DE102004023483B4 - Ceramic heating element for electric radiant heaters - Google Patents

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Abstract

Heizelement für elektrische Strahlungsheizkörper mit einer vorgegebenen Leistung zum Beheizen einer Heizfläche, bestehend aus einem dünnen Flächenelement aus einer elektrisch leitfähigen Keramik, welches mindestens in Richtung der Wärmeabstrahlung auf die Heizfläche eine nichtplanare Form aufweist, welche mindestens eine Auslenkung mit einer Amplitude von ≥ 1 mm aufweist, wobei das Flächenelement in Stromrichtung im Wesentlichen keine Formänderung aufweist und die Anzahl der Auslenkungen ≥ 1 ist und die Auslenkungen auch unterschiedliche Formen aufweisen können.Heating element for electric radiant heaters with a predetermined power for heating a heating surface, consisting of a thin surface element made of an electrically conductive ceramic, which has a non-planar shape at least in the direction of heat radiation on the heating surface, which has at least one deflection with an amplitude of ≥ 1 mm , wherein the surface element in the current direction has substantially no change in shape and the number of deflections ≥ 1 and the deflections can also have different shapes.

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Heizelement, welches beispielsweise für elektrische Strahlungsheizkörper angewendet werden kann.The The invention relates to a ceramic heating element which, for example for electrical radiant heaters can be applied.

Bekannt sind elektrische Strahlungsheizkörper die Heizelemente in Form von Drähten, Flachbändern, gewellten Flachbändern und Folien verwenden. Als am vorteilhaftesten angesehen und auch vielfach genutzt, werden Flachbänder und gewellte Flachbänder. Besonders bevorzugt sind folienartige dünne Heizleiter, da diese wegen der geringen Wärmekapazität des Heizleiters ein schnelles Aufheizen ermöglichen ( DE 197 55 114 A1 ).Electric radiant heaters are known to use the heating elements in the form of wires, flat strips, corrugated flat strips and films. Flat belts and corrugated flat belts are regarded as the most advantageous and often used. Particular preference is given to film-like thin heating conductors, since these allow a rapid heating due to the low heat capacity of the heating conductor ( DE 197 55 114 A1 ).

Diese Heizleiter sind in den meisten Fällen aus FeCrAl-Legierungen hergestellt. Zur Fixierung der Heizleiter sind Befestigungen notwendig. Die Befestigung der Heizleiter kann an der elektrisch und thermisch isolierenden Unterlage vorgenommen werden, wie es in DE 197 55 114 A1 , DE 198 56 669 A1 durch Strukturierung der isolierenden Unterlage realisiert wird. In der US 6,216,334 und US 4,161,648 werden Verankerungen des Heizleiters durch eine Strukturierung des Heizleiterbandes erreicht. Die Verankerung des Heizleiterbandes ist insofern wichtig für die Funktion eines Heizkörpers, da infolge der thermischen Ausdehnung des Heizleiters beim Erhitzen desselben sich dieser aus seiner ursprünglichen Lage verschieben kann. Dadurch kann es zu Kurzschlüssen der Heizleiter kommen, was zu einer Zerstörung des Heizelementes führt. Insbesondere sehr dünne Heizleiter, wie sie aus Sicht eines schnellen Aufheizvorganges bevorzugt werden, sind anfällig für unerwünschte Lageänderungen.These heaters are usually made of FeCrAl alloys. For fixing the heating conductors fastenings are necessary. The attachment of the heating conductor can be made to the electrically and thermally insulating pad, as it is in DE 197 55 114 A1 . DE 198 56 669 A1 is realized by structuring the insulating pad. In the US 6,216,334 and US 4,161,648 anchorages of the heat conductor are achieved by structuring the Heizleitererbandes. The anchoring of the Heizleiterbandes is so far important for the function of a radiator, as the same due to the thermal expansion of the heating element during heating, this can move from its original position. This can lead to short circuits of the heating element, which leads to destruction of the heating element. In particular, very thin heating conductors, as they are preferred from the point of view of a rapid heating process, are susceptible to undesirable changes in position.

Um die notwendigen Längen des Heizleiters zu erreichen, werden Heizbänder gemäß den DE 197 55 114 A1 , DE 198 56 669 A1 US 6,216,334 und in DE 42 29 375 A1 in gewellter oder flacher Form senkrecht aufgestellt und an der gewünschten Stelle positioniert. Nachteilig ist, dass der größte Anteil der abstrahlenden Fläche des Heizleiters dadurch senkrecht zur Heizfläche steht, so dass eine direkte Wärmestrahlung auf die zu beheizende Fläche nicht erfolgt. Demzufolge kommt es zu einem relativ ungünstigen Wirkungsgrad des Heizelementes, da die Wärmeenergie hauptsächlich indirekt über die Verankerung, die Isolation oder über Reflexionen zur Heizfläche gelangt. Weiterhin ist die Montage von spiralförmig oder mäanderförmig verlegten Heizbändern arbeitsaufwändig, so dass die Kosten derartiger Heizkörper relativ hoch sind.In order to achieve the necessary lengths of the heat conductor, heating tapes according to the DE 197 55 114 A1 . DE 198 56 669 A1 US 6,216,334 and in DE 42 29 375 A1 in corrugated or flat form placed vertically and positioned at the desired location. The disadvantage is that the largest proportion of the radiating surface of the heating element is thereby perpendicular to the heating surface, so that a direct heat radiation does not take place on the surface to be heated. As a result, there is a relatively unfavorable efficiency of the heating element, since the heat energy passes mainly indirectly through the anchorage, the insulation or reflections to the heating surface. Furthermore, the installation of spirally or meandering laid heating tapes is laborious, so that the cost of such radiators are relatively high.

Eine Lösung zur Verbesserung der Abstrahlungsoberfläche wird in JP 07022163 A vorgestellt, indem ein gefalteter Heizleiter in einem Rohr verankert wird. Der Faltvorgang kann durch diese Anordnung zwar vereinfacht werden und die Abstrahlungsfläche des Heizers ist in jedem Fall auf das umgebende Rohr gerichtet, aber der Wärmeübergang ist durch das umgebende Rohr behindert, so dass der Vorteil einer vorrangig direkten Abstrahlung wieder kompensiert wird und letztendlich eine indirekte Abstrahlung auf die eigentliche Heizfläche über das Heizrohr erfolgt.A solution to improve the radiation surface is in JP 07022163 A presented by anchoring a folded heating element in a tube. Although the folding process can be simplified by this arrangement and the radiating surface of the heater is directed in any case to the surrounding pipe, but the heat transfer is obstructed by the surrounding pipe, so that the advantage of a direct direct radiation is compensated again and ultimately an indirect radiation takes place on the actual heating surface via the heating tube.

Die genannten technischen Schwierigkeiten führten zu Überlegungen, die den Einsatz von Keramiken im Heizelement beinhalten. Allerdings führte die Anwendung von kompakten keramischen Heizleitern zwangsläufig zu langen Aufheizzeiten, weil diese Materialien infolge der notwendigen großen Volumina eine relativ hohe Wärmekapazität besitzen und wegen ihres spröden Bruchverhaltens und der dadurch eingeschränkten Temperaturwechselbeständigkeit nicht zu schnell aufgeheizt werden dürfen.The mentioned technical difficulties led to considerations that the use of ceramics in the heating element. However, the led Use of compact ceramic heaters inevitably too long heating times, because these materials due to the necessary huge Volumes have a relatively high heat capacity and because of their brittle Fracture behavior and the limited thermal shock resistance should not be heated too fast.

Um die genannten Probleme keramischer Heizelemente zu umgehen, können diese sehr dünn gestaltet werden, so dass eine nahezu homogene Erwärmung möglich wird und die Wärmekapazität sogar kleiner werden kann, als die von metallischen Heizleiterwerkstoffen. Insbesondere werden keramische Platten oder Folien als Substrat oder Träger für metallische Heizfolien ( US 4,150,280 ; US 4,272,668 ; US 5,519,191 ; EP 0 866 641 A2 ) oder über verschiedene Beschichtungsverfahren aufgebrachte elektrisch leitfähige Schichten ( EP 1 133 214 A1 ; US 2002/0,195,441 ) genutzt. Die Anwendung von halbleitenden Materialien, insbesondere Si, als Heizschicht wird in DE 197 20 880 A1 angeführt. Bei diesem Stand der Technik ist im Falle der Kombination einer metallischen Folie mit einem keramischen Träger oder Isolationskörper eine Verlängerung des Leitungsweges erforderlich, um einen für technische Anwendungen ausreichend großen elektrischen Widerstand zu erreichen. Im Allgemeinen sind die genutzten Metallfolien relativ dünn, d. h. < 200 μm Foliendicke, was einen Träger aus elektrisch isolierendem Material erforderlich macht. Weiterhin werden die Metallfolienheizer, ebenso wie die oben beschriebenen Heizbänder, senkrecht zur Abstrahlrichtung eingebaut ( US 5,519,191 ), was wiederum den Nachteil eines geringen Wirkungsgrades hat. Eine parallele Anordnung der metallischen Heizfolie erfordert, wie in US 4,150,280 und EP 0 866 641 A2 angegeben, eine Fixierung der Heizfolie mittels eines wärmeleitfähigen Kleber, Zement oder Paste, die wiederum den Vorteil der direkten Wärmeabstrahlung auf die Heizfläche verringern.In order to circumvent the mentioned problems of ceramic heating elements, they can be made very thin, so that a nearly homogeneous heating is possible and the heat capacity can be even smaller than that of metallic Heizleiterwerkstoffen. In particular, ceramic plates or films are used as substrate or carrier for metallic heating foils ( US 4,150,280 ; US 4,272,668 ; US 5,519,191 ; EP 0 866 641 A2 ) or via various coating methods applied electrically conductive layers ( EP 1 133 214 A1 ; US 2002 / 0,195,441 ) used. The application of semiconducting materials, in particular Si, as a heating layer is described in DE 197 20 880 A1 cited. In this prior art, in the case of the combination of a metallic foil with a ceramic carrier or insulating body, an extension of the conduction path is required in order to achieve a sufficiently high electrical resistance for technical applications. In general, the metal foils used are relatively thin, ie <200 μm film thickness, which requires a support of electrically insulating material. Furthermore, the metal foil heaters, as well as the heating tapes described above, are installed perpendicular to the emission direction ( US 5,519,191 ), which in turn has the disadvantage of low efficiency. A parallel arrangement of the metallic heating foil requires, as in US 4,150,280 and EP 0 866 641 A2 indicated, a fixation of the heating foil by means of a thermally conductive adhesive, cement or paste, which in turn reduce the advantage of direct heat radiation to the heating surface.

Die Nutzung von extrem dünnen Heizleiterschichten erfordert in jedem Fall ein Trägersubstrat, welches elektrisch isolierend und thermisch an die Heizleiterschicht gekoppelt ist, so dass der Vorteil der geringen Wärmekapazität des Heizleiters und der damit verbundenen kurzen Aufheizzeit und des niedrigen Eigenenergiebedarfs durch das unumgängliche Substrat kompensiert wird. Letztendlich unterscheidet sich aus energetischer Sicht diese Konstruktion nicht wesentlich von einem Flachband. Lediglich das Problem der Fixierung des Heizleiters ist insofern gelöst, solange sich die Heizleiterschicht nicht durch Ausdehnungsunterschiede zum Substrat ablöst oder abplatzt.In any case, the use of extremely thin heat conductor layers requires a carrier substrate which is electrically insulating and thermally coupled to the heat conductor layer, so that the advantage of the low heat capacity of the heat conductor and the associated short heat-up time and the low self-energy demand by the inevitable Substrate is compensated. Ultimately, from an energetic point of view, this construction does not differ significantly from a flat strip. Only the problem of fixing the heat conductor is solved insofar as the heat conductor layer does not detach or flake off due to expansion differences from the substrate.

Weiterhin sind aus der WO 00/65875 A1 ein Heizelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelementes für Glaskeramikkochplatten bekannt, bei dem aus einem dünnen Metallblatt, welches ein Flächenelement mit in Richtung, der Wärmeabstrahlung nichtplanarer Form mit Auslenkungen bildet, ein Widerstandsband einer vorbestimmten Form und aus einem wärmebeständigen dielektrischen Material eine runde Scheibe mit mindestens einem Kanal geformt wird, wobei die Form der Kanäle mit der Form des Widerstandsbandes korrespondiert, das Widerstandsband in die Kanäle und die runde Scheibe in einen Metallbehälter eingebracht werden und der Behälter mit einer Glasplatte verschlossen wird. Das Widerstandsband kann dabei die vielfältigsten Formen aufweisen. Die wärmebeständige Scheibe dient dabei als Stütz- und Stabilisierungselement.Furthermore, from the WO 00/65875 A1 a heating element and a method for producing such a heating element for glass ceramic hotplates is known in which from a thin metal sheet, which forms a surface element in the direction of the heat radiation non-planar shape with deflections, a resistance band of a predetermined shape and a heat-resistant dielectric material a round disc is formed with at least one channel, wherein the shape of the channels corresponds to the shape of the resistance band, the resistance band are introduced into the channels and the round disc in a metal container and the container is closed with a glass plate. The resistance band can have the most varied forms. The heat-resistant disc serves as a support and stabilizing element.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Heizelement für elektrische Strahlungsheizkörper anzugeben, welches im Wesentlichen auf Stabilisierungs- und Stützelemente verzichten kann.task the invention is to provide a heating element for electric radiant heaters, which essentially on stabilizing and supporting elements can do without.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the invention specified in the claims. Trainings are Subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Heizelement für elektrische Strahlungsheizkörper mit einer vorgegebenen Leistung und zum Beheizen einer Heizfläche besteht aus einem dünnen Flächenelement aus einer elektrisch leitfähigen Keramik, welches mindestens in Richtung der Wärmeabstrahlung auf die Heizfläche eine nichtplanare Form aufweist, welche mindestens eine Auslenkung mit einer Amplitude von ≥ 1 mm aufweist, wobei das Flächenelement in Stromrichtung im Wesentlichen keine Formänderung aufweist und die Anzahl der Auslenkungen ≥ 1 ist und die Auslenkungen auch unterschiedliche Formen aufweisen können.The heating element according to the invention for electrical radiant heaters with a given power and for heating a heating surface out of a thin one surface element from an electrically conductive Ceramic, which at least in the direction of heat radiation on the heating surface a having non-planar shape, which at least one deflection with an amplitude of ≥ 1 mm having, wherein the surface element has substantially no change in shape in the current direction and the number of the deflections ≥ 1 is and the deflections also have different shapes can.

Vorteilhafterweise beträgt die vorgegebene Leistung zwischen 10 und 20000 W.advantageously, is the specified power between 10 and 20,000 W.

Ebenfalls vorteilhafterweise weist das Material des dünnen Flächenelementes einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 0,001 und 1 Ωcm bei Betriebstemperatur auf.Also Advantageously, the material of the thin surface element has a specific electrical resistance between 0.001 and 1 Ωcm at operating temperature.

Auch vorteilhafterweise sind als elektrisch leitfähige Keramik Siliciumcarbid, Molybdändisilicid, Titancarbid, Wolframcarbid oder Komposite dieser Werkstoffe oder Kompositwerkstoffe aus elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen keramischen Werkstoffen eingesetzt.Also Advantageously, as the electrically conductive ceramic silicon carbide, Molybdenum disilicide, titanium carbide, Tungsten carbide or composites of these materials or composite materials made of electrically insulating and electrically conductive ceramic materials used.

Es ist auch vorteilhaft, wenn das dünne Flächenelement eine Dicke von 50 μm bis 1,0 mm aufweist.It is also beneficial if the thin surface element a thickness of 50 microns to 1.0 mm.

Auch vorteilhaft ist es, wenn die Form des Querschnittes des dünnen, steifen Flächenelementes quer zur Stromrichtung im Wesentlichen ein Dreieck, ein Halbkreis, eine Welle oder ein Trapez ist, wobei diese Formen nur nach oben oder im ein- oder mehrfachen Wechsel nach oben und unten gerichtet sind.Also it is advantageous if the shape of the cross section of the thin, stiff surface element essentially a triangle, a semicircle, transverse to the current direction, a wave or a trapeze is, these forms only upwards or directed in single or multiple alternation up and down.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Form des Querschnittes des dünnen Flächenelementes eine Welle ist.Also It is advantageous if the shape of the cross section of the thin surface element a Wave is.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Querschnittsformen ein gleichschenkliges Dreieck oder eine Welle oder ein Trapez mit einem Winkel von 45° aufweisen.And It is also advantageous if the cross-sectional shapes are an isosceles Triangle or a wave or a trapezoid at an angle of 45 °.

Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Anzahl der nichtplanaren Formen zwischen 1 und 20 Auslenkungen beträgt.Farther It is beneficial if the number of non-planar forms between 1 and 20 deflections.

Es ist auch von Vorteil, wenn die Amplitude der Auslenkungen zwischen 0,2 und 10 mm beträgt.It is also beneficial if the amplitude of the deflections between 0.2 and 10 mm.

Auch von Vorteil ist es, wenn sich eine Form des Querschnitts der Auslenkungen mit gleicher oder unterschiedlicher Amplitude wiederholt oder wenn sich verschiedene Formen des Querschnitts der Auslenkungen mit gleicher oder unterschiedlicher Amplitude wiederholen, wobei vorteilhafterweise sich zwei verschiedene Formen des Querschnitts der Auslenkungen mit gleicher oder unterschiedlicher Amplitude abwechselnd wiederholen.Also it is advantageous if a shape of the cross section of the deflections repeated with equal or different amplitude or when different shapes of the cross section of the deflections with the same or different amplitude repeat, advantageously itself two different forms of the cross section of the deflections Repeat alternately with the same or different amplitude.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die nichtplanare Form des dünnen Flächenelementes weiterhin Dellen, Löcher und/oder Noppen aufweist.Also it is beneficial if the non-planar shape of the thin surface element still dents, holes and / or nubs.

Vorteilhaft ist auch, wenn das dünne Flächenelement kreisförmig, rechteckig, quadratisch oder polyedrisch ausgebildet ist.Advantageous is also when the thin surface element circular, is rectangular, square or polyhedral formed.

Von Vorteil ist auch, wenn das dünne Flächenelement auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung auf einer planaren Oberfläche aufliegt oder damit verbunden ist.From Advantage is also when the thin surface element rests on the opposite side to the radiation direction on a planar surface or connected with it.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn das dünne Flächenelement aus mindestens zwei Schichten unterschiedlichen Materials aufgebaut ist.And It is also advantageous if the thin surface element of at least two layers of different material is constructed.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das dünne Flächenelement auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung eine Schicht aus einem Material mit einem geringen Emissionskoeffizienten aufweist.Farther It is advantageous if the thin surface element on the opposite side to the emission direction, a layer of a Has material with a low emission coefficient.

Und weiterhin von Vorteil ist es, wenn das dünne Flächenelement auf der Seite der Abstrahlungsrichtung eine Schicht aufweist, die aus einem poröseren Material besteht, als das Material auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung.And Furthermore, it is advantageous if the thin surface element on the side of Direction of radiation has a layer of a more porous material exists as the material on the opposite side to the radiation direction.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Bereiche der Verbindung des dünnen Flächenelementes mit den Elektroden eine größere Dicke als das gesamte Flächenelement aufweisen.Also It is advantageous if the areas of the connection of the thin surface element with the electrodes have a greater thickness as the entire surface element exhibit.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Heizelementes bestehen in einer wesentlichen Vergrößerung der Abstrahlungsfläche, in relativ kurzen Strompfaden, in einer sehr geringen thermischen Ausdehnung und Verformung, in einer verbesserten mechanischen Stabilität und in einer geringeren Masse. Das erfindungsgemäße Heizelement kann in zum Teil extrem kurzer Zeit und mit wenig Energie aufgeheizt werden. Die geometrische Gestaltung, die gute Wärmeleitfähigkeit und die hohe Festigkeit des Heizelementes resultieren in einer guten Temperaturwechselbeständigkeit.The Significant advantages of the heating element according to the invention exist in a substantial enlargement of the Radiation area, in relatively short current paths, in a very low thermal Expansion and deformation, in improved mechanical stability and in a smaller mass. The heating element according to the invention can in for Part of an extremely short time and be heated with little energy. The geometric design, the good thermal conductivity and the high strength of the heating element result in a good thermal shock resistance.

Der spezifische elektrische Widerstand von leitfähigen keramischen Werkstoffen ist im Vergleich zu metallischen Heizelementen groß, so dass Heizelemente mit relativ großem Querschnitt gefertigt werden können, ohne den Gesamtwiderstand des Heizelements unzweckmäßig zu verringern. Der hohe spezifische Widerstand lässt vergleichsweise kurze Abmessungen des dünnen Flächenelementes zu, was eine direkte Abstrahlung an die Heizfläche ermöglicht, so dass der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Heizelementen deutlich verbessert werden kann. Weiterhin weisen die dünnen Flächenelemente eine geringere Dichte als vergleichbare metallische Heizelemente auf, so dass das erfindungsgemäße Heizelement auch ein deutlich geringeres Gewicht hat.Of the specific electrical resistance of conductive ceramic materials is great compared to metallic heating elements, so that Heating elements with a relatively large Cross section can be made, without inconveniently reducing the total resistance of the heating element. The high resistivity allows comparatively short dimensions of the thin one surface element to what allows a direct radiation to the heating surface, so that the efficiency over conventional Heating elements can be significantly improved. Continue to point the thin ones surface elements a lower density than comparable metallic heating elements on, so that the heating element according to the invention also has a significantly lower weight.

Die vorteilhafterweise einsetzbaren keramischen Materialien zeichnen sich durch eine sehr geringe thermische Ausdehnung und Verformung aus. Sie sind thermisch relativ beständig und ändern weder ihre Festigkeit noch andere mechanische Kenngrößen, wie den E-Modul oder die Abmessungen mit zunehmenden Temperaturen wesentlich. Aufgrund dieser Vorteile ist es möglich, die Position des dünnen Flächenelementes gegenüber der Heizfläche so zu wählen, dass die nichtplanare Form in Richtung zur Heizfläche ausgerichtet ist. Dies bedeutet, dass mindestens eine der vorrangig die Wärmeenergie abstrahlenden Seiten des Flächenelementes, die eine nichtplanare Form aufweisen, parallel zur Heizfläche angeordnet ist und somit zu einer verbesserten Wärmeübertragung beitragen.The draw advantageously usable ceramic materials characterized by a very low thermal expansion and deformation out. They are thermally relatively stable and do not change their strength other mechanical characteristics, such as the modulus of elasticity or the dimensions with increasing temperatures substantially. Because of these advantages, it is possible to determine the position of the thin surface element across from the heating surface so to choose that the non-planar shape is oriented towards the heating surface is. This means that at least one of the priority is the heat energy radiating sides of the surface element, which have a non-planar shape, arranged parallel to the heating surface is and thus contribute to improved heat transfer.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann auf Stützelemente und Trägermaterialien verzichtet werden, was ebenfalls zu einer Gewichtseinsparung und zu einem verbesserten energetischen Wirkungsgrad führt.With the solution according to the invention can on support elements and carrier materials be omitted, which also contributes to weight savings and to leads to improved energy efficiency.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement wird im Wesentlichen auf eine Formänderung in Stromrichtung verzichtet. Dadurch wird trotz Vergrößerung der Fläche die Länge der Strompfade nicht wesentlich verlängert, was zu einer längeren Lebensdauer und gleichmäßigen Aufheizverhalten des Heizelementes führt.at the heating element according to the invention is essentially to a change in shape omitted in the direction of flow. This will despite enlargement of the area the length the current paths are not significantly extended, resulting in a longer life and uniform heating behavior of the heating element leads.

Von Vorteil ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung weiterhin, wenn die Flächenelemente möglichst dünn, in Form einer Folie, eingesetzt werden, was auch zu einer schnelleren Aufheizung des Heizelementes führt.From It is an advantage in the inventive solution further, if the surface elements preferably thin, in Form of a film, are used, which also leads to a faster Heating the heating element leads.

Die Form, Anzahl und Amplitude der Auslenkungen und das Material des nichtplanaren dünnen Flächenelementes werden in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungszweck ausgewählt und optimiert. Dabei werden möglichst einfach herstellbare Formen, in möglichst hoher Anzahl der Auslenkungen mit mittleren Amplituden und elektrisch leitfähige Keramiken bevorzugt eingesetzt.The Shape, number and amplitude of the deflections and the material of the non-planar thin surface element become dependent selected and optimized by the particular application. It will be preferably easy to produce shapes, in the highest possible number of deflections preferably used with medium amplitudes and electrically conductive ceramics.

Unter Amplitude der Auslenkungen soll im Rahmen dieser Erfindung die Höhe der nichplanaren Auslenkung der jeweiligen Form über einer Fläche verstanden werden.Under Amplitude of the deflections is in the context of this invention, the amount of non-planar deflection the respective form over a surface understood become.

Ebenfalls kann das nichtplanare dünne Flächenelement aus einer oder mehreren Schichten unterschiedlichen Materials bestehen. Vorteilhafterweise könnte die Materialschicht in Abstrahlungsrichtung porös sein und/oder die Materialschicht auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung einen geringeren Emissionskoeffizienten aufweisen oder mit einer schwarzen Farbschicht versehen sein.Also can the nonplanar thin surface element consist of one or more layers of different material. Advantageously, could the material layer be porous in the direction of radiation and / or the material layer on the opposite side to the emission direction a lower emission coefficient or be provided with a black color layer.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Bereiche des Flächenelementes, die mit der elektrischen Verbindung in Kontakt kommen, eine größere Dicke als das Flächenelement im Durchschnitt, beispielsweise die doppelte Dicke, aufweisen, und/oder aus einem leitfähigeren Material bestehen als das restliche Flächenelement.Farther It is advantageous if the areas of the surface element, with the electrical connection come into contact, a greater thickness than the surface element on average, for example, twice the thickness, and / or from a more conductive Material exist as the remaining surface element.

Als Dicke des Flächenelementes soll im Rahmen dieser Erfindung immer die Dicke des aus einer oder mehreren Materialschichten bestehenden Flächenelementes verstanden werden, welches eine nichtplanare Form aufweist. Planare oder anders geformte Stütz- und/oder Trägerelemente sind dabei nicht zu berücksichtigen.In the context of this invention, the thickness of the surface element should always be understood to mean the thickness of the surface element consisting of one or more material layers, which has a non-planar shape. Planar or other shaped support and / or support elements are included not to be considered.

Im Weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.in the Furthermore, the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Beispielexample

Eine SiC-Folie mit einer Dicke von 0,3 mm wird über ein an sich bekanntes keramisches Foliengießverfahren hergestellt. Der Foliengießschlicker ist dabei zusammengesetzt aus 50,0 Ma.-% SiC-Pulver, 1,7 Ma.-% Ruß, 10,7 Ma.-% Polyvinylalkohol als organischer Binder, 3,3 Ma.-% Glycerin als Plastifikator, 0,2 Ma.-% Ammonium-Polyacrylat als Dispergator, 0,3 Ma.-% Polyglycolether als Dispergator und 33,8 Ma.-% entionisiertem Wasser. Der Schlicker wird auf einer Foliengießanlage vergossen. Die Gießrakelhöhe beträgt 0,65 mm und die Gießgeschwindigkeit 40 cm/min. Die Folie verbleibt bis zur vollständigen Trocknung auf der Gießunterlage. Die Trocknung erfolgt bei einer Temperatur von 25°C und bei einer relativen Luftfeuchte von 50%. Danach werden aus der entstandenen 0,3 mm dicken Folie Stücke mit einer Länge von 100 mm und einer Breite von 12 mm herausgeschnitten und diese Stücke mit einem Prägewerkzeug durch Aufeinanderpressen der Werkzeugteile wellenförmig verformt, wobei 4 Täler und 4 Berge entstehen und die Breite des Folienstückes nach der Verformung 6 mm beträgt. Die Form der geprägten Wellen ist sinusförmig, wobei die Höhe der Berge 1 mm und der Abstand zwischen den Bergen 1,6 mm beträgt. Die Enden der verformten Folienstücke werden flach gedrückt und mit einer zweiten Folienschicht aus der SiC-Folie mit 0,3 mm Dicke mit den Abmessungen 6 mm × 5 mm verstärkt. Anschließend werden der organische Binder und die weiteren Zusatzstoffe bei einer Temperatur von 1200°C ausgebrannt und die Temperatur weiter auf 1600°C erhöht. Dabei findet die Siliciuminfiltration und die Reaktionsbindung statt. Die Ofenatmosphäre ist Ar. Die Folien werden auf sogenannte keramische Dochte gelegt, die geschmolzenes Silicium zu den Folien transportieren. Das bereitgestellte Silicium schmilzt bei mehr als 1413°C und gelangt so zu den Folien. Dort kommt es zur Reaktionsbindung und Infiltration in den SiC-Körper, wodurch dieser keramisch verfestigt wird. Nach der Wärmebehandlung werden die verstärkten Enden mit einem Silberaktivlot metallisiert.A SiC film with a thickness of 0.3 mm is known per se over a ceramic tape casting produced. The Foliengießschlicker is composed of 50.0 mass% SiC powder, 1.7 mass% of carbon black, 10.7 % By weight of polyvinyl alcohol as organic binder, 3.3% by weight of glycerol as plasticizer, 0.2% by mass Ammonium polyacrylate as dispersing agent, 0.3% by weight of polyglycol ether as a dispersant and 33.8 mass% of deionized water. The slip will on a film casting machine shed. The squeegee height is 0.65 mm and the casting speed 40 cm / min. The film remains on the casting pad until completely dry. Drying takes place at a temperature of 25 ° C and at a relative humidity of 50%. After that, from the resulting 0.3 mm thick foil pieces with a length cut out of 100 mm and a width of 12 mm and this pieces with a stamping tool deformed wave-shaped by pressing the tool parts together, being 4 valleys and 4 mountains arise and the width of the foil piece after deformation 6 mm. The shape of the embossed Waves is sinusoidal, the height of the Mountains 1 mm and the distance between the mountains is 1.6 mm. The Ends of the deformed pieces of film be pressed flat and with a second film layer of the 0.3 mm SiC film Thickness with the dimensions 6 mm × 5 mm reinforced. Subsequently become the organic binder and the other additives in a Temperature of 1200 ° C Burned out and the temperature further increased to 1600 ° C. The silicon infiltration and the reaction bond takes place. The furnace atmosphere is Ar. The slides will be placed on so-called ceramic wicks, the molten silicon transport to the slides. The supplied silicon melts at more than 1413 ° C and thus gets to the slides. There it comes to the reaction binding and infiltration into the SiC body, whereby this ceramic is solidified. After the heat treatment will be the amplified Ends metallized with a silver active solder.

Nach der Metallisierung der Enden ist das Heizelement einsatzbereit. Der elektrische Widerstand des Heizelementes beträgt 2 Ω und die Masse 1,6 g. Durch Anlegen einer Spannung von 20 V kann das Heizelement innerhalb von 3 s auf 500°C erwärmt werden. Die genutzte elektrische Leistung beträgt dabei 200 W.To the metallization of the ends of the heating element is ready for use. The electrical resistance of the heating element is 2 Ω and the Mass 1.6 g. By applying a voltage of 20 V, the heating element within 3 s at 500 ° C heated become. The used electrical power amounts to 200 W.

Claims (20)

Heizelement für elektrische Strahlungsheizkörper mit einer vorgegebenen Leistung zum Beheizen einer Heizfläche, bestehend aus einem dünnen Flächenelement aus einer elektrisch leitfähigen Keramik, welches mindestens in Richtung der Wärmeabstrahlung auf die Heizfläche eine nichtplanare Form aufweist, welche mindestens eine Auslenkung mit einer Amplitude von ≥ 1 mm aufweist, wobei das Flächenelement in Stromrichtung im Wesentlichen keine Formänderung aufweist und die Anzahl der Auslenkungen ≥ 1 ist und die Auslenkungen auch unterschiedliche Formen aufweisen können.Heating element for electric radiant heaters with a predetermined power for heating a heating surface, consisting from a thin surface element from an electrically conductive Ceramic, which at least in the direction of heat radiation on the heating surface a having non-planar shape, which at least one deflection with an amplitude of ≥ 1 mm, wherein the surface element has substantially no change in shape in the current direction and the number of the deflections ≥ 1 is and the deflections also have different shapes can. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Leistung zwischen 10 und 20000 W beträgt.Heating element according to claim 1, wherein the predetermined Power is between 10 and 20,000 W. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem das Material des dünnen Flächenelementes einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 0,001 und 1 Ωcm bei Betriebstemperatur aufweist.Heating element according to claim 1, wherein the material of the thin one surface element a specific electrical resistance between 0.001 and 1 Ωcm at operating temperature having. Heizelement nach Anspruch 1, bei der als elektrisch leitfähige Keramik Siliciumcarbid, Molybdändisilicid, Titancarbid, Wolframcarbid oder Komposite dieser Werkstoffe oder Kompositwerkstoffe aus elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen keramischen Werkstoffen eingesetzt sind.Heating element according to claim 1, in which as electrical conductive Ceramic silicon carbide, molybdenum disilicide, Titanium carbide, tungsten carbide or composites of these materials or Composite materials of electrically insulating and electrically conductive ceramic Materials are used. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem das dünne Flächenelement eine Dicke von 50 μm bis 1,0 mm aufweist.Heating element according to claim 1, wherein the thin surface element a thickness of 50 microns to 1.0 mm. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die Form des Querschnittes des dünnen Flächenelementes quer zur Stromrichtung im Wesentlichen ein Dreieck, ein Halbkreis, eine Welle oder ein Trapez ist, wobei diese Formen nur nach oben oder im ein- oder mehrfachen Wechsel nach oben und unten gerichtet sind.Heating element according to claim 1, wherein the shape of the Cross section of the thin one surface element essentially a triangle, a semicircle, transverse to the current direction, a wave or a trapeze is, these forms only upwards or directed in single or multiple alternation up and down. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die Form des Querschnittes des dünnen Flächenelementes eine Welle ist.Heating element according to claim 1, wherein the shape of the Cross section of the thin one surface element a wave is. Heizelement nach Anspruch 1, bei der die Querschnittsformen ein gleichschenkliges Dreieck oder eine Welle oder ein Trapez mit einem Winkel von 45° aufweisen.Heating element according to claim 1, wherein the cross-sectional shapes an isosceles triangle or a wave or a trapezoid with have an angle of 45 °. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl der nichtplanaren Formen zwischen 1 und 20 Auslenkungen beträgt.Heating element according to claim 1, wherein the number of non-planar forms between 1 and 20 deflections. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die Amplitude der Auslenkungen zwischen 0,2 und 10 mm beträgt.Heating element according to claim 1, wherein the amplitude the deflections is between 0.2 and 10 mm. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem sich eine Form des Querschnitts der Auslenkungen mit gleicher oder unterschiedlicher Amplitude wiederholt.Heating element according to claim 1, wherein a shape the cross section of the deflections with the same or different Amplitude repeated. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem sich verschiedene Formen des Querschnitts der Auslenkungen mit gleicher oder unterschiedlicher Amplitude wiederholen.Heating element according to claim 1, wherein different Shapes of the cross section of the deflections with the same or different Repeat the amplitude. Heizelement nach Anspruch 12, bei dem sich zwei verschiedene Formen des Querschnitts der Auslenkungen mit gleicher oder unterschiedlicher Amplitude abwechselnd wiederholen.Heating element according to claim 12, in which two different shapes of the cross section of the deflections with the same or different amplitude alternately. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die nichtplanare Form des dünnen Flächenelementes weiterhin Dellen, Löcher und/oder Noppen aufweist.Heating element according to claim 1, wherein the non-planar Shape of the thin Surface element continues Dents, holes and / or nubs. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem das dünne Flächenelement kreisförmig, rechteckig, quadratisch oder polyedrisch ausgebildet ist.Heating element according to claim 1, wherein the thin surface element circular, is rectangular, square or polyhedral formed. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem das dünne Flächenelement auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung auf einer planaren Oberfläche aufliegt oder damit verbunden ist.Heating element according to claim 1, wherein the thin surface element rests on the opposite side to the radiation direction on a planar surface or connected with it. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem das dünne Flächenelement aus mindestens zwei Schichten unterschiedlichen Materials aufgebaut ist.Heating element according to claim 1, wherein the thin surface element composed of at least two layers of different material is. Heizelement nach Anspruch 17, bei dem das dünne Flächenelement auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung eine Schicht aus einem Material mit einem geringeren Emissionskoeffizienten aufweist.Heating element according to claim 17, wherein the thin surface element on the opposite side to the emission direction, a layer of a Has material with a lower emission coefficient. Heizelement nach Anspruch 17, bei dem das dünne Flächenelement auf der Seite der Abstrahlungsrichtung eine Schicht aufweist, die aus einem poröseren Material besteht, als das Material auf der Gegenseite zur Abstrahlungsrichtung.Heating element according to claim 17, wherein the thin surface element has a layer on the side of the radiation direction, the from a more porous one Material exists, as the material on the opposite side to the radiation direction. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die Bereiche der Verbindung des dünnen Flächenelementes mit den Elektroden eine größere Dicke als das gesamte Flächenelement aufweisen.Heating element according to claim 1, wherein the areas the connection of the thin one surface element with the electrodes a greater thickness as the entire surface element exhibit.
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