DE3917569A1 - Grossflaechiger temperaturabhaengiger elektrischer widerstand aus ptc-keramik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen großflächigen temperaturabhängi­ gen elektrischen Widerstand aus PTC-Keramik, insbesondere ein Heizelement aus PTC-Keramik.

Die Verwendung von PTC-Widerständen als Heizelemente zum Auf­ heizen eines umgebenden Mediums, das ein ruhendes bzw. strömen­ des Gas, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein kann, ist bekannt. In der DE-PS 28 04 784 sind beispielsweise als Warm­ haltevorrichtungen im Haushalt benutzte Wärmeplatten beschrie­ ben, die PTC-Widerstände enthalten.

PTC-Widerstände der in Rede stehenden Art besitzen eine Dicke von höchstens einigen mm. Bei ihrer Verwendung als Heizelemente benutzt man üblicherweise dünne PTC-Widerstände, die relativ zum Volumen eine möglichst große Oberfläche und damit einen gu­ ten Wirkungsgrad besitzen; andernfalls kommt es zu unerwünsch­ ten Wärmeverlusten in der PTC-Keramik. Beim Gegenstand nach dem genannten Patent und in vielen anderen Anwendungsfällen ist es notwendig, mehrere Einzelelemente zu großflächigen Heizelemen­ ten zu kombinieren, um in der Umgebung des Heizelementes die gewünschte Erwärmung hervorzurufen. Dies hat seinen Grund da­ rin, daß sich dünne PTC-Widerstände nur bis zu einer flächen­ mäßigen Ausdehnung von 10 bis 15 cm² herstellen lassen; die ein­ zelnen derartigen Heizelemente jedoch für viele Anwendungen einen nur unzureichenden elektrischen Wirkungsgrad haben.

Um eine großflächige Beheizung zu verwirklichen, ist es zwar bekanntermaßen möglich, mehrere Einzelelemente parallel zu schalten und nebeneinander zu montieren, jedoch ist dies aus mehreren Gründen problematisch. Zunächst ist für das jeweilige Kleben, Löten oder Klemmen der einzelnen Heizelemente und ihrer Stromzuführungen ein beträchtlicher Montageaufwand zu leisten. Außerdem kommt es aufgrund der meist mit Abstand zueinander montierten Heizelemente zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Umgebung, was von Nachteil sein kann. Hinzu kommt, daß die un­ vermeidliche Streuung der elektrischen und mechanischen Werte der einzelnen PTC-Widerstände in der Aufheizphase zu thermisch verursachten mechanischen Spannungen führen kann.

Der Versuch, im obigen Sinne dünne PTC-Widerstände mit einer größeren Fläche als 15 cm² herzustellen, scheitert daran, daß diese plattenförmigen Gebilde ein ungünstiges Verhalten beim Sintern zeigen, indem sie sich an ihren Rändern aufwölben oder sich insgesamt verbiegen.

Bekanntlich werden für die Herstellung von PTC-Widerständen Mischungen aus Bariumcarbonat, Strontium- und Titanoxiden und anderen Materialien einem ersten Sinterprozeß unterworfen, wo­ bei Titanatpulver gebildet wird. Nach Aufbereitung dieser Ti­ tanatpulver zu preßfähigem Granulat werden die PTC-Rohlinge verpreßt und in einem zweiten Sinterprozeß zur halbleitenden PTC-Keramik gesintert. Diese besitzt bereits alle gewünschten Eigenschaften. Danach werden Maßnahmen zur Kontaktierung der PTC-Keramik getroffen.

Selbst wenn es gelänge, durch Variation des Granulats und der Parameter des Preßvorganges die maximale Fläche der dünnen PTC- Keramik über die bisher möglichen ca. 15 cm² hinaus zu ver­ größern, so hätte man damit noch keinen Zugang zu praktisch nutzbaren großflächigen Heizelementen. Einstückige Heizelemente müßten nämlich in ihrer äußeren Gestalt exakt den geometrischen Verhältnissen des jeweils zu beheizenden Gegenstandes angepaßt sein. Die herkömmliche Methode des Granulatpressens erlaubt aber meist nur rechteckige oder runde Geometrien, da andern­ falls immer neue und relativ teure Preßwerkzeuge notwendig wür­ den. Ferner ist es nicht möglich, den mittels der konservativen Preßtechnologie hergestellten Heizelementen nachträglich durch Schneiden oder Stanzen die gewünschte Form zu geben, da dabei die Ränder abbröckeln oder abbrechen. Dieser Effekt zeigt sich besonders bei dünnen und großflächigen Heizelementen.

Andererseits sind im Rahmen der SMD-Technik, bei der es darum geht, miniaturisierte oberflächenmontierbare Bauelemente für elektronische Schaltungen herzustellen, auch kompakte, klein­ flächige PTC-Widerstände in Schichtbauweise bekannt geworden. In der EP-A-02 29 286 sind Chip-Bauelemente, unter anderem auch PTC-Widerstände in Schichtbauweise beschrieben, bei denen kein Granulat, sondern - in Anlehnung an die keramischen Vielschicht­ kondensatoren - sehr dünne Schichten keramischen Materials über­ einander gestapelt sind. Zwischen den keramischen Schichten be­ finden sich Belegungen, die alternierend von Schicht zu Schicht zu gegenüberliegenden Seitenflächen geführt und dort durch Me­ tallbelege elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Schichtbauweise ermöglicht also die Herstellung kompakter, für die Lötung auf der Oberfläche von Substraten geeignete PTC-Wi­ derstände.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kontaktierten plattenförmigen PTC-Widerstand zu schaffen, der wesentlich großflächiger als die bisher bekannten PTC-Wider­ stände ist, der nötigenfalls in seiner äußeren Gestalt exakt den geometrischen Verhältnissen seiner Umgebung angepaßt ist und der in seiner näheren Umgebung erhebliche Erwärmungen (bis zu 400°C) bewirken kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der PTC-Widerstand der eingangs angegebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiger monolithischer Körper aus einer Vielzahl von Schichten aus PTC- Material vorgesehen ist, die unmittelbar übereinander angeordnet sind, und daß Oberflächen des Körpers, die größer als 15 cm², insbesondere größer als 50 cm² sind, zur Kontaktierung vorgese­ hen sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in teils geschnittener Darstellung eine Seitenansicht einer Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein PTC-Widerstand 1 dargestellt, der als großflä­ chiger Heizer für den Außenspiegel eines Kraftfahrzeuges dient. Auf eine erste große Seitenfläche des plattenförmigen PTC-Wi­ derstandes 1 ist eine erste Metallisierung 2 aufgebracht. Auf die hierzu gegenüberliegende große Seitenfläche ist ein leitfä­ higer Kleber 4 aufgebracht, mit dessen Hilfe der PTC-Widerstand 1 auf einer Reflektorschicht 3 eines Spiegelglases 7 befestigt ist. Die Reflektorschicht 3 dient dabei gleichzeitig als Metal­ lisierung der letztgenannten Seitenfläche des PTC-Widerstandes 1. Die beiden Metallisierungen 2 und 3 sind über Lötstellen 5 mit Stromzuführungsdrähten 6 verbunden. Wichtig ist, daß der knapp 100 cm² große PTC-Widerstand 1 der Gestalt des Autospiegels angepaßt ist, d. h., daß seine Außenkonturen denen des Auto­ spiegels entsprechen, wobei letzter jedoch geringfügig größer ist.

Aufgrund dieser Ausführung der Spiegelheizung, ergibt sich zu­ nächst der Vorteil eines Wegfalls der ansonsten erforderlichen Montage mehrerer einzelner PTC-Elemente. Außerdem ist es vor­ teilhaft, die Reflektorschicht 3, zu deren Herstellung bei­ spielsweise Aluminium auf eine Glasplatte gesputtert wird, un­ mittelbar als eine der Kontaktierungsoberflächen für den PTC- Widerstand zu benutzen. Dadurch, daß der großflächige Heizer den Spiegelkonturen angepaßt ist, ergibt sich eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Spiegels. Die genannten Vorteile ergeben sich auch, wenn der PTC-Widerstand 1 nicht geklebt, sondern geklemmt oder gelötet wird.

In dem in Fig. 2 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist ein Ausschnitt aus einer Gehäusewand 8 eines Tem­ peraturschrankes angedeutet, wobei ein Teil der Gehäusewand 8 durch einen mit Löchern versehenen plattenförmigen PTC-Wider­ stand 9 gebildet ist. Durch die Löcher des PTC-Widerstandes 9 sind dabei mehrere elektrische Leitungen 10 geführt. In solchen Temperaturschränken, wie sie beispielsweise in Laboratorien ver­ wendet werden, entstehen oft große Wärmeverluste durch die nicht hermetisch dichte Kabelzuführung, da diese zu einem unerwünsch­ ten Temperaturgradienten führt. Derartige Wärmeverluste können durch die vorgeschlagene Verwendung von mit Löchern versehenen PTC-Widerständen verhindert werden.

Ein besonderer Vorteil der aus einer Vielzahl von Schichten her­ gestellten großflächigen PTC-Widerstände ist die Möglichkeit ihrer mechanischen Behandlung vor dem Sintern, was speziell das Stanzen von Löchern betrifft. Dies war bisher bei großflächigen dünnen PTC-Widerständen nicht möglich. Siebartige PTC-Widerstän­ de sind für alle Anwendungen von Bedeutung, in denen die Erwär­ mung oder Warmhaltung eines durchströmenden Mediums gewünscht wird. Verglichen mit dem Einsatz von Heizgittern ergibt sich so ein besserer Wirkungsgrad bei geringeren Herstellungskosten.

Claims (4)

1. Großflächiger temperaturabhängiger elektrischer Widerstand aus PTC-Keramik, insbesondere Heizelement aus PTC-Keramik, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiger monolithischer Körper aus einer Vielzahl von Schichten aus PTC-Material vorgesehen ist, die unmittelbar übereinander angeordnet sind, und daß Oberflächen des Körpers, die größer als 15 cm², insbesondere größer als 50 cm² sind, zur Kontaktierung vorgesehen sind.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Körpers durch Schneiden und/oder Stan­ zen veränderbar ist.

3. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schichten kleiner als 100 µm, insbesondere 20 bis 40 µm ist.

4. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mindestens ein Loch aufweist.