DE2941196C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige keramische Halbleiterkörper bestehen aus einem PTC-Thermistor und dienen in Verbindung mit einem Gebläse als Heizgeräte.

Ein PTC-Thermistor besteht aus Bariumtitanat und weist vorzügliche Gebrauchseigenschaften auf, insbesondere durch den Umstand, daß die gewünschten Aufheiztemperaturen erhalten werden durch Einstellen des Curie-Punktes des PTC-Thermistors, und weiterhin durch die Tatsache, daß keine Überhitzungsgefahr besteht. Das letztgenannte Merkmal beruht auf dem Umstand, daß der Widerstand eines PTC-Thermistors bei einer Temperatur oberhalb des Curie-Punktes plötzlich ansteigt. Demgemäß ist ein PTC-Thermistor infolge seiner automatischen Temperaturkontrolle sehr attraktiv und wird bei den verschiedenartigsten Heizelementen verwendet.

Wird ein bienenwabenförmiger PTC-Thermistorkörper, welcher eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist, mit einem Ventilator zusammengebaut, um Luft durch die Durchgangslöcher zu leiten, dann ist er praktisch verwendbar als Lufterhitzer, Haartrockner und für andere Arten von Trocknern. Da ein PTC-Thermistor in Form einer Pille keine ausreichende Wärmemenge erzeugt, um als Lufterhitzer verwendet werden zu können, werden für diesen Verwendungszweck PTC-Thermistoren eingesetzt, die einen bienenwabenförmigen Aufbau aufweisen.

Die DE 26 39 370 A1 beschreibt ein keramisches PTC-Heizelement mit zellenartiger Struktur, welches aus Bariumtitanat besteht. Das Heizelement weist ein Paar Ohmscher Elektroden auf, welche hauptsächlich aus Silber als Metallkomponente bestehen und einen Oberflächenwiderstand von nicht mehr 10 mΩ/cm² aufweisen. Die zellenartige Struktur des Heizelements ist von einer Vielzahl paralleler Kanäle durchzogen und auf die Ohmschen Elektroden ist ein elektrisch isolierender und thermisch stabiler Überzug aufgebracht. Infolge der inhärenten Eigenschaften des PTC-Heizelements, also des negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und eines geringen Widerstands unterhalb der Curie-Temperatur, fließt ein beträchtlicher Strom durch das Heizelement und die Ohmsche Elektrode, bis die Curie-Temperatur erreicht ist. Dieser hohe Strom tritt direkt nach Anschluß des Heizelements an eine Spannungsquelle auf. Infolge dieses hohen Stroms kann ein Teil, insbesondere der zentrale Teil der Ohmschen Elektrode, infolge von Funkenbildung zwischen den Ohmschen Elektroden und dem PTC-Heizelement teilweise ausbrennen. Außerdem kann die Stromquelle infolge der hohen Stromaufnahme zerstört oder beschädigt werden. Der hohe Stromfluß, welcher auftritt, bis die Temperatur plötzlich bis auf den Curie-Punkt ansteigt, wird als Rush-Strom bezeichnet.

Für die Kontaktierung von PTC-Heizelementen geeignete Edelmetallmassen sind Gegenstand der DE-AS 16 46 882, die dort beschriebenen Edelmetallmassen bestehen aus einem Edelmetallpulver und einem Bindemittelpulver, wobei letzteres ein Glaspulver beinhalten kann.

Der DE 16 65 880 B2 ist zu entnehmen, daß zur Bildung von Ohmschen Elektroden an PTC-Thermistorkörpern mittels eines Siebdruckverfahrens eine Ohmsche Paste aufgebracht wird, deren Hauptbestandteil aus Silber mit einem Zusatz aus Indium oder Gallium besteht, wobei eine Schicht gebildet wird, die anschließend gebacken wird. Die auf diese Weise erzeugte Silberelektrode weist das Problem der Migration von Silber bei niedrigen Temperaturen auf. Die Verschlechterung der Elektrode ist mit dadurch bedingt, daß Indium und Gallium einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als Silber, wodurch eine Migration des Silbers in die Oberfläche des wabenförmigen PTC-Thermistorkörpers induziert wird. Diese Migration ist bei einem wabenförmigen PTC-Thermistorkörper deutlich stärker als bei einem soliden Heizkörper ohne Durchgangslöcher.

Gegenstand der DE 23 48 946 A1 ist ein rohrförmiger Kaltleiterwiderstand mit auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten vorhandener elektrischer Kontaktierung, wobei die Kontaktierung auf einer der Seiten sperrfrei ist. Die Rohrinnenseite ist mit einer für Kontaktierung auf Titanat-Keramik bekannten Einbrennmetallisierung versehen und die Rohraußenseite weist eine sperrfreie Kontaktierung auf, wie sie für Kaltleiter bekannt ist. Die Rohrinnenseite wird also beispielsweise mit Einbrennsilber oder -gold beschichtet, die Rohraußenseite z. B. mit Indium, Indium-Gallium, Nickel oder Aluminium.

Ausgehend von der DE 23 48 946 A1 stellt sich die Aufgabe, ein leicht herstellbares, universell anwendbares Heizelement mit gutem Wirkungsgrad zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Heizgeräts;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strom- und Spannungscharakteristik von PTC-Thermistoren mit verschiedenen Elektroden;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverhaltens von PTC-Thermistoren und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Strom- und Spannungsverhaltens im logarithmischen Maßstab.

Die in Fig. 1 gezeigte Heizvorrichtung, welche in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist, weist einen wabenförmigen PTC-Heizkörper 2 und ein strömungserzeugendes Bauteil, wie beispielsweise einen Lüfter 3 auf, welcher beispielsweise Luft in den Heizkörper 2 bläst.

Der wabenförmige PTC-Heizkörper 2 besteht aus einem PTC-Thermistorelement 4, das mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 5 versehen ist, und an dessen oberer und unterer Oberfläche der Trennwände 6 nicht Ohmsche Elektroden 7 vorgesehen sind. Die Trennwände 6 weisen die Form eines Gitterwerks auf, und definieren somit die Durchgangslöcher. Die Dicke der Trennwände 6 kann zwischen 0,2 und 0,45 mm betragen und die Fläche der Durchgangslöcher relativ zur oberen oder unteren Oberfläche des PTC-Thermistorelements 4 beträgt etwa 30 bis 70%.

Das wabenförmige PTC-Thermistorelement 4 kann aus irgendwelchem bekannten PTC-Thermistormaterial bestehen, vorzugsweise handelt es sich um ein PTC-Thermistormaterial, wie es in der US-Patentanmeldung 8 82 922 beschrieben ist.

Im allgemeinen weist das PTC-Thermistorelement 4 eine Säulenform auf. Durch den säulenförmigen Körper verlaufen parallel zueinander die Durchgangslöcher, welche runde, rechteckige, quadratische oder sechseckige Form aufweisen können. Die festen Teile des PTC-Thermistorkörpers haben eine im wesentlichen gleichförmige Dicke zueinander und bilden Trennwände, welche die Durchgangslöcher oder Kanäle definieren. Die nicht Ohmschen Elektroden sind an gegenüberliegenden Enden der Trennwände angeordnet und werden bevorzugt mittels einer Siebdrucktechnik aufgebracht.

Die nicht Ohmschen Elektroden 7 bestehen hauptsächlich aus einem elektrisch leitendem Metall, wie beispielsweise Silber, Gold oder Kupfer und zusätzlich aus einem adhäsiven Oxyd oder Oxyden, wie beispielsweise Bleiborsilikatglas (frit). Für dem Ohmschen Kontakt zwischen der Elektrode und dem PTC-Thermistor ist bei den nicht Ohmschen Elektroden gemäß der vorliegendne Erfindung kein Metall vorgesehen, wie beispielsweise In, Ga, Zn, Cd, Bi und Sn.

In Fig. 2 ist die Strom-Spannungscharakteristik für verschiedene Elektroden geezigt. Ohmsche Elektroden, welche hauptsächlich aus Silber und Indium bestehen, haben eine lineare Strom-Spannungscharakteristik, wie dies die Kurve 10 zeigt. Wenn eine nicht Ohmsche Silberelektrode an einem Ende des PTC-Thermistorkörpers vorhanden ist und sich am anderen Ende eine Ohmsche Silber-Indiumelektrode befindet, ergibt sich eine Strom-Spannungscharakteristik, entsprechend der Kurve 11, bei welcher eine Gleichrichtereigenschaft bei einer Spannung von 1,0 Volt oder geringer vorhanden ist. Wenn nicht Ohmsche Silberelektroden an beiden Enden des PTC-Thermistorkörpers vorhanden sind, dann ist der durch den PTC-Thermistorkörper fließende Strom sehr gering, entsprechend der Kurve 12 und zwar im Spannungsbereich der Fig. 2, infolge der Gleichrichterwirkungen der nicht-Ohmschen Elektroden.

Zur Herstellung der nicht-Ohmschen Elektroden wird eine Silberpaste verwendet, welche hauptsächlich aus Silberpulver, einem oder mehreren adhäsiven Oxyden, einem organischen Binder und einem Lösungsmittel besteht. Die Silberpaste wird an beiden Enden wie vorbeschrieben aufgebracht und bei einer Temperatur von 600 bis 700°C gebacken. Die sich nach dem Backen ergebenden nicht-Ohmschen Elektroden bestehen aus 90 bis 99, vorzugsweise 95 bis 98% Silber und 2 bis 5% des oder der adhäsiven Oxyde. Die nicht-Ohmschen Elektroden haben eine Dicke von näherungsweise 7 bis 30 micron, vorzugsweise von 15 bis 25 micron.

Obwohl bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an beiden Enden des wabenförmigen Heizelements zwei nicht-Ohmschen Elektroden vorgesehen sind, ist es auch möglich, an einem der Enden eine nicht-Ohmsche Elektrode vorzusehen und am anderen Ende des wabenförmigen PTC-Heizelements 2 eine konventionelle Ohmsche Elektrode. Bevorzugt wird die nicht-Ohmsche Elektrode an demjenigen Ende des wabenförmigen PTC-Heizelements angeordnet, welches der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Im Falle der Verwendung einer Ohmschen Elektrode wird diese bevorzugt hergestellt mittels eines Aufsprühverfahrens anstelle eines Siebdruckverfahrens. Die nicht-Ohmsche Elektrode enthält kein Indium und Gallium, welches eine Migration von Silber induzieren würde und das auch die Witterungsbeständigkeit vermindern würde. Um die Zuverlässigkeit der Elektroden zu verbessern, wurde bereits der Vorschlag gemacht, bei einem wabenförmigen PTC-Heizelement zwei oder dreischichtige Elektroden vorzusehen. Der einschichtige Elektrodenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine ausreichend gute Wetter- und Korrosionsbeständigkeit auf und weiterhin sind die Herstellkosten eines Heizgeräts mit dem erfindungsgemäßen wabenförmigen PTC-Heizelement geringer im Vergleich zu einem Heizelement, bei welchem mehrschichtige Elektroden verwendet werden.

Der Bläser 3 besteht aus einem Elektromotor 8 und Lüfterflügeln 9, welche auf der Welle des Elektromotors 8 angeordnet sind.

Bei dem oben beschriebenen Heizgerät fließt der Ruhestrom direkt nach dem Anlegen des Stroms bzw. der Spannung an das wabenförmige PTC-Heizelement 2. Dieser Ruhestrom kann auf einen relativ niederen Wert gebracht werden, bedingt durch den Kontaktwiderstand zwischen den nicht-Ohmschen Elektroden 7 und dem PTC-Thermistorelement 2.

Demgemäß ist es möglich, Beschädigungen infolge eines abnormal hohen Stromes zu verhindern, d. h. es wird verhindert, daß die Elektroden im Heizgerät abbrennen, oder daß eine Sicherung durchbrennt oder daß ein Stromunterbrecher in der Speisespannungsquelle anspricht.

In Fig. 3 ist zeitliche Stromverhalten des Stroms durch ein PTC-Heizelement dargestellt und zwar einmal unter Verwendung nicht-Ohmscher Elektroden (Kurve A) bzw. unter Verwendung von Ohmschen Elektroden (Kurve B). Bei Verwendung nicht-Ohmscher Elektroden ergibt sich ein geringerer Ruhestrom (PA) durch das PTC-Heizelement. Der fließende Strom unter Verwendung von Ohmschen Elektroden ist demgegenüber wesentlich höher (PB). Das Verhältnis PA/PB kann 1/2 oder weniger betragen. Nach einer Zeitspanne von 10 Sekunden bis weniger als 20 Sekunden nach Beginn des Stromflusses durch den wabenförmigen PCT-Heizkörper 2 wird dieser Stromfluß durch den PTC-Heizkörper 2 stabil, d. h. der Stromdurchfluß erreicht einen stabilisierten Zustand, wobei Wärme im Körper 2 erzeugt wird. Der Fluidstrom, wie bespielsweise Luft, deren Strömung durch den Bläser 3 erzwungen wird, wird auf die gewünschte Temperatur während des Durchgangs durch die Durchgangslöcher 5 erhitzt und strömt aus dem wabenförmigen Heizelement, wie dies durch den Pfeil C in Fig. 1 angedeutet ist.

In Fig. 4 ist das Strom-Spannungsverhalten dargestellt, wenn eine Spannung an den PTC-Heizkörper 2 angelegt wird und zwar einmal zeigt die Kurve D das Verhalten bei Verwendung nich-Ohmscher Elektroden und die Kurve E das Verhalten unter Verwendung einer Ohmschen Elektrode. Gemäß Fig. 4 wurde die Spannung verändert zwischen 2 und 500 Volt. Wie der Fig. 4 entnehmbar ist, verlaufen die Kurven D und E gleich, wenn die Spannung über den Spannungswert V_B erhöht wird. Wird ein wabenförmiges Heizelement 2 bei einer Spannung gleich oder oberhalb des Koinzidenzpunktes V_B verwendet, dann ist der elektrische Energieverbrauch konstant. Hieraus ergibt sich, daß ein wabenförmiges PTC-Heizelement 2 gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen die gleiche Wärme erzeugt wie ein konventionelles wabenförmiges PTC-Heizelement mit Ohmschen Elektroden.

Die vorliegende Erfindung wird ergänzend beschrieben anhand eines Beispiels.

Beispiel

Die Hauptzusammensetzung eines PTC-Thermistors wurde in Pulverform vorbereitet, so daß die Zusammensetzung enthielt 54 Gew.-% BaO, 12 Gew.-% PbO, 33,8 Gew.-% TiO₂, unter Verwendung eines Halbleiterbildners, wie beispielsweise Y₂O₃ in einem Anteil von 0,2 Gew.-%. Mangan mit einem Anteil von 0,02 Gew.-% wurde hinzugefügt zur Hauptzusammensetzung und das Pulver wurde verpreßt und gesintert zur Herstellung einer wabenförmigen Struktur gemäß Fig. 1. Beim Sinterprozeß wurden die Bestandteile zuerst in einer Kugelmühle vermischt, verpreßt und anschließend vorgesintert auf eine Temperatur von 1100°C. Das vorgesinterte Material wurde anschließend auf eine Korngröße von 2 bis 10 micron pulverisiert und mit einem organischen Binder aus Polyvinylalkohol in einem Anteil von 2 Gew.-% vermischt. Die Mischung aus dem vorgesinterten Keramikmaterial und dem organischen Binder wurde anschließend extrudiert und hierbei die Mischung in eine wabenförmige Struktur gebracht, welche anschließend gesintert wurde bei einer Temperatur zwischen 1250°C und 1300°C. Der Widerstand des PTC-Thermistors bei 20°C betrug 25 Ohm. Der Durchmesser und die Dicke des wabenförmigen Körpers 1 betrug 50 mm bzw. 3,5 mm. Eine Anzahl von Durchgangslöchern 5 mit einer lichten Weite von 1 mm wurden definiert durch Trennwände 6 mit einer Dicke von 0,2 mm. Der Curiepunkt des wabenförmigen PTC-Thermistors betrug 190°C. An beiden Enden wurde auf die Oberflächen der Trennwände 6 des PTC-Thermistors eine Paste aufgebracht, welche hauptsächlich aus etwa 90% Silberteilchen, etwa 4% Bleiborsilikatglas und einem organischen Binder bestand. Diese Paste wurde mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht und sodann bei einer Temperatur von 600°C gebacken, wobei sich nicht-Ohmsche Elektroden 7 mit einer Dicke von 20 micron ergaben.

Eine übliche Wechselstromquelle von 100 Volt wurde über nicht dargestellte Leitungen an den wabenförmigen PTC-Heizkörper 2 angelegt und zwar an dessen Elektroden derart, daß ein Arbeitszyklus, bestehend aus einer Minute Stromdurchfluß und einer Minute Unterbrechung für 20 Zyklen wiederholt wurde. Anschließend wurde festgestellt, daß keine der nicht-Ohmschen Elektroden an- oder abgebrannt war.

Claims (1)

1. Heizelement, bestehend aus einem keramischen Halbleiterkörper (4) mit mindestens einem Durchgangsloch (5), wobei der Widerstand des keramischen Materials oberhalb des Curiepunkts einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und am Halbleiterkörper (4) zwei Elektroden (7) angeordnet sind, von denen mindestens eine als nicht-Ohmsche Elektrode ausgebildet ist, die aus Silber als elektrisch leitendem Material und einem Haftoxyd besteht, dadurch gekennzeichnet,

   • - daß der Halbleiterkörper (4) wabenförmig ausgebildet ist und eine Vielzahl von Durchgangslöchern (5) aufweist,
   • - die Dicke der Trennwände (6) zwischen den Durchgangslöchern (5) 0,2 bis 0,45 mm beträgt,
   • - die Fläche der Durchgangslöcher (5) 30 bis 70% der Gesamtfläche des Halbleiterkörpers (4) an einer Stirnfläche einnimmt,
   • - an den Stirnflächen die Elektroden (7) angeordnet sind und
   • - die mindestens eine nicht-Ohmsche Elektrode (7) einen Silberanteil von 90 bis 99 Gewichtsprozent aufweist, der Rest aus Haftoxyd besteht und ihre Dicke zwischen 7 und 30 Micron beträgt.