DD254080A1

DD254080A1 - CERAMIC COLD-LINE MATERIAL

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.The invention relates to thermistor devices with a positive temperature coefficient based on BaTiO3 ceramic, as used above all for heating elements with self-regulating effect in consumer goods and commercial devices, as well as for use as switching elements for the overload protection. The object is to increase the heat conductivity anisotropically in the direction of the heat flow to be removed and thus to limit the temperature gradient occurring during use in the component. Therefore, according to the invention, the material has preferential inclusions of an electrically insulating material which does not negatively influence the PTC thermistor effect. The deposits are in the direction of the dissipated heat and the heat conductivity of the stored material is higher than that of the BaTiO3 ceramic.

Description

Field of application of the invention

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.The invention relates to a ceramic PTC resistor material based on doped BaTiO ₃ ceramic, which is intended for thermistor devices with positive Temperatufkoeffizienten, as used especially for heating elements with self-regulating effect in consumer goods and commercial equipment and for use as switching elements for the overload protection ,

Characteristic of the known state of the art

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.Ceramic PTC materials based on doped BaTiO ₃ ceramic are known (eg DE-OS 1415430, DE-OS 1490659). A decisive disadvantage for the mentioned fields of application is the poor thermal conductivity of the BaTiO ₃ base material. As a result of this poor thermal conductivity, the amount of heat which can be dissipated and thus the maximum power loss of the component is limited due to a partial internal overheating via the PTC thermistor temperature. An improvement is achieved if the material is produced as a honeycomb ceramic or material with open porosity and the amount of water is removed in the air stream (US 3927300, DE-OS 2809449). However, this solution, which is favorable, for example, for air showers, does not allow a concrete construction as a disc-shaped ceramic component according to the requirements of most applications. An additional disadvantage is the need to maintain the air circulation required for operation.

Auf Grund der im Kaltleiter auftretenden thermischen Probleme bleiben deshalb die bisherigen Anwendungen auf kleine Heizleistungen beschränkt (DE-OS 3048452).Due to the thermal problems occurring in the PTC thermistor, therefore, the previous applications remain limited to small heat outputs (DE-OS 3048452).

Object of the invention

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.The object of the invention is to increase the dissipatable amount of heat in the case of ceramic PTC based materials based on BaTiO _{3 in} order to increase the heating power or the maximum switching currents of the components produced therefrom ¹ .

Explanation of the essence of the invention

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.The invention is therefore based on the object to develop a ceramic PTC composite material with anisotropic thermal conductivity on the basis of doped BaTiO ₃ ceramic, in which the thermal conductivity in the direction of the dissipated heat flow is anisotropically increased, thus limiting the occurring during use in the device Temperaturgradienten.

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.According to the invention, therefore, the material in the direction of dissipated heat lying, preferential deposits of a negative conductor effect not adversely affecting, electrically insulating material having a thermal conductivity that is higher than that of the BaTiO ₃ ceramic on.

Vorteilhaft ist es, wenn die vorzugsorientierten Einlagerungen eine säulenartige, stäbchenförmige oder langfasrige^Btruktur aufweisen oder in Richtung des Wärmestromes texturiert sind.It is advantageous if the preferred oriented inclusions have a columnar, rod-shaped or long-fiber structure or are textured in the direction of the heat flow.

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.But it can also be arranged in alternating sequence, each parallel to the direction of the heat flow extending layers of BaTiO ₃ ceramic and those of the electrically insulating material with higher thermal conductivity. It is favorable if the inclusions consist of an Al ₂ O ₃ ceramic. The volume fraction of the deposits can be 10 to 80% of the total PTC material. The PTC thermistor has a resistance-temperature characteristic characterized by a large increase in resistance at a temperature T _c .

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.This effect is exploited in the application, to independently regulate the heating power of the constructed as a heater component to achieve a constant set temperature or limit the maximum current through the device as overload protection. Due to the construction of the PTC thermistor as a disk-shaped component, the resulting heat is dissipated mainly on one or both flat sides of this body. The heat in the component initially arises in the case of operation evenly throughout the volume. The consequence is that the PTC thermistor first reaches the temperature T _c inside a thin layer and thus becomes high-impedance. Thus, the heat is generated in the further only in this high-resistance layer, and after the adjustment of the equilibrium, the amount of heat dissipated depends only on the thermal conductivity of the PTC thermistor, which now the heat flow from the heat-generating thin layer inside the device to the cooled surface wears on the outside. Due to the incorporation of inclusions, z. B. of rod-shaped, columnar or long-fiber structures of a material with higher thermal conductivity in the direction of the main heat flow, the Gesamtwärmeleitfähigkeit the device is anisotropically improved. Consequently, the heat flow increases and the dissipated power increases. Building on this increases the maximum in equilibrium. usable heating capacity or limited by the self-protection described max. Power loss of the component.

embodiment

Die Erfindung soll an einem keramischen Heizelement erläutert werden.The invention will be explained on a ceramic heating element.

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.The PTC material consists of BaTiO ₃ with the addition of 20 mol% SrTiO ₃ , 10 mol% CaTiO ₃ , 0.03 mol% La and 0.003 mol% Mn. The ceramic is prepared according to the usual PTC thermistor technology: mixing, preheating, grinding, two-stage compaction. During the last pressing process, bores are realized in the ceramic taking account of the shrinkage conditions during sintering (1 to 5% smaller diameter than the AI ₂ O 3 rods to be installed). In these holes of the green compact, said Al ₂ O ₃ rods are introduced from a high alumina ceramic (Al ₂ O ₃ > 99%) with the length of the final thickness of the component. These rods are previously sintered to standard Al ₂ O ₃ -TeChnologie finished. The thus prepared Kaltleiterpreßling is sintered at a temperature of 134O ⁰ C for one hour. Thereafter, the contact surfaces on which the end faces of the AI ₂ O ₃ rods abut, ground and contacted. Be in the PTC ceramic disposed on 30% of the cross sectional area in the manner mentioned Al ₂ O 3-rods having a diameter of 1 mm, so the thermal conductivity doubled in the direction of the AI ₂ O ₃ rods against a cold conductor material without such storage. The dissipated heat output increases by about 50% and the dielectric strength of the component increases. Similar results are achieved when textures are pressed into the material or when films of BaTiO ₃ ceramic and Al ₂ O ₃ ceramic are alternately stacked on top of each other and sintered together as a composite material.

Claims

1. Ceramic PTC material based on doped BaTiOs ceramic, characterized by lying in the direction dissipated heat, preference oriented deposits of a thermistor effect not adversely affecting, electrically insulating material having a thermal conductivity higher than that of the BaTiO ₃ ceramic.

2. Ceramic PTC material according to claim 1, characterized in that the preferred oriented inclusions have a columnar, rod-shaped or long-fiber structure or are textured in the direction of the heat flow.

3. Ceramic Kaltleiterwerkstöff according to claim 1, characterized in that arranged in alternating sequence, each parallel to the direction of the heat flow extending layers of BaTiO ₃ ceramic and those of the electrically insulating material with higher thermal conductivity.

4. Ceramic PTC material according to claim 1, characterized in that the inclusions consist of an Al ₂ O ₃ ceramic.

5. Ceramic PTC material according to claim 1, characterized in that the volume fraction of the inclusions is 10 to 80% of the total PTC material.