DE60015993T2

DE60015993T2 - Dickschicht-heizelement mit aluminiumsubstrat

Info

Publication number: DE60015993T2
Application number: DE60015993T
Authority: DE
Inventors: Hongy Lin; Thomas Laskowski
Original assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: EP1212924A1; CA2381716C; CA2381716A1; WO2001011924A1; US6222166B1; US20010014373A1; AU7056200A; JP2003506837A; EP1212924B1; ATE282938T1; DE60015993D1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Dickfilm-Widerstandselementheizungen, genauer eine Dickfilmheizung mit einem Metallsubstrat, bei der das Metall einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie beispielsweise Aluminium.
2. Stand der Technik
Wie im Folgenden verwendet, bezeichnet „Dickfilm" eine metallbasierte Paste, die ein organisches Bindemittel und Lösungsmittel enthält, wie etwa ESL 590 Tinte, die von Electro-Science-Laboratories, Inc., Philadelphia, Pennsylvania („ESL") hergestellt wird. Mit „Keramikoxid" wird eine hitzebeständige Art Keramik mit einem hohen Gehalt an oxidiertem Metall bezeichnet; „MPa" bedeutet Megapascal (große Druckeinheiten); „Wärmeausdehnungskoeffizient (10^–6/°C)" (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) bedeutet Millionstel Längeneinheiten pro Längeneinheit und Grad Celsius oder „parts per million" pro Grad Celsius; und „W/mK" bedeutet Watt pro Meter und Kelvin (Einheiten der Wärmeleitfähigkeit). Als hochausdehnende Metallsubstrate werden bezeichnet Eisen- oder Nichteisenmetalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16×10^–6/°C oder mehr.
Dickfilm-Widerstandselementheizungen sind relativ dicke Schichten eines widerstandsbehafteten, metallbasierten Films, verglichen zur „Dünnfilm"-Technologie (ein bis zwei Größenordnungen dünner als Dickfilm), und werden üblicherweise auf eine glasbasierte dielektrische Isolatorschicht auf einem Metallsubstrat aufgebracht, wenn sie als Heizung benutzt werden.
Heizungen mit einem Körper oder einem Substrat, das aus einem Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 16×10^–6/°C besteht, wie hochreines Aluminium oder hochausdehnender Edelstahl, sind anzustreben. Der Grund dafür ist, dass Aluminium oder ähnliche Metalle ausgezeichnete Wärmeleitungseigenschaften haben, die sie zum idealen Substrat oder Körper für Heizungen machen, die eine besonders gleichförmige Temperaturverteilung erfordern. Allerdings ist es bei Metallen, die hervorragende Eigenschaften bezüglich Wärmeleitung und gleichförmiger Hitzeverteilung haben wie angeführt, nicht unüblich, dass diese, wie Aluminium, größere Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Konventionell werden Aluminiumheizungen hergestellt, indem ein gewickeltes Heizelement in einem Aluminiumguss eingebettet wird oder indem eine Folienheizung mit einem Isoliermaterial, wie etwa einer Glimmerplatte, dazwischen unter einer Aluminiumplatte angebracht wird. Aluminiumheizungen dieser Art können ein dünneres Profil haben als vergleichbar eingestufte Heizungen aus Stahl. Das dünnere Profil kann bei gleichzeitiger Erhaltung der erwünschten Heizungsleistung wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium erzielt werden, die 10 bis 20 Mal höher ist als die von Standard-Edelstahl der 400er Serie. Allerdings ist, wie im Fall von Aluminium, auch ein hoher Wärmeausdehnungskoeffizient vorhanden.
Das Profil der Heizung kann noch weiter reduziert werden, sofern die Heizung ein Metallsubstrat mit einem auf dem Substrat aufgebrachten „Dickfilm"-Heizelement umfasst, weil die Dickfilmtechnologie das präzise Aufbringen des Heizelementes an einer bestimmten Stelle, an der die Hitze benötigt wird, sowie einen engen Kontakt des Heizelements mit dem Substrat, der jeglichen Luftspalt dazwischen eliminiert, erlaubt. Ein weiterer Vorzug der Verwendung des Dickfilms ist, dass dies eine größere Flexibilität des Stromkreisentwurfs erlaubt, um leichter eine Gleichförmigkeit der Temperaturverteilung zu erreichen und um eine präzise Wärmeabgabe für bessere Steuerung und Energieeinsparung zu liefern. Darüber hinaus können Dickfilmwiderstandselemente an verschiedenartig geformte Oberflächen angepasst werden, die für kundenspezifische Anwendungen erforderlich sind.
Dickfilmheizungen werden typischer Weise auf einem dielektrischen Material aus Glas aufgebracht, das seinerseits auf dem Metallsubstrat aufgebracht ist. Es ist erstrebenswert, ein Glasmaterial in Verbindung mit Dickfilmtechnologie anzuwenden, weil glasbasierte Materialien eine sehr ebene und glatte elektrisch isolierte Oberflächenschicht bereitstellen, Glasmaterialien nicht porös sind und keine Feuchtigkeit aufnehmen. Diese Eigenschaften von Glasmaterialien erlauben es, den Dickfilm einfach aufzubringen, wobei das erwünschte Bahnmuster mit korrekter Höhe oder Querschnitt sowie Breite der Bahn erzielt wird.
Dickfilmheizelemente sind erwünscht, weil mit Dickfilm auf Grund seiner Flexibilität verschiedene kleine oder verwinkelte Bahnmusterlayouts für die Heizelemente zu formen sind und so eine gleichförmige Temperaturverteilung bereitzustellen ist. Daher wäre ein Dickfilm auf einem Aluminiumsubstrat sehr nützlich, wenn es, auf Grund der Wärmeeigenschaften von Aluminium, betriebsfähig wäre. Bis jetzt lehrt der Stand der Technik den Einsatz eines glasbasierten Dielektrikums, wenn Dickfilm auf einem Metallsubstrat angewendet wird. Dies wird aber nicht funktionieren, wenn Aluminium oder andere Metalle mit einem relativ zu dem typischen Glasdielektrikum hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten als Substrat zusammen mit dem Dickfilm verwendet werden. Daher ist der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient nicht vereinbar mit einem glasbasierten Dielektrikum, obwohl die thermischen Eigenschaften von Aluminium erwünscht sind. Wie in der Industrie gesehen werden kann, benutzen Dickfilmheizungen auf Metallsubstraten dielektrische Materialen aus Glas, die als Isolator zwischen dem Dickfilm und dem Metallsubstrat, üblicher Weise Edelstahl der 400er Serie mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12×10^–6/°C, dienen. Der Grund, warum Aluminium oder andere Metalle mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten problematisch sind, ist, dass Aluminium einen viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das für den 400er Edelstahl verwendete Glas hat und daher beim Heizen oder Kühlen Risse in dem dielektrischen Glasmaterial erzeugt. Diese Risse verursachen Öffnungen in dem Widerstandsheizfilm, die mit einer defekten Heizung einhergehen. Risse entstehen typischer Weise, wenn das Aluminiumsubstrat abkühlt und sich zusammenzieht, nachdem die Temperatur erhöht wurde. Ein zweites Problem ist, dass die typische Druckmethode für das Aufbringen eines derartigen Dielektrikums Siebdruck ist, der eine Nachbearbeitung durch Brennen für das Aushärten des Dielektrikums erfordert. Der Schmelzpunkt von Aluminium liegt bei etwa 600 °C. Daher muss, wenn ein Glasdielektrikum verwendet wird, dieses einen niedrigeren Schmelzpunkt als 600 °C haben, um für angemessenes Aushärten richtig gebrannt zu werden. Ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt von 600 °C kann aufgefunden werden, aber die endgültige Heizungskonstruktion wird auf eine niedrige Betriebstemperatur (unter 400 °C) beschränkt sein. Dies liegt daran, dass die Erweichungstemperatur eines Glasdielektrikums üblicher Weise um 200 °C oder mehr unter der Schmelztemperatur (angenommene 600 °C – um mit Aluminium zusammenwirken zu können) liegt. Ebenso wird das Glas, wenn es seine Übergangstemperatur erreicht, die 50 bis 100 °C unter der Erweichungstemperatur liegt, in signifikanter Weise seine Isolierwiderstandseigenschaften verlieren. Daher wird das Glas, noch über die Erweichungstemperatur hinaus, sehr stark seine Isolierwiderstandseigenschaften verlieren, so dass die Heizung auf Temperaturen unter 300 °C beschränkt ist. Dies macht eine Aluminium-Glas-Heizungskonstruktion für viele Anwendungen nutzlos. Hinzu kommt, dass das Problem der Rissbildung im Dielektrikum nicht gelöst werden kann, indem ein Glasdielektrikum mit einem niedrigeren Schmelzpunkt gewählt wird. Ein drittes Problem ist, dass die Brenntemperatur zur Aushärtung des Dickfilmelements, das auf dem Dielektrikum aufgebracht ist, auf diejenige des Glases begrenzt ist, wenn ein Glas mit einem niedrigeren Schmelzpunkt gewählt wird. Demzufolge muss ein spezieller Dickfilm gefunden werden, der eine niedrigere Härtungs- oder Sintertemperatur aufweist.
Die oben genannten Probleme haben die Benutzung von Dickfilmheizelementen auf Aluminiumsubstraten verhindert, weil, auch wenn ein Dickfilm mit einem niedrigen Schmelzpunkt (niedriger als der Schmelzpunkt des gewählten Glasdielektrikums) gefunden und genutzt wird, die resultierende Betriebstemperatur der Heizung für viele Betriebstemperaturen nutzlos wäre und das Problem der Rissbildung im Dielektrikum immer noch nicht gelöst ist, weil der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten immer noch besteht. Ebenso wird ein glasbasiertes Dielektrikum mit einem derart niedrigen Schmelzpunkt eine schlechte Isolierwirkung bei den höheren Betriebstemperaturen haben, so dass ein Zusammenbruch der Isolierung wahrscheinlich ist.
Üblicher Weise wird daraus geschlossen, dass Aluminium oder andere Metalle mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient wie hochdehnfester Edelstahl schlichtweg ein ungeeignetes Substrat für Dickfilmheizungen darstellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf die oben genannten Probleme wurde die vorliegende Erfindung entwickelt. Die Erfindung hat somit zum Ziel, ein Dickfilmwiderstandsheizelement, aufgebracht auf einem Aluminiumsubstrat oder auf einem Substrat aus einem Metall mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient in Relation zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des typischen glasbasierten Dielektrikums, das mit Dickfilmen verwendet wird, bereitzustellen, indem ein dielektrischer Isolator aus Aluminiumoxid oder anderen vergleichbaren Keramikoxiden dazwischen geschoben wird.
Es ist ein weiteres Ziel, ein effizienteres Heizen in einer Dickfilmheizung zu ermöglichen.
Es ist ebenso ein Ziel, bessere Temperaturregelungsmöglichkeiten für Dickfilmheizungen bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel ist es, eine schneller ansprechende Dickfilmheizung bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel ist es, eine gleichmäßigere Verteilung der Oberflächentemperatur für Dickfilmheizungen zu ermöglichen.
Ein weiteres Ziel ist es, das Glasdielektrikum zu eliminieren, um nicht durch die niedrigen Schmelz- oder Verarbeitungstemperaturen des Glasdielektrikums beschränkt zu sein.
Die Erfindung hat die schwierige Aufgabe, die sich aus dem Stand der Technik ergibt, gelöst und erfüllt alle der oben genannten Ziele, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Dickfilmheizung, die ein Aluminiumsubstrat oder ein Substrat aus Metallen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 16×10^–6/°C benutzt, die bislang als unvereinbar mit Dickfilmtechnologie bekannt waren, bereitgestellt werden. Die Erfinder haben sich gegen das konventionell verfügbare Wissen gestellt und haben so eine Lösung für die oben dargestellten Probleme gefunden. Die Erfinder haben eine Heizung auf Aluminiumsubstrat mit einem Dielektrikum aus einem hitzebeständigen Keramikoxid, wie etwa Aluminiumoxid, das mit einem thermischen Anhaftungsprozess wie einem Plasmasprühprozess aufgebracht wird, entwickelt. Dabei ist ein Brennen, um das Dielektrikum und einen auf das Dielektrikum aufgebrachten Dickfilmwiderstandsheizelement auszuhärten oder zu verdichten, nicht erforderlich. Die Elimination des Brennens ist ein wesentlicher Fortschritt, der viel mehr Flexibilität im Entwurf des Dickfilms erlaubt. Zusätzlich kann das Aluminiumoxid oder andere Keramikoxidmaterial auch dann, wenn die Dickfilmwiderstandsbahn gebrannt wird, dem Temperaturschock und den Ausdehnungen und dem Zusammenziehen des Aluminiums widerstehen. Das Gleiche gilt, wenn die Heizung sich im normalen Betrieb befindet. Es wird erwartet, dass diese Heizung einen Hauptdurchbruch im Entwurf von Dickfilmheizungen darstellt.
Der Erfinder hat ebenso herausgefunden, dass die Leistung der Heizung im oberen Temperaturbereich verbessert wird, wenn die oberste Schicht aus einer glasbasierten isolierenden Glasur, die typischer Weise über Dickfilmwiderstandselementheizungen aufgebracht wird, durch eine oberste Schicht aus einem Keramikoxidüberzug ersetzt wird. Die verbesserte Leistung rührt her von besseren Leistungscharakteristiken der Keramikoxide bei hohen Temperaturen, wie etwa hoher Schmelzpunkt, Isolationswiderstand, Härte und Bruchfestigkeit.
Der Erfinder hat theoretisch und empirisch ermittelt, dass Aluminiumoxid und andere Keramikoxide mit ähnlichen Eigenschaften dem Temperaturschock widerstehen können, wenn der Dickfilm gebrannt wird, und dass sie ebenso der Ausdehnung und Schrumpfung eines Aluminiumsubstrates oder anderer Metalle mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten während des normalen Gebrauchs widerstehen können.
Es ist festzustellen, dass die Wahl eines Metalls mit überlegenen thermischen Leistungsparametern nur einer von vielen Gründen ist, warum ein Metall für einen Heizungsentwurf gewählt wird. Ein Metall könnte ebenso wegen seiner Verträglichkeit mit der Umgebung, in der es eingesetzt wird, gewählt werden, oder wegen irgendeiner anderen Eigenschaft, die es zu einem bevorzugten Metall macht. Gleichwohl könnte das bevorzugte Metall zufällig einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten relativ zu dem typischen glasbasierten Dielektrikum, das mit Dickfilmtechnologie verwendet wird, haben. Somit könnte der Entwickler der Heizung gezwungen sein, das bevorzugte Metall auszusondern, weil er wegen des angestrebten Profils des Heizers und/oder wegen der Oberfläche, auf die das Heizelement aufgebracht werden muss, ein Dickfilmheizelement zu verwenden wünscht. Unter diesem Umständen ist der Entwickler gezwungen, eine Designentscheidung zu treffen, ob die Verwendung des Dickfilms oder des bevorzugten Metalls wichtiger ist.
Dies ist also ein zentraler Durchbruch, der die Tür für unzählige nachfolgende Fortschritte im Entwurf von Dickfilmheizungen öffnen wird und daher zu vielen Fortschritten im Entwurf kleiner Heizungsteile in vielen zukünftigen Geräten führen wird.
Es wurde als Teil der Erfindung herausgefunden, dass mit der Benutzung eines Aluminiumsubstrats eine größere Temperaturkontrolle und thermische Effizienz – verglichen mit Edelstahl – erzielt werden kann.
Es wurde ebenso herausgefunden, dass ein glasbasiertes Dielektrikum für eine Dickfilmheizung auf einem Metallsubstrat nicht die einzige Möglichkeit darstellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Vorteile dieser Erfindung werden bei Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser verstanden. In der Zeichnung zeigt
1 einen vertikalen Querschnitt der Schichten der Aluminiumsubstrat-Heizvorrichtung.
2 eine alternative Ausführung der Heizung.
3 eine alternative Heizvorrichtung.
Beschreibung der Erfindung
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die einen vertikalen Querschnitt durch die Heizvorrichtung 100 mit einem Substrat mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Aluminium, zeigt. Eine – Platte 102 aus Metall mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten (z. B. Aluminium) hat eine flache Oberfläche 104, die durch ein Verfahren der Sandstrahlung oder Partikelstrahlung oder einem anderen geeigneten Verfahren aufgeraut ist und die ein Substrat für die Heizeinrichtung bildet. Die Platte besteht in ihrer bevorzugten Ausführung aus hochreinem Aluminium. Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann aber auch eine Aluminiumlegierung genutzt werden, welche Elemente wie Mg, Si, Cu oder andere Elemente mit ähnlichen Eigenschaften enthält. Auch andere Metalle mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 16 × 10^–6/°C können ausgewählt werden. Die aufgeraute Oberfläche bewirkt eine bessere Haftung des dielektrischen Materials aufgrund der vergrößerten Oberfläche.
Eine thermisch aufgebrachte (z. B. plasmagesprühte) dielektrische Lage 106 aus Keramikoxid (eine Keramik enthaltend ein oxidiertes Metall) wird über die aufgeraute Substratoberfläche aufgebracht. Aluminiumoxid (AL₂O₃) ist ein Beispiel für ein Keramikoxid, das benutzt werden kann und als bevorzugte Ausführung betrachtet wird. Das Aluminiumoxid ist vor der Einleitung in den Plasmastrahl oder in eine andere thermische Aufbringung in Form eines AL₂O₃ Pulvers, welches vorzugsweise eine Reinheit von mehr als 99% und eine Partikelgröße im Bereich zwischen etwa 0,1 mm bis 10 mm mit einer mittleren Größe im Bereich zwischen 1 mm und 3 mm besitzt. Diese Parameter können aber in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. Die Stärke der aufgebrachten dielektrischen Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 75 mm bis 250 mm, kann aber in Abhängigkeit von der Applikation variieren. Zirkonium (ZrO₂) ist ebenfalls ein Keramikoxid das ebenso wie andere Keramikoxide mit ähnlichen Charakteristiken eingesetzt werden kann.
Üblicherweise wurde die dielektrische Schicht aus Glas oder Glaskeramik durch Siebdrucken mit anschließendem Brennprozess erzeugt, um das organische Bindemittel abzubrennen und das Glasdielektrikum zu festigen und zu verdichten und die Porosität zu minimieren. Der Zweck der Minimierung der Porosität lag darin, die Möglichkeit eines Zusammenbruchs der Isolation bei hohen Temperaturen und hohen Spannungen zu reduzieren. Eine zu große Porosität könnte es dem Dickfilm ermöglichen, die dielektrische Schicht zu durchdringen und dadurch einen Kurzschluss mit dem Metallsubstrat herbei zu führen.
Wie in obigem Abschnitt zum einschlägigen Stand der Technik ausgeführt, ist das übliche glas- oder glasbasierte Dielektrikum während des Brennens oder im Betrieb aufgrund der Inkompatibilität der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium, Glas und Dickfilm nicht verträglich, wenn ein Dickfilmheizelement über dem Aluminiumsubstrat angewendet wird. Das glas- oder glasbasierte Dielektrikum neigt unter diesen Bedingungen zu Bruch. Die Schlüsselwerte des Dielektrikums für hinreichende Leistung, wenn es über Aluminium aufgebracht wird, sind Bruchfestigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und Schmelzpunkt. Keramikoxide, die in den nachfolgenden Bereich fallen, werden bevorzugt:

Wärmeausdehnungskoeffizient: 6 × 10^–6/°C bis 19 × 10^–6/°C

Bruchfestigkeit: größer als 100 MPa

Schmelzpunkt: größer als 600 °C
Diese Parameter können jedoch in Abhängigkeit von der gewählten Aluminiumlegierung oder anderem Metall mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten variieren.
Eine per Siebdruck aufgetragenes Heizelementstromkreismuster 108 aus auf metallbasierter Paste, die Glas, ein organisches Bindemittel und Lösungsmittel enthält, wie z. B. ESL 590 Tinte, die im Handel von dem Hersteller ESL erhältlich ist, (Dickfilm), ist über der dielektrischen Schicht aufgetragen. Das Heizelement ist bevorzugt aus reinem Ag oder einer Ag/Pd Legierung hergestellt, mit Elementen wie Glas mit einer Schmelztemperatur weniger als 600 °C. Der Dickfilm wird bei hohen Temperaturen, etwa 150 °C, für etwa 40 Minuten getrocknet um das Lösungsmittel zu entfernen. Anschließend wird der Dickfilm dann über etwa 10 bis 15 Minuten bei hohen Temperaturen von etwa 580 °C gebrannt, um den Dickfilm zu verdichten und eine geeignete Bindung an das Aluminiumoxiddielektrikum zu schaffen. Wenn der Dickfilm einmal aufgebracht ist, kann seine Dicke im Bereich von 5 mm bis 30 mm liegen und sein spezifischer Widerstand im Bereich von etwa 4,65 W / m² bis 155.10⁴ W / m² (3 W bis 1000 W pro Quadratzoll) liegen. Der Dickfilm kann, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten, mit verschiedenen Methoden auf das Dielektrikum aufgebracht werden, wie etwa thermisches Aufsprühen, Lasercading oder Direktbeschriftung.
Der Heizelementstromkreis endet an Endfolien 110, indem die Stromkreisterminale an die Endfolien 110 mit einem Anhaftungsmittel wie Hartlot oder einer leitfähigen Edelmetallpaste, die die Anschlussenden des Stromkreises überdecken, befestigt wird. Das Dickfilmstromkreismuster wird bevorzugt mit einer Hartlötverbindung angeschlossen. Eine isolierender Überzug 114 wird dann als Deckschicht über den Heizelementstromkreis aufgebracht. Ein bevorzugtes Überzugsmaterial ist ein Keramikoxid wie z. B. Aluminiumoxid (AL₂O₃) oder Zirkonium (ZrO₂) oder ein anderes Keramikoxid mit vergleichbaren thermischen und isolierenden Eigenschaften. Der Überzug aus Keramikoxid wird aufgebracht durch einen Plasmasprüh-Beschichtungsprozess oder andere übliche Auftragprozesse. Die thermischen und Festigkeitseigenschaften des Keramikoxidüberzugs sind vorzugsweise die gleichen wie die Eigenschaften des Keramikoxid, welches für die dielektrische Schicht benutzt wird. Die Dicke und die Oberflächenstruktur der dielektrischen Schicht und die des Mantels können jedoch unterschiedlich sein.
Wenn eine glasierte Deckschicht gewählt wird, dann sollte beachtet werden, dass für Dickfilmheizungen die obere isolierende Schicht 114 typischerweise auf Glas basiert. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Deckschicht 114 aus per Siebdruck aufgebrachter Paste, die Glas, ein organisches Bindemittel und ein Lösungsmittel enthält (wie z. B. ESL 4771G Tinte hergestellt von ESL), die über dem Heizelementstromkreis aufgebracht wird (Dickfilmglasur). Die Glasur ist glasbasiert und enthält vorzugsweise Hauptkomponenten wie Si, B, O, Al, Pb, Erdalkalien (Mg, Ca, Sr, Ba) und alkalische Elemente (Li, Na, Ka).
Wenn eine auf Glas basierte Glasur als isolierende Deckschicht 114 benutzt wird, dann kann allerdings die maximale Arbeitstemperatur begrenzt sein. Wie oben ausgeführt kann die Benutzung eines glasbasierten Dielektrikums zur Isolierung zwischen einem Dickfilmheizelementstromkreis und einem Aluminiumsubstrat problematisch sein. Dies liegt daran, dass Aluminium einen sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) hat, der viel höher ist als der von Glas. Die Ungleichheit des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasdielektrikumschicht und einem Metallsubstrat mit einem hohen CTE bewirkt Risse in der dielektrischen Schicht während des Brennens und während des tatsächlichen Betriebs.
Eine Analyse der Konstruktion macht jedoch ersichtlich, dass die Benutzung einer Glasur aus Glas als isolierende Deckschicht nicht kritisch so ist wie die Benutzung eines Glasdielektrikums auf einem Aluminiumsubstrat. Dies liegt daran, dass die glasbasierte Deckschicht nicht direkt auf das Aluminiumsubstrat aufgetragen ist. Dabei ist der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der oberen Lage und den benachbarten Lagen (Dickfilmwiderstandselementschicht und Keramikoxiddielektrikumschicht) nicht so groß wie der zwischen einem Glasdielektrikum und einem Aluminiumsubstrat. Auch der Isolierungswiderstand ist hinsichtlich der Fehlerströme nicht so kritisch wie die Dielektrikumsschicht auf dem Substrat. Deshalb wird der vom Aluminiumsubstrat verursachte Expansionsschock nicht unmittelbar auf die oberste Lage übertragen.
Insgesamt wird die Deckschicht aus einer Glas-Glasur durch einen Siebdruck-Prozess aufgebracht und muss deshalb zum Aushärten gebrannt werden. Die Brenntemperatur und die möglicherweise hohen Betriebstemperaturen der Heizanlage und die daraus resultierende Abühlung können aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Aluminiumsubstrats sogar in der obersten Schicht Risse hervorrufen. Wenngleich Risse bei glasbasiertem Material als oberster Deckschicht im Vergleich zur Benutzung als Dielektrikumschicht weniger wahrscheinlich sind, so bleibt doch Keramik-Oxidmaterial als Isolationsdeckschicht die bevorzugte Ausführung.
2 und 3 zeigen andere Heizkörperausführungen und Heizkörperstromkreismuster. Der in 2a gezeigte Stromkreis ist in der Anordnung über einem flachen Substrat dargestellt. 3 zeigt einen Stromkreis über einem rohrförmigen Substrat. Eine Vielzahl anderer Substrat- und Stromkreisausführungen können aufgebaut werden. Z. B. könnte das Substrat unregelmäßige Konturen haben und/oder der Stromkreis könnte unregelmäßige kontinuierliche Bahnen aufweisen.
Insgesamt ergibt sich, dass die angegebenen Ziele der Erfindung erreicht werden. Die vorstehende Beschreibung erläutert die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung, um andere sachkundige Personen in die Lage zu versetzen die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und Abwandlungen entsprechend der jeweiligen Benutzung bestmöglich einzusetzen.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung soll nur in Übereinstimmung mit den folgenden Ansprüchen definiert werden.

Claims

Widerstandselementheizung, die Folgendes umfasst: ein Metallsubstrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als 16 × 10^–6/°C; eine auf dem Substrat angehaftete dielektrische Schicht aus Keramikoxid und eine Dickfilm-Widerstandselementschicht, die über dem Dielektrikum angehaftet ist, wobei die dielektrische Schicht das Substrat und die Elementschicht voneinander trennt.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6 × 10^–6/°C bis 19 × 10^– ⁶/°C und eine Bruchzähigkeit von über 100 MPa aufweist.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht aus Keramikoxidpulvern besteht, die thermisch so auf dem Substrat angehaftet sind, dass eine verdichtete Schicht entsteht, ohne dass anschließendes Sintern erforderlich ist.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 3, wobei die Keramikoxidpulver eine Größe im Bereich von etwa 0,1 bis 10 mm aufweisen.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Keramikoxid um Zirkonoxid (ZrO₂) handelt.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Keramikoxid um Aluminiumoxid (Al₂O₃) handelt.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 1, wobei die Dickfilm-Widerstandsschicht aus einem glashaltigen Edelmetall besteht.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Edelmetall um Silber handelt.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Glasur auf Glasbasis umfasst, die über der Widerstandsschicht angehaftet ist.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Überzug auf Keramikoxidbasis umfasst, wobei es sich bei dem Überzug um eine thermisch angehaftete Schicht handelt, die auf die Widerstandsschicht aufgetragen ist.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Metallsubstrat um Aluminium handelt.
Verfahren zum Herstellen einer Widerstandselementheizung, das folgende Schritte umfasst: Herstellen eines Metallsubstrats aus einem metallischen Ausgangsmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als 16 × 10^–6/°C; Aufrauen der Oberfläche des Metallsubstrats; Aufbringen von dielektrischen Keramikoxidpulvern durch thermisches Anhaften auf die aufgeraute Oberfläche, dergestalt, dass eine verdichtete dielektrische Schicht entsteht; Aufdrucken einer Dickfilm-Widerstandsschicht auf das Dielektrikum und Aufbringen eines Keramikoxidüberzuges durch thermisches Anhaften auf die Widerstandsschicht und die dielektrische Schicht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei es sich bei dem Keramikoxidpulver um Aluminiumoxid handelt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Aluminiumoxidpulver eine Größe im Bereich von etwa 0,1 bis 10 mm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aufbringen von dielektrischen Keramikoxidpulvern und des Keramikoxidüberzuges durch Plasmasprühen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aufdrucken einer Dickfilmschicht durch Siebdruck erfolgt.
Widerstandselementheizung, die Folgendes umfasst: ein Substrat aus Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als 16 × 10^–6/°C mit einer Oberfläche, die durch Aufrauen einer Oberfläche eines Stücks metallischen Ausgangsmaterials mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als 16 × 10^–6/°C erhalten werden kann; eine dielektrische Schicht aus Keramikoxid, die durch thermisches Anhaften auf dem aufgerauten Substrat abgelagert werden kann, und eine Widerstandsschicht, die auf der dielektrischen Schicht abgelagert wird, indem eine Edelmetallpaste, die ein organisches Bindemittel und Lösungsmittel enthält, über die dielektrische Schicht aufgedruckt wird.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 17, die des Weiteren eine Glasurschicht umfasst, die auf der Widerstandsschicht abgelagert wird, indem eine Glasurpaste auf Glasbasis, die ein organisches Bindemittel und Lösungsmittel enthält, über die Widerstandsschicht aufgedruckt wird.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 17, die des Weiteren eine Überzugsschicht umfasst, die auf der Widerstandsschicht abgelagert wird, indem ein Überzug auf Keramikoxidbasis thermisch auf der Widerstandsschicht angehaftet wird.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 19, wobei es sich bei dem Keramikoxid um Aluminiumoxid (Al₂O₃) handelt.
Widerstandselementheizung nach Anspruch 19, wobei es sich bei dem Keramikoxid um Zirkonoxid (ZrO₂) handelt.