DE4420944C2

DE4420944C2 - Keramischer Heizkörper

Info

Publication number: DE4420944C2
Application number: DE19944420944
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Friese; Werner Gruenwald; Gerhard Schneider; Harald Neumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2014-06-17
Also published as: JPH088044A; DE4420944A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen keramischen Heizkörper mit einem vorzugsweise länglichen, plattenförmigen Keramiksubstrat, mit wenigstens einem in der Nähe wenigstens eines Endes des Keramiksubstrates angeordneten Widerstandsheizelement und ein Paar jedem Widerstandsheizelement zugeordneten, vorzugsweise länglichen, streifenförmigen elektrischen Anschlußleitern, die sich von den beiden Kontaktstellen des Widerstandsheizelements aus zu an dem anderen Ende des Keramiksubstrates angeordneten Anschlußklemmen erstrecken. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß das Widerstandsheizelement (14) und die elektrischen Anschlußleitungen (24) als getrennte Einheiten ausgebildet sind und aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen keramischen Heizkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Ab gas eines Kraftfahrzeugs sind Sauerstoffsonden be kannt. Diese weisen einen zwischen zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Festkörperelektrolyten auf, zwischen denen sich je nach Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas ein Grenzstrom beziehungsweise eine Nernst-Spannung einstellt, die von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden ab hängig sind. In ihrem aktiven Bereich müssen diese Sauerstoffsonden auf Temperaturen von über ca. 300°C erwärmt werden. Ein Meßsignal der Sauerstoffsonden ist dabei von der Temperatur abhängig, so daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit der Sauerstoffsonden die Temperatur der Sonde kontrolliert und gegebenenfalls geregelt werden muß. Hierzu ist bekannt, den Sauerstoffsonden eine Sondenheizung zuzuordnen, die in Abhängigkeit einer an der Sauerstoffsonde gemessenen Temperatur zu- beziehungsweise abschaltbar ist.

Aus der DE 35 38 460 C2 ist eine derartige Sondenheizung bekannt. Hierbei ist auf einem der Form der Sauerstoffsonden angepaßten länglichen, plattenförmigen Keramiksubstrat ein Widerstandsheizelement angeordnet, welches über längliche, streifenförmige elektrische Anschlußleitungen mit Anschlußklemmen zum Anlegen eines Heizstromes verbindbar ist. Es wird vorgeschlagen, für das Widerstandsheizelement und die Anschlußleiter spezielle geometrische Abmessungen einzuhalten, den spezifischen Widerstand der Anschlußleiter kleiner als den spezifischen Widerstand des Widerstandsheizelements auszubilden und für die metallische Komponente des Cermets des Heizelementes und die Anschlußleitungen eine Platin-Palladium-Legierung zu verwenden. Hierbei ist nachteilig, daß zum Erreichen der gewollten Verhältnisse die Widerstandswerte nur durch sehr genaue hochpräzise Druckvorgänge erreicht werden können, wobei schon geringste geometrische Abweichungen der Größenverhältnisse zu einem abweichenden Widerstandsverhalten des gesamten keramischen Heizkörpers führt.

Aus der DE 39 07 312 A1 und der DE 39 02 484 C2 ist eine keramische Widerstandsheizeinrichtung bekannt, die ein Widerstandsheizelement sowie elektrische Anschlußleitungen aufweist, wobei die Anschlußleitungen ein unedles Metall oder Grundmetall als Hauptkomponente enthalten oder aus einem Kera-Metall bestehen, das ein Grundmetall und ein keramisches Material enthält, wohingegen das Widerstandsheizelement ein keramisches Material und ein elektrisch leitfähiges Material aus einer Gruppe von Edelmetallen aufweist.

In der DE 26 42 452 A1 wird ein Thermoelement mit einem Thermopaar beschrieben, dessen einer Thermoelementschenkel eine Metallkomponente mit etwa 50 bis 85 Gewichtsprozent Palladium und etwa 10 bis 35 Gewichtsprozent Platin enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung der metallischen Komponenten in Heizleiter und Anschlußleitung derart aufeinander abzustimmen, daß bei zunehmender Temperatur der Widerstand des Heizleiters stärker zunimmt als der Widerstand der Anschlußleitung.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße keramische Heizkörper mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Anschlußleitung einen geringeren positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist als das Widerstandsheizelement. Dadurch wird erreicht, daß bei einer zunehmenden Temperatur der Widerstand des Widerstandsheizelements stärker zunimmt als der Widerstand der Anschlußleitungen, so daß die Leistung im Widerstandsheizelement erzeugt wird und auch bei der Arbeitstemperatur des Heizkörpers in den Anschlußleitungen die Verlustleistung gering bleibt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Explosionsdarstellung eines keramischen Heizkörpers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf elektrische Anschluß leitungen im Vielfachnutzen;

Fig. 3 eine Draufsicht auf Widerstandsheizelemente im Vielfachnutzen;

Fig. 4 ein Widerstandsverlauf von verschiedenen Anschlußleitungen und

Fig. 5 ein Phasendiagramm einer Edelmetall-Legie rung für die elektrischen Anschlußleitungen in einem konkreten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist schematisch in Explosionsdarstel lung ein allgemein mit 10 bezeichneter keramischer Heizkörper dargestellt. Der Heizkörper 10 weist ein längliches, plattenförmiges Keramiksubstrat 12 auf, auf dem ein Widerstandsheizelement 14 angeordnet ist. Das Widerstandsheizelement 14 verläuft dabei mäander förmig und besitzt zwei hier mit 16 beziehungsweise 18 angedeutete Kontaktstellen. Auf dem Keramiksubstrat 12 sind weiterhin zwei Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 angeordnet. Die Kontaktstellen 16 beziehungsweise 18 sind jeweils über einen elek trischen Anschlußleiter 24 mit den Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 elektrisch leitend verbunden. Der Heizkörper 10 besitzt ferner ein zweites längliches, plattenförmiges Keramiksubstrat 26, das zur Abdecke lung des Widerstandsheizelementes 14 sowie der An schlußleiter 24 dient. In seiner axialen Erstreckung ist das Keramiksubstrat 26 kürzer als das Keramik substrat 12 gewählt, so daß die Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 freiliegen und in hier nicht wei ter zu betrachtender Weise mit einer Stromquelle ver bindbar sind. Die Keramiksubstrate 12 beziehungsweise 26 bestehen beispielsweise aus Zirkondioxid oder Aluminiumoxid. Das Widerstandsheizelement 14 ist bei spielsweise in bekannter Weise auf das Keramik substrat 12 aufgedruckt und besteht aus einem Edel metall-Cermet. Das Widerstandsheizelement 14 kann da bei beispielsweise aus einem Platin-Aluminiumoxid- Cermet bestehen. Die Anschlußleitungen 24, wobei diese nach einem nicht dargestellten Ausführungsbei spiel gleichzeitig die hier separat dargestellten Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 ausbilden kön nen, bestehen aus einem Edelmetall-Legierungs-Cermet. Dies kann beispielsweise ein Paladium-Platin-Alumi niumoxid-Cermet sein. Nach einer weiteren Ausfüh rungsvariante können die Anschlußleiter 24 aus einem 100%igen Paladium-Cermet bestehen.

Während des Betriebes des in Fig. 1 dargestellten Heizkörpers 10 werden die Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 mit einer Stromquelle verbunden, so daß über die Anschlußleiter 24 durch das Widerstands heizelement 14 ein Heizstrom fließt und dieses sich somit erwärmt. Der Heizkörper 10 kann hierbei, wie eingangs erwähnt, als Sondenheizung für eine Sauer stoffsonde, beispielsweise zum Bestimmen einer Sauer stoffkonzentration in einem Abgas eines Kraftfahr zeugs dienen.

Dadurch, daß die Anschlußleiter 24 gegenüber dem Widerstandsheizelement 14 als separate Einheit ausge bildet sind und aus einem anderen Material bestehen, besitzen diese, bei der gewählten Materialkombina tion, einen niederen positiven Temperaturkoeffizien ten ihres Widerstandes als das Widerstandsheizelement 14. Somit wird erreicht, daß während des Betriebes des Heizkörpers 10 die gezielte Umwandlung des ange legten elektrischen Stroms in Wärme vor allem in dem Widerstandsheizelement 14 erfolgt und somit in den Anschlußleitungen 24 geringere Leistungsverluste auf treten, als wenn diese aus dem gleichen Material wie das Widerstandsheizelement 14 bestünden. Durch die Verwendung von Edelmetall-Legierungs-Cermet für die Anschlußleiter 24 bei gleichzeitiger Verwendung eines Edelmetall-Cermets für das Widerstandsheizelement 14 wird dieser geringere Temperaturkoeffizient des Wi derstands in den Anschlußleitungen 24 erreicht. Dar über hinaus ergibt sich durch den Einsatz eines Edelmetall-Legierungs-Cermets ein verringerter Ein satz von Edelmetall, so daß der gesamte Heizkörper 10 gegenüber herkömmlichen Heizkörpern, bei denen sowohl das Widerstandsheizelement 14 und die Anschlußleiter 24 aus einem Edelmetall-Cermet bestehen, kostengünstiger herstellbar ist.

Der Anteil von Palladium im Material der Anschlußleitung liegt erfindungsgemäß bei ≧ 50 Gewichtsprozent bezogen auf das Platin. Die Zusammensetzung des Edelmetall-Legierungs- Cermets der Anschlußleitungen 24 kann dabei den Anforderungen an bestimmte Einsatzfälle angepaßt werden. Je höher der Palladiumanteil ist, um so größer ist die Einsparung an Platin.

Anhand der Fig. 2 und 3 soll die Herstellung der Widerstandsheizelemente 14 sowie der Anschlußleiter 24 beispielhaft erläutert werden. In der Fig. 2 ist in einer Draufsicht das Layout von gemeinsam hergestellten Paaren von Anschlußleitern 24 gezeigt. Auf ein hier angedeutetes Keramiksubstrat 12 werden insgesamt beispielsweise sieben Paare von Anschlußleitern 24 in allgemein bekannter Weise mittels einer Druckpaste aufgebracht. Die Druckpaste enthält dabei die einzelnen Materialbestandteile, aus denen die Anschlußleiter 24 - wie bereits erwähnt - bestehen. So können beispielsweise Palladium (Pd), Platin (Pt) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) vorhanden sein. Die das Edelmetall- Legierungs-Cermet der Anschlußleiter 24 ergebende Legierung wird hierbei beispielsweise erst während eines an sich bekannten Sinterprozesses des Heizkörpers 10 ausgebildet. Auf einem Keramiksubstrat 12 können gleichzeitig eine Vielzahl von Paaren der Anschlußleiter 24 aufgebracht werden, wobei diese beispielsweise gleichzeitig mit den Anschlußklemmen 20 beziehungsweise 22 integriert sind. Durch das gleichzeitige Aufdrucken von mehreren Paaren von Anschlußleitern 24 entsteht ein sogenannter Viel fachnutzen, wobei das Keramiksubstrat 12 in einem nachfolgenden, hier nicht weiter zu betrachtenden Verfahrensschritt aufgetrennt wird, wobei einzelne Keramiksubstrate 12 mit jeweils einem Paar von An schlußleitern 24 entstehen. In der Fig. 2 sind hier noch Justiermarken 28 angedeutet, die zum genauen Positionieren der Anschlußleiter 24 dienen.

In der Fig. 3 ist in vollkommen analoger Weise das Layout zur Herstellung der Widerstandsheizelemente 14 gezeigt. Diese werden ebenfalls in bekannter Weise mittels einer Druckpaste auf das Keramiksubstrat 12 aufgedruckt. Durch die hier von dem Aufdrucken der Anschlußleiter 24 getrennte Darstellung soll ledig lich verdeutlicht werden, daß die Anschlußleiter 24 und die Widerstandsheizelemente 14 als getrennte Ein heiten ausgebildet sind und in zwei getrennten Druck schritten auf ein und dasselbe Keramiksubstrat 12 aufgedruckt werden. Für die Erfindung unwesentlich ist hierbei, ob zuerst die Anschlußleiter 24 und dann die Widerstandsheizelemente 14 oder zuerst die Wider standsheizelemente 14 und dann die Anschlußleiter 24 aufgedruckt werden. Das anschließende Auftrennen der im Vielfachnutzen hergestellten Strukturen erfolgt selbstverständlich erst, nachdem sowohl die Anschluß leiter 24 und die Widerstandsheizelemente 14 aufge druckt sind. Mit Hilfe der Justiermarken 28 ist ein vollkommen sicheres lageorientiertes Aufdrucken der Anschlußleitern 24 und der Widerstandsheizelemente 14 zueinander gewährleistet. Die Kontaktstellen 16 be ziehungsweise 18 der Widerstandsheizelemente 14 kom men hierbei jeweils mit einem Anschlußleiter 24 eines der erwähnten Paare der Anschlußleiter 24 in Kontakt. Durch die Trennung in zwei separate Druckschritte kann einerseits die bereits erwähnte Verwendung von unterschiedlichen Cermets, also eines Edelmetall- Cermets für die Widerstandsheizelemente 14 und eines Edelmetall-Legierungs-Cermets für die Anschlußleiter 24 verwendet werden. Darüber hinaus ist eine Anpas sung der einzuhaltenden Bedingungen beziehungsweise Parameter für die jeweiligen Druckschritte getrennt einstellbar. Für den Druck der Widerstandsheizele mente 14 ist zum Erreichen eines wählbaren Wider standswertes eine sehr genaue Einstellung der Schichtstärke der Widerstandsheizelement 14 notwen dig. Eine entsprechende Einstellung beziehungsweise Kontrolle der Schichtstärke kann beispielsweise durch Überwachung des während des Druckschrittes über tragenen Druckpastengewichtes erfolgen.

In der Fig. 4 ist in einem Diagramm die Abhängigkeit eines Widerstandes R bei Raumtemperatur von den Paladium(Pd)/Platin(Pt)-Anteilen in den Anschlußlei tern 24 dargestellt. Bei dem hier gezeigten Kurven verlauf wird von einer Schichtdicke von 15 µm für die Anschlußleiter 24 ausgegangen. Anhand der beispiel haft eingetragenen Raumtemperatur-Widerstandswerte für ein Verhältnis von Paladium (Pd) zu Platin (Pt) von 0 : 100, 50 : 50 und 80 : 20 wird deutlich, daß die Raumtemperatur-Widerstandswerte bei einem Pd/Pt- Verhältnis von 50 : 50 ein Maximum erreichen. Demgegenüber weist der Temperaturkoeffizient-Kurvenverlauf bei einem Pd/Pt-Verhältnis von 50 : 50 ein Minimum auf. Nachfolgend sind beispielhaft einige Temperatur koeffizienten des Widerstandes für verschiedene Zu sammensetzungsverhältnisse genannt.
T_K (0 : 100) = 100%
T_K (50 : 50) = 34,7%
T_K (80 : 20) = 43,5%
T_K (100 : 0) = 56,5%

Hieraus ergibt sich - wie bereits erwähnt -, daß die Anschlußleitungen einen geringeren Temperaturkoeffi zienten des Widerstandes aufweisen als das Wider standsheizelement. Hierüber kann auf einen geringeren spezifischen Widerstand der Anschlußleitungen während des Betriebes des gesamten keramischen Heizelementes gegenüber dem Widerstandsheizelement beziehungsweise in bezug auf den Gesamtwiderstand Einfluß genommen werden. Während des Beriebes verringert sich somit der Anteil des spezifischen Widerstandes der An schlußleitungen am Gesamtwiderstand des Heizkörpers.

Fig. 5 zeigt ein Platin-Paladium-Phasendiagramm, wo bei einerseits die Gewichtsprozent Gew.-% des Paladiums und andererseits die Atomprozent A% des Paladiums in Abhängigkeit der Temperatur T, eines Anschlußleiters aus einem Paladium-Platin-Cermet dargestellt sind. Hierbei wird deutlich, daß die beiden Legierungs partner vollständig ineinander löslich sind und somit keine intermetallischen Verbindungen erscheinen. Die Schmelztemperaturen liegen (mit mindestens 1555°C) deutlich über den beim Herstellen solcher keramischen Heizelemente üblichen Sintertemperaturen. Anderer seits können aber durch Festkörperdiffusion aus einer eingesetzten Mischung feiner Pt- und Pd-Körner (vorzugsweise < 10 µm) in der Edelmetall-Cermet- Schicht die gewünschten Pt-Pd-Legierungskörner ent stehen.

Solche Festkörperdiffusionsprozesse gewährleisten auch einen ausgezeichneten Verbund zwischen dem Wi derstandsheizelement 14 und den Anschlußleitern 24 beim Sintern der Keramik-Heizelemente.

Claims

1. Keramischer Heizkörper mit einem vorzugsweise länglichen, plattenförmigen Keramiksubstrat, mit wenigstens einem in der Nähe wenigstens eines Endes des Keramiksubstrats angeordneten Heizelement und ein Paar jedem Widerstandsheizelement zugeordneten streifenförmigen elektrischen Anschlußleitern, die sich von den beiden Kontaktstellen des Widerstandsheizelements aus zu an dem anderen Ende des Keramiksubstrats angeordneten Anschlußklemmen erstrecken, wobei das Widerstandsheizelement und die Anschlußleitungen als getrennte Einheit ausgebildet sind und aus unterschiedlichen Cermet-Materialien bestehen, wobei die Anschlußleitungen einen geringeren positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen als das Widerstandsheizelement, und wobei das Widerstandsheizelement als metallische Hauptkomponente Platin und die Anschlußleitungen als metallische Komponenten Palladium und Platin enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß das Palladium im Material der Anschlußleitungen (24) mit ≧ 50 Gewichtsprozent bezogen auf das Platin eingesetzt ist.

2. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Komponente der Cermet-Materialien Al₂O₃ ist.

3. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Legierung der Anschlußleitungen (24) durch einen Sinterprozeß des Heizkörpers (10) einstellbar ist.

4. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen (24) und das Widerstandsheizelement (14) als Druckschicht mit einem wählbaren Layout auf das Keramiksubstrat (12) aufgedruckt sind.