DE3433196A1

DE3433196A1 - Ptc-widerstandsvorrichtung

Info

Publication number: DE3433196A1
Application number: DE19843433196
Authority: DE
Inventors: Michikazu Akita Takeuchi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1985-03-28
Also published as: GB8422389D0; GB2146488B; IT1179103B; FR2551910A1; US4635026A; IT8453790V0; DE3433196C2; JPS6048201U; JPH0211763Y2; DK163903C; IT8467884A1; IT8467884A0; GB2146488A; DK428584D0; DK428584A; DK163903B; FR2551910B1

Description

Die Erfindung betrifft eine PTC-Widerstandsvorrichtung, was für einen Thermistorwiderstand oder Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten steht. Eine PTC-Widerstandsvorrichtung wird als Stromsteuervorrichtung in einem Motoranlasser, einer Ölverdampfungsvorrichtung in einem Ölofen, einer Thermosflasche und/oder einem Heizgerät für einen Mückenstab verwendet.

Ein PTC-Widerstand weist das Merkmal auf, daß der Widerstand bei hoher Temperatur hoch ist und daß deshalb keine Gefahr für das Überhitzen oder Übererwärmen eines Heizgerätes besteht, da der Leistungsverbrauch bei hoher Temperatur automatisch vermindert wird. Ein PTC-Element besteht im wesentlichen aus 3ariumtitanat.

Es sind bereits einige PTC-Widerstandsvorrichtungen bekannt, so etwa aus der US-PS 4 232 214.

Üblicherweise weist ein PTC-Widerstand eine flache PTC-Platte, auf beiden Oberflächen der PTC-Platte aufgebrachte Silberelektrodenschichten und ein Paar von

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Elektroden auf,' die elektrisch mit den Silberschichten verbunden sind. Die herkömmliche Struktur weist jedoch den Machteil auf, daß ein Silberwanderungseffekt auftritt, bei dem ein Silbermolekül der Silberschicht von der Silberschicht zur PTC-Platte entlang der Außenoberfläche der Platte wandert, wenn an die Elektroden des- PTC-Widerstands eine Spannung angelegt wird. Dies führt dazu, daß die Elektroden schließlich kurzgeschlossen werden. Dieser Silberwanderungseffekt ist bei hohen Temperaturen beträchtlich. Der Silberwanderungseffekt könnte dann überwunden werden, wenn die Elektrodenschichten durch eine Goldschicht, eine Platinschicht oder eine Palladiumschicht ersetzt werden wurden. Der Ersatz dieser Werkstoffe würde jedoch eine Zunahme der Herstellungskosten eines PTC-Widerstands zur Folge haben, so daß dieser Werkstoffaustausch wirtschaftlich nicht sinnvoll ist.

Bei einem anderen bekannten System zur Beseitigung des Silberwanderungseffektes ist eine Barriere mit einem weiteren Metall auf der Silberschicht gegen die Silberwanderung vorgesehen. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, daß die Herstellungskosten eines PTC-Widerstands ansteigen und/oder die Trennschicht bzw. Barriere bei hohen Temperaturen nicht stabil ist.

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, die Nachteile und Grenzen des bekannten PTC-Widerstands zu vermeiden und einen PTC-Widerstand zu schaffen, bei dem der Silberwanderungseffekt nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die PTC-Uiderstandsvorrichtung aufweist: ein PTC-Widerstandselement mit einer Halbleiter-PTC-Keramikplatte mit einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, einem Paar von, an beiden Oberflächen der flachen Platte angebrachten ersten leitenden Schichten und einem Paar von zweiten leitenden Schichten, die auf den ersten leitenden Schichten so angebracht sind, daß ein länglicher Zwischenraum am Rand der ersten leitenden Schichten vorgesehen ist, wo die zweiten leitenden Schichten nicht auftreten, wobei die ersten leitenden Schichten aus einem Metall (ausgenommen Silber) und die zweiten leitenden Schichten aus einem Metall sind, dessen Hauptbestandteil Silber ist, ein Gehäuse aus einem Isoliermaterial zum Befestigen des PTC-Widerstandselements und ein Paar von Anschlußklemmen mit jeweils einer Zunge oder einem Verbindungschip oder -plättchen, einem konvexen Abschnitt und einem Mittelabschnitt zwischen der Zunge und dem konvexen Abschnitt, wobei die Klemmen aus einem elastischen leitfähigen Material sind und das PTC-Widerstandselernent durch die konvexen Abschnitte des Klemmenpaars mittels Federwirkung so gehalten wird, daß die konvexen Abschnitte die zweiten Schichten drücken bzw. zusammendrücken.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Mit der erfindungsgemäßen PTC-Widerstandsvorrichtung wird ein PTC-Widerstand geschaffen, der frei vom Silberwanderungseffekt ist und bei dem auch keine partielle Übererwärmung im Übergangs- oder Zwischenraumabschnitt auftritt.

Ausführungsforirien der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen PTC-Widerstand, der eine Vorstufe zur Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Struktur nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des zusammengebauten PTC-Widerstands nach Fig. 1;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands;
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Elektrode 41 (51) nach Fig. 4;

Fig. 6 eine veränderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands;

Fig. 7 ein Schaltbild eines Motoranlassers, bei dem die erfindungsgemäße PTC-Widerstandsvorrichtung Verwendung findet, und 25

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen PTC-Widerstandsvorri chtung.

in den Figuren 1 bis 3 ist eine PTC-Widerstandsvorrichtung dargestellt, die einen Vorläufer für die Erfindung darstellt und bei der keine Silberwanderung auftreten sol I.

Die PTC-Widerstandsvorrichtung weist auf eine PTC-Platte 1, ein Paar von ersten leitenden Schichten 2, die aus einem Metall (ausgenommen Silber) bestehen und mit der PTC-Platte im ohinschen Kontakt stehen, und ein zweites Paar von leitenden Schichten 3, die im wesentlichen aus Silber bestehen und auf den ersten Schichten so angebracht sind, daß ein Zwischenraum G am Rand bzw. Außenumfang der ersten Schichten 2 freigelassen wird. Bei dieser Struktur tritt kein Silber-Wanderungseffekt auf, da die ersten Schichten, die mit der PTC-Platte in direktem Kontakt stehen, aus einem anderen Metall bestehen als Silber. Außerdem hat die PTC-Platte die Eigenschaften eines positiven Temperaturkoeffizienten, da die ersten Schichten den ohmschen Kontakt mit der PTC-Platte liefern. Oa die ersten Schichten 2 auf der gesamten Oberfläche der PTC-Platte vorgesehen sind, ist die Stromdichte in der PTC-Platte gleichmäßig, so daß damit auch die Wärmeerzeugung in der PTC-Platte gleichmäßig ist. Diese ersten Schichten 2 werden durch stromlose Galvanisierung, Ionenplattierung oder -galvanisierung, Kathodenzerstäubungsverfahren oder Sputtern oder Siebdruckverfahren aufgebracht.

Da die zweiten Schichten 3 auf den ersten Schichten vorgesehen sind, ist die Leitfähigkeit der gesamten Elektroden nicht hoch, und zwar trotz der hohen Leitfähigkeit der ersten Schichten, die kein Silber aufweisen. Es ist hier anzumerken, daß die zweiten Schichten, die aus Silber sind, nicht direkt mit der PTC-Platte in Kontakt kommen, da am Rand der ersten Schichten 2 der Zwischenraum oder Spalt G vorgesehen ist,

- ίο -

wodurch die Silberwanderung durch die zweiten Schichten vermieden wird. Vorzugsweise beträgt die Breite des Zwischenraums G etwa 0,1 bis 4 mm.

Es wurde nun herausgefunden, daß die Struktur der in den Figuren 1 und 2 dargestellten PTC-Widerstandsvorrichtung den Nachteil hat, der anhand von Fig. 3 näher erläutert wird. Dabei sind mit den Bezugszeichen 4 und 5 Anschlußelektroden zum Verbinden der PTC-Wider-Standsvorrichtung mit einer Außenschaltung gekennzeichnet, wobei die Elektroden 4 und 5 mit den zweiten Schichten 3 praktisch über deren gesamte Fläche in Kontakt stehen. Wenn aufgrund der Erwärmung des PTC-Widerstands nach Fig. 3 infolge der hohen Temperatur die Elektroden 4 und 5 gekrümmt oder verformt werden, so können die Elektroden 4 und 5 im Bereich des Zwischenraums G auch mit den ersten Schichten 2 in Berührung kommen. Dabei ist jedoch anzumerken, daß die Leitfähigkeit der ersten Schichten 2 hoch ist, da sie aus einem anderen Metall als Silber, beispielsweise

aus Nickel, Messing oder Aluminium, bestehen, und daß damit der Kontaktwiderstand im Zwischenraum G zwischen den Elektroden 4 und 5 und den ersten Schichten 2 relativ hoch ist, so daß der Zwischenraumabschnitt G partiell übererwärmt wird. Damit kann jedoch der PTC-Widerstand aufgrund der partiellen Wärmeverluste brechen. Dieser Machteil rührt vom partiellen Kontakt der Elektroden 4 und 5 mit den ersten Schichten 2 im Zwischenraum G her.
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Fig. 4 zeigt die Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands, bei dem die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 1 bis 3 verwendet werden.

Mit dem Bezugszeichen 6 ist ein geschlossenes Isoliergehäuse gekennzeichnet, das beispielsweise aus Kunststoffpreßharz ist und ein Paar von Vorsprüngen 61 aufweist, die ins Innere des Gehäuses vorspringen. Ein Paar von Anschlußklemmen 4 und 5 sind am Gehäuse 6 so befestigt, daß sich das eine Ende von jeder Klemme 4 und 5 außerhalb des Gehäuses 6 erstreckt und das andere Ende gekrümmt oder konvex ausgebildet ist. Diese Klemmen 4 und 5 sind aus elastischem Material, so daß eine Federwirkung durch die Klemmen ausgeübt wird. Die gekrümmten Enden dieser Klemmen liegen einander so gegenüber, daß die konvexen Oberflächen einander gegenüber!i egen.

Der PTC-Widerstand 7 wird zwischen den konvexen Abschnitten 41 und 51 der Klemmen 4 und 5 aufgrund deren Federwirkung gehalten. Der PTC-Widerstand 7 weist eine flache PTC-Platte 1, ein Paar von ersten leitenden Schichten 2 aus einem auf beiden Oberflächen der PTC-Platte 1 aufgebrachten Metall (ausgenommen Silber), so daß die Schichten 2 einen ohmschen Kontakt mit der PTC-Platte 1 liefern, sowie ein Paar von zweiten Schichten 3 auf, die im wesentlichen aus Silber bestehen und auf den ersten Schichten 2 aufgebracht sind. Die zweite Schicht 3 aus Silber ist so vorgesehen, daß der Gesamtwiderstand der Schichten 2 und 3 niedrig genug ist, um eine gleichmäßige Stromdichte im PTC-Wid.erstand zu liefern. Der Kontaktwiderstand der Schichten mit der Feder ist gering. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, ist die Fläche der zweiten Schichten 3 kleiner als die der ersten Schichten 2, so daß am Rand der ersten Schichten 2 ein länglicher, ringförmiger Zwischenraum G gebildet wird. Auf diesem

Zwischenraum G ist keine zweite Schicht 3 vorhanden. Vorzugsweise beträgt die 3reite des Zwischenraums G etwa 0,1 bis 4 mm.

Der PTC-Widerstand 7 ist zwischen den Vorsprüngen 61 angeordnet, die die seitliche Bewegung des PTC-Widerstands 7 verhindern. Vorzugsweise ist zwischen dem Ende des PTC-Widerstands 7 und jedem Vorsprung 61 ein kleiner Zwischenraum freigelassen, so daß der Widerstand 7 bei seiner thermischen Expansion nicht direkt die Vorsprünge 61 berührt.

Wenn der PTC-Widerstand 7 das Gehäuse berührt, so werden die Kenndaten des PTC-Widerstands aufgrund der Wärmeableitung an das Gehäuse verschlechtert.

Der Zwischenraum G hat die Form eines O-Rings, wenn der PTC-Widerstand kreisförmig ist. Alternativ dazu ist der Zwischenraum G rechteckig, wenn der PTC-Widerstand rechteckig ist.

Fig. 5 zeigt den genauen Aufbau der Anschlußklemmen 4 und 5, die eine äußere Zunge oder ein Verbindungschip bzw. ein Verbindungsplättchen A zum Verbinden mit einer äußeren Schaltung, ein konvexes Ende B sowie einen Mittelabschnitt C zwischen der Zunge A und dem konvexen Ende B aufweisen. Vorzugsweise weist das konvexe Ende B eine Vielzahl von parallelen konvexen Armen bι, bp und b- vor, in dem einige Schlitze zwischen

den Armen ausgebildet sind. Der Mittelbereich C kann einen Vorsprung D aufweisen, der mit dem Gehäuse 6 in Eingriff kommt, um die Klemmen 4 und 5 gegenüber dem Gehäuse 6 zu positionieren.

Die konvexen Enden 41 bzw. 51 halten den PTC-Widerstand 7 etwa in dessen Mittelabschnitt sandwichartig, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist. Daraus ist ersichtlich, daß selbst dann, wenn die Klemmen 4 und 5 und/oder der PTC-Widerstand 7 infolge hoher Temperatur verformt werden, die Klemmen 4 jnd 5 die ersten Schichten 2 im Zwischenraum G nicht berühren. Damit tritt keine partielle hohe Stromdichte noch eine partielle Übererwärmung auf, die durch den direkten Kontakt zwischen den ersten Schichten 2 und den Klemmen 4 und 5 verursacht werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsfonn der Klemmen

4 und 5, die eine Vielzahl von konvexen Vorsprüngen 41 und 51 aufweisen, während die Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 lediglich einen einzigen konvexen Vorsprung aufweist. Der PTC-Widerstand 7 wird zwischen den konvexen Vorsprüngen eines Klemmenpaares 4 und

5 aufgrund der Federwirkung der Klemmen gehalten. Durch die Vielzahl von Vorsprüngen auf den Klemmen wird die stabile Positionierung des PTC-Widerstands verbessert.

Fig. 7 zeigt ein Schaltbild eines Motoranlassers, der eine Anwendungsform der erfindungsgemäßen PTC-Wider-Standsvorrichtung darstellt. Dabei ist mit M ein Induktionsmotor, mit L, die Hauptwicklung des Motors M, mit Lp die Hilfswicklung des Motors M, mit C, ein Kondensator und mit C« ein Anlasserkondensator gekennzeichnet, während PTC die erfindungsgemäße PTC-Vorrichtung und AC eine übliche Wechselspannungsquel1e ist. Üblicherweise wurde ein Kontaktschalter anstelle der PTC-Vorrichtung verwendet. Wenn der Motor startet,

so wird der Schalter ausgeschaltet. Dieser Schalter wird erfindungsgemäß durch eine PTC-Widerstandsvorrichtung ersetzt, die bei niedriger Temperatur einen niedrigen Widerstand besitzt, wobei dieser niedrige Widerstand einem in der EIN-Stellung befindlichen Schalter entspricht. Wenn der Motor M startet, so bewirkt der Strom in der PTC-Vorrichtung ein Ansteigen der Temperatur, so daß der Widerstand der PTC-Vorrichtung groß wird. Dieser hohe Widerstand entspricht einem in der AUS-Stellung befindlichen Schalter. Damit funktioniert die PTC-Widerstandsvorrichtung wie ein Schalter in einer Induktionsmotor-Anlasserschaltung. Dies hat den Vorteil, daß kein mechanischer Kontakt verwendet wird und damit auch keine Funken erzeugt werden. 15

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer veränderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen PTC-Widerstandsvorrichtung. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 6a ein Gehäuse aus Isoliermaterial gekennzeichnet, das ein Paar von Vorsprüngen 61 sowie ein Paar von Vorsprüngen 71 aufweist, die jeweils die Bewegung des PTC-Elements 7 verhindern. Das PTC-Element 7 wird in dem durch die Vorsprünge 61 und 71 definierten Raum durch die Federkraft von elastischen Klemmen 4a und 5a gehalten. Jede dieser Klemmen 4a und 5a weist einen im wesentlichen U-förmigen Abschnitt mit einem Paar von konvexen Enden 4a-2 bzw. 5a-2, ein Verbindungschip bzw. -plättchen 4a-1 bzw. 5a-l und einen Mittelabschnitt 4a-3 bzw. 5a-3 zum Verbinden des Verbindungschips mit den konvexen Enden des U-förmigen Abschnitts. Das Verbindungschip 4a-1 bzw. 5a-1 ist in einem Raum befestigt, der durch den Vorsprung 81

definiert wird, und dient zur Verbindung der PTC-Vorrichtung mit einer Außenschaltung, indem ein Außenstift in den Verbindungschip aufgenommen wird.

In Abwandlung zur oben beschriebenen Ausführungsform, bei der der PTC-Widerstand eine flache Platte ist, kann dieser auch die Form eines Hohlzylinders annehmen. Im Falle einer zylindrischen Form sind die Elektrodenschichten an der Außenfläche und der Innenfläehe des Zylinderkörpers angebracht. Entsprechend sind ein Paar von ringförmigen Zwischenräumen an beiden Enden des Zylinderkörpers vorgesehen, in denen keine Silberschicht vorhanden ist.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß mit der Erfindung der Silberwanderungseffekt, der bei Verwendung einer Silberelektrode auftritt, vollständig vermieden wird und daß gleichzeitig die durch den direkten Kontakt zwischen einer Außenklemme und der ersten Schichten bewirkte partielle Übererwärmung verhindert wird. Damit wird ein PTC-Widerstand mit hoher 3etriebszuverlässigkeit, ohne Silberwanderung und ohne Übererwärmung erhalten.

Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1 .

PTC-Widerstandsvorrichtung,

gekennzeichnet durch

ein PTC-Widerstandselement (7) mit einer Halbleiter-PTC-Keramikpl atte (1) mit einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, einem Paar von, an beiden Oberflächen der flachen Platte (1) angebrachten ersten leitenden Schichten (2) und einem Paar von zweiten leitenden Schichten (3), die auf den ersten leitenden Schichten (2) so angebracht sind, daß ein länglicher Zwischenraum (G) am Rand der ersten leitenden Schichten (2) vorgesehen ist, wo die zweiten leitenden Schichten nicht auftreten, wobei die ersten leitenden Schichten (2) aus einem Metall (ausgenommen Silber) und die zweiten leitenden Schichten (3) aus einem Metall sind, dessen Hauptbestandteil Silber ist,

ein Gehäuse (6) aus einem Isoliermaterial zum Befestigen des PTC-Widerstandselements (7) und

ein Paar von Anschlußklemmen (4, 5; 4a, 5a) mit jeweils einer Zunge oder einem Verbindungschip oder -plättchen (A; 4a-l, 5a-l), einem konvexen Abschnitt (B; 4a-2, 5a-2) und einem Mittelabschnitt (C; 4a-3, 5a-3) zwischen der Zunge (A) und dem konvexen Abschnitt (D),

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λ/ob ei die K le mn en (4, 5) aus einem elastischen leitfähig e η Material sind

und das PTC-Widerstandselement (7) durch die konvexen Abschnitte (B; 41, 42) des Kl emrnenpaars mittels Federwirkung so gehalten wird, daß die konvexen Abschnitte die zweiten Schichten (3) drücken bzw. zusammendrücken.

2.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der konvexe Abschnitt (3) der Klemmen (4, 5) eine Vielzahl von parallelen konvexen Armen (b,, b~, bo)

aufwei st.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (6; 5a) ein Paar von Vorsprüngen (61; 71) aufweist, die ins Gehäuseinnere so vorspringen, daß sie eine Bewegung des PTC-Uiderstandselements (7) verhi ndern.

4.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Klemmen (4, 5) eine Vielzahl von konvexen Abschnitten oder Vorsprüngen (41, 42) entlang der Längs richtung der Klemmen aufweist.

5.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3G

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt (C) der Klemmen einen Vorsprung (D) aufweist, der mit dem Gehäuse (6) so in Eingriff kommt, daß die Klemmen (4, 5) vom Gehäuse (6) ortsfest gehalten werden.

6.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Widerstandselement (7) eine kreisförmige Form aufweist.

7.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Zwischenraum (G) etwa 0,1 bis 4 mm beträgt. 20

8.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (G) die Gestalt eines kreisförmigen Rings aufweist.

9.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (G) rechteckig 1st.

10.

PTC-Widerstandsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, 05 daß die PTC-Platte (1) eine flache Platte ist.