Elektrisches Heizelement Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektri sches Heizelement mit einer isolierenden Unterlage, auf der eine kohlenstoffhaltige Schicht aufgetragen ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Obwohl Kohlenstoff wegen seines hohen spezifi schen Widerstandes und seiner chemischen Stabili tät für viele Zwecke ein geeignetes, leitendes Material für elektrische Widerstände und Heizelemente ist, weist er einen ziemlich hohen negativen Tempera,- turkoeffizienten des Widerstandes ag was bei ge wissen Anwendungen von Nachteil ist.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die Schaf fung eines elektrisch-en Widerstands- oder Heizele mentes mit einer isolierenden Unterlage zu ermög lichen, auf welcher eine elektrisch leitende kohlen stoffhaltige Schicht aufgetragen ist und einen Tempe raturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes auf weist, der den gewünschten Wert in einem weiten Bereich (positiv, negativ oder null) aufweist.
Weiterhin sollte dieses Heizelement wasserdicht sein, eine, leichte und wirtschaftliche Formgebung erlauben, Temperaturen von<B>3500</B> gleichmässig über der ganzen Oberfläche zulassen, nicht oxydieren und. komplett isoliert sein und bei elektrischen Kochern, Sterilisieranlagen, Härteöfen, Beheizung von Press- formen, Vulkanisierpressen, Flugzeugente.Isungsanla- gen, Flugzeugküchenöfen, Raumheizwänden, und all gemeinen Mitteltemperaturanlagen verwendet werden können.
Das erfindungsgemässe Heizelement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mehrere, aufeinander- liegende Lagen aufweist, welche alle Kohlenstoff und ein Metall mit einem positiven Temperaturkoeffizien ten des spezifischen Widerstandes enthalten.
Die Unterlage ist vorzugsweise eine dünnc Schicht aus einem Glasfasergewebe oder aus Mikaflocken -undi'oder Glasfasern, welche mit einem wärmefesten Duroplast imprägniert sind.
Desgleichen kann die kohlenstoffhaltige Schicht mit einer SchutzschIcht aus einem Glasfasergewebe, oder aus Mikaflocken und/ oder Glasfasern bedeckt sein, welche mit einem wärme,fes-ten Duropfast imprägniert sind, wobei die ses Duroplast auch zum Befest#igen der Schutzschicht auf der Unterlage dient.
Die Auflageschicht kann miteinander vermischte Kohlenstoff- und Metallpartikel aufweisen, die einen positiven Tempzraturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes haben. Das Metall ist vorzugsweise Silber oder Nickel, und das Verhältnis von Metall und Kohlenstoff wird so gewählt, dass der gewünschte Temperatu-rkoeffizient des spezifischen Widerstandes des Heizelementes erhalt-en wird. Jedoch enthält die Auflageschicht vorzugsweise Partikel, welche Koh lenstoff und Metall enthalten. So können die Partikel aus kolloidalem, mit Metall, umhülltem, Graphit beste hen, wobei das Metall in diesem Fall vorzugsweise Silber ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffpartikel in Form von kolloidalem Graphit mit einer Lösung einer Metallverbindung gemischt werden, dass die Metallverbindung zersetzt, wird,<B>um</B> das Metall aulf die Kohlenstoffpartikel niederzuschla gen,
und dass nach-einander mehrere aufcinanderlie- gende Schichten von metallisierten Kohlenstoffpar- tikeln auf eine elektrisch isolierende Unterlage auf getragen werden. Das bei diesem Verfahren vorgezo gene Metall ist Silbez, welches einen ziemlich grossen, positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widersitandes aufweist. Eine vorgezogene Metallver bindung ist ein Salz, wie, z. B. Sillbernitrat. Die Metall verbindung kann durch Hitze zersetzt werden, z. B.
wird eine Mischung von Kohlenstoffteilchen und eine Lösung der Metällverbindung durch mässige Hitze ge- trocknet, und das so erhaltene Produkt mindestens bis zum Schmelzpunkt des Metalles erhitzt und dann gekühlt. Wenn die, Mischung aus Kohlenstoffteilchen und Silbernitrat besteht, kann sie nach erfollgter Trocknung auf eine Temperatur von<B>8700</B> gebracht werden. Dieses Erhitzen des Metalles auf mindestens den Schmelzpunkt des Metalles scheint zu bewirken, dass das Metall in kohärente Form, gebracht wird, wo bei die Partikel mehr oder weniger vollständig um hüllt werden.
Das so erhaltene Produkt wird zweck mässig pulverisiert und durchein Sieb hindurchgelas sen und das sich so ergebende Pulver in einen flüssi gen Träger gebracht; durch aufeinanderfolgendes Aufspritzen oder Auftragen werden die verschie denen Auflageschichten auf eine, elektrisch isolie rende Unterlage aufgetragen.
Das Verhältnis der Kohlenstoffteilchen und der Metallverbindung in der Mischung kann so gewählt werden, dass der positive Teinperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes des Metalles den negativen Temperaturkoeffizlenten des Kohlenstoffes teilweise oder ganz kompensiert oder überkompensiert. Diese Aüflageschichten können dadurch einen spezifischen Widerstand aufweisen, der bei einer Temperatur erhöhung weniger abnimmt als eine Schicht ganz aus Kohlenstoff bestehend, oder unabhängig von der Temperatur ist oder bei steigender Temperatur zu nimmt.
Um ein gleichmässiges Hei-zelement zu schaffen, ist es notwendig, die Widerstandsschicht durch eine Anzahl sehr dünner Schichten zu bilden, die zusam men<B>0,25</B><U>mm</U> nicht überschreiten. Die versilbÜten, Kohleteilchen dürfen nie teilweise vom Kunstharz isoliert sein, wie es der Fäll sein würde, wenn eine Mischung au' & Kohlenstoff undi#oder Graphit und Duroplast, gemacht würde. In diesem Fall wäre die Auflageschicht des leitenden Materials dicht, und der Widerstand könnte nicht in gewollter Weise beein- flusst werden.
Um ein solches Element herzustellen, ist es oft wünschbar, die ganze Unterlage mit leiten dem Material zu bedecken, wobei schmale Streifen oder Spiralen frei gelassen werden, wobei verhältnis mässig unbeheizte Stellen entstehen.
Metaästreifen, z. B. aus Zink, können über oder unter die Auflageschichten gebracht werden, um elek trisch leitende Verbindungen zu den Schichten -oder zwischen den Schichten zu erhalten. Die Auflage schichten können auf die Unterlage z. B. durch Auf spritzen oder durch Bedrucken mit einer den Koh lenstoff und das Metall enthaltenden flüssigen Sus pension aufgebracht werden.
Anhand der beiliegenden Zeichnung wird ein. Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Heizele- me,ntes erläutert. Es zeigen: Fig. <B>1</B> eine perspektivische, zergliederte Ansicht des Heizelementes, Fig. 2 einen Querschnitt des Heizelementes.
In den Figuren bezeichnet<B>1</B> eine Unterlage aus einem Glasfasergewebe oder aus Mikaftocken. und<B>' /</B> oder Glasfasern, welche mit einem Duroplast im- prägniert sind. Auf der Unterlage<B>1</B> sind mehrere Auflageschichten 2 von beträchtlicher Breite und Fläche, bestehend aus Graphit und Metall auf gebracht. Diese Auflageschichten 2 werden durch Aufspritzen oder durch Auftragen mittels einer Rolle auf eine Unterlage einer flüssigen Suspension erhal ten, welche Kohlens#toff und Metall, wie nachstehend 'beschrieben-, enthalten. Die Auflageschichten 2 sind durch Metallstreifen<B>3,</B> z.
B. aus Zink, welche die Auflageschichten 2 überlappen und durch Aufsprit zen erhalten werden, elektrisch in Serie geschaltet. Klemmenstreifen <B>5</B> aus Metallblech stehen aus der Unterlage hervor, welche Streifen auf die Unterlage geklebt sein können und sind mit den Endauflage- schichten 2 durch Metallstreifen 4, z. B. aus Zink, verbunden; letztere überlappen die Auflageschichten 2 und die, Streifen,<B>5</B> und können auch durch Auf spritzen erhalten werden.
Die, Auflageschichten 2, die Streifen<B>3,</B> 4 und<B>5</B> sind durch eine in Fig. <B>1</B> getrennt gezeigte Schutz schicht<B>6</B> bedeckt, welche aus einem Glasfasergewebe oder aus Mikaflocken und,oder Glasfasern, welche mit einem Duroplast imprägniert und mittels eines Duroplastes an der Unterlage<B>1</B> befestigt sind.
Gemäss einem beispielsweisen Verfahren zur Her stellung des beschriebenen Heizelementes wird das Glasfasergewebe gründlich gereinigt und eine Sus pension von Metall- und Kohlenstoffpartikeln mittels einer Bedruckmaschine darauf aufgetragen, so dass die Auflageschichten 2 gebildet werden.
Die so auf gebrachte Suspension kann eine Mischung von 74 Gewichtsteilen kolloidallem Graphit in Alkohol oder Naphtha und<B>26</B> Gewichtsteilen feinster Silber- oder Nickelteilchen in Alkohol sein, wobei so viel Flüs, sigkeit vorhanden sein muss, dass eine Paste erhalten wird. Nachdem eine erste kohlenstoffhaltige Schicht auf die Unterlage<B>1</B> aufgetragen ist, werden eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgetragen, indem die Unterlage<B>1</B> entsprechend oft durch die Bedruck- maschine hindurchgelassen wird. Die, Mischung kann mit Alkohol oder Naphtha verdünnt werden.
In jedem Fall soll sie durch Umrühren oder durch eilne Umwälzpumpe innig vermischt werden und bis zum Auftragen aue die Unterlage<B>1</B> so gehalten werden.
Die so erhaltene Laminarstruktur wird<B>16</B> Stun den bei<B>900</B> gehärtet, gefolgt von einem langsamen Ansteigen a!uf <B>2500</B> nach etwa sechs Stunden, worauf diese Temperatur während zwei Stunden beibehalten wird.
Bei einem weiteren beispielsweisen Verfahren wird eine Suspension von feinen Kohlenstoffteilchen, z. B. in Form von Mexican Amorphous Graphite , das von der Graphite, Products Limited in den Han del gebracht wird, in einer wässrigen Lösung von Silbernitrat hergestellt.<B>1350 g</B> amorpher Graph#it wird innig mit einer Lösung, enthaltend<B>170 g</B> in 1,4 Liter destilliertem Wasser aufgelöstes Silbernitrat gemischt. Die Suspension wird mittels eines feinen Siebes, das z. B.<B>80</B> Maschen pro Zentimeter Länge aufweist, gesiebt.
Die gesiebte Lösung wird auf dem Wasserbaä getrocknet, in einem Graphittiegel im Vakuum oder bei inerter Atmosphäre in einem Muf- felofen während zwei Stunden bei<B>8700</B> einer Wärme behandlung unterzogen und im Muffelofeen abgekühlt. Die daraus re-sultierende Masse wird pulverisiert und mittels eines Siebes von z. B.<B>80</B> Maschen pro Zenti meter Länge gesiebt.
Das aus metallisie-rten Graphitteilchen bestehende so erzeugte Pulver wird zweckmässig mit einem flüs sigen Träger, wie z. B. Alkohol, Wasser oder Naphtha, gemischt, wobei ein Kolloid beigegeben wird, damit die metallisierten Graphitpartikel sus pendiert bleiben. Eine solche Suspension kann 20 Gewichtsprozent metallisierte Graphitpartikel enthal ten. Die Konsistenz der Suspension kann durch Vari ieren der Menge des flüssigen Trägers, geändert wer den, so dass <B>die</B> Suspension z. B. durch Bedrucken oder durch Aufspritzen aufgetragen werden kann.
Die so erhaltene Suspension wird dann auf eine Unterlage<B>1</B> aufgebracht, welche aus einer dünnen. Schicht von elektrisch isolierendem und wärme festem Material besteht, wie z. B. aus Mikaflocken u-nd,'oder Glasfasern, welche mittels eines Duro- plastes zusammengehalten werden. Dir, Suspension kann auf eine oder beide Oberflächen der Unterlage mittels Bedrucken oder Aufspritzen in mehreren, von einander getrennt liegenden Schichten 2 aufgetragen werden. Verbindungsstreifen. <B>3</B> und 4, z. B. aus Zink, zwischen den Schichten 2 werden z. B. durch Auf spritzen auf die Unterlage<B>1</B> aufgebracht.
Die so zubereitete Unterlage<B>1</B> wird dann getrock net und auf 4000 erhitzt. Nachher wird sie in ein Duroplastvorkondensat eingetaucht, wie z. B. das unter dem Namen Säicone Resin No 2104 (cata- lysed von der Midland Silicones Ltd. in den Han del gebracht wird, und an der Luft getrocknet.
Dann werden eine oder mehrere Schutzschichten<B>6,</B> auch aus einem Glasfasergewebe oder aus Mikaflock:.en und,\oder Glasfasern bestehend und imprägniert mit dem gleichen Kunstharz, auf die Unterlage,<B>1</B> auf gebracht und unter einem Druck von<B>1</B> kg/CM2 bei 17511 während<B>30</B> Minuten verklebt.
Das Verkleben und Härten des Heizelementes kann in einer Presse vorgenommen werden, wodurch diesem Heizelement jede gewünschte, Form gegeben werden kann.
Jeder beliebige spezifische Widerstand kann in nerhalb weiter Grenzen durch Auftragen einer be stimmten Anzahl Schichten der Suspension auf die Unterlage<B>1</B> erhalten werden. Weiterhin kann durch eine Veränderung des Mengenverhältnisses von Me tall. zu Kohlenstoff in der Suspension der Temperatur koeffizient des spezifischen Widerstandes der Auf lageschicht negativ, null oder positiv gemacht werden.