach der Erfindung wird dadurch erstellt, daß ein Rohkörper aus einem keramischen Material gesintert wird, in welchem ein Heizwiderstand zu vor eingebettet ist. Üblicherweise umfaßt der Rohkörper ei ne Anordnung von zwei Teilen, und der Heizwiderstand wird auf einer Oberfläche eines Rohteils angeordnet, welches in Kontakt mit der gegenüberliegenden Fläche des anderen Roh teils kommt.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Er findung, welche in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird eine keramische Heizvorrichtung 10 verdeutlicht, welche als eine Glühkerze eingesetzt wird. Die keramische Heizvorrichtung 10 hat eine längliche Form, und wie in Fig. 2 gezeigt ist, um faßt der keramische Körper der Heizvorrichtung 10 ein Heiz teil 10a, welches ein Ende des länglichen Körpers umfaßt, ein Tragteil 10b, welches das gegenüberliegende Ende des länglichen Körpers umfaßt, und ein Verbindungsteil 10c, wel ches zwischen den Heiz- und Tragteilen 10a und 10b ange ordnet ist. Das Heizteil 10a des Keramikkörpers wird von ei nem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis gebildet, und das Tragteil 10b wird von einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄- Basis gebildet. Das Verbindungsteil 10c wird von einem ke ramischen Mischwerkstoff gebildet, welcher sowohl AlN als auch Si₃N₄ enthält.

Fig. 1 verdeutlicht einen Rohkörper 10′, welcher gesintert werden muß, um die keramische Heizvorrichtung 10 nach Fig. 2 zu erhalten. Der Rohkörper 10′ umfaßt eine Anordnung aus zwei Rohplatten 12 und 14. Die Einzelheiten dieser Rohplat ten 12, 14 werden nachstehend näher beschrieben. Der Heizwi derstand 16 und die Leitungsdrähte 18 werden auf die obere Fläche der Rohplatte 12 gelegt. Bei dieser bevorzugten Aus führungsform wird der Heizwiderstand 16 von einem gewundenen, dünnen Draht aus W oder einer Wolframlegierung, wie WRe ge bildet. Dann wird die andere Rohplatte 14 auf die Rohplatte 12 gelegt, und die beiden rohen Platten 12 und 14 werden durch Pressen zu einem Stück geformt. Der erhaltene Rohkör per 10′ wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer geeigneten Temperatur erwärmt, um ein organisches Bindemit tel aus dem Rohkörper freizusetzen. Anschließend wird der Rohkörper 10′ in einer nichtoxidierenden Atmosphäre üblicher weise mittels eines Heißpreß-Sinterverfahrens gesintert.

Der gesinterte Keramikkörper der Heizvorrichtung 10 wird ma schinell bearbeitet, um die Seitenfläche abzurunden und die Anschlußteile der Leitungsdrähte 18 freizulegen. Auch wird das vordere, spitze Ende des Heizteils 10a so bearbeitet, daß es eine halbkugelförmige Gestalt hat, um die Tempera turverteilung an dem vorderen Endteil zu vergleichmäßigen.

Die Rohplatte 12 umfaßt eine Anordnung aus einem ersten Haupt segment 20, welches von einem Keramikmaterial auf AlN-Basis gebildet wird, und welches eine Hälfte des Heizteils 10a des keramischen Heizkörpers wird, einem zweiten Hauptseg ment 28, welches von einem keramischen Material auf Si₃N₄-Ba sis gebildet wird, und eine Hälfte des Tragteils 10b des keramischen Heizkörpers wird, und drei nebeneinanderliegenden kleinen Segmenten 22, 24, 26, welche eine Hälfte des Verbin dungsteils 10c des keramischen Heizkörpers werden. Jedes dieser drei Segmente 22, 24, 26 wird von einem keramischen Material gebildet, welches sowohl AlN als auch Si₃N₄ enthält; diese drei Segmente 22, 24, 26 unterscheiden sich aber hin sichtlich des Anteils von AlN zu Si₃N₄ voneinander. Das Verhältnis von AlN zu Si₃N₄ ist im Segment 22 am höchsten, welches dem Hauptsegment 20 benachbart liegt und welches von AlN gebildet wird, das Verhältnis ist im Segment 26 am klein sten, welches dem Hauptsegment 28 benachbart liegt, welches von Si₃N₄ gebildet wird, sowie dazwischen im Mittelbereich in dem Mittelsegment 24. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, werden die fünf Segmente 20, 22, 24, 26, 28 der Rohplatte 12 ge sondert hergestellt, und diese fünf Segmente werden zu einer Rohplatte 12 vereinigt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und zwar beispielsweise mittels Preßformen. Anschließend wird der Heizwiderstand 16, wie der gewundene Draht 16 in der Ge stalt, welche in Fig. 6 beispielsweise gezeigt ist, auf das erste Hauptsegment 20 der Rohplatte 12 gelegt. Die Leitungs drähte 18, welche mit dem Widerstand 16 zuvor verbunden sind, verlaufen auf den Oberflächen der restlichen Segmente 22, 24, 26 und 28.

Unter symmetrischer Anordnung wird die gegenüberliegende Roh platte 14 von einer Anordnung aus einem ersten Hauptsegment 20′, welches von einem keramischen Material auf AlN-Basis gebildet wird, einem zweiten Hauptsegment 28′, welches von einem keramischen Material auf Si₃N₄-Basis gebildet wird und aus drei nebeneinanderliegenden kleinen Segmenten 22′, 24′, 26′ gebildet, die von keramischen Materialien gebildet werden, die AlN und Si₃N₄ in unterschiedlichen Anteilen enthalten, wie dies zuvor im Zusammenhang mit den drei Seg menten, 22, 24, 26 der Rohplatte 12 erläutert wurde.

Bei der gesinterten keramischen Heizvorrichtung 10 wird der Heizwiderstand 16 in das Heizteil 10a eingebettet, welches von dem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis gebildet wird, ohne einen direkten Kontakt mit dem Tragteil 10b zu haben, welches aus einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis aus gebildet ist. Im Verbindungsteil 10c ist ein Verhältnisgra dient von AlN zu Si₃N₄ vorhanden, d. h. es ist eine allmäh liche Abnahme von dem Heizteil 10a in Richtung zu dem Trag teil 10b vorhanden, da die drei unterschiedlich zusammenge setzten keramischen Werkstoffe genutzt werden, um das Ver bindungsteil des Rohkörpers 10′ bzw. die Segmente 22, 24, 26 der Platte 12 und die Segmente 22′, 24′, 26′ der Platte 14 zu bilden. Somit ist die Verbindung zwischen dem Heiz teil 10a, welches aus einem keramischen Werkstoff auf AlN- Basis ausgebildet ist, und dem Tragteil 10b, welches aus einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis ausgebildet ist, trotz des Umstandes fest und haltbar, daß eine Differenz zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten von AlN und Si₃N₄ vorhanden ist.

BEISPIEL 1

Eine keramische Heizvorrichtung der in den Fig. 1 und 2 ge zeigten Bauart wurde gemäß folgender Herstellungsweise er stellt.

Als Rohmaterial für einen keramischen Werkstoff auf Alumi niumnitridbasis wurden 100 Gewichtsteile von AlN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 1,0 µm mit 2 Gewichts teilen von Y₂O₃-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1,0 µm und 3 Gewichtsteilen Wachs gemischt, welches als ein Bindemittel eingesetzt wurde. Die Mischung erfolgte in Ethylalkohol 4 Stunden lang. Die erhaltene Aufschlämmung wur de mit Sprühtrocknen granuliert. Das erhaltene granulatför mige Material, welches als erstes Material bezeichnet wird, hatte etwa eine Teilchengröße von 60 µm und hatte ein gutes Fließvermögen. Das granulatförmige erste Material wurde zur Ausbildung des ersten Segments 20 der Rohplatte 12 und des ersten Segments 20′ der Rohplatte 14 geformt.

Als keramisches Material auf Siliciumnitridbasis wurden 100 Gewichtsteile von Si₃N₄-Pulver mit einer mittleren Teil chengröße von etwa 1,0 µm mit 3 Gewichtsteilen des vorste hend angegebenen Y₂O₃-Pulvers, 3 Gewichtsteilen von Al₂O₃- Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 1,0 µm und 3 Gewichsteilen Wachs gemischt. Die Mischung erfolgte in Ethylalkohol 4 Stunden lang. Die erhaltene Aufschläm mung wurde mittels Sprühtrocknen granuliert. Das erhaltene, kornförmige Material, welches als zweites Material bezeich net wird, hatte etwa eine mittlere Teilchengröße von 60 µm und ein gutes Fließvermögen. Das granulatförmige zweite Material wurde zur Ausbildung des Segments 28 der Rohplatte 12 und des Segments 28′ der Rohplatte 14 geformt.

Um die Rohmaterialien des keramischen Mischwerkstoffes zuzu bereiten, wurden das kornförmige erste Material und das korn förmige zweite Material in ausgewählten Verhältnissen ge mischt. So wurden die ersten und die zweiten Materialien in einer V-förmigen Mischvorrichtung derart gemischt, daß man ein granulatförmiges bzw. kornförmiges drittes Material er hielt, bei dem sich das Verhältnis von AlN zu Si₃N₄ auf 75 : 25 gewichtsbezogen belief, daß man ein kornförmiges bzw. granulatförmiges viertes Material erhält, bei dem sich das Verhältnis von AlN zu Si₃N₄ auf 50 : 50 gewichtsbezogen belief und ein granulatförmiges bzw. kornförmiges fünftes Material erhält, bei dem das Verhältnis von AlN zu Si₃N₄ sich ge wichtsbezogen auf 25 : 75 belief. Das dritte Material wurde zur Ausbildung der Segmente 22 und 22′ in Fig. 1 entsprechend geformt. Das vierte Material wurde zur Ausbildung der Segmen te 24 und 24′ geformt und das fünfte Material wurde zur Aus bildung der Segmente 26 und 26′ in entsprechender Weise ge formt.

Die Rohplatte 12 wurde dadurch ausgebildet, daß die fünf Segmente 20, 22, 24, 26 und 28 in der in Fig. 3 gezeigten Reihenfolge übereinandergelegt wurden und daß die fünf Seg mente mittels des Preßformens vereinigt wurden. Die andere Rohplatte 14′ wurde auf entsprechende Weise hergestellt.

Der Heizwiderstand 16 war ein spiralförmig gewundener Draht aus W (Reinheit 99,99%) mit einem Durchmesser von 0,2 mm. Die Leitungsdrähte 18 waren Drähte aus W (Reinheit 99,99%) mit einem Durchmesser von 0,4 mm. Die Unteranordnung aus dem Heizwiderstand 16 und den Leitungsdrähten 18 wurde auf die Rohplatte 12 auf die in Fig. 1 gezeigte Weise gelegt. Dann wurde die Rohplatte 14 auf die Rohplatte 12 gelegt und die beiden Rohplatten wurden zu dem Rohkörper 10′ mittels Auf bringen eines Druckes vereinigt, welcher höher als der Druck war, der beim Preßformvorgang eingesetzt wurde, mittels wel chem die jeweiligen beiden Rohplatten 12 und 14 ausgebildet wurden.

Der Rohkörper 10′ wurde in Stickstoffgas bei 600°C 1 Stunde lang erwärmt, um das Wachs (Bindemittel) aus dem Rohkörper zu entfernen. Anschließend wurde Bornitrid, welches als ein Trennmittel eingesetzt wird, auf die Oberfläche des Rohkör pers 10′ aufgebracht, und der Rohkörper wurde in einer Stick stoffgasatmosphäre mittels eines isostatisch Heißpreßsinter verfahrens gesintert. Der hierbei eingesetzte Druck belief sich auf 250 kg/cm² (etwa 250 bar), und das Sintern wurde ab geschlossen, indem eine Temperatur von 1800°C 1 Stunde lang beibehalten wurde.

Der Keramikkörper der gesinterten, keramischen Heizvorrich tung 10 wurde spitzenlos geschliffen, um die Seitenfläche abzurunden, und die Anschlußteile der Leitungsdrähte 18 freizulegen. Ferner wurde der vordere Endabschnitt des Heiz teils 10a so geschliffen, daß er halbkugelförmig wurde. An schließend wurden externe Leitungen (nicht gezeigt) mit den Anschlußteilen der Leitungsdrähte 18 verbunden, um eine fer tiggestellte keramische Heizvorrichtung zu erhalten. Bei der erhaltenen, keramischen Heizvorrichtung belief sich der Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen auf 130 Milliohm.

Es hat sich gezeigt, daß das keramische Material auf AlN-Ba sis, welches das Heizteil 10a des Keramikkörpers bildet, ei ne Menge an Korngrenzenphase mit relativ niedrigem Schmelz punkt in der Größenordnung von kleiner als 2 Vol.-% hatte. Das Wärmeleitvermögen des keramischen Werkstoffs auf AlN-Ba sis belief sich auf etwa 170 W/mK. Wenn eine Spannung von 12 V an die keramische Heizeinrichtung bei diesem Beispiel angelegt wurde, stieg die Oberflächentemperatur des Heizteils 10a auf 900°C innerhalb 2 Sekunde an und erreichte innerhalb von 15 Sekunden eine Temperatur von 1500°C. Somit ist die Tem peraturanstiegsrate des Heizteils 10a ziemlich groß.

Zum Test blieb die keramische Heizvorrichtung nach Beispiel 1 derart eingeschaltet, daß die Oberflächentemperatur des Heiz teils 10a konstant auf etwa 1300°C blieb, und zugleich wurde die Temperatur des Tragteils bzw. Halteteils 10b in einem Bereich der Anschlußteile der Leitung 18 gemessen. Das Ergeb nis ist in Fig. 6 durch den Kurvenzug A gemäß durchgezogener Linie verdeutlicht. Wie sich hieraus ersehen läßt, über schritt die Temperatur des Tragteils 10b 500°C nicht. Daher ist es nicht erforderlich, das Tragteil 10b zusätzlich und zwangsweise zu kühlen, um eine Oxidation oder ein Schlechter werden der Lötverbindungen zwischen den Anschlüssen der Lei tungen 18 mit den externen Leitungen zu verhindern. Zum Ver gleich wurde eine keramische Heizvorrichtung auf dieselbe Weise getestet, welche nicht entsprechend der Erfindung aus gelegt war. Die als Vergleich dienende keramische Heizvor richtung hatte einen Heizwiderstand (W-Draht), welcher wie beim vorstehend genannten Beispiel 1 in einen Keramikkörper eingesetzt war, der vollständig aus einem keramischen Werk stoff auf AlN-Basis ausgebildet war. Dieser keramische Werk stoff ist im Beispiel 1 gezeigt. Das Testergebnis ist in Fig. 6 durch den in gebrochener Linie dargestellten Kurven zug B verdeutlicht. Bei diesem Beispiel erreichte die Tem peratur des Tragteils (welches aus keramischem Werkstoff auf AlN-Basis hergestellt war) innerhalb einer kurzen Zeit 800°C.

Bei einem weiteren Test blieb die keramische Heizvorrichtung nach Beispiel 1 und jene gemäß dem Vergleichsbeispiel so lange eingeschaltet, daß die Oberflächentemperatur des Heizteils 10a sich konstant auf etwa 1000°C belief, um den Energieverbrauch der jeweiligen keramischen Heizvorrichtung in Relation zur Betriebszeit zu messen. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt. Der in durchgezogener Linie dargestellte Kurvenzug A bezieht sich auf die keramische Heizvorrichtung im Beispiel 1 und der in gebrochener Linie dargestellte Kur venzug B bezieht sich auf die als Vergleichsbeispiel dienende keramische Heizvorrichtung. Im Vergleich zu der als Vergleichs beispiel dienenden keramischen Heizvorrichtung ist zu erse hen, daß die keramische Heizvorrichtung nach Beispiel 1 ei nen geringeren Energieverbrauch um etwa 10 W hat. Bei der keramischen Heizvorrichtung nach Beispiel 1 wurde das Trag teil 10b von einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis gebildet, welcher ein geringes Wärmeleitvermögen (etwa 17 W/mK) hatte, wodurch der Wärmeverlust von dem Tragteil 10b herab gesetzt wurde.

Bei dem Heizteil 10a der keramischen Heizvorrichtung nach Beispiel 1 liegt der Wärmedehnungskoeffizient des keramischen Werkstoffs auf AlN-Basis (etwa 4,4·10⁶ im Bereich von Raumtemperatur zu 800°C) nahe des Wärmedehnungskoeffizienten von Wolfram (etwa 5,05·10⁶ im Bereich von Raumtemperatur auf 800°C), so daß nur eine geringe Möglichkeit des Brechens für die keramische Heizvorrichtung, verursacht durch eine Dif ferenz zwischen dem Heizwiderstand 16 und dem umgebenden ke ramischen Material hinsichtlich der Wärmedehnungskoeffizien ten, besteht.

Bei der keramischen Heizvorrichtung nach Beispiel 1 dient das Verbindungsteil 10c, welches sowohl AlN als auch Si₃N₄ mit dem vorstehend angegebenen Verhältnisgradienten von AlN zu Si₃N₄ enthält, zum festen und dauerhaften Verbinden des Tragteils 10b (keramischer Werkstoff auf Si₃N₄-Basis) mit dem Heizteil 10a (keramischer Werkstoff auf AlN-Basis) trotz der Differenz zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten der beiden Teile 10b und 10a.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungs form nach der Erfindung. Hierbei handelt es sich um eine ke ramische Heizvorrichtung 10, welche zum Einsatz mit einem mit einem Gebläse versehenen Kerosinofen als eine Heizvorrichtung zum Verdampfen von Kerosin eingesetzt wird. Im Prinzip ist diese keramische Heizvorrichtung in ähnlicher Weise wie die keramische Heizvorrichtung nach den Fig. 1 und 2 ausgelegt, obgleich der Keramikkörper dieser keramischen Heizvorrichtung in Form eines im Querschnitt viereckförmigen Teils ausgelegt ist. Der Keramikkörper umfaßt ein Heizteil 10a, welches von einem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis gebildet wird, ein Tragteil 10b, welches von einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis gebildet wird, und ein Verbindungsteil 10c, wel ches von einem keramischen Werkstoffgemisch gebildet wird, welches sowohl AlN als auch Si₃N₄ mit einem Verhältnisgradien ten von AlN zu Si₃N₄ enthält.

Wie sich aus Fig. 8 ersehen läßt, wird der Rohkörper 10′ für den Keramikkörper der Heizvorrichtung von einer Anordnung aus zwei Rohplatten 12 und 14 gebildet, wobei die jeweiligen Rohplatten 12, 14 gemäß einer Verfahrensweise hergestellt wur den, die zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 erläutert wurde. Bei dieser keramischen Heizvorrichtung ist der Heiz widerstand 16A ein Film, und das Hauptmaterial des Heizwider standes 16A ist WC. Jede der Leitungen 18A ist ein Film aus Wolfram. Der Heizwiderstand 16A wird dadurch ausgebildet, daß eine WC-Pulver enthaltende Paste auf die Oberfläche der Rohplatte 12 mittels Siebdrucken aufgebracht wird. Dann wer den die Leitungen 18A dadurch ausgebildet, daß eine W-Pulver enthaltende Paste auf die gleiche Oberfläche des Rohkörpers 12 mittels Siebdrucken aufgebracht wird. Wie in den Fig. 10 und 11 beispielsweise gezeigt ist, hat der Heizwiderstand 16A längliche Verlängerungsteile, wie die Leitungen 18A, wel che über den Verlängerungsteilen des Heizwiderstandes 16A liegen können. Somit erhält man eine gute elektrische Ver bindung zwischen den Leitungen 18A und dem Heizwiderstand 16A. Nach der Ausführung der Siebdruckvorgänge an den beiden Rohplatten 12 und 14 werden diese mittels Pressen vereinigt, und der erhaltene Rohkörper 10′ wird nach dem Entfernen des Bindemittels gesintert. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird die keramische Heizvorrichtung dadurch fertiggestellt, daß ex terne Leitungen 30 an den entsprechenden Leitungen 18a mit tels Löten angebracht werden.

BEISPIEL 2

Eine keramische Heizvorrichtung der in den Fig. 8 und 9 ge zeigten Bauart wurde mittels des Verfahrens nach Beispiel 1 abgesehen davon erstellt, daß der Heizwiderstand 16A und die Leitungen 18A auf die nachstehend näher beschriebene Weise ausgebildet wurden. Die Materialien des Keramikkörpers sidn gleich wie beim Beispiel 1.

Um den Heizwiderstand 16A auszubilden, wurde eine Paste da durch zubereitet, daß 80 Gewichtsteile von WC-Pulver (Rein heit 99,5%; mittlerer Teilchendurchmesser 1,3 µm) und 20 Ge wichtsteile AlN-Pulver (Reinheit 99,9%; mittlere Teilchen größe 1,0 µm) in Aceton gemischt wurden, in welchem Butyl carbitol (welches als ein Bindemittel eingesetzt wird) ge löst war, um die Viskosität der erhaltenen Paste auf etwa 800 Poise einzustellen. Mittels Siebdrucken wurde die Paste auf die Rohplatte 12 derart aufgebracht, daß ein Film aus gebildet wurde, der eine Dicke von etwa 40 µm und ein Muster hatte, das in Fig. 10 gezeigt ist. Um die Leitungen 18A aus zubilden, wurde eine Paste dadurch zubereitet, daß W-Pulver in einer Lösung aus Butylcarbitolaceton dispergiert wurde, und daß die Paste mittels Siebdrucken auf die Verlängerungs abschnitte des Heizwiderstandsfilms (16A) auf der Rohplatte 12 aufgebracht wurde. Wenn der Rohkörper 10′ gesintert wur de, wurden die leitenden Filme (16A, 18A) in dem Rohkörper gleichzeitig gesintert.

BEISPIEL 3

Dieses Beispiel stellt eine geringfügige Modifikation des Beispieles 2 lediglich im Hinblick auf die Materialien des aufgedruckten Heizwiderstands 16A und der aufgedruckten Lei tungen 18A dar.

Bei diesem Beispiel ist das Hauptmaterial des Heizwiderstan des 16A TiN, und der Heizwiderstand 16A wurde dadurch aus gebildet, daß eine Paste eingesetzt wurde, welche dadurch zubereitet wurde, daß 60 Gewichtsteile von TiN-Pulver (Rein heit 99,5%; mittlere Teilchengröße 1,3 µm) und 40 Gewichts teile von AlN-Pulver (Reinheit 99,9%; mittlere Teilchengrös se 1,0 µm) in Aceton gemischt wurden, in welchem Butylcarbi tol als Lösungsmittel zur Einstellung der Viskosität der Paste auf etwa 800 Poise gelöst war. Durch das Vermischen von TiN mit AlN läßt sich leicht der spezifische Wider stand einstellen, und es ist ebenfalls möglich, den Wärme dehnungskoeffizienten des Heizwiderstandes 16A jenem des keramischen Materials auf AlN-Basis anzunähern, welches als Material für das Heizteil 10a des keramischen Heizkörpers eingesetzt wird.

Die Leitungen 18A wurden dadurch ausgebildet, daß eine Paste verwendet wurde, die dadurch zubereitet wurde, daß 80 Ge wichtsteile von WC-Pulver (Reinheit 99%; mittlere Teilchen größe 1 µm) und 20 Gewichtsteile Si₃N₄-Pulver (Reinheit 99%;, mittlere Teilchengröße 1,0 µm) in Aceton gemischt wurden, in welchem Butylcarbitol zur Einstellung der Viskosität der Paste auf etwa 800 Poise gelöst war.

Bei der keramischen Heizvorrichtung nach Beispiel 3 belief sich der Widerstand zwischen den beiden Leitungen 18A auf 125 Ohm. Wenn eine Spannung von 100 V an den Heizwiderstand 16a bei dieser keramischen Heizvorrichtung angelegt wurde, stieg die Oberflächentemperatur des Heizteils 10a innerhalb von 5 Sekunden auf 800°C an und erreichte einen Wert von 1300°C in 40 Sekunden.

BEISPIEL 4

Dieses Beispiel stellt eine weitere Modifikation des Bei spiels 2 dar. Bei diesem Beispiel war das Hauptmaterial des aufgedruckten Heizwiderstands 16A TaN. Der spezifische Widerstand von TaN beläuft sich auf etwa das 5-fache im Vergleich zu jenem von TiN.

Wie in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist, wurde der Heizwider stand 16A bei diesem Beispiel derart ausgebildet, daß man ein meanderförmiges Muster oder ein sich wiederholendes wendelförmiges Muster erhielt. Die verlängerten Anschluß abschnitte des Heizwiderstandes 18A wurden hinsichtlich den Breitenabmessungen breiter gemacht, um den Widerstand herab zusetzen, und diese Teilen wurden als Leitungen benutzt, ohne daß über diesen Teilen ein weiteres leitendes Material vorgesehen wurde.

Der Heizwiderstand 16A wurde unter Einsatz einer Paste aus gebildet, die dadurch zubereitet wurde, daß 80 Gewichtsteile von TaN-Pulver (Reinheit 99,5%; mittlere Teilchengröße 1,0 µm) und 20 Gewichtsteile AlN-Pulver (Reinheit 99,9%; mittlere Teilchengröße 1,0 µm) in Aceton gemischt wurden, in welchem Butylcarbitol zur Einstellung der Viskosität der Paste auf etwa 800 Poise gelöst war.

Die Fig. 15 und 16 zeigen eine weitere keramische Heizvor richtung 10 als eine weitere bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, umfaßt der Roh körper 10′ für diese keramische Heizvorrichtung 10 eine An ordnung aus zwei Rohplatten 12A und 14A. Der Heizwiderstand 16, welcher von einem Draht aus Wolram oder einer Wolframle gierung gebildet wird, und die Leitungsdrähte 18 sind auf der oberen Fläche des Rohteils 12A angeordnet. Dann wird die gegenüberliegende Rohplatte 14A auf die Rohplatte 12A gelegt, und die beiden Rohplatten 12A, 14A werden mittels Pressen vereinigt.

Bei der Rohplatte 12A ist ein Mittelbereich 32 aus einem ke ramischen Werkstoff auf AlN-Basis ausgebildet, und der rest liche, äußere Bereich 13 ist aus einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis ausgebildet. Der Mittelbereich 32 ist derart ausgelegt, daß der Heizwiderstand 16 auf der Oberfläche dieses Bereiches 32 angeordnet werden kann, ohne einen Kontakt mit dem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis des äußeren Berei ches 34 herzustellen. Die gegenüberliegende Rohplatte 14A hat auch einen Mittelbereich (in Fig. 15 nicht gezeigt), wel cher von einem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis gebildet wird, und der restliche, äußere Bereich 34′ umfaßt einen ke ramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis. Daher ist bei der ke ramischen Heizvorrichtung 10, die man durch Sintern des Roh körpers 10′ nach Fig. 15 erhält, nur ein Kernbereich des Ke ramikkörpers aus einem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis ausgebildet, und der Heizwiderstand 16 ist in diesen Kernbe reich eingebettet. Die restlichen, im Querschnitt außen liegen den Bereiche werden von keramischem Werkstoff auf Si₃N₄-Basis gebildet. Obgleich der Kernbereich aus keramischem Werkstoff auf AlN-Basis sich nahezu über die gesamte Länge des Ke ramikkörpers hinwegerstreckt, ist der Heizwiderstand 16 in einem begrenzten Längsbereich, ausgehend von einem Ende des Keramikkörpers, angeordnet. Somit dient ein vorderer Teil des länglichen Keramikkörpers, in welchem der Heizwiderstand 16 eingeschlossen ist, als ein Heizteil 10a, und der restliche, hintere Teil dient als ein Tragteil 10b.

BEISPIEL 5

Eine keramische Heizvorrichtung der in den Fig. 15 und 16 gezeigten Bauart wurde dadurch erstellt, daß die Verfahrens weise nach Beispiel 1 auf die nachstehend angegebene Weise modifiziert wurde.

Um die in Fig. 15 gezeigte Rohplatte 12A zu erhalten, wurde das kornförmige, zweite Material (keramischer Werkstoff auf Si₃N₄-Basis) zubereitet nach dem Beispiel 1 zu einem Roh teil 34 geformt, welches in Fig. 17 gezeigt ist. Dieses Roh teil 34 ist eine Platte, welche eine relativ breite Ausneh mung 35 hat. Angrenzend an die Ausnehmung 35 wurde das korn förmige, erste Material (keramischer Werkstoff auf AlN-Ba sis) eingefüllt, welches nach Beispiel 1 zubereitet ist, und das Rohteil 34 und das erste Material der Ausnehmung 35 wur den mittels Preßformen vereinigt. Wie in Fig. 18 gezeigt ist, hatte die erhaltene Rohplatte 12A einen Mittelbereich 32, welcher von einem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis ge bildet wird, und einen äußeren Bereich 34, welcher von ei nem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis gebildet wird. Die gegenüberliegende Rohplatte 14A wurde auf dieselbe Vor gehensweise erstellt. Der Heizwiderstand 16 und die Leitungs drähte 18 wurden auf die Rohplatte 12A gelegt. Anschließend wurden die Rohplatten 12A und 14A in Form des Rohkörpers 10A angeordnet, und der Rohkörper wurde auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 1 gesintert.

Die keramische Heizvorrichtung, welche in den Fig. 15 und 16 gezeigt ist, hat eine äußerst hohe Quersteifigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen, da ein Kern aus einem keramischen Werkstoff auf AlN-Basis unter enger Berührung von einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Ba sis umgeben ist. Bei dem Drei-Punkt-Biegetestverfahren mit einer Spannweite von 20 mm belief sich die Biegefestigkeit dieser keramischen Heizvorrichtung auf 90 kg/mm² bei Raumtem peratur und auf 75 kg/mm² bei 1200°C. Die getesteten kerami schen Heizvorrichtungen hatten einen Außendurchmesser von 3,5 mm und eine Länge von 37 mm. Zum Vergleich wurde eine weitere keramische Heizvorrichtung derselben Bauart und mit denselben Abmessungen dadurch erstellt, daß nur keramischer Werkstoff auf AlN-Basis eingesetzt wurde, um den Keramikkörper insgesamt zu bilden. Die Biegefestigkeit der als Vergleichs beispiel dienenden keramischen Heizvorrichtung belief sich auf 35 kg/mm² bei Raumtemperatur und auf 30 kg/mm² bei 1200°C.

Im Hinblick auf den Heizwiderstand 16 bei der keramischen Heizvorrichtung nach den Fig. 15 und 16 ist es möglich, einen Film einzusetzen, welcher mittels eines Druckverfahrens er stellt ist und an Stelle des dargestellten Drahtes vorgese hen ist.

Als eine mögliche Modifikation der keramischen Heizvorrich tung nach den Fig. 13 und 14 kann das Tragteil 10b voll ständig von einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis er stellt werden, indem die Länge des Kernbereiches 32 des ke ramischen Werkstoffs auf AlN-Basis vermindert wird. Als eine weitere mögliche Modifikation können sowohl der Kern als auch die Oberflächenbereiche des Heizteils 10a des Keramikkör pers von keramischem Werkstoff auf AlN-Basis ausgebildet werden, ohne daß eine Abdeckung mit einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis vorgesehen ist, oder daß nur eine Teilabdeckung mit einem keramischen Werkstoff auf Si₃N₄-Basis vorgesehen ist. Auch ist es möglich ein Zwi schenteil (nicht gezeigt) anzuordnen, welches aus einem ke ramischen Mischmaterial ausgebildet ist, welches sowohl AlN als auch Si₃N₄ mit einem Anteilsgradienten von AlN zu Si₃N₄ zwischen dem Kernbereich 32 des keramischen Werkstoffs auf AlN-Basis und des äußeren Bereiches 34 des keramischen Werkstoffs auf Si₃N₄-Basis enthält.

Bei allen voranstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungs formen oder den Beispielen der Erfindung kann gegebenenfalls die Oberfläche des Keramikkörpers mit einem korrosionsbestän digen Material, wie SiC oder ß-Sialon beschichtet sein, um die Haltbarkeit der keramischen Heizvorrichtung weiter zu steigern.

Claims

1. Keramische Heizvorrichtung, welche einen gesinter ten, nichtoxidischen, keramischen Körper aufweist, welcher ein Heizteil (10a) und ein Tragteil (10b) und einen Heiz widerstand (16, 16a) hat, der in das Heizteil (10a) des Keramikkörpers (10, 10′) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizteil (10a) des Keramikkörpers (10, 10,) aus einem keramischen Werkstoff auf Aluminiumnitridbasis wenigstens in einem Kernbereich (32) hiervon ausgebildet ist, welcher in Kontakt mit dem Heizelement (16, 16A) ist und dieses umgibt, und daß das Tragteil (10b) aus einem keramischen Werkstoff auf Siliciumnitridbasis wenigstens in einem Ober flächenbereich desselben ausgebildet ist.

2. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptmaterial des Heizwiderstandes (16, 16A) aus der Gruppe gewählt ist, welche elementares Wolfram, Wolframcarbid (WC) und Wolframlegierungen umfaßt.

3. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptmaterial des Heizwiderstandes (16, 16A) ein Metallnitrid ist.

4. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallnitrid aus der Gruppe gewählt ist, welche TiN und TaN umfaßt.

5. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper (10, 10′) ein Verbindungsteil (10c) hat, welches zwischen dem Heizteil (10a) und dem Tragteil (10b) angeordnet ist und aus einem keramischen Mischmaterial ausgebildet ist, welches sowohl Aluminiumnitrid als auch Siliciumnitrid mit einem Anteils gradienten von Aluminiumnitrid zu Siliciumnitrid in einer solchen Weise enthält, daß das Verhältnis in einem Endbe reich des Verbindungsteils (10c) in der Nähe des Heizteils (10a) am größten und im gegenüberliegenden Endbereich in der Nähe des Tragteils (10b) am kleinsten wird.

6. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (10, 10′) eine läng liche Gestalt hat, das Heizteil (10a) an ein Ende des läng lichen Keramikkörpers (10, 10′) angrenzt und im wesentli chen vollständig von einem keramischen Werkstoff auf Alumi niumnitridbasis gebildet wird, daß das Tragteil (10b) an das gegenüberliegende Ende des länglichen Keramikkörpers (10, 10′) angrenzt, und daß dieses im wesentlichen voll ständig von einem keramischen Werkstoff auf Siliciumnitrid basis gebildet wird.

7. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Keramikkörper (10, 10′) ein Verbindungsteil (10c) hat, welches zwischen dem Heiz teil (10a) und dem Tragteil (10b) angeordnet ist und von einem keramischen Mischwerkstoff gebildet wird, welcher so wohl Aluminiumnitrid als auch Siliciumnitrid mit einem Verhältnisgradienten von Aluminiumnitrid zu Siliciumni trid in einer solchen Weise enthält, daß der Anteii an ei nem Endbereich des Verbindungsteils (10c) in der Nähe des Heizteils (10a) am größten und am gegenüberliegenden End bereich des Verbindungsteils (10c) in der Nähe des Trag teils (10b) am kleinsten wird.

8. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (10c) eine Mehrzahl von Segmenten (22, 24, 26, 28) umfaßt, welche sich hin sichtlich des Verhältnisses von Aluminiumnitrid zu Silicium nitrid unterscheiden und bei denen jedes Segment (22, 24, 26, 28) hinsichtlich des Anteils von Aluminiumnitrid zu Siliciumnitrid im wesentlichen gleichförmig ist.

9. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizteil (10a) des Keramikkörpers (10, 10′) einen Überzugsbereich hat, welcher den Kernbe reich (32) umgibt und von einem keramischen Werkstoff auf Siliciumnitridbasis gebildet wird.

10. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (10b) des Keramikkörpers (10, 10′) einen Kernbereich (32) hat, welcher von diesem Oberflächenbereich bedeckt ist, der an dem Kernbereich (32) des Heizteils (10a) angrenzt und von einem keramischen Werk stoff auf Aluminiumnitridbasis gebildet wird.

11. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (10, 10′) eine läng liche Gestalt hat, das Heizteil (10a) an ein Ende des läng lichen Keramikkörpers (10, 10′) angrenzt, und daß das Trag teil (10b) an das gegenüberliegende Ende des länglichen Ke ramikkörpers (10, 10′) angrenzt.

12. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (16, 16A) von einem Draht gebildet wird.

13. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (16, 16A) von einem Film gebildet wird.

14. Keramische Heizvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (16, 16A) von einem dicken Film gebildet wird, der mittels eines Druckverfahrens unter Verwendung einer Paste aufgebracht wird, welche ein Pulver aus dem Werkstoff des Heizwiderstandes enthält.