EP1459332B1 - Verfahren zum herstellen einer elektrisch leitenden widerstandsschicht sowie heiz- und/oder kuehlvorrichtung - Google Patents

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EP1459332B1
EP1459332B1 EP02796639A EP02796639A EP1459332B1 EP 1459332 B1 EP1459332 B1 EP 1459332B1 EP 02796639 A EP02796639 A EP 02796639A EP 02796639 A EP02796639 A EP 02796639A EP 1459332 B1 EP1459332 B1 EP 1459332B1
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resistor layer
spraying
conductive resistor
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Watlow Electric Manufacturing Co
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    • Y10T29/49099—Coating resistive material on a base

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrically conductive resistance layer, with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a heating and / or cooling device having the features of the preamble of claim 11.
  • Such a method is from the DE 198 10 848 A1 known.
  • a heating element is described, which is produced by applying band-shaped layers of an electrically conductive and a resistance-forming material on surfaces of a substrate by means of arc sputtering or by plasma spraying.
  • a release liner is previously applied to the substrate by means of a printing process.
  • the release liner is made of such a material that the electrically conductive material does not adhere to those locations of the substrate where the release liner is present.
  • the known method has the roof part that it is relatively expensive and therefore the parts with the electrically conductive resistance layers are relatively expensive. Furthermore can be provided with an electrically conductive layer only more or less flat parts with the known method.
  • the present invention therefore has the object of developing a method of the type mentioned so that the production of an electrically conductive layer on a substrate is easier and cheaper possible and also complex shaped objects can be provided with such an electrically conductive resistance layer, wherein the resistor should be set as accurately as possible.
  • the electrically conductive material of which the resistance layer is made is applied flat and generally uniformly on the non-conductive substrate.
  • the application by means of thermal spraying ensures a high adhesion of the electrically conductive material on the non-conductive surface.
  • the A variety of materials can be applied quickly and very evenly on the non-conductive substrate in this way.
  • the applied electrically conductive material is removed at certain points by means of a suitable device. As a result, a complex shaping of the electrically conductive layer is made possible in only two steps.
  • Plasma spraying, high-speed flame spraying, arc spraying, autogenous spraying, laser spraying or cold gas spraying has proven to be favorable for the application of the electrically conductive material to the substrate.
  • the invention provides that the local electrical resistance of the electrically conductive resistance layer is adjusted by a local heat treatment. By heating locally oxides can be registered in the layer, which has an effect on the local electrical conductivity of the material. This allows a special. Precise and fine adjustment of the electrical resistance.
  • a further development provides that the removal of the material layer in regions takes place by means of laser radiation or by means of a water jet or by means of a powder sand blast.
  • the material When using laser radiation, the material is heated so much that it evaporates.
  • the use of a Laser beam has the advantage that it very quickly very high energies can be coupled into the electrically conductive material so that it evaporates immediately. This instantaneous evaporation of the electrically conductive material ensures that only comparatively little heat is coupled into the substrate present under the electrically conductive material. This is therefore not damaged in the method according to the invention.
  • the evaporation has the advantage over incineration that essentially no residues remain in the evaporated areas on the substrate and so their insulation is very good.
  • the electrical resistance of the electrically conductive resistance layer is detected at least indirectly during the area-wise removal of the material layer. In this way, a precise quality control is already possible directly during the production of the electrically conductive layer.
  • an actual value of the electrical resistance of the electrically conductive resistance layer is compared with a target value and the electrical resistance of the electrically conductive layer is changed by removal of additional electrically conductive material in regions such that the difference between actual value and desired value is reduced.
  • Such deviations may, for example, be the result of different amounts of the electrically conductive material reaching the substrate during spraying of the thermally conductive material, so that the resulting electrically conductive layer has a different thickness at one point than at another location.
  • deviations of the actual value of the electrical resistance of the electrically conductive layer from the desired value can be compensated for with an accuracy of +/- 1%.
  • the partial removal of additional electrically conductive material may include a shortening or lengthening of the electrically conductive layer and / or the variation of the width of the electrically conductive layer.
  • the material layer is removed in such a way that a desired melting point in the sense of a fuse is produced at at least one point of the electrically conductive layer.
  • a desired melting point in the sense of a fuse is produced at at least one point of the electrically conductive layer.
  • the material layer is removed in such a way that the electrically conductive resistance layer is at least partially meandering. This allows the formation of as long as possible electrically conductive resistance layer on a small area.
  • the electrically conductive material preferably comprises bismuth, tellurium, germanium, silicon and / or gallium arsenide. These materials have proved to be particularly favorable for the application by means of thermal spraying and the subsequent processing by means of laser radiation. In addition, with these materials, the relevant known technical effects can be realized.
  • the electrically conductive material is applied in this way and the material layer is partially removed in such a way and comprises such a material that an electrical heating or an electrical cooling layer is formed.
  • the "Peltier effect" is advantageously utilized.
  • the electrically conductive resistance layer is sealed.
  • This has particular advantages in a porous substrate (for example, metal with Al 2 O 3 intermediate layer). Sealing reduces the risk of electrical breakdown due to humidity, especially at high voltage.
  • a material for sealing silicone, polyimide, or water glass the latter on sodium or potassium-based. The application can be done by dipping, spraying, brushing, etc. The seal of the seal is best when the sealant layer is applied under vacuum.
  • non-conductive substrate is also glass or glass ceramic in question.
  • the electrical resistance layer can be applied permanently, especially by plasma spraying.
  • the good insulating effect of glass makes grounding in the operation of the resistive layer superfluous. It is also possible to use special Fiochtemperaturglas, such as Ceranglas®.
  • the invention also relates to a heating and / or cooling device having the features of claim 11, a non-conductive substrate and an applied to the substrate by thermal spraying electrically conductive resistance layer.
  • the production costs for such a heating and / or cooling device can be reduced if the resistance layer comprises an electrically conductive material initially applied by thermal spraying, which was then removed in regions by means of laser radiation and thus brought into a desired shape.
  • the resistance layer comprises an electrically conductive material initially applied by thermal spraying, which was then removed in regions by means of laser radiation and thus brought into a desired shape.
  • such heating and / or cooling devices have precise resistance.
  • FIG. 1 and 2 shows the production of a tubular water heater:
  • an electrically conductive material layer 14 is applied to a tube 12 made of a high-temperature resistant and an electrical insulator material ( Fig. 1 ).
  • the application takes place in the present exemplary embodiment by means of a device 16, with which germanium particles 18 are sprayed onto the tube 12.
  • the application is carried out by cold gas spraying (also called "gas-dynamic powder coating").
  • the unmelted germanium particles are heated to speeds of about 300 - Accelerated 1,200 m / s and sprayed onto the tube 12.
  • the germanium particles 18 and also the surface of the tube 12 deform.
  • the impact breaks up surface oxides on the surface of the tube 12. Micro-friction due to the impact increases the temperature at the contact surface and leads to micro-welds.
  • the acceleration of the germanium particles 18 takes place by means of a delivery gas, the temperature of which can be slightly increased.
  • the germanium powder 18 in no case reaches its melting temperature, the temperatures arising at the surface of the tube 12 are relatively moderate, so that, for example, a comparatively inexpensive plastic material for the tube 12 can be used.
  • plasma spraying, high-speed flame spraying, arc spraying, autogenous spraying or laser spraying for applying the electrically conductive material to the substrate can also be used instead of the cold gas spraying.
  • germanium, bismuth, tellurium, silicon and / or gallium arsenide are also suitable, depending on the desired technical effect.
  • the coating of the tube 12 with the germanium particles 18 is carried out initially so that gradually the entire Surface of the tube 12 is covered with the germanium material layer 14 (see. Fig.1 ).
  • this material layer 14 does not yet have the desired shape:
  • the laser device 20 on the one hand and a device, not shown in the figure, with which the tube 12 is held, are thereby moved so that a continuous working process by the laser device 20 is possible.
  • FIG. 4 shows in plan view a flat heating plate 28.
  • This consists of a non-visible in this plan view non-conductive ground, on the analogous to that in the FIGS. 1 and 2 described first, a sheet-like material layer 14 has been applied, were subsequently evaporated from the areas 24 by means of a laser beam (for illustrative purposes, only one area 24 provided with reference numerals).
  • a laser beam for illustrative purposes, only one area 24 provided with reference numerals.
  • this has two peculiarities:
  • a second special feature is that the heating power or the heat flux density of the electrically conductive resistive layer was corrected during its production so that it corresponds to the desired heat output and the desired heat flux density with very high precision. This happens in the following way:
  • an electrical voltage is applied during the evaporation of the regions 24, so that the electrical resistance of the electrically conductive layer 26 can be continuously measured during this evaporation.
  • the material layer 14 is evaporated only in initially very narrow regions 24.
  • horizontally extending evaporated areas 24 thus initially run only from one in Fig. 4 Dashed edge 36 shown up to the overlying horizontal edge 38 of the electrically conductive resistance layer 26 (here, too, for representation reasons, only in a region 24, the corresponding reference number entered).
  • the material layer 14 is first processed by the laser beam so that the in Fig. 4 lower electrical end region 34 is relatively wide. This is also shown by a dashed line by the reference numeral 40.
  • the actual electrical resistance WIST (see. Fig. 5 ) of the electrically conductive resistance layer 26 is less than the desired per se electrical resistance WSOLL.
  • the in Fig. 4 lower connection region 34 of the electric conductive resistance layer 26 is therefore processed by the laser beam so that its width decreases, so it is evaporated additional material.
  • the electrically conductive resistance layer 26 extends by a dimension d1 (cf. Fig. 4 and 5 ) and, as a result, the actual electrical resistance WIST increases until it approximately corresponds to the desired resistance WSOLL.
  • the final position of the boundary line of the lower electrical connection 34 carries in Fig. 4 the reference numeral 42.
  • a plate-shaped heater is shown in section. In contrast to the embodiments described above, it comprises not only an electrically conductive resistance layer, but two electrically conductive resistance layers 26a and 26b. Between these an electrically non-conductive intermediate layer 46 is present. The production of this electric heating plate 28 takes place as follows:
  • an electrically conductive material is applied to a plate-shaped carrier 12.
  • the application takes place surface by thermal spraying in such a way that the resulting material layer initially has substantially no desired shape.
  • the material layer is partially evaporated by laser radiation (reference numeral 24a) in such a way that an electrically conductive resistance layer 26a is produced, which has the desired shape.
  • the electrically insulating intermediate layer 46 is applied in the further course of the manufacturing process. Then the process described above is repeated, i. H. again electrically conductive material is applied by means of thermal spraying onto the non-conductive intermediate layer 46 in such a way that a second material layer formed therefrom substantially does not yet have the desired shape. This is then processed by laser radiation and partially evaporated (reference numeral 24b) such that a second electrically conductive resistance layer (26b) is formed in the desired shape.
  • the material of the electrically conductive layer is selected so that instead of an electrical heating layer, an electrical Cooling layer is formed.
  • the temperature of the heating layer is monitored by a ceramic switch.
  • a ceramic switch This is understood to mean a non-mechanical switch which has an element whose conductivity depends to a considerable extent on its temperature.
  • a bimetal switch can be used.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Widerstandsschicht, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs,des Anspruchs 11.
  • Ein solches Verfahren ist aus der DE 198 10 848 A1 bekannt. In dieser ist ein Heizelement beschrieben, welches dadurch hergestellt wird, dass auf Oberflächen eines Substrats mittels Lichtbogenzerstäubung oder im Plasmaspritzverfahren bandförmige Schichten aus einem elektrisch leitenden und einen Widerstand bildenden Material aufgetragen werden. Um die gewünschte Form der elektrisch leitenden Schicht zu erzielen, wird zuvor mittels eines Printverfahrens eine Trennlage auf das Substrat aufgebracht. Die Trennlage ist aus einem solchen Material, dass an jenen Stellen des Substrats, an denen die Trennlage vorhanden ist, das elektrisch leitende Material nicht anhaftet.
  • Das bekannte Verfahren hat den Dachteil, dass es relativ aufwändig ist und daher die Teile mit den elektrisch leitenden Widerstandsschichten vergleichsweise teuer sind. Darüber hinaus können mit dem bekannten Verfahren nur mehr oder weniger ebene Teile mit einer elektrisch leitende Schicht versehen werden.
  • Aus der nächstliegenden US-A-4,566,936 ist ein Verfahren bekannt, mit dem eine elektrisch leitende Widerstandsschicht hergestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Herstellung einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Untergrund einfacher und preiswerter möglich ist und auch komplex geformte Gegenstände mit einer derartigen elektrisch leitenden Widerstandsschicht versehen werden können, wobei der Widerstand möglichst genau eingestellt sein soll.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist keine spezielle Vorbehandlung erforderlich, um die gewünschte Form der elektrisch leitenden Widerstandsschicht zu erhalten. Stattdessen wird zunächst das elektrisch leitende Material, aus dem die Widerstandsschicht besteht, flächig und im Allgemeinen gleichmäßig auf dem nicht leitenden Untergrund aufgebracht. Die Aufbringung mittels thermischem Spritzen sorgt dabei für eine hohe Anhaftung des elektrisch leitenden Materials auf dem nicht leitenden Untergrund. Darüber hinaus können die unterschiedlichsten Materialien schnell und sehr gleichmäßig auf diese Art und Weise auf dem nicht leitenden Untergrund aufgebracht werden. Danach wird mittels einer geeigneten Einrichtung das aufgebrachte elektrisch leitende Material an bestimmten Stellen entfernt. Hierdurch wird auch eine komplexe Formgebung der elektrisch leitenden Schicht in nur zwei Arbeitsschritten ermöglicht. Als günstig für die Aufbringung des elektrisch leitenden Materials auf den Untergrund hat sich Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen erwiesen. Die Erfindung sieht vor, dass der örtliche elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht durch eine lokale Wärmebehandlung eingestellt wird. Durch eine Erwärmung können lokal Oxide in die Schicht eingetragen werden, was sich auf die örtliche elektrische Leitfähigkeit des Materials auswirkt. Dies ermöglicht eine besonderes.präzise und feine Einstellung des elektrischen Widerstands.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Eine Weiterbildung sieht vor, dass das bereichsweise Entfernen der Materialschicht mittels Laserstrahlung oder mittels eines Wasserstrahls oder mittels eines Pulver-Sandstrahls erfolgt.
  • Bei der Verwendung von Laserstrahlung wird das Material so stark erhitzt, dass es verdampft. Die Verwendung eines Laserstrahls hat dabei den Vorteil, dass mit ihm sehr rasch sehr hohe Energien in das elektrisch leitende Material eingekoppelt werden können, so dass dieses sofort verdampft. Durch diese augenblickliche Vedampfung des elektrisch leitenden Materials wird sichergestellt dass nur vergleichsweise wenig Wärme in den unter dem elektrisch leitenden Material vorhandenen Untergrund eingekoppelt wird. Dieser wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht beschädigt. Das Abdampfen hat gegenüber dem Verbrennen den Vorteil, dass im Wesentlichen keine Rückstände in den abgedampften Bereichen auf dem Untergrund verbleiben und so deren Isolierwirkung sehr gut ist.
  • Durch eine entsprechende Optik der Vorrichtung, welche den Laserstrahl aussendet, kann dieser in beinahe beliebiger Weise auf das herzustellende Werkstück gerichtet werden. Somit können zum einen beliebig komplexe Konturen aus dem aufgespritzten elektrisch leitenden Material herausgedampft werden, so dass entsprechend komplex konturierte elektrische Widerstandsschichten hergestellt werden können. Zum anderen können aber auch solche Werkstücke bearbeitet werden, welche selbst dreidimensional komplex gestaltet sind. In insgesamt nur zwei Arbeitsschritten kann somit eine elektrisch leitende Widerstandsschicht mit komplexer Geometrie hergestellt werden.
  • Bei der Verwendung eines Wasserstrahls wird überhaupt keine thermische Energie in das Werkstück eingekoppelt. Dies ist besonders bei der Bearbeitung wärmeempfindlicher Kunststoffe vorteilhaft. Gleiches gilt auch für die Verwendung von Pulver-Sandstrahlen.
  • In einer anderen besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass während des bereichsweisen Entfernens der Materialschicht der elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht wenigstens mittelbar erfasst wird. Auf diese Weise ist bereits unmittelbar während der Herstellung der elektrisch leitenden Schicht eine präzise Qualitätskontrolle möglich.
  • In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass ein Istwert des elektrischen Widerstandes der elektrisch leitende Widerstandsschicht mit einem Sollwert verglichen und durch bereichsweises Entfernen zusätzlichen elektrisch leitenden Materials der elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Schicht derart verändert wird, dass die Differenz zwischen Istwert und Sollwert reduziert wird. Dies hat den Vorteil, dass bereits während der Herstellung der elektrisch leitenden Schicht Abweichungen von einem gewünschten Widerstand ausgeglichen werden können.
  • Derartige Abweichungen können bspw. dadurch entstehen, dass beim Spritzen des thermisch leitenden Materials bereichsweise unterschiedliche Mengen des elektrisch leitenden Materials auf den Untergrund gelangen, so dass die hieraus entstehende elektrisch leitende Schicht an einer Stelle eine andere Dicke aufweist als an einer anderen Stelle. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren können Abweichungen des Istwerts des elektrischen Widerstands der elektrisch leitenden Schicht vom Sollwert mit einer Genauigkeit von +/- 1 % ausgeglichen werden. Das bereichsweise Entfernen zusätzlichen elektrisch leitenden Materials kann eine Verkürzung oder Verlängerung der elektrisch leitenden Schicht und/oder die Veränderung der Breite der elektrisch leitenden Schicht beinhalten.
  • Dabei ist es wiederum besonders vorteilhaft, wenn die Erfassung des Istwerts des elektrischen Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht und die Reduktion der Differenz zwischen Istwert und Sollwert parallel erfolgen. Dies ist möglich, da bereits während der Bearbeitung der elektrisch leitenden Schicht mittels Laserstrahlung der elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Schicht gemessen werden kann. Wird dieses erfindungsgemäße Verfahren angewendet, kann bei der Herstellung der elektrisch leitenden Widerstandsschicht Zeit und somit Geld gespart werden.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch vorgeschlagen, dass die Materialschicht derart entfernt wird, dass an mindestens einer Stelle der elektrisch leitenden Schicht eine Soll-Schmelzstelle im Sinne einer Schmelzsicherung entsteht. Eine solche integrierte Schmelzsicherung erhöht die Sicherheit bei der Verwendung der elektrisch leitenden Widerstandsschicht. Dabei kann die Schmelzsicherung praktisch ohne zusätzliche Kosten und zusätzlichen Zeitaufwand in die elektrisch leitende Widerstandsschicht integriert werden.
  • Vorteilhaft ist auch, wenn die Materialschicht derart entfernt wird, dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht wenigstens bereichsweise mäanderförmig ist. Dies ermöglicht die Ausbildung einer möglichst lange elektrisch leitenden Widerstandsschicht auf einer kleinen Fläche.
  • Vorgeschlagen wird auch, dass nach dem bereichsweisen Entfernen des elektrisch leitenden Materials und der Fertigstellung der elektrisch leitenden Widerstandsschicht auf diese eine nicht leitende Zwischenschicht aufgebracht, danach ein elektrisch leitendes Material mittels thermischem Spritzen auf die nicht leitende Zwischenschicht flächig derart aufgebracht wird, dass eine hieraus entstandene Materialschicht zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist, und danach mittels Laserstrahlung die Materialschicht bereichsweise derart entfernt wird, dass eine zweite elektrisch leitende Schichtentsteht, welche die gewünschte Form hat. Erfindungsgemäß ist es also möglich, mehrere Schichten übereinander anzuordnen. Dabei sei an dieser Stellte ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für die Ausbildung von zwei übereinander angeordneten elektrisch leitenden Widerstandsschichten, sondern für eine beliebige Anzahl übereinander angeordneter Widerstandsschichten anwendbar ist.
  • Das elektrisch leitende Material' umfasst vorzugsweise Bismut, Tellurium, Germanium, Silizium und/oder Galliumarsenid. Diese Materialien haben sich für das Aufbringen mittels thermischem Spritzen und die anschließende Bearbeitung mittels Laserstrahlung als besonders günstig erwiesen. Darüber hinaus sind mit diesen Materialien die einschlägig bekannten technischen Effekte realisierbar.
  • Vorgeschlagen wird ferner, dass das elektrisch leitende Material so aufgebracht und die Materialschicht bereichsweise so entfernt wird und ein solches Material umfasst, dass eine elektrische Heiz- oder eine elektrische Kühlschicht gebildet wird. Bei der Herstellung einer elektrischen Kühlschicht wird vorteilhafterweise der "Peltier-Effekt" ausgenutzt.
  • Außerdem ist es günstig, wenn die elektrisch leitende Widerstandsschicht versiegelt wird. Dies hat vor allem Vorteile bei einem porösen Untergrund (beispielsweise Metall mit Al2O3-Zwischenschicht). Eine Versieglung vermindert das Risiko von Elektrodurchschlägen aufgrund der Luftfeuchtigkeit, insbesondere bei hoher Spannung. Als Material für die Versiegelung eignet sich Silikon, Polyimid, oder Wasserglas, letzteres auf Natrium- oder Kaliumbasis. Die Aufbringung kann durch Tauchen, Spritzen, Streichen, etc. erfolgen. Die Dichtigkeit der Versiegelung ist dann am besten, wenn die Versiegelungsschicht unter Vakuum aufgebracht wird.
  • Als nichtleitender Untergrund kommt auch Glas oder Glaskeramik in Frage. Hierauf kann die elektrische Widerstandsschicht vor allem durch Plasmaspritzen dauerhaft aufgebracht werden. Die gute Isolierwirkung von Glas macht eine Erdung im Betrieb der Widerstandsschicht überflüssig. Möglich ist auch die Verwendung von speziellem Fiochtemperaturglas, wie beispielsweise Ceranglas®.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung die die Merkmale des Anspruchs 11 aufweist, einem nicht leitenden Untergrund und einer auf den Untergrund durch thermisches Spritzen aufgebrachten elektrisch leitenden Widerstandsschicht.
  • Die Herstellkosten für eine derartige Heiz- und/oder Kühlvorrichtung können gesenkt werden, wenn die Widerstandsschicht ein durch thermisches Spritzen zunächst flächig aufgebrachtes elektrisch leitendes Material umfasst, welches danach mittels Laserstrahlung bereichsweise entfernt und so in eine gewünschte Form gebracht wurde. Außerdem besitzen derartige Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen präzise Widerstände.
  • Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    eine perspektivische Darstellung eines Rohres, auf welches ein elektrisch leitendes Material aufgespritzt wird;
    Figur 2
    das Rohr von Fig. 1, dessen elektrisch leitende Materialschicht mittels Laserstrahlung bearbeitet wird;
    Figur 3
    eine Seitenansicht des Rohres von Fig. 2 nach der Bearbeitung;
    Figur 4
    eine Draufsicht auf ein plattenförmiges Teil mit einer mäanderförmigen elektrisch leitenden Widerstandsschicht;
    Figur 5
    zwei Diagramme, wobei im einen Diagramm der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands und im anderen Diagramm der zeitliche Verlauf der Länge der elektrisch leitenden Widerstandsschicht von Fig. 4 während ihrer Herstellung dargestellt sind; und
    Figur 6
    einen Schnitt durch ein plattenförmiges Teil mit zwei übereinander angeordneten elektrisch leitenden Widerstandsschichten.
  • In den Figuren 1 und 2 ist die Herstellung eines rohrförmigen Durchlauferhitzers dargestellt: Dabei wird auf ein Rohr 12 aus einem hochtemperaturbeständigen und einen elektrischen Isolator bildenden Werkstoff eine elektrisch leitende Materialschicht 14 aufgebracht (Fig. 1). Die Aufbringung erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels einer Vorrichtung 16, mit der Germaniumpartikel 18 auf das Rohr 12 aufgespritzt werden. Die Aufbringung erfolgt durch Kaltgasspritzen (auch "gasdynamisches Pulverbeschichten" genannt).
  • Bei diesem Spritzprozess werden die ungeschmolzenen Germaniumpartikel auf Geschwindigkeiten von ungefähr 300 - 1.200 m/s beschleunigt und auf das Rohr 12 gespritzt. Beim Aufprall auf das Rohr 12 verformen sich die Germaniumpartikel 18 und auch die Oberfläche des Rohres 12. Durch den Aufprall werden Oberflächenoxide auf der Oberfläche des Rohrs 12 aufgebrochen. Durch Mikroreibung aufgrund des Aufpralls steigt die Temperatur an der Berührungsfläche und führt zu Mikroverschweißungen.
  • Die Beschleunigung der Germaniumpartikel 18 erfolgt mittels eines Fördergases, dessen Temperatur leicht erhöht sein kann. Da jedoch das Germaniumpulver 18 in keinem Fall seine Schmelztemperatur erreicht, sind die an der Oberfläche des Rohres 12 entstehenden Temperaturen relativ moderat, so dass bspw. ein vergleichsweise preiswertes Kunststoffmaterial für das Rohr 12 verwendet werden kann.
  • In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann anstelle des Kaltgasspritzens auch Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen oder Laserspritzen zur Aufbringung des elektrisch leitenden Materials auf den Untergrund verwendet werden. Anstelle von Germanium eignen sich auch Bismut, Tellurium, Silizium und/oder Galliumarsenid, je nach gewünschtem technischen Effekt.
  • Die Beschichtung des Rohres 12 mit den Germaniumpartikeln 18 erfolgt zunächst so, dass nach und nach die gesamte Oberfläche des Rohres 12 mit der aus Germanium bestehenden Materialschicht 14 bedeckt ist (vgl. Fig.1). Diese Materialschicht 14 hat jedoch noch nicht die gewünschte Form: Um einen rohrförmigen Durchlauferhitzer herstellen zu können, muss eine elektrisch leitende Widerstandsschicht hergestellt werden, welche in der Art einer Spirale in Umfangsrichtung um das Rohr 12 verläuft. Hierzu wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, mittels einer Laservorrichtung 20 ein Laserstrahl 22 so auf die noch "formlose" Materialschicht 14 gerichtet, dass ein sich spiralenförmig um das Rohr 12 erstreckender Bereich 24 geschaffen wird, in dem das aufgespritzte elektrisch leitende Material 14 nicht mehr vorhanden ist.
  • Dies geschieht dadurch, dass das Material der Materialschicht 14 an dem Ort, an dem der Laserstrahl 22 auf die Schicht 14 trifft, schlagartig so stark erhitzt wird, dass es verdampft. Die Laservorrichtung 20 einerseits und eine in der Figur nicht dargestellte Vorrichtung, mit welcher das Rohr 12 gehalten ist, werden dabei so bewegt, dass ein kontinuierlicher Arbeitsprozess durch die Laservorrichtung 20 möglich ist.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird hierdurch eine sich von einem axialen Ende des Rohres 12 zum anderen erstreckende und spiralenförmig in Umfangsrichtung verlaufende elektrisch leitende Widerstandsschicht 26 geschaffen. Das Rohr 12 und die elektrisch leitende Widerstandsschicht 26 bilden insgesamt einen elektrischen Durchlauferhitzer 28.
  • Figur 4 zeigt in der Draufsicht eine ebene Heizplatte 28. Diese besteht aus einem in dieser Draufsicht nicht sichtbaren nicht leitenden Untergrund, auf dem analog zu dem in den Fign. 1 und 2 beschriebenen Verfahren zunächst eine flächige Materialschicht 14 aufgebracht wurde, aus der anschließend Bereiche 24 mittels eines Laserstrahls abgedampft wurden (aus Darstellungsgründen ist nur ein Bereich 24 mit Bezugszeichen versehen). Hierdurch entstand eine mäanderförmig sich von einem Ende zum anderen Ende der Platte 28 erstreckende elektrisch leitende Widerstandsschicht 26. Diese weist jedoch zwei Besonderheiten auf:
  • Zunächst ist an dem in Fig. 4 oberen Ende die Materialschicht 14, aus der die elektrisch leitende Widerstandsschicht 26 hergestellt ist, so abgedampft worden, dass die Leiterbahn 26 eine Querschnittsverengung aufweist. Hierdurch wird eine Schmelzsicherung 30 geschaffen, durch welche der Betrieb der Heizplatte 28 abgesichert wird.
  • Eine zweite Besonderheit besteht darin, dass die Heizleistung bzw. die Wärmestromdichte der elektrisch leitenden Widerstandsschicht noch während ihrer Herstellung so korrigiert wurde, dass sie mit sehr hoher Präzision der gewünschten Heizleistung und der gewünschten Wärmestromdichte entspricht. Dies geschieht auf folgende Art und Weise:
  • An Endbereiche 32 und 34 der elektrisch leitenden Widerstandsschicht 26 wird während des Abdampfens der Bereiche 24 eine elektrische Spannung angelegt, so dass während dieses Abdampfens der elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Schicht 26 kontinuierlich gemessen werden kann. Mit dem Laserstrahl wird dabei die Materialschicht 14 nur in zunächst sehr schmalen Bereichen 24 abgedampft. Die in Fig. 4 horizontal verlaufenden abgedampften Bereiche 24 verlaufen also zunächst nur von einem in Fig. 4 gestrichelt dargestellten Rand 36 bis zu dem darüber liegenden horizontalen Rand 38 der elektrisch leitenden Widerstandsschicht 26 (auch hier ist aus Darstellungsgründen nur in einem Bereich 24 das entsprechende Bezugszeichen eingetragen). Darüber hinaus wird die Materialschicht 14 zunächst vom Laserstrahl so bearbeitet, dass der in Fig. 4 untere elektrische Endbereich 34 relativ breit ist. Dies ist ebenfalls durch eine gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 40 dargestellt.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird während des Abdampfens der Bereiche 24 aus der Materialschicht 14 durch Widerstandsmessung der entstehenden Schicht 26 festgestellt, dass der tatsächliche elektrische Widerstand WIST (vgl. Fig. 5) der elektrisch leitenden Widerstandsschicht 26 geringer ist als der an sich gewünschte elektrische Widerstand WSOLL. Der in Fig. 4 untere Anschlussbereich 34 der elektrisch leitenden Widerstandsschicht 26 wird daher vom Laserstrahl so bearbeitet, dass seine Breite abnimmt, es wird also zusätzliches Material abgedampft. Hierdurch verlängert sich die elektrisch leitende Widerstandsschicht 26 um ein Maß dl (vgl. Fig. 4 und 5) und in der Folge steigt der tatsächliche elektrische Widerstand WIST an, bis er in etwa dem gewünschten Widerstand WSOLL entspricht. Die endgültige Position der Begrenzungslinie des unteren elektrischen Anschlusses 34 trägt in Fig. 4 das Bezugszeichen 42.
  • Um die Wärmestromdichte einzustellen, werden ferner die in Fig. 4 horizontalen abgedampften Bereiche 24 vergrößert. Die endgültige Begrenzung, bei welcher die elektrisch leitende Widerstandsschicht 26 die gewünschte Wärmestromdichte aufweist, trägt in Fig. 4 das Bezugszeichen 44 (aus Darstellungsgründen ist auch dieses Bezugszeichen nur bei einem abgedampften Bereich 24 eingetragen).
  • In Fig. 6 ist eine plattenförmige Heizvorrichtung im Schnitt dargestellt. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst sie nicht nur eine elektrisch leitende Widerstandsschicht, sondern zwei elektrisch leitende Widerstandsschichten 26a und 26b. Zwischen diesen ist eine elektrisch nicht leitende Zwischenschicht 46 vorhanden. Die Herstellung dieser elektrischen Heizplatte 28 erfolgt folgendermaßen:
  • Zunächst wird wie bei den obigen Ausführungsbeispielen ein elektrisch leitendes Material auf einen plattenförmigen Träger 12 aufgebracht. Die Aufbringung erfolgt dabei flächig durch thermisches Spritzen in einer Art und Weise, dass die hieraus entstehende Materialschicht zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist. Anschließend wird mittels Laserstrahlung die Materialschicht bereichsweise (Bezugszeichen 24a) derart abgedampft, dass eine elektrisch leitende Widerstandsschicht 26a erzeugt wird, welche die gewünschte Form aufweist.
  • Auf die fertige elektrisch leitende Widerstandsschicht 26a wird im weiteren Verlauf des Herstellungsvorgangs die elektrisch isolierende Zwischenschicht 46 aufgebracht. Dann wird der oben beschriebene Vorgang wiederholt, d. h. es wird wieder elektrisch leitendes Material mittels thermischem Spritzen auf die nicht leitende Zwischenschicht 46 flächig derart aufgebracht, dass eine hieraus entstandene zweite Materialschicht im Wesentlichen noch nicht die gewünschte Form aufweist. Diese wird dann mittels Laserstrahlung bearbeitet und bereichsweise (Bezugszeichen 24b) derart abgedampft, dass eine zweite elektrisch leitende Widerstandsschicht (26b) in der gewünschten Form entsteht.
  • In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Material der elektrisch leitenden Schicht so gewählt, dass anstelle einer elektrischen Heizschicht eine elektrische Kühlschicht gebildet wird.
  • In einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur der Heizschicht durch einen keramischen Schalter überwacht. Hierunter wird ein nicht-mechanischer Schalter verstanden, welcher ein Element aufweist, dessen Leitfähigkeit in erheblichem Umfang von seiner Temperatur abhängt. Alternativ kann auch ein Bimetallschalter verwendet werden.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26; 26a, 26b), bei dem ein elektrisch leitendes Material (18) mittels thermischem Spritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen (16) auf einen nicht leitenden Untergrund (12; 12, 46) aufgebracht wird, wobei das elektrisch leitende Material (18) flächig derart aufgebracht wird, dass eine hieraus entstandene Materialschicht (14) zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist, und danach die Materialschicht (14) bereichsweise derart entfernt wird (24; 24a, 24b), dass eine elektrisch leitende Widerstandsschicht (26; 26a, 26b) entsteht, welche im Wesentlichen die gewünschte Form hat, dadurch gekennzeichnet, dass der örtliche elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht durch eine lokale Wärmebehandlung eingestellt wird, indem lokal Oxide in die Schicht eingetragen-werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bereichsweise Entfernen der Materialschicht (14) mittels Laserstrahlung, eines Wasserstrahls oder eines Pulver-Sandstrahls erfolgt, so dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht (26) wenigstens bereichsweise insbesondere mäanderförmig ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des bereichsweisen Entfernens (24) der Materialschicht (14) der elektrische Widerstand (WIST) der elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26) wenigstens mittelbar erfasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Istwert (WIST) des elektrischen Widerstands der elektrisch leitenden Widerstandsschicht mit einem Sollwert (WSOLL) verglichen und durch bereichsweises Entfernen (24) zusätzlichen elektrisch leitenden Materials (38, 42) der elektrische Widerstand (WIST) der elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26) derart verändert wird, dass die Differenz zwischen Istwert (WIST) und Sollwert (WSOLL) reduziert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Istwerts (WIST) des elektrischen Widerstands der elektrisch leitenden Widerstandsschicht und die Reduktion der Differenz zwischen Istwert (WIST) und Sollwert (WSOLL) parallel erfolgen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (14) derart entfernt wird (24), dass an mindestens einer Stelle der elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26) eine Soll-Schmelzstelle (30) im Sinne einer Schmelzsicherung entsteht.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem bereichsweisen Entfernen (24a) der Materialschicht und der fertigstellung der elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26a) auf diese eine,nichtleitende Zwischenschicht (46) aufgebracht, danach ein elektrisch leitendes Material mittels thermischem Spritzen auf die nicht leitende Zwischenschicht (46) flächig derart aufgebracht wird, dass eine hieraus entstandene Materialschicht zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist, und danach die Materialschicht bereichsweise derart entfernt wird (24b), dass eine zweite elektrisch leitende Widerstandsschicht (26b) entsteht, welche die gewünschte Form hat.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (18) so aufgebracht und die Materialschicht (14) bereichsweise so entfernt wird (24) und ein solches Material umfasst, dass eine elektrische Heizschicht (26) oder eine elektrische Kühlschicht gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht versiegelt wird, insbesondere mittels Silikon, Polyimid, oder Wasserglas.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Versiegeln unter Vakuum erfolgt.
  11. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (28), mit einem nicht leitenden Untergrund (12; 12, 46) und einer auf den Untergrund (12; 12, 46) durch thermisches Spritzen (16), Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen aufgebrachten elektrisch leitenden Widerstands'schicht (26; 26a, 26b), die ein elektrisch leitendes Material (18) umfasst, welches zunächst flächig aufgebracht danach bereichsweise entfernt (24; 24a, 24b) und dadurch in eine gewünschte Form gebracht wurde, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des örtlichen elektrische Widerstands der elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26; 26a, 26b) infolge einer lokalen Wärmebehandlung lokal Oxide in die Schicht eingetragen wurden.
  12. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht (26; 26a, 26b) versiegelt ist.
  13. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der fertiggestellten elektrisch leitenden Widerstandsschicht, (26a) eine nichtleitende Zwischenschicht (46) aufliegt, und auf dieser flächig eine zweite elektrisch leitende Widerstandsschicht (26b) aufliegt, bei der die Materialschicht wie bei der Widerstandsschicht (26a) bereichsweise entfernt worden ist.
  14. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Widerstandsschichten und Zwischenschichten übereinander angeordnet sind.
  15. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht leitende Untergrund (12; 12, 46) aus Glas, Hochtemperaturglas oder Glaskeramik besteht.
  16. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht (26; 26a, 26b) Bismut, Tellurium, Germanium, Silizium und/oder Galliumarsenid ist.
  17. Heiz- und/oder Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des elektrischen Widerstandes der elektrisch leitenden Widerstandsschicht (26; 26a, 26b) diese einen Endbereich (34) aufweist, dessen Länge einstellbar ist.
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