DD254080A1

DD254080A1 - Keramischer kaltleiterwerkstoff

Info

Publication number: DD254080A1
Application number: DD29667086A
Authority: DD
Inventors: Volker Hilarius; Wolfgang Fischer; Rolf Draehter
Original assignee: Hermsdorf Keramik Veb
Priority date: 1986-11-26
Filing date: 1986-11-26
Publication date: 1988-02-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Thermistorbauelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten auf der Basis von BaTiO3-Keramik, wie sie vor allem fuer Heizelemente mit Selbstregeleffekt in Konsumguetern und kommerziellen Geraeten, sowie fuer den Einsatz als Schaltelemente fuer den Ueberlastschutz verwendet werden. Aufgabe ist es, die Waermeleitfaehigkeit in Richtung des abzufuehrenden Waermestroms anisotrop zu erhoehen und damit den waehrend des Einsatzes im Bauelement auftretenden Temperaturgradienten zu begrenzen. Erfindungsgemaess weist deshalb der Werkstoff vorzugsorientierte Einlagerungen eines den Kaltleitereffekt nicht negativ beeinflussenden, elektrisch isolierenden Materials auf. Die Einlagerungen liegen in Richtung der abzufuehrenden Waerme und die Waermeleitfaehigkeit des eingelagerten Materials ist hoeher als die der BaTiO3-Keramik.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Kaltleiterwerkstoff auf der Basis dotierter BaTiO₃-Keramik, der für Thermistorbauelemente mit positivem Temperatufkoeffizienten gedacht ist, wie sie vor allem für Heizelemente mit Selbstregeleffekt in Konsumgütern und kommerziellen Geräten und für den Einsatz als Schaltelemente für den Überlastschutz verwendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Keramische Kaltleiterwerkstoffe auf der Basis dotierter BaTiO₃-Keramik sind bekannt (z. B. DE-OS 1415430; DE-OS 1490659). Entscheidender Nachteil für die genannten Anwendungsgebiete ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit des BaTiO₃-Grundmaterials. Durch diese schlechte Wärmeleitfähigkeit wird auf Grund einer partiellen inneren Überhitzung über die Kaltleitersprungtemperatur die abführbare Wärmemenge und damit die maximale Verlustleistung des Bauelements begrenzt. Eine Verbesserung wird erreicht, wenn das Material als wabenförmige Keramik oder Material mit offener Porosität hergestellt wird und die Wassermenge im Luftstrom abgeführt wird (US 3927300; DE-OS 2809449). Diese Lösung, die z.B. für Luftduschen günstig ist, erlaubt jedoch keinen konkreten Aufbau als scheibenförmiges keramisches Bauelement entsprechend der Erfordernisse der meisten Anwendungen. Zusätzlicher Nachteil ist die Notwendigkeit der Aufrechterhaltung der zum Betrieb erforderlichen Luftzirkulation.

Auf Grund der im Kaltleiter auftretenden thermischen Probleme bleiben deshalb die bisherigen Anwendungen auf kleine Heizleistungen beschränkt (DE-OS 3048452).

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei keramischen Kaltleiterwerkstoffen auf der Basis von BaTiO₃ die abführbare Wärmemenge zu vergrößern, um die Heizleistung oder die maximalen Schaltströme der daraus hergestellten Bauelemente zu erhöhen¹.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Kaltleiterverbundwerkstoff mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit auf der Basis dotierter BaTiO₃-Keramik zu entwickeln, bei dem die Wärmeleitfähigkeit in Richtung des abzuführenden Wärmestromes anisotrop erhöht ist und damit den während des Einsatzes im Bauelement auftretenden Temperatürgradienten begrenzt.

Erfindungsgemäß weist deshalb der Werkstoff in Richtung abzuführender Wärme liegende, vorzugsorientierte Einlagerungen eines den Kaltleitereffekt nicht negativ beeinflussenden, elektrisch isolierenden Materials mit einer Wärmeleitfähigkeit, die höher liegt als die der BaTiO₃-Keramik auf.

Vorteilhaft ist es, wenn die vorzugsorientierten Einlagerungen eine säulenartige, stäbchenförmige oder langfasrige^Btruktur aufweisen oder in Richtung des Wärmestromes texturiert sind.

Es können aber auch in wechselnder Folge, jeweils parallel zur Richtung des Wärmestroms verlaufende Schichten aus BaTiO₃-Keramik und solcher aus dem elektrisch isolierenden Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit angeordnet sein. Günstig ist es, wenn die Einlagerungen aus einer AI₂O₃-Keramik bestehen. Der Volumenanteil der Einlagerungen kann 10 bis 80% des gesamten Kaltleiterwerkstoffes betragen. Der Kaltleiter hat eine Widerstands-/Temperatur-Kennlinie, die durch einen starken Anstieg des Widerstandes bei einer Temperatur T_c gekennzeichnet ist.

Dieser Effekt wird im Anwendungsfall ausgenutzt, um die Heizleistung des als Heizer konstruierten Bauelementes zum Erzielen einer konstanten Solltemperatur selbständig zu regeln bzw. als Überlastschutz den maximalen Strom durch das Bauelement zu begrenzen. Durch den Aufbau des Kaltleiters als scheibenförmiges Bauelement wird die entstehende Wärme hauptsächlich an einer oder an beiden flachen Seiten dieses Körpers abgeführt. Die Wärme im Bauelement entsteht zunächst im Betriebsfalle gleichmäßig im gesamten Volumen. Die Folge ist, daß der Kaltleiter zuerst im Inneren in einer dünnen Schicht die Temperatur T_c erreicht und damit hochohmig wird. Damit wird im weiteren die Wärme nur noch in dieser hochohmigen Schicht erzeugt, und nach der Einstellung des Gleichgewichtes hängt die abführbare Wärmemenge nur noch von der Wärmeleitfähigkeit des Kaltleitermaterials ab, das jetzt den Wärmestrom von der wärmeerzeugenden dünnen Schicht im Inneren des Bauelementes zur gekühlten Flache nach außen trägt. Durch den erfindungsgemäßen Einbau von Einlagerungen, z. B. von stäbchenförmigen, säulenartigen oder langfasrigen Strukturen eines Materials mit höherer Wärmeleitfähigkeit in Richtung des Hauptwärmestromes, wird die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Bauelementes anisotrop verbessert. Folglich steigt der Wärmestrom an, und die abführbare Leistung steigt. Darauf aufbauend erhöht sich die im Gleichgewicht max. nutzbare Heizleistung bzw. die durch den beschriebenen Selbstschutz begrenzte max. Verlustleistung des Bauelementes.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem keramischen Heizelement erläutert werden.

Das Kaltleitermaterial besteht aus BaTiO₃ unter Zugabe von 20Mol-% SrTiO₃,10 Mol-% CaTiO₃,0,03 Mol-% La und 0,003 Mol-% Mn. Die Keramik wird entsprechend der üblichen Kaltleitertechnologie aufbereitet: Mischen, Vorglühen, Mahlen, zweistufiges Verdichten. Beim.letzten Preßvorgang werden in der Keramik unter Berücksichtigung der Schwindungsverhältnisse beim Sintern Bohrungen realisiert (1 bis 5% geringerer Durchmesser als die einzubauenden AI₂O3-Stäbe). In diese Bohrungen des ungesinterten Preßlings werden die genannten AI₂O₃-Stäbe aus einer hochtonerdehaltigen Keramik (AI₂O₃ > 99%) mit der Länge der Enddicke des Bauelementes eingeführt. Diese Stäbe werden vorher nach üblichen Al₂O₃-TeChnologie fertig gesintert. Der so präparierte Kaltleiterpreßling wird bei einer Temperatur von 134O⁰C über eine Stunde gesintert. Danach werden die Kontaktflächen, auf die die Stirnseiten der AI₂O₃-Stäbe stoßen, geschliffen und kontaktiert. Werden in der Kaltleiterkeramik auf 30% der Querschnittsfläche in der genannten Weise AI₂O3-Stäbe mit einem Durchmesser von 1 mm angeordnet, so verdoppelt sich die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der AI₂O₃-Stäbe gegenüber einem Kaltleitermaterial ohne eine derartige Einlagerung. Die abführbare Heizleistung steigt um ca. 50% und auch die Spannungsfestigkeit des Bauelementes erhöht sich. Ähnliche Ergebnisse werden erreicht, wenn in den Werkstoff Texturen eingepreßt werden oder wenn Folien aus BaTiO₃-Keramik und AI₂O₃-Keramik jeweils abwechselnd übereinander gestapelt und als Verbundwerkstoff zusammengesintert werden.

Claims

1. Keramischer Kaltleiterwerkstoff auf der Basis dotierter BaTiOs-Keramik, gekennzeichnet durch in Richtung abzuführender Wärme liegende, vorzugsorientierte Einlagerungen eines den Kaltleitereffekt nicht negativ beeinflussenden, elektrisch isolierenden Materials mit einer Wärmeleitfähigkeit, die höher liegt als die der BaTiO₃-Keramik.

2. Keramischer Kaltleiterwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsorientierten Einlagerungen eine säulenartige, stäbchenförmige oder langfasrige Struktur aufweisen oder in Richtung des Wärmestromes texturiert sind.

3. Keramischer Kaltleiterwerkstöff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wechselnder Folge, jeweils parallel zur Richtung des Wärmestromes verlaufende Schichten aus BaTiO₃-Keramik und solcher aus dem elektrisch isolierenden Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind.

4. Keramischer Kaltleiterwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagerungen aus einer AI₂O₃-Keramik bestehen.

5. Keramischer Kaltleiterwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Einlagerungen 10 bis 80% des gesamten Kaltleiterwerkstoffes beträgt.