DE3628495C2 - Elektrisches Heizelement - Google Patents
Elektrisches HeizelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solches Heizelement ist aus der DE 20 11 297 A1 bekannt.
Im allgemeinen wird ein auf einer keramischen Trägerplatte
aufgebrachtes Heizelement dadurch hergestellt, daß man
mittels eines Dickfilm-Druckes auf einem keramischen Substrat
eine Heizelementstruktur aufträgt, wobei man eine ein
Widerstandsmetall, wie etwa Platin, Platin-Rhodium, Molybdän,
Wolfram oder dgl., enthaltende Paste verwendet, und indem man
das keramische Substrat mit der gedruckten Struktur unter
Wärmeeinwirkung zusammenbäckt. In diesem Fall ist das
keramische Substrat ein keramisches Material, das mit
konventionellen Mitteln, wie etwa Flächenverformung und/oder
Extrusionsformgebung, in die gewünschte Form, zum Beispiel in
eine Platte, einen Zylinder oder dergl., verformbar ist. Im
Falle der Verwendung eines auf eine keramische Trägerplatte
aufgebrachten Heizelementes dieser Art in einem
Gleichstromkreis, wie etwa bei einem Auspuffgas-Sensor eines
Automobils, wird die Wärme durch elektrischen Strom aufgrund
einer auf das Heizelement einwirkenden Gleichspannung
erzeugt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß das Heizelement
wegen Unterbrechungen seiner Leitfähigkeit, die in einer
Hochtemperaturatmosphäre, wie etwa in einem Auspuffgas,
leicht vorkommen können, nur eine kurze Lebensdauer hat.
Eine Hauptursache dieser Unterbrechungen, bei welcher
Leerräume entstehen, die den örtlichen Widerstand wachsen
lassen, besteht darin, daß aufgrund des
Gleichspannungsfeldes, insbesondere bei höherer Temperatur,
leicht ionisierbare Elemente in dem Heizelement zu einer
Seite mit niedrigem elektrischen Potential wandern und dort
örtlich hohe Konzentrationen dieser Elemente hervorrufen. Die
ionisierten Elemente bzw. Ionen, die gewandert sind, sammeln
sich dabei bevorzugt an Stellen geringer Spannung und
geringer Temperatur in Form von Oxiden oder Carbiden. An
diesen Stellen entstehen Schwierigkeiten durch örtliche
Überhitzung, die mit einer Vergrößerung des Widerstandes an
den betreffenden Stellen verbunden ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
elektrisches Heizelement der vorstehenden Art in der Weise
weiter zu entwickeln, daß seine Lebensdauer größer ist als
die der bekannten Heizelemente für Keramikplatten.
Gemäß der Erfindung wird dies durch die im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale erreicht. Dabei
wird die Wanderung von Ionen bzw. die Unterbrechung der
Leitfähigkeit des Heizleiters dadurch verhindert oder
zumindest eingeschränkt, daß auf der Seite des Heizleiters,
die ein niedriges Potential aufweist, eine zusätzliche
Elektrode vorgesehen ist. Diese Elektrode zweigt von der
Minusseite des Leiteranschlusses ab und verläuft entlang
wenigstens eines Teiles des vorstehend erwähnten Heizleiters
auf der Rückseite der keramischen Platte.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines auf eine keramische
Trägerplatte aufgebrachten elektrischen
Heizelementes,
Fig. 2 eine schematische auseinandergezogene Ansicht des
Heizelementes gemäß Fig. 1, und
Fig. 3 bis 6 Ausführungsbeispiele für Strukturformen einer
Elektrode zum Zurückhalten von ionisierten Elementen
des Heizleiters.
In Fig. 1 bezeichnet:
- (a) die Position, in der eine Anhäufung von gewanderten Ionen auftritt, wenn keine Elektrode zum Zurückhalten dieser Ionen vorhanden ist, und
- (a′) die Position, in der eine solche Anhäufung auftreten kann, wenn eine Elektrode zum Zurückhalten von Ionen vorgesehen ist.
Gemäß den Figuren ist der Minus-Pol einer
Gleichspannungsquelle an einen Anschlußleiter 3
angeschlossen, der mit einer Elektrode 5 zum Zurückhalten von
Ionen zwischen den Anschlußleitern 3 und 3′ verbunden ist.
Der Plus-Pol ist mit dem Anschlußleiter 3′ verbunden. Wenn
zwischen den Anschlußleitern 3 und 3′ eine Gleichspannung
angelegt wird, erzeugt ein Heizleiter 2 durch Elektronenfluß
Wärme. Die zum Zurückhalten von Ionen dienende Elektrode 5
verhindert dabei, daß Ionen durch den Heizleiter 2 zur Seite
niedrigen elektrischen Potentials wandern, wie dies bei den
herkömmlichen Heizelementen der hier in Rede stehenden Art
der Fall wäre. Dies kommt daher, daß die Elektrode 5 mit dem
Anschlußleiter 3 der negativen Anschlußseite verbunden ist
und selbst ein niedrigeres Potential aufweist als irgend ein
anderes Teil des Heizleiters 2. Demzufolge hindert die
Elektrode 5 die positiv geladenen Ionen daran, durch den
Heizleiter 2 unter dem Einfluß der angelegten Gleichspannung
zur Seite niedrigen elektrischen Potentials zu wandern.
Hierzu ist es nicht erforderlich, die Elektrode 5 genau an
einer dem Heizleiter 2 entgegengesetzten Stelle der Fläche
der keramischen Platte vorzusehen, noch ist es erforderlich,
sie entlang der gesamten Struktur des Heizleiters 2
anzuordnen.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele der Elektrode 5.
An der Oberfläche der Elektrode 5 kann ferner eine
Schutzschicht angebracht werden.
Mit der Bezugsziffer 1 ist eine Rohplatte bezeichnet. Die
Hauptbestandteile der Rohplatte sind Aluminiumoxid, Mullit,
Cordierit, Forsterit, Berylliumoxid, Siliciumnitrid etc. Der
Heizleiter 2, dessen Hauptbestandteile Metallpulver mit einem
hohen Schmelzpunkt, wie etwa Wolfram, Molydän, Tantal,
Platin, Rhodium etc., sind, ist auf der Oberfläche der
Polyplatte 1 in Dickfilm-Technik aufgedruckt, und zwar
gegebenenfalls in pastöser Form, wobei dem Metallpulver oder
der Metallpaste keramisches Pulver von bezüglich des
Materials der Rohplatte 1 gleicher oder unterschiedlicher
Qualität zur Erzielung des gewünschten Widerstands beigemengt
wird. Die Anschlußleiter 3 und 3′ verbinden das Heizelement 2
mit der elektrischen Gleichspannungsquelle. Sie bestehen aus
dem gleichen Material, wie das Heizelement und werden in
gleicher Manier wie das Heizelement auf die Rohplatte 1
mittels Dick-Film-Beschichtungsverfahren aufgebracht. Die
Anschlußleiter 3 und 3′ werden jedoch breiter ausgebildet als
der Heizleiter 2, wodurch eine unerwünschte Wärmeerzeugung in
diesen Teilen verringert bzw. unterdrückt wird. Am
Anschlußleiter 3 des negativen Anschlußpols ist ein
Durchgangsloch 4 vorgesehen. Die Elektrode 5 besteht aus dem
gleichen Material wie der Heizleiter 2 und ist gleich dick
oder unterschiedlich dick wie dieser und auf die gleiche
Weise wie dieser in Dick-Film-Technik auf die Rohplatte 1
aufgetragen, so daß ein Ende mit dem Anschlußleiter 3
elektrisch verbunden werden kann. Zum Anschluß an die
Spannungsquelle dienen Platindrähte 6 und 6′. Eine keramische
Rohplatte 7 dient zur Anbringung der Platindrähte 6 und 6′.
Durchgangslöcher 8 und 8′ verbinden die Anschlußleiter 3 und
3′ mit den Platindrähten 6 und 6′, wobei eines der beiden
Durchgangslöcher 4 und 8 zu zwei Zwecken verwendet werden
kann.
Auf diese Weise bildet die Rohplatte 1, auf deren Oberfläche
der Heizleiter 2, die Anschlußleiter 3 und 3′ und die
Elektrode 5 aufgedruckt werden, nach dem Brennen bereits
einen keramischen Platten-Heizkörper. Es ist aber
vorteilhaft, eine weitere laminierte Rohschicht auf die
bedruckte Oberfläche der Rohplatte zu pressen oder diese mit
einer Schutzpaste zu überziehen und einzubrennen, um die
gedruckten Drähte zu schützen. Die fertige Form des
keramischen Platten-Heizkörpers kann die Form einer ebenen
Platte haben oder die Form einer Röhre aufweisen, die man
durch Herumlegen einer Rohplatte um einen geeigneten
zylinderförmigen Kernkörper und anschließendes Brennen
erhält.
Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand einiger
Proben bzw. Beispiele näher erläutert.
- (1) 92 Gewichtsprozente Al₂O₃ (90% davon liegen unter 2,5 µm), 3 Gewichtsprozente MgO (99% davon liegen unter 2,5 µm) und eine kleine Menge von CaO und SiO₂ werden abgewogen und gemischt.
- (2) Toluol und Methyläthylketon werden zugegeben und mit den anderen Komponenten 10 Stunden lang mittels Al₂O₃-Kugeln vermischt.
- (3) Organische Binder, wie Polyvinyl-Butyral, werden hinzugefügt und 20 Stunden lang gemischt.
- (4) Rohplatten mit einer Dicke von 0,8 mm und 0,3 mm (Rohgröße) werden mittels der Rakel-Methode hergestellt.
- (5) Die durch Verfahrensschritt (4) erzeugten Rohplatten werden in Stücke mit einer Größe von 60 mm × 90 mm geschnitten.
- (6) Pt von 25 µm Dicke wird auf die Rohplatte von 0,8 mm Dicke, entstanden durch Verfahrensschritt (5), mittels Siebdruck aufgebracht, um Heizleiter und Anschlußleiter herzustellen.
- (7) Ein Durchgangsloch von 0,5 mm Durchmesser wird im untersten Teil des Heizer-Leiterteils gebohrt und mit einer Platin-Lösung unter Verwendung einer Nadel und einer Bürste gefüllt.
- (8) Eine kleine Menge der durch Verfahrensschritt (2) erzeugten Aufschlämmung wird entnommen und getrocknet. Sodann wird unter Hinzufügen von Butylcarbitol eine Paste hergestellt.
- (9) Die durch Verfahrenschritt (8) erhaltene Paste wird auf die Platte nach Verfahrensschritt (6) mittels Siebdruck in 50 µm Dicke (Rohmaß) aufgebracht.
- (10) Die durch Verfahrensschritt (8) erhaltene Paste wird auf der Rückseite der bedruckten Oberfläche (wobei die gleiche aufrechte Positur beibehalten wird, das heißt, ihre Oberseite wird nicht nach unten gekehrt) in 0,3 mm Breite und etwa 20 um Dicke mittels Siebdruck aufgebracht, wie in den Fig. 3 bis 6 gezeigt ist, um die Elektrode zum Zurückhalten von Ionen und die Anschlußleiter herzustellen.
- (11) Auf der nach Verfahrensschritt (10) hergestellten Oberfläche wird am Leiterteil Platindraht angebracht und die nach Verfahrensschritt (5) hergestellte Rohplatte von 0,3 mm Dicke (Rohmaß) wird daran angebracht.
- (12) Nach dem Entfernen des Harzes bei 250°C während 6 Stunden wird das nach Verfahrensschritt (11) enthaltene Produkt 4 Stunden lang bei 1.520°C in normaler Atmosphäre gebrannt.
- (13) An den Platindraht wird zur Erzeugung eines Heizelements mittels des Widerstandsschweißverfahrens Nickeldraht angeschweißt.
Das Heizelement des Vergleichsbeispiels wurde in der gleichen
Weise hergestellt, wie das in dem vorstehenden Beispiel
(Verfahrensschritte (1) bis (13)) beschriebene Heizelement,
mit Ausnahme des Verfahrensschritts (10) zur Herstellung der
Elektrode zum Zurückhalten von Ionen.
Eine Gleichspannung (15 V) wurde an das in oben genannter
Weise erhaltene Heizelement gemäß dem Beispiel und dem
Vergleichsbeispiel angelegt. Das Auftreten einer
Ionenwanderung an den Heizelementen wurde überprüft und in
Tabelle 1 wiedergegeben.
Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, ist es beim Heizelement gemäß
der Erfindung schwierig, eine solche Ionenwanderung
auszulösen. Weiterhin ergab sich eine Leitungsunterbrechung,
wenn in einem Vergleichsversuch ein elektrischer Strom an die
Pole Nr. 2 unter Umkehrung von "plus" und "minus" angelegt
wurde.
Claims (4)
1. Elektrisches Heizelement, bei dem auf einer keramischen
Trägerplatte (1) ein Heizleiter (2) und Anschlußleiter
(3, 3′) in Dickschichttechnik aufgebracht sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Trägerplatte (1) eine zusätzliche Dickschicht-
Elektrode (5) angeordnet ist, die von dem negativen
Anschlußteil (3) abzweigt und an der dem Heizleiter
abgekehrten Rückseite der Trägerplatte (1) entlang
zumindest eines Teiles des Heizleiters (2) verläuft.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche der Dickschicht-Elektrode (5) mit einer
Schutzschicht versehen ist.
3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dickschicht-Elektrode (5) mit dem
Anschlußleiter (3) durch ein leitendes Durchgangsloch (4)
verbunden ist.
4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dickschicht-Elektrode (5)
wenigstens von dem Durchgangsloch (4) an in dem Bereich
der Rückseite der Basisplatte (1) verläuft, der dem auf
der Vorderseite angebrachten Heizelement (2) und dem
Anschlußleiter (3) entspricht.
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