DE3645397B4

DE3645397B4 - Elektrisches Heizelement

Info

Publication number: DE3645397B4
Application number: DE3645397A
Authority: DE
Inventors: Takao Nagoya Kojima; Hiroyuki Nagoya 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: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2006-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement mit einem Heizleiter und Anschlussleitern, die auf einer flächigen keramischen Platte angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche Elektrode auf der flächigen keramischen Platte angeordnet, die mit einem negativen Anschlussteil verzweigt ist, die mit den Anschlussstücken durch ein in der flächigen kermischen Platte vorgesehenen Durchgangsloch verbunden ist und die auf der Rückseite der flächigen Platte entlang zumindest eines Teils des Heizleiters verläuft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizelement mit einem Heizleiter und mit Anschlussleitern, die auf einer flächigen keramischen Platte angeordnet sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines elektrischen Heizelements in einem Abgassensor für Automobile.

Im allgemeinen wird ein auf einer keramischen Platte angeordnetes Heizelement dadurch hergestellt, dass man mittels Dickfilmtechnik auf einem keramischen Substrat eine Heizelement-Struktur aufprägt, wobei man eine ein Widerstandsmetall, wie etwa Platin, Platin-Rhodium, Molybdän, Wolfram oder dergleichen, 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, z. B. in eine Platte, einen Zylinder oder dergleichen verformbar ist. Im Falle der Verwendung eines auf einer keramischen Platte angeordneten Heizelements dieser Art in einem Gleichstromkreis, wie etwa bei einem Auspuffgas-Sensor eines Automobils, wird die Wärme durch elektrischen Strom unter einer auf das Heizelement wirkenden Gleichstromspannung erzeugt. Dies hatte jedoch den Nachteil, dass das Heizelement wegen der Unterbrechungen, die in einer Hochtemperatur-Atmosphäre 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 örtliche Hochkonzentration 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 Widerstands an den betroffenen Stellen verbunden sind.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein auf eine keramische Platte angeordnetes Heizelement der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Lebensdauer größer ist, als die der bekannten elektrischen Heizelemente.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung sieht die Möglichkeit vor, die Unterbrechung ohne Wanderung ionisierter Elemente im Falle der Anwendung von Gleichstromspannung bei Heizelementen zu verhindern, indem man einen Leiter schafft, der ein gleiches oder schwächeres elektrisches Potential aufweist in Bezug auf das Endteil der Seite des oben erwähnten Heizelements mit niedrigem Potential (dieser Leiter wird nachfol gend bezeichnet als „Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen"). Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der in der Anlage beigefügten Zeichnungen näher beschreiben. Es zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht eines Zwischenprodukts eines auf einer keramischen Platte angeordnetes Heizelements,
2: eine schematische (Explosions-)Ansicht des auf eine keramische Platte angeordnetes Heizelements nach 1,
3 bis
6: Beispiele für Strukturformen eines Leiters zum Zurückhalten von ionisierten Elementen

a): die Position, wenn Wanderung auftritt, bei Nichtvorhandensein eines Leiters zum Zurückhalten von ionisierten Elementen,
b): die Position bei häufigem Auftreten von Wanderung bei vorhandenem Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen.

Zunächst ist der Minus-Pol einer Gleichstromquelle an der Seite (dem Leiterteil 3) angeschlossen, die/das mit einem Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen zwischen den Leiterteilen 3 und 3' verbunden ist. Der Plus-Pol ist mit dem anderen Leiterteil 3' verbunden. Dann, wenn zwischen diesen Leiterteilen 3 und 3' eine Gleichstromspannung angelegt wird, erzeugt ein Heizelement 2 durch Elektronenfluss Wärme. In diesem Fall wandern die ionisierten Elemente durch das Heizelement nicht zur Seite niedrigen elektrischen Potentials, da an der Rückseite des keramischen Substrats der Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen angeordnet ist, was bei den herkömmlichen Keramik-Heizelementen sonst nicht der Fall ist. Dies kommt daher, weil der Leiter 5 mit dem Leiterteil 3 der negativen Anschlussseite verbunden ist und selbst ein niedrigeres elektrisches Potential auf weist, als irgendein anderes Teil des elektrischen Heizelements 2. Demzufolge hindert der Leiter 5 die positiv geladenen ionisierten Elemente daran, durch das Heizelement 2 unter Anlage einer Gleichstromspannung zur Seite niedrigen elektrischen Potentials hinzuwandern.
In diesem Fall ist es nicht erforderlich, den Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen an der rechten rückseitigen Position an der dem Heizelement 2 entgegengesetzten Fläche der keramischen grünen Platte vorzusehen, noch ist es erforderlich, ihn entlang der gesamten Struktur oder des Musters des Heizelements 2 anzuordnen.
Die 3 bis 6 zeigen Beispiele für die Konfiguration des Leiters 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen. An der Oberfläche des Leiters 5 kann ferner eine Schutzschicht angebracht werden.
Mit Bezugsziffer 1 ist eine grüne Platte (Rohplatte) bezeichnet. Die Hauptbestandteile der grünen Platte sind Aluminiumoxid, Mullit, Cordierit, Forsterit, Berylliumoxid, Siliciumnitrid etc. Das Heizelement 2, dessen Hauptbestandteile Metallpulver mit einem hohen Schmelzpunkt, wie etwa Wolfram, Molybdän, Tantal, Platin, Rhodium etc. sind, ist auf der Oberfläche der grünen Platte 1 in Dickfilm-Technik aufgedruckt, und zwar gegebenenfalls in paströser Form, wobei dem Metallpulver oder der Metallpaste keramisches Pulver von (bezüglich des Materials der grünen Platte 1) gleicher oder unterschiedlicher Qualität zur Erzielung des (gewünschten) Widerstands beigemengt wird. Die Leiterteile 3 und 3' verbinden das Heizelement 2 mit der elektrischen Gleichstromquelle elektrisch miteinander, sie bestehen aus dem gleichen Material, wie das Heizelement und werden gleich dick oder unterschiedlich dick in gleicher Manier wie das Heizelement auf die grüne Platte 1 mittels Dickfilm-Beschichtungsverfahren aufgebracht. Die Leiterteile 3 und 3' werden jedoch breiter ausgebildet als das Heizelement 2, wodurch eine unerwünschte Wärmeerzeugung in diesen Teilen verringert bzw. unterdrückt wird. Am Leiterteil 3 des negativen Anschlusspols ist ein Durchgangsloch 4 vorgesehen. Der Leiter 5 zum Zurückhalten von ionisierten Elementen besteht aus dem gleichen Material, wie das Heizele ment 2 und ist gleich dick oder unterschiedlich dick wie dieses und auf die gleiche Weise wie dieses in Dickfilm-Technik auf die gründe Platte 1 aufgetragen, so dass ein Ende (Teil) mit dem Leiterteil 3 elektrisch verbunden werden kann. Im Anschluss an die elektrische Stromquelle dienen Platindrähte 6 und 6'. Eine keramisch grüne Platte (Rohplatte) 7 dient zur Anbringung der Platindrähte 6 und 6'. Durchgangslöcher 8 und 8' verbinden die Leiterteile 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 grüne Platte (Rohplatte) 1, auf deren Oberfläche das Heizelement 2, die Leiterteile 3 und 3' und deren Leiter 5 aufgedruckt werden, ein auf eine keramische Platte angeordnetes Heizelement selbst durch Brennen als solches, aber es ist wünschenswert, eine weitere laminierte grüne Schicht (Rohschicht) auf die bedruckte Oberfläche der grünen Platte 1 zu pressen oder diese mit einer Schutzpaste zu überziehen und einzubrennen, um die gedruckten Drähte zu schützen. Die endgültige (fertige) Form des auf eine keramische Platte angeordnetes Heizelements kann die Form einer ebenen Platte haben oder die Form einer Röhre aufweisen, die man durch Herumlegen einer grünen Platte um einen geeigneten zylinderförmigen Kernkörper und anschließendes Brennen erhält. Es ist wesentlich, dass eine gewünschte gedruckte Struktur nach dem Brennvorgang vorhanden ist. Somit ist ein auf eine keramische Platte angeordnetes Heizelement für eine angelegte Gleichstromspannung gemäß der Erfindung geschaffen.
Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend anhand einiger Proben bzw. Beispielen erläutert. Diese Beispiele sind jedoch nur zur Illustration der Erfindung und daher nicht dazu bestimmt, den Rahmen der Erfindung in irgendeiner Weise einzuengen.

(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 Methyfäthylketon werden zugegeben und mit den anderen Komponenten 10 Sekunden lang mittels Al₂O₃-Kugeln vermischt.
(3) Organische Binder, wie Ployvinyl-Butyral, werden hinzugefügt und 20 Stunden lang gemischt.
(4) Grüne Platten (Rohplatten) mit einer Dicke von 0,8 mm und 0,3 mm (grüne Größe, Rohgröße) werden mittels der Rakel-Methode hergestellt.
(5) Die durch Verfahrensschritt (4) erzeugten grünen Platten werden in Stücke mit einer Größe von 60 mm × 90 mm geschnitten.
(6) Pt von 25 μm Dicke wird auf die grüne Platte von 0,8 mm Dicke, entstanden durch Verfahrensschritt (5), mittels Siebdrucks aufgebracht, um Heizer- und Leiterteile herzustellen.
(7) Ein Durchgangsloch von 0,5 mm Durchmesser wird im/am 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 Verfahrensschritt (8) erhaltene Paste wird auf die Platte nach Verfahrensschritt (6) mittels Siebdrucks in 50 μm Dicke (grünes Maß) aufgebracht.
(10) Die durch Verfahrensschritt (8) erhaltene Paste wird auf der Rückseite der bedruckten Oberfläche (wobei die gleiche aufrechte Position beibehalten wird, d. h. ihre Oberseite wird nicht nach unten gekehrt) in 0,3 mm Breite und etwa 20 μm Dicke mittels Siebdrucks aufgebracht, wie in den 3 bis 6 gezeigt ist, um den Leiter zum Zurückhalten von ionisierten Elementen und die Leiterteile herzustellen.
(11) Auf der nach Verfahrensschritt (10) hergestellten Oberfläche wird am Leiterteil Platindraht angebracht, und die nach Verfahrensschritt (5) hergestellte grüne Platte von 0,3 mm Dicke (grünes Maß) 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.

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 des Leiters zum Zurückhalten von ionisierten Elementen.
Eine Gleichspannung (15V) wurde an das in oben genannter Weise erhaltene Heizelement gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel angelegt. Das Auftreten einer Ionenwanderung der Heizelemente wurde überprüft und in Tabelle 1 wiedergegeben.
Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, ist es bei dem 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.
Es sei ausdrücklich betont, dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der hierin offenbarte und vorstehend beanspruchte Kern der Erfindung verändert wird.

Claims

Elektrisches Heizelement mit einem auf einer ebenen keramischen Platte (1) aufgebrachten Heizleiter (2) und Anschlussleitern (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, dass auf der ebenen keramischen Platte (1) ein zusätzlicher Leiter (5) angeordnet ist, die von einem negativen Anschlussteil (3) abzweigt, und die mit den Anschlussleitern (3, 3') durch ein leitendes Durchgangsloch (4), das in der ebenen keramischen Platte angeordnet ist, verbunden ist, und die an der dem Heizleiter abgekehrten Rückseite der ebenen keramischen Platte (1) entlang zumindest eines Teils des Heizleiters (2) verläuft.
Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (3, 3') breiter sind als das Heizelement.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene keramische Platte (1) Aluminiumoxid als Hauptbestandteil und zusätzlich Magnesiumoxid enthält.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere laminierte Rohschicht auf die bedruckte Oberfläche der Platte (1) gepresst und eingebrannt ist.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Leiter (5) sich entlang der gesamten Struktur oder des Musters des Heizelementes (2) erstreckt.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zusätzliche Leiter (5) auf der Rückseite zumindest bis zu einer Stelle erstreckt, die dem Verbindungspunkt zwischen dem Heizelement (2) und dem Anschlussleiter (3, 3') entspricht.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (2), die Anschlussleiter (3, 3') und der zusätzliche Leiter (5) mittels Dickfilmtechnik hergestellt sind.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (2) die Anschlussleiter (3, 3') und der zusätzliche Leiter (5) mittels Siebdrucktechnik gebildet sind.
Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Leiter (5) aus dem gleichen Material besteht wie das Heizelement (2).
Verwendung eines elektrischen Heizleiterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Auspuffgassensor für Automobile.