DE19833862A1

DE19833862A1 - Heizelement für Lambda-Sonden

Info

Publication number: DE19833862A1
Application number: DE19833862A
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2000-02-03
Also published as: KR20000011970A; US6153861A; JP2000058233A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere für längliche plattenförmige Sonden zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren, mit einer an einem Ende (B) des Heizelements (1) ausgebildeten Heizleiterbahn (2) und elektrischen Zuleitungen (3, 4), die elektrisch mit der Heizleiterbahn (2) für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden sind und die zum anderen Ende (A) des Heizelements (1) führen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der positive Temperaturkoeffizient (alphaT¶2¶) des Widerstandsmaterials der Heizleiterbahn (2) geringer ist als der positive Temperaturkoeffizient (alphaT¶3¶, alphaT¶4¶) des Materials wenigstens eines Abschnitts (C) der Zuleitungen (3, 4).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere für längliche plattenförmige Sonden zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren, mit einer an einem Ende des Heizelements ausgebildeten Heizleiterbahn und elektrischen Zuleitungen, die elektrisch mit der Heizleiterbahn für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden sind und die zum anderen Ende des Heizelements führen, sowie eine Regelvorrichtung zur allmählichen Verringerung des Heizstroms, der durch ein solches Heizelement während seiner Aufheizung fließt.

Ein derartiges Heizelement ist aus der DE 44 20 944 A1 der Robert Bosch GmbH bekannt. Das bekannte Heizelement besteht aus einem vorzugsweise länglichen plattenförmigen Keramiksubstrat mit wenigstens einem in der Nähe eines Endes des Keramiksubstrats angeordneten Widerstandsheizglied und zwei mit dem Widerstandsheizglied verbundenen, vorzugsweise länglichen, streifenförmigen elektrischen Anschlußleitern, die sich von den beiden Kontaktstellen des Widerstandsheizglieds aus zu an dem anderen Ende des Keramiksubstrats angeordneten Anschlußklemmen erstrecken. Der Kern des bekannten Heizelements liegt darin, daß das Widerstandsheizglied und die elektrischen Anschlußleitungen als getrennte Einheiten ausgebildet sind und aus unterschiedlichen Materialien bestehen, und zwar so, daß die Anschlußleitungen einen geringeren positiven Temperaturkoeffizienten ihres Widerstandes aufweisen, als das Widerstandsheizglied.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Heizelement mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß die Aufheizzeit des Heizelements verkürzt wird, mit dem Zweck, die Sonde rascher regelbereit zu machen.

Dadurch, daß der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials der Heizleiterbahn geringer ist als der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials wenigstens eines Abschnitts des oder der Zuleitungen, erfolgt eine wesentlich schnellere Aufheizung der der Sondenelektrode gegenüberliegenden Heizleiterbahn, da in der Aufheizphase anfänglich ein hoher Strom durch diese Heizzone im Bereich der Sondenelektrode fließt, der dadurch diesen Bereich rasch aufheizt. Mit zunehmender Erwärmung der hinteren Zone, d. h. des Abschnitts der an die vordere Heizleiterbahn anschließenden Zuleitung(en), drosselt sich der Strom selbsttätig.

Um den erfindungsgemäßen Zweck der selbsttätigen Drosselung des Aufheizstroms zu erreichen, können der oder die Abschnitte mit dem relativ höheren Temperaturkoeffizienten des Widerstandsmaterials der Zuleitungen entweder in beiden Zuleitungen oder alternativ auch nur in einer der Zuleitungen vorgesehen sein.

Sonstige konstruktive Einzelheiten des Layouts und der Materialien des vorliegenden Heizelements können gleichartig sein, wie bei dem bekannten, in der oben genannten DE 44 20 944 A1 beschriebenen Heizelement, weshalb sich die Beschreibung der konstruktiven Details hier erübrigt.

Bei der das erfindungsgemäße Heizelement einsetzenden Regelvorrichtung wird eine allmähliche Drosselung des durch die Heizleiterbahn fließenden Heizstroms erreicht, indem sich während der Erwärmung der Widerstand des Materials der Zuleitungen mit dem höheren Temperaturkoeffizienten stärker erhöht als der Widerstand des Widerstandsmaterials der Heizleiterbahn mit dem geringeren Temperaturkoeffizienten, so daß anfänglich ein hoher Strom durch den Stromkreis fließt und anschließend eine selbsttätige Drosselung des Stroms stattfindet.

Dem Fachmann ist dabei deutlich, daß der Strom durch den Stromkreis des Heizelements, nachdem ein Temperaturgleichgewicht desselben erreicht ist, annähernd konstant bei seiner gedrosselten Stärke bleibt.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in Draufsicht eine Layout-Darstellung eines einzelnen Heizelements gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Heizelements zur Erläuterung seiner Stromregeleigenschaften.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist schematisch eine Draufsicht eines beispielhaften Layouts eines allgemein mit 1 bezeichneten Heizelements dargestellt. Das Heizelement 1 befindet sich in oder auf einem länglichen plattenförmigen Keramiksubstrat 7 und weist in seinem vorderen Bereich B, einer Sondenelektrode gegenüber liegend, eine mäanderförmig verlaufende Heizleiterbahn 2 aus einem Wider standsmaterial mit einem relativ geringen positiven Temperaturkoeffizienten αT₂ und in dem zum hinteren Ende A anschließenden Bereich ein Paar Zuleitungen 3, 4 auf, deren Widerstandsmaterial einen, bezogen auf den Temperaturkoeffizienten αT₂ der Heizleiterbahn 2 höheren Temperatur koeffizienten αT₃ bzw. αT₄ hat. Die Zuleitungen 3, 4 enden am Ende A in Anschlußflecken 5 und 6.

Es muß erwähnt werden, daß die Temperaturkoeffizienten αT₃ und αT₄ im Prinzip gleich sein können, daß dies aber nicht zwingend notwendig ist sondern lediglich die Beziehung

αT₃, αT₄ < αT₂

gelten muß. Beim Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß αT₃ gleich groß ist wie αT₄.

Ferner muß das Widerstandsmaterial mit dem höheren Temperatur koeffizienten αT₃ bzw. αT₄ der Zuleitungsbahnen 3 und 4 nicht notwendiger weise über die gesamte Länge l der Zuleitungen reichen. Wesentlich ist jedoch, daß der Abschnitt der Zuleitungen 3 und 4 mit dem höheren Temperatur koeffizienten als des der Heizleiterbahn 2 an die Heizleiterbahn 2 anschließt. Dies ist durch die Länge C angedeutet.

Zur Vereinfachung der Fertigung ist jedoch bevorzugt, daß die Zuleitungs bahnen 3 und 4 über ihre gesamte Länge l aus demselben Widerstands material mit dem höheren Temperaturkoeffizienten bestehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung des Heizelements läßt sich besonders günstig durch Aufdrucken zweier verschiedener Widerstandsschichten mit den geforderten Temperaturkoeffizienten auf die Oberfläche des Keramiksubstrats 7 und anschließendes Sintern herstellen.

In der in Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltung des Heizelements gem. Fig. 1 sind die Widerstände der Heizleiterbahn 2 mit dem relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten αT₂ und der Zuleitungen 3 und 4 mit dem relativ höheren Temperaturkoeffizienten αT₃, αT₄, wobei αT₃ gleich αT₄ sein kann, als konzentrierte Widerstände in einem Stromkreis dargestellt.

Der Temperaturgang der Widerstände 3 und 4, der durch die Erhitzung des Widerstandes der Heizleiterbahn 2 hervorgerufen wird, bewirkt, daß in der Aufheizphase anfänglich ein relativ hoher Strom durch das Heizelement fließt, der den Bereich B rasch aufheizt. Mit zunehmender Erwärmung der Widerstände 3, 4 bzw. der Abschnitte mit höheren Temperaturkoeffizienten der Zuleitungsbahnen 3 und 4 drosselt sich der Strom selbsttätig, so daß keine weiteren Stromregelungsmittel notwendig sind.

Zu erwähnen ist noch, daß die dem in Fig. 2 gezeigten Stromkreis angelegte Spannung U im wesentlichen konstant bleibt. Wie erwähnt, kann das Heizelement 1 als Sondenheizung für eine Sauerstoffsonde, beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden.

Claims

1. Heizelement, insbesondere für längliche plattenförmige Sonden zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren, mit einer an einem Ende (B) des Heizelements (1) ausgebildeten Heizleiterbahn (2) und elektrischen Zuleitungen (3, 4), die elektrisch mit der Heizleiterbahn (2) für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden sind und die zum anderen Ende (A) des Heizelements (1) führen, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Temperaturkoeffizient (αT₂) des Widerstandsmaterials der Heizleiterbahn (2) geringer ist als der positive Temperaturkoeffizient (αT₃, αT₄) des Materials wenigstens eines Abschnitts (C) der Zuleitungen (3, 4).

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterbahn (2) mäanderförmig ausgebildet ist und der genannte Abschnitt (C) einer oder beider Zuleitungen (3, 4) mit relativ höherem Temperatur koeffizienten unmittelbar an den Bereich der Heizleiterbahn (2) anschließt.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zuleitungen (3, 4) über ihre gesamte Länge (l) aus einem Wider standsmaterial mit gegenüber dem Widerstandsmaterial der Heizleiterbahn (2) höheren Temperaturkoeffizienten bestehen.

4. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abschnitt nur in einer der Zuleitungen (3, 4) vorgesehen ist.

5. Regelvorrichtung zur allmählichen Verringerung des Heizstroms, der durch ein Heizelement (1) während seiner Aufheizung fließt, das insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterbahn (2) einen Widerstand mit geringerem positivem Temperaturkoeffizienten (αT₂) bildet als das Material eines zumindest einen Abschnitt (C ) einer oder beider Zuleitungen (3, 4) zur Heizleiterbahn (2) bildenden Widerstandes.

6. Regelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb den Zuleitungen (3, 4) eine im wesentlichen konstante Spannung zugeführt wird.