DE68911008T2

DE68911008T2 - Strombegrenzung bei Dickschichtfilmheizelementen.

Info

Publication number: DE68911008T2
Application number: DE68911008T
Authority: DE
Inventors: Simon Neville Balderson
Original assignee: Thorn EMI PLC
Current assignee: EMI Group Ltd
Priority date: 1988-03-25
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2009-03-24
Also published as: GB8807139D0; EP0335617A3; EP0335617B1; DE68911008D1; ATE98082T1; EP0335617A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement mit einer elektrischen Dickfilm-Widerstandsbahn, wobei der Dickfilm aus einem Grundmetall und einem Glas gebildet wird.
Es ist vorgeschlagen worden, ein solches Heizelement durch Aufbringen einer oder mehrerer Dickfilmbahnen auf eine glaskeramische Fläche eines zusammengesetzten Tragelements zu bilden, wobei die Bahn oder die Bahnen dann zum Schutz und zur Ermöglichung eines stabilen Hochtemperaturbetriebes mit einem glaskeramischen Material überglast werden. Ein oder mehrere solcher Heizelemente können ein oder mehrere Heizplattenelemente in einer Kocheinheit bilden, oder statt dessen kann ein Heizelement dicht an der Unterseite einer glaskeramischen Kochfläche angebracht werden, um auf der Kochfläche einen erhitzten Bereich vorzusehen. Mehrere solche Heizelemente oder ein einheitliches Tragelement, das mehrere Heizelemente trägt, können dazu verwendet werden, mehr als einen erhitzten Bereich auf der glaskeramischen Kochfläche vorzusehen.
Ein besonders geeigneter Dickfilm für solche Anwendungen enthält Nickel als Grundmetall und arbeitet mit den notwendigen Stromdichten. Wie in unserer schwebenden europäischen Patentanmeldung EP 0286215A offenbart ist, liegt ein Vorteil eines aus einem solchen Dickfilm hergestellten Heizelements in seinem hohen Widerstands-Temperaturkoeffizienten (TCR), d.h. von mehr als 0,006 pro ºC in dem Temperaturbereich von 0ºC bis 550ºC, der für eine schnelle Aufheizung und eine wirksame Selbstregelung sorgt. Mit dem hohen TCR ist jedoch das Problem verbunden, daß bei Aktivierung des Heizelements ein hoher Stromstoß auftritt, der bis zu fünfmal so groß wie der Betriebsstrom des Heizelements sein kann, und der ausreichen kann, um in vielen Hochleistungsgeräten die Sicherung durchschlagen zu lassen. Ferner müßte eine Kocheinheit, die beispielsweise aus vier solcher Heizelemente besteht, so ausgebildet werden, daß die Elemente nicht innerhalb weniger Sekunden nacheinander eingeschaltet werden können. Eine solche Steuerung ist teuer und könnte den Vorteil geringer Kosten des Heizelements selbst zunichte machen.
Es ist eine Reihe von Dickfilmen entwickelt worden, die ein Basismetall verwenden und einen niedrigen TCR haben. Solche Dickfilme mit niedrigem TCR können für Heizelemente verwendet werden und erfüllen in den meisten Fällen die Anforderungen. Ihre Leistungs-Handhabungseigenschaften sind jedoch beträchtlich schlechter als bei Dickfilm-Heizelementen, bei denen das Basismetall Nickel ist.
EP-A-0227405 offenbart ein Heizelement mit einer Vielzahl von Dickfilm-Widerstandsbahnen, die getrennte leitende Bahnen zur elektrischen Verbindung mit einer Stromversorgung enthalten, und wobei eine Verbindung mit den Widerstandsbahnen ebenfalls über Komponenten erfolgt, die einen negativen Widerstands- Temperaturkoeffizienten haben. Da die Bahnen, in denen der Strom fließt, jedoch mit Widerstand behaftet sind, erhöht sich der fließende Strom mit der Temperatur.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wenigstens einige der oben genannten Probleme zu vermindern.
Gemäß der Erfindung ist ein Heizelement mit einer Vielzahl von elektrischen Dickfilm-Widerstandsbahnen vorgesehen, wobei die Vielzahl von Bahnen eine erste Bahn für die elektrische Verbindung mit einer Stromversorgung und eine zweite Bahn enthält und von dieser ersten und zweiten Bahn wenigstens eine aus einem Dickfilm besteht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von mehr als 0,006 pro ºC im Temperaturbereich von 0ºC bis 550ºC hat, wobei Mittel zur elektrischen Parallelschaltung der ersten und zweiten Bahn eine Komponente umfassen, die von der Temperatur so abhängt, daß im Betrieb der in der zweiten Bahn fließende Strom mit der Temperatur der ersten Bahn zunimmt.
Wenn ein solches Heizelement aktiviert wird, fließt Strom in der ersten Bahn. Wenn die Temperatur der ersten Bahn zunimmt, wird die erste Bahn zur zweiten Bahn elektrisch parallel geschaltet, so daß Strom in der zweiten Bahn fließen kann. Die erste Bahn hat einen Widerstand, der höher ist als der der elektrisch parallel geschalteten ersten und zweiten Bahn. Daher ist der am Anfang gezogene Strom und irgendein Stromstoß, der charakteristisch für den Widerstand der ersten Bahn wegen der Temperaturabhängigkeit der Mittel für die elektrische Verbindung ist, kleiner als er sein würde, wenn die elektrische Parallelschaltung der ersten und zweiten Spur schon bei Anschluß des Heizelements an die Stromversorgung vorhanden wäre.
Die erste Bahn, die elektrisch mit der Stromversorgung verbunden wird, wenn das Heizelement aktiviert wird, kann einen hohen TCR haben. In diesem Fall würde die Aufheizung des Heizelements bei der ersten Aktivierung schneller erfolgen.
Vorzugsweise wird für die temperaturabhängige Komponente ein Material vorgesehen, das einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten (NTC) hat und sich so selbst mit der Temperatur regelt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend nur beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine grafische Darstellung, die schematisch das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 3 einen Querschnitt einer temperaturabhängigen Verbindung für ein Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Heizelement 1 eine Vielzahl von Dickfilmbahnen 2, 4, 6, die auf einem Substrat 7 angebracht sind. Die Bahnen 2, 4, 6 sind aus einem Nickel-Dickfilm hergestellt, der einen hohen TCR hat, wie in unserer Anmeldung EP 0286215 beschrieben ist. Dickfilme, die Kobalt oder Eisen als Basismetall enthalten, haben ähnlich hohe TCRs und können auch zur Erzeugung von Bahnen für Heizelemente verwendet werden. Die Bahn 2 hat Klemmen 8, 10 für den Anschluß an eine externe Stromversorgung über elektrische Anschlußteile (nicht dargestellt). Die Bahn 2 ist mit den anderen Bahnen 4, 6 verbunden, und sie sind an jedem Ende miteinander durch Komponenten verbunden, die als Brücken 12, 14 eines Dickfilm-Materials ausgebildet sind, das eine Zusammensetzung hat, die einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweist.
Geeignete Zusammensetzungen sind wie folgt:
a) Vanadiumoxid (V&sub2;O&sub3;)
b) Nickel-Kobalt-Ferrite mit hinzugefügten kleinen Mengen an Bariumoxid (Ba&sub2;O&sub3;) und Siliziumdioxid (SiO&sub2;). Die zugefügten Mengen an Ba&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; beeinträchtigen den NTC der Zusammensetzung.
c) Nickeloxid/Mangan-(III)-oxid-System (Molverhältnis von NiO:Mn&sub2;O&sub3; = 1:2). Hinzufügung eines Kupfer-(II)-oxid- (CuO)-Dotiermittels ändert den NTC der Zusammensetzung.
d) Nickeloxid/Lithiumkarbonat-System. Bei einem besonderen Beispiel hatte eine Zusammensetzung mit einem Molverhältnis zwischen den beiden Verbindungen von 1:1 einen NTC von 1,05 pro ºC.
e) Chrom-(III)-oxid/Titan-(IV)-oxid mit Chrom-Metall- Dotierungsmittel. Bei einem besonderen Beispiel hatte eine Zusammensetzung mit einem Molverhältnis von Cr&sub2;O&sub3; : TiO&sub2; : Cr von 1:4:5 einen NTC von 1,002 pro ºC.
Bei Zimmertemperatur haben die NTC-Brücken 12, 14 einen hohen Widerstand im Vergleich zu den Bahnen 2, 4, 6, und somit werden die Bahnen 2, 4, 6 voneinander wirksam isoliert. Wenn dem Heizelement Strom zugeführt wird, tritt ein kleiner Stromstoß in der an die Stromversorgung angeschlossenen Bahn auf. Wenn die Temperatur zunimmt, nimmt der Strom in dieser Bahn 2 ab (infolge seines zunehmenden Widerstandes), aber zugleich nimmt der Widerstand der NTC-Brücken 12, 14 ab, wodurch ein erhöhter Stromfluß in den anderen Bahnen 4, 6 zugelassen wird. Das Endergebnis ist ein Gesamtstromfluß zum Heizelement 1, der keine große Zunahme oder Abnahme bei Änderungen von Zeit oder Temperatur zeigt. Das Prinzip hiervon ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, die die Änderung des Stroms mit der Temperatur für die folgenden Heizelemente zeigt:
A: eine erste elektrisch sensitive Bahn mit einem positiven TCR;
B: die erste elektrische Widerstandsbahn und eine zweite parallel geschaltete elektrisch sensitive Bahn, wobei alle Bahnen einen positiven TCR haben;
C: die erste und zweite elektrische Bahn haben einen positiven TCR und sind durch eine Brücke aus einem Material mit negativem Widerstands-Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet.
Es ist erkennbar, daß durch Steuerung der Eigenschaften des NTC-Materials und der Bahngeometrie die Entwicklung eines Heizelements mit einem praktisch flachen Stromverlauf über der Temperatur ermöglicht wird, wie auch immer der TCR-Wert des Bahnmaterials ist.
Fig. 3 zeigt eine geeignete Konfiguration für die Verbindung der Bahnen 16, 18, und es ist eine NTC-Brücke 20 dargestellt, die sich sandwichartig zwischen den Bahnen 16, 18 auf einem Substrat 22 befindet. Die Bahnen und die NTC-Brücken werden gegen Oxidation durch eine Überglasungsschicht (nicht dargestellt) geschützt, die einen stabilen Hochtemperaturbetrieb erlaubt.
Änderungen in der Konfiguration eines Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, sind denkbar. Beispielsweise brauchen NTC-Brücken nur an einem Ende der Dickfilmbahnen vorgesehen zu werden, während die anderen Enden der Bahnen elektrisch durch übliche Mittel verbunden werden. Eine NTC-Brücke könnte nur zwischen der Bahn 2 und ihrer benachbarten Bahn 4 vorgesehen werden, um Stromstöße zu begrenzen. Eine Vielzahl von Bahnen könnte zwischen den Anschlüssen zu der externen Stromversorgung und der ersten NTC-Brücke vorgesehen werden, um das Maß von Stromstößen zu bestimmen. Jede NTC-Brücke könnte, anstatt in Serie geschaltet zu werden, einen Teil einer Bahn bilden und parallel schaltbar sein, was die wahlweise Verbindung der Bahnen mit der Stromversorgung erlauben würde, um die Betriebstemperatur des Heizelements zu verändern.
Weitere Änderungen sind für den Fachmann ersichtlich.

Claims

1. Heizelement (1) mit einer Vielzahl von elektrischen Dickfilm-Widerstandsbahnen (2, 4, 6), wobei die Vielzahl von Bahnen (2, 4, 6) eine erste Bahn (2) für die elektrische Verbindung mit einer Stromversorgung und eine zweite Bahn (4) enthält, und von dieser ersten und zweiten Bahn wenigstens eine aus einem Dickfilm besteht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von mehr als 0,006 pro ºC im Temperaturbereich von 0ºC bis 550ºC hat, wobei Mittel (12) zur elektrischen Parallelschaltung der ersten und zweiten Bahn eine Komponente umfassen, die von der Temperatur so abhängt, daß im Betrieb der in der zweiten Bahn (4) fließende Strom mit der Temperatur der ersten Bahn (2) zunimmt.

2. Heizelement nach Anspruch 1, bei dem die erste Bahn (2) aus einem Dickfilm besteht, der im Temperaturbereich von 0ºC bis 550ºC einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von mehr als 0,006 pro ºC hat.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Bahn (4) eine Vielzahl von anderen Bahnen (6) umfaßt und Mittel (12, 14) zur Parallelschaltung der Vielzahl von anderen Bahnen (6) eine Komponente umfassen, die von der Temperatur derart abhängt, daß im Betrieb der in den anderen Bahnen fließende Strom mit der Temperatur der ersten Bahn zunimmt.

4. Heizelement nach Anspruch 3, bei dem die Komponente zwischen benachbarten Bahnen der Vielzahl von anderen Bahnen vorgesehen ist.

5. Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die temperaturabhängige Komponente durch ein Material vorgesehen ist, das einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten hat.

6. Heizelement (1) nach Anspruch 5 in Abhängigkeit von Anspruch 4, bei dem jede der temperaturabhängigen Komponenten erste und zweite Brücken an entsprechenden ersten und zweiten Enden der Bahnen umfaßt.