DE3645362C2

DE3645362C2 - Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelementes

Info

Publication number: DE3645362C2
Application number: DE3645362A
Authority: DE
Inventors: Takao Kojima; Hiroyuki Ishiguro
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2006-08-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizelement nach dem deutschen Patent DE 36 28 495 C2, bei welchem auf einer Seite einer keramischen Trägerplatte eine Heizelementestruktur und Anschlußleiter mittels eines Dickfilmdruckes aufgebracht sind. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Heizelementes.

Ein Heizelement der eingangs genannten Art ist aus der DE 30 11 297 A1 bekannt.

Im allgemeinen wird ein auf einer keramischen Trägerplatte aufgebrachtes Heizelement dadurch hergestellt, daß man mittels eines Dickfilmdruckes 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 dgl., 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.

DE-A 31 20 159 offenbart einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen. Dieser Meßfühler weist in einem Teilbereich eine Schutzelektrode, eine Elektroisolierschicht und ein Heizelement auf. Diese drei Schichten sind in Dickschichttechnik auf einem Festelektrolytplättchen aufgebracht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellverfahren für ein elektrisches Heizelement der vorstehenden Art zu entwickeln, dessen 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. Bei einem auf diese Weise hergestellten Heizelement 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
b) (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.

Beispiel

1. 92 Gewichtsprozent Al₂O₃ (90% davon liegen unter 2,5 µm), 3 Gewichtsprozent 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 mit Zusatz von Pt 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 µm 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 1520°C in normaler Atmosphäre gebrannt.
13. An den Platindraht wird zur Erzeugung eines Heizelements mittels des Widerstandsschweißverfahrens Nickeldraht angeschweißt.

Vergleichsbeispiel

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.

Tabelle 1

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines an Gleichspannung betreibbaren elektrischen Heizelementes mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen einer keramischen Trägerplatte (1), die ionisierbare Elemente enthält;
b) Aufbringen einer Heizelementestruktur (2) und Anschlußleiter (3, 3') auf eine Seite der Trägerplatte (1) mittels Dickschichttechnik;
c) Aufbringen einer Dickschichtelektrode (5) auf der Rückseite der Trägerplatte (1) derart, daß die Dickschichtelektrode (5) auf der Rückseite entlang zumindest eines Teils der Heizelementestruktur (2) verläuft, und daß sie mit einem Anschlußleiter (3, 3') der Heizelementestruktur (2) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die die keramische Trägerplatte (1), die Heizelementestruktur (2), die Anschlußleiter (3, 3') und die Dickschichtelektrode (5) in einem einheitlichen Arbeitsgang gesintert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die keramische Trägerplatte hauptsächlich aus Aluminiumoxid besteht und zusätzlich Calcium und/oder Magnesium enthält.