DE68917259T2

DE68917259T2 - Heizvorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizienten und Verfahren zur Herstellung davon.

Info

Publication number: DE68917259T2
Application number: DE68917259T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Aoki; Yasuaki Matsuda; Daisuke Takahata; Hiroshi Takemura
Original assignee: ADO ELECTRONIC IND CO Ltd; Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: ADO ELECTRONIC IND CO Ltd; MA Aluminum Corp
Priority date: 1988-11-07
Filing date: 1989-11-06
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2009-11-07
Also published as: CA2002319A1; EP0368206A3; EP0368206A2; US5077889A; EP0368206B1; CA2002319C; DE68917259D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermistorbauelement mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines PTC-Thermistorbauelements.
Wie in Fig. 17 gezeigt ist, enthält ein herkömmliches PTC-Heizbauelement dieser Art typischerweise ein PTC-Thermistorelement 1 in Form eines Keramikelements, ein Paar entgegengesetzter Elektroden 3, die auf dessen entgegengesetzten Hauptflächen bis zu einer Dikke von annähernd 10 um durch Flammsprühen, ionisches Galvanisieren oder Drucken aufgebracht sind, ein Paar gewellter Rippenplatten 5, die auf den äußeren Hauptflächen der gegenüberliegenden Elektroden 3 angebracht sind, und ein Paar Rippenabdeckungen 7, die über die Außenseiten der gewellten Rippenplatten 5 angeordnet sind. Die gewellten Rippenplatten 5 sind an den gegenüberliegenden Elektroden 3 durch ein Bindemittel angebracht, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen den gewellten Rippenplatten 5 und den gegenüberliegenden Elektroden 3 gebildet ist.
Die EP-A-0 243 077 offenbart einen ähnlichen Aufbau, bei dem ein Paar Wärmeabstrahlplatten sandwichartig PTC-Elemente einfassen und die Platten jeweils aus einer gewellten Rippe bestehen, auf deren beiden Seiten Metallplatten befestigt sind.
Außerdem ist ein Aufbau bekannt, bei dem ein PTC-Thermistorelement 1 mit einander abgewandten Elektroden 3 zwischen einem Paar metallischer Abstrahl-Rippenplatten 9 angeordnet ist, die durch Befestigungsschrauben 11 und Muttern 13 aufeinandergepreßt sind, wie dies in Fig. 18 gezeigt ist (GB-A 2090710; JP-Anmeldung 91686/1984).
Beim Einsatz dieser PTC-Thermistor-Heizbauelemente wird an die einander abgewandten Heizstrahl-Rippenplatten 5 oder 9 eine Wechselspannung angelegt, um das PTC-Thermistorelement 1 aufzuheizen.
Da aber Bindemittel im allgemeinen geringere Wärmeleitfähigkeit besitzen als metallische Stoffe, reicht ein bloßes Andrücken der Wärmeabstrahl-Rippenplatten 9 gegen die einander abgewandten Elektroden 3, entweder direkt oder mit Hilfe eines Bindemittels, möglicherweise nicht aus, um zwischen diesen Teilen eine zufriedenstellende Wärmeleitung zu gewährleisten. Deshalb ist es erwünscht, den Wirkungsgrad der Wärmeleitung zwischen Elektroden und Wärmeabstrahl-Rippenplatten mit dem Ziel zu verbessern, die Wärmeausgangsleistung des PTC-Thermistor-Heizbauelements zu verbessern.
Im Hinblick auf diese dem Stand der Technik anhaftenden Probleme ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein PTC-Thermistorbauelement anzugeben, welches eine hohe Wärmeausgangsleitung besitzt und einen einfachen Aufbau aufweist; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauelements angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5 bzw. 8 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein PTC-Thermistor-Heizbauelement, welches eine hohe mechanische Festigkeit aufweist sowie haltbar und zuverlässig ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum effizienten Herstellen eines derartigen PTC-Thermistor-Heizbauelement.
Da die einander abgewandten Elektroden dicker ausgebildet werden als bei den herkömmlichen PTC-Thermistorbauelementen und die Wärmeabstrahl-Rippenplatten direkt durch Löten an den einander abgewandten Elektroden angebracht werden, wird erfindungsgemaß die Effizienz der Wärmeleitung stark verbessert, ohne daß die durch Löten verbundenen Teile übermäßiger Wärmebeanspruchung ausgesetzt sind. Da außerdem ein wesentlicher Teil der entgegengesetzten Elektroden frei liegt, tragen die entgegengesetzten Elektroden selbst zu einer Verbesserung der Wärmeabstrahlung von dem PTC-Thermistorbauelement bei. Dadurch, daß das PTC-Thermistorelement nach dem Löten der Wärmeabstrahl-Rippenplatten an das PTC-Thermistorelement einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt wird, werden metallische Komponenten, die aus dem Löt in die Hohlräume des PTC-Thermistorelements gewandert sind, oxidiert und in elektrisch isolierende Stoffe umgewandelt, so daß die PTC-Eigenschaft des PTC-Thermistorelements wiederhergestellt wird. Wenn durch Schaffung von Abschirmungsschichten eine Gasemission aus dem PTC-Thermistorelement während des Lötvorgangs verhindert wird, verbessert sich die Sauberkeit des gelöteten Teils und damit die Zuverlässigkeit des PTC-Thermistorbauelements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die zu dem PTC-Thermistorelement weisenden Innenflächen der gegenüberliegenden Elektroden mit Oberflächenunregelmäßigkeiten einer durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit von 2 bis 30 um ausgestattet. Dadurch wird das Haftvermögen zwischen den gegenüberliegenden Elektroden und den PTC-Thermistorelementen wesentlich verbessert, und das PTC-Thermistorbauelement ist imstande, wiederholten Aufheizzyklen zu widerstehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Ränder des PTC- Thermistorelements in Richtung auf ihre freien Enden verjüngt, um ein Kurzschließen der gegenüberliegenden Elektroden zu verhindern, was dadurch möglich wäre, daß das Lötmaterial die einander gegenüberliegenden Elektroden überbrückt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen PTC-Thermistor-Heizbauelements;
Fig. 2 eine perspektivische Teildarstellung einer der Wärmeabstrahl-Rippenplatten, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten PTC- Thermistor-Heizbauelements;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der gegenüberliegenden Elektroden und der Wärmeausgangsleistung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figs. 5A bis 5C perspektivische Teilansichten eines zweiten bis vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Figs. 6A bis 6D Schnittansichten eines fünften bis achten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 7 eine Teil-Schnittansicht einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der mittleren Oberflächenrauhigkeit und der Zugfestigkeit bei der neunten Ausführungsform;
Fig. 9 eine schematische, auseinandergezogene Vorderansicht einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;
Figs. 10 bis 12 Schnittansichten unterschiedlicher Stufen bei der Fertigung einer elften Ausführungsform des erfindungsgemäßen PTC-Heizbauelements;
Fig. 13 eine vergrößerte Teildarstellung einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und dem spezifischen Widerstand bei der elften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 15 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zeitspanne eines Hochttemperatur-Oxidationsvorgangs und dem dadurch erhaltenen Widerstandsverhältnis bei der elften Ausführungsform;
Fig. 16 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Erholungszeit, die zur Erholung bei verschiedenen Temperaturhöhen erforderlich ist; und
Figs. 17 und 18 Teil-Schnittdarstellungen herkömmlicher PTC-Thermistor-Heizbauelement te.

Beschreibung der bevorzugen Ausführungsformen

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt ein PTC-Thermistor-Heizbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung, welches ein ebenes PTC-Thermistorelement 15 in Form einer länglichen rechteckigen Platte aus keramischem Material wie Barium-Titanat, dem eine geringe Menge Selten-Erd-Elemente beigegeben ist, und ein Paar gegenüberliegender Elektroden 17 aufweist, die auf den beiden Hauptfläche des PTC-Thermistorelements 15 durch Flammspritzen oder Aufdrucken von Aluminiummaterial bis zu einer Dicke von etwa 100 um gebildet sind. An der Außenfläche jeder der einander gegenüberliegenden Elektroden 17 ist eine gewellte Rippenplatte 19 aus einem Metallblechstreifen, beispielsweise einem Aluminiumblech, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, durch Löten der gegenüberliegenden Scheitel der durch die gewellten Rippenplatten 19 gebildeten Rippen angebracht, wobei jede der gewellten Rippenplatten 19 mit Rasteröffnungen 21 ausgestattet ist.
An der Außenfläche jeder der gewellten Rippenplatten 19 ist eine Rippenabdeckung 25 aus einem Aluminiumblech durch Löten der gegenüberliegenden Scheitel der durch die gewellte Rippenplatte 19 gebildeten Rippen befestigt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist an einem Endabschnitt jeder der Rippenabdeckungen 25 eine Anschlußplatte 27 fest angebracht. In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 23 das Hartlot bezeichnet. Es versteht sich, daß hier der Begriff "Löten" in breitem Sinn zu verstehen ist und auch Weichlöten als eine spezielle Form des Lötens beinhaltet.
Da bei diesem PTC-Thermistor-Heizbauelement die gegenüberliegenden Elektroden 17 eine so große Dicke wie 100 um besitzen, ist die Wirksamkeit der Wärmeleitung aus dem PTC-Thermistorelement 15 hoch. Da ferner die gegenüberliegenden Elektroden 17 direkt an die gewellten Rippenplatten 19 angelötet sind, wird eine beträchtliche Wärmemenge von dem PTC-Thermistorelement 15 zu den gewellten Rippenplatten 19 übertragen. Da außerdem die gegenüberliegenden Elektroden 17 lediglich teilweise in Berührung mit den zugehörigen Scheiteln der Rippen, wie sie durch die gewellten Rippenplatten 19 gebildet sind, stehen, trägt auch der restliche Oberflächenbereich der gegenüberliegenden Elektroden 19 zur Erhöhung der Wärmeausgangsleistung bei, indem er als Wärmeabstrahlfläche dient.
Die Erfinder haben eine Reihe von Experimenten mit PTC-Thermistor-Heizbauelementen durchgeführt, die den Aufbau nach der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besaßen. Die gewellten Rippenplatten 19 hatten einen Rippen-Mittenabstand von 2 bis 5 mm, und das PTC-Thermistorelement 15 besaß eine Länge von 24 mm, eine Breite von 15 mm und eine Dicke von 2,5 mm. Die Dicke der gegenüberliegenden Elektroden 17 wurde variiert, und es wurde die Wärmeausgangsleistung für jeden einzelnen Fall gemessen. Es wurde die in Fig. 4 dargestellte Beziehung ermittelt. Wie aus der graphischen Darstellung in Fig. 4 ersichtlich ist, müssen, um eine Wärmeausgangsleistung von annähernd 100 W zu erreichen, die einander gegenüberliegenden Elektroden 17 mindestens 50 um Dicke besitzen, jedoch muß die Dicke nicht mehr als 300 um betragen.
Es wurde herausgefunden, daß, weil lediglich die Scheitel der durch die gewellten Rippenplatten 19 gebildeten Rippen sich in Berührung mit den einander gegenüberliegenden Elektroden 17 befinden, auch dann, wenn es Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den gewellten Rippenplatten 19, den sich gegenüberliegenden Elektroden 17 und dem PTC-Thermistorelement 15 gibt, die relative Bewegung zwischen diesen Teilen aufgrund der Änderungen ihrer Temperaturen aufgenommen werden kann durch die Verformung der gewellten Rippenplatten 19, ohhe daß irgendeine ungünstige Beanspruchung in den Bereichen hervorgerufen wird, in denen die gewellten Rippenplatten und die sich gegenüberliegenden Elektroden verbunden sind. Damit ist das erfindungsgemäß PTC- Thermistor-Heizbauelement in der Läge, beträchtliche Temperaturschwankungen zu ertragen, so daß das Bauelement eine extrem lange Lebensdauer besitzt.
Die gewellten Rippenplatten 19 können außer aus Aluminium auch aus solchen Stoffen wie Kupfer, Stahl, deren Legierungen sowie mit Zink, Nickel, Aluminium oder Zinn überzogenem Stahl bestehen, welche Stoffe einfach zu handhaben sind und günstige mechanische Festigkeiten besitzen. Das Material für die sich gegenüberliegenden Elektroden 17 kann aus Kupfer, Zink, Nickel und deren Legierungen ausgewählt werden. Das Lötmaterial kann aus solchen Stoffen ausgewählt werden, die mit den Materialien der gewellten Rippenplatten und der sich gegenüberliegenden Elektroden kompatibel sind.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in perspektivischer Darstellung in Fig. 3 gezeigt ist, sind das PTC-Thermistorelement 15, die gewellten Rippenplatten 19, die Rippenabdeckungen 25 und die Anschlußplatten 27 einschließlich der Teile, an denen sie mit den Rippenabdeckungen 25 verbunden sind, mit einem elektrisch isolierendes und wärmebeständiges Harzmaterial überzogen, beispielsweise mit Silikon- oder Fluon- Stoffen (PTFE-Stoffen), so daß die Möglichkeit ausgeschlossen wird, daß ein elektrischer Schlag oder ein Kurzschluß entsteht, wenn ein Körperteil oder ein Fremdkörper in Berührung mit den gewellten Rippen 19 oder den Rippenabdeckungen 25 gelangt.

Zweite bis vierte Ausführungsform

Die gewellten Rippenplatten 19 nach Fig. 1 sind lediglich ein Beispiel, und die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf diese Ausfthuungsform beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, ein Aluminiumblech so zu falten, daß eine Rippenplatte 29 gebildet wird, die relativ schärfere Faltlinien aufweist, wie es in Fig. 5A dargestellt ist, wobei die anliegenden scharfen Scheitel oder Ränder der Rippenplatten 29 an der gegenüberliegenden Elektrode 17 des PTC-Thermistorelements 15 angelötet sind (zweite Ausführungsform). Alternativ kann ein Aluminiumblech in regelmäßigen Intervallen um 90º gefaltet werden oder kann in eine Zinnenform gebracht werden, um eine Rippenplatte 31 zu bilden, wobei die anliegenden flachen Oberseiten der Rippenplatten 31 an die gegenüberliegenden Elektroden 17 angelötet werden, wie dies in Fig. 5B dargestellt ist (dritte Ausführungsform).
Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der Rippenplatten 33 mit mehreren Rippen 33a ausgestattet, die senkrecht von der Platte abstehen, wobei die Ränder oder Spitzen an den freien Enden dieser Rippen 33a an der Außenfläche der gegenüberliegenden Elektrode 17 anliegen und dort angelötet sind, wie dies in Fig. 5C dargestellt ist.
Kurz gesagt, werden erfindungsgemäß die freien Enden der durch die Rippenplatten vorgesehenen oder gebildeten Rippen in Anlage mit der Außenfläche der gegenüberliegenden Elektroden gebracht und dort angelötet. Die Rippen können unterschiedliche Formen aufweisen, wie dies in den Fig. 1 und 5A bis 5C dargestellt ist, und ihre freien Enden können entsprechend unterschiedliche Formen aufweisen, beispielsweise abgerundtete Faltlinien, schartkantige Faltlinien, flache Flächenbereiche und einfache Ränder.

Fünfte bis achte Ausführungsform

Um eine hohe Produktionseffizienz zu erreichen, ist es wünschenswert, mehrere PTC- Thermistorelemente, die jeweils mit einem Paar gegenüberliegender Elektroden 17 ausgestattet sind, eines neben dem anderen anzuordnen und die gewellten Rippenplatten daran anzulöten. In diesem Fall muß Vorsorge dafür getroffen werden, daß das Lötmaterial 23 nicht durch Kapillarwirkung an den Rändern des PTC-Thermistorelements 15 hängenbleibt. Wenn das Lötmaterial 23 eine Brücke bildet, welche ein Paar einander zugehöriger gegenüberliegender Elektroden 17 verbindet, kommt es zu einem Kurzschluß. Um ein derartiges Ereignis erfindungsgemäß zuverlässig zu verhindern, sind die Seitenränder der PTC-Thermistorelemente 15 abgefast, so daß sie einen dreieckigen (fünfte Ausführungsform nach Fig. 6A) und einen trapezförmigen (sechste Ausführungsform nach Fig. 6B) Querschnitt besitzen. Alternativ können die Ränder mit einer Mittelrippe ausgestattet sein, welche die beiden Hauptflächen des PTC-Thermistorelements trennt (siebte Ausführungsform nach Fig. 6C) oder die Ränder können abgerundet sein (achte Ausführungsform nach Fig. 6D).

Neunte Ausführungsform

Wenn die Dicke der gegenüberliegenden Elektroden 17 groß ist, lösen sich möglicherweise die einander gegenüberliegenden Elektroden 17 von dem PTC-Thermistorelement 15 ab, bedingt durch die Differenz in der Wärmeausdehnung der zwei unterschiedlichen Teile, nachdem wiederholte Aufheizzyklen stattgefunden haben. Diese Möglichkeit läßt sich aber durch die in Fig. 7 dargestellte neunte Ausführungsform ausschließen. Die Hauptflächen des PTC-Thermistorelements 15 sind hier speziell mit Obefflächenunregelmäßigkeiten 35 einer Oberflächenrauhigkeit von annähernd 2 bis 30 um ausgestattet, und die gegenüberliegenden Elektroden 17 sind durch Flammsprühen eines Aluminiummaterials auf die Hauptflächen des PTC-Thermistorelements derart gebildet, daß das Material die durch die Oberflächenunregelmaßigkeiten gebildeten Hohlräume ausfüllt. Durch derartiges Ausbilden der einander gegenüberliegenden Elektroden 17 zur Erzielung eines innigen Kontakts zwischen ihnen werden die einander gegenüberliegenden Elektroden 17 zuverlässig an einem Abschälen von dem PTC-Thermistorelement 15 auch dann gehindert, wenn die Dicke der gegenüberliegenden Elektroden 17 erhöht wird. Die innige Berührung zwischen dem PTC-Thermistorelement 15 und den gegenüberliegenden Elektroden 17 in einem großen Oberflächenbereich trägt auch bei zu einer günstigen Wärmeübertragung von dem PTC-Thermistorelement 15 zu den gegenüberliegenden Elektroden 17.
Die Erfinder haben verschiedene Experimente durchgeführt, wobei die mittlere Teilchengröße des Materials für das PTC-Thermistorelement 15 und die Bedingungen für das Bakken der Elemente geändert wurden, und wobei die Oberflächenrauhigkeit der PTC-Thermistorelemente 15 durch Sandstrahlen ihrer Oberflächen geändert wurde, um die Einflüsse dieser Faktoren auf die mechanische Festigkeit der gegenüberliegenden Elektroden herauszufinden, welche durch Flammspritzen von Aluminiummaterial auf die Oberflächen des Elements gebildet wurden. Gemäß diesen Untersuchungen wurde herausgefunden, daß die Oberflächenunregelmäßigkeiten eine Oberflächenrauhigkeit von mehr als 2 um aufweisen müssen, um die gewünschte Zugfestigkeit von 0,8 kp/mm² wie in Fig. 8 gezeigt, zu erreichen, während sie jedoch nur weniger als 30 um betragen müssen, um die Wärmeableitfähigkeit der gegenüberliegenden Elektroden zu gewährleisten.

Zehnte Ausführungsform

Typischerweise erfolgt das Löten in einer Umgebung hoher Temperatur von etwa 600ºC, und die einander gegenüberliegenden Elektroden 17 werden möglicherweise durch das 15 Gas, welches vom den PTC-Thermistorelement 15 während des Lötvorgangs emittiert wird, porös. Dies kann die mechanische Unversehrtheit der gelöteten Teile der Wärmeabstrahl-Rippenplatten 19 beeinträchtigen.
Dieses Problem läßt sich vermeiden, indem man sich gegenüberliegende Elektroden einer Dicke von 50 bis 300 um bildet durch Flammspritzen metallischer Schichten auf den Flächen des PTC-Thermistorelements 15 und dann darauf dünne Schutzplatten 39, die z.B. aus Aluminium bestehen, auflegt und durch Löten befestigt, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Die Schutzplatten 39 halten die Gasemission zurück und gewährleisten die mechanische Unversehrtheit der gelöteten Teile 43 zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden 41 (oder den Schutzplatten 39) und den Wärmeabstrahl-Rippenplatten 19.

Elfte Ausführungsform

Die Fig. 10 bis 12 zeigen verschiedene Stufen der Herstellung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen PTC-Thermistorbauelements in zeitlicher Ablauffolge. Zunächst werden die sich gegenüberliegenden Elektroden 17 mit einer Dicke von 50 bis 300 um durch Flammspritzen von Aluminiummaterial auf die Hauptflächen des PTC-Thermistorelements 15 ausgebildet, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Dann wird ein Paar gewellter Rippenplatten 19 aus Aluminiumblech und mit einer Schicht aus Lötmaterial auf einer Seite sowie ein Paar von Rippenabdeckungen 25 auf der jeweiligen Seite des PTC-Thermistorelements 15 übereinander angeordnet. Diese Anordnung wird dann gemäß Fig. 11 in eine Vakuumkammer 45 eingebracht. Das Lötmaterial kann ein Metall enthalten, welches den Lötvorgang fördert, beispielsweise Magnesium.
Die Vakuumkammer 45 wird auf ein Druckniveau von annähernd 10&supmin;&sup5; Torr (1,33 10&supmin;&sup5; mbar) evakuiert. Die Anordnung wird auf eine Temperatur von beispielsweise 600ºC erwärmt, die höher ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials, und wird anschließend auf Zimmertemperatur abgekühlt, so daß jede der gewellten Rippenplatten 19 mit der zugehörigen Rippenabdeckung 25 ebenso wie mit der zugehörigen Elektrode 17 einstückig verbunden ist.
Anschließend wird die Anordnung, die aus dem PTC-Thermistorelement 15, den gewellten Rippenplatten 19 und den Rippenabdeckungen 25 besteht, welche miteinander vereint sind, in eine Oxidationskammer 47 eingebracht und etwa vier Stunden lang auf 480ºC bei atmosphärischem Druck erwärmt, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist. Dann wird die Anordnung aus der Oxidationskammer 47 entnommen.
Nach einer durch die Erfinder vorgenommenen Untersuchung wurde herausgefunden, daß, wenn das Löten in einer Umgebung hoher Temperatur stattfindet, der elektrische Widerstand des PTC-Thermistor-Heizbauelements bei Anlegen einer Wechselspannung an die Anschlußstücke 27 des PTC-Thermistor-Heizbauelements an dem Curiepunkt nicht wesentlich ansteigt und das PTC-Thermistor-Heizbauelement die gewünschten Eigenschaften nicht aufweist.
Der Grund hierfür ist den Erfindern nicht bekannt, es wird jedoch angenommen, daß metallische Substanzen wie z.B. Magnesium, die dem Lötmaterial zur Verbesserung seiner Eigenschaft zugegeben werden, sich möglicherweise von dem Lötmaterial getrennt haben und über die Stirnflächen des PTC-Thermistorelements in Hohlräume des PTC-Thermistorelements eingedrungen sind, und dadurch dessen elektrische Isolierfähigkeit herabgesetzt zu haben oder daß sie einen Teil des PTC-Thermistorelements 15 auf chemischen Weg reduziert haben. In Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 49 die metallische Komponente, die über die Stirnflächen in das PTC-Thermistorelement 15 gewandert ist. Wenn allerdings das gelötete PCT-Thermistorelement in eine Umgebung hoher Temperatur eingebracht wird, wird die in das PTC-Thermistorelement 15 gewanderte metallische Komponente zu elektrisch isolierenden Oxiden oxidiert, und das teilweise reduzierte PTC-Thermistorelement wird erneut oxidiert; in jedem Fall wird dadurch die günstige PTC-Eigenschaft des PTC-Thermistorelements 15 wieder hergestellt.
Fig. 14 ist eine sogenannte PTC-Eigenschaften-Kurve, welche die Änderungen des spezifischen Widerstands in Relation zu der Temperatur des PTC-Thermistorelements für den Fall darstellt, daß das PTC-Thermistorelement hergestellt wurde, ohne daß es nach dem Löten erwärmt wurde (gestrichelte Linie), außerdem für den Fall, daß die PTC-Thermistor-Heizeinrichtung hergestellt wurde, indem sie nach dem Lötvorgang erwärmt wurde (ausgezogene Linie). Entsprechend dieser Kurve läßt sich ersehen, daß die PTC-Thermistor-Heizeinrichtung, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde, eine günstige PTC-Eigenschaft erkennen läßt.
Von den Erfindern wurde herausgefunden, daß das Ausmaß der Erholung der PTC-Thermistor-Heizeinrichtung und die Zeit, die für diese Erholung erforderlich ist, von der Temperatur und dem Druck der Umgebung sowie der Menge vorhandenen Sauerstoffs, worin sich die Anordnung nach dem Löten befindet, abhängen.
Wenn beispielsweise eine gewellte Aluminium-Rippenplatte 19 auf eine Aluminium-Elektrode 17 gelötet wird und das PTC-Thermistorelement 15 in einer atmosphärischen Umgebung bei einer Temperatur von 580ºC belassen wird, so erholt es sich innerhalb von etwa vier Stunden in einem in der Praxis akzeptierbaren Ausmaß, wie in Fig. 15 gezeigt ist.
Fig. 15 zeigt die Änderungen des Widerstandsverhältnisses bezüglich der Zeit, wobei das Widerstandsverhältnis gegeben ist durch den maximalen Widerstand / minimalen Widerstand während des Betriebs des PTC-Thermistorelements 15.
Andererseits waren gemäß Fig. 16 etwa 10 Stunden notwendig, um in einer Umgebung von 560ºC die ursprünglichen Eigenschaften wiederherzustellen, in einer Umgebung von 500ºC waren etwa 140 Stunden erforderlich, und in einer Umgebung von 480ºC waren etwa 400 Stunden erforderlich. Je höher also die Temperatur der Umgebung ist, desto weniger Zeit wird benötigt, um die ursprüngliche Eigenschaft wiederherzustellen. Es ist möglich, eine Erholung auch bei einer Temperatur unter 480ºC zu erreichen, jedoch wird hierfür eine derart lange Erholungszeit erforderlich , daß es für praktische Zwecke wünschenswert ist, eine Temperatur oberhalb von 480ºC zu verwenden. Wenn allerdings die Temperatur der Umgebung zur Verringerung der Erholungszeit übermäßig angehoben wird, schmilzt das Lötmaterial möglicherweise, und die Befestigung zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden 17 und den gewellten Rippenplatten 19 löst sich möglicherweise. In solchen Fällen kann es deshalb notwendig werden, Maßnahmen zu ergreifen wie z.B. das Festklemmen der gewellten Rippenplatten.
Einige der Lötmaterialien können zum Löten bei Temperaturen von unterhalb 480ºC verwendet werden, beispielsweise bei 350ºC, und deshalb kann es wünschenswert sein, daß Wiedergewinnen der ursprünglichen Eigenschaft unter Verwendung einer Temperatur zu erreichen, die unter 480ºC liegt. Aus Gründen der Produktionseffizienz ist es aber auch in einem solchen Fall vorzuziehen, eine Umgebungstemperatur von über 480ºC und nur geringfügig höher als der Schmelzpunkt des Lötmaterials zu verwenden.
Außerdem läßt sich die Erholungszeit nicht nur dadurch reduzieren, daß man die Temperatur erhöht, sondern man kann auch den Druck und/oder den Sauerstoffanteil in der Umgebung heraufsetzen. Bevorzugt ist es deshalb, das PTC-Thermistorelement 15 in einer unter Druck stehenden und oxidierenden Umgebung bei einer Temperatur von mehr als 480ºC anzuordnen, um die Eigenschaft des Bauelements wiederzuerhalten.
Das oben beschriebene elfte Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Beispiel der Erfindung, und die Erfindung laßt sich auf PTC-Thermistorelemente verschiedener Gestalt und mit unterschiedlichen Wärmeabstrahl-Rippenplatten anwenden. Außerdem kann die Vakuumkammer 45 zusammen mit der Oxidationskammer 47 als gemeinsame Kammer ausgebildet werden.
Man kann den Lötvorgang mit einem Trägergas, wie z.B. Stickstoff, in einer Vakuumatmosphäre von annähernd 10&supmin;&sup5; Torr (1,33 10&supmin;&sup5; mbar) durchführen. Kurz gesagt, das Ziel der Erfindung läßt sich erreichen, indem man den Lötvorgang in einer nicht-oxidierenden Umgebung mit einem Taupunkt von weniger als 50ºC durchführt.
In ähnlicher Weise läßt sich das Ziel der vorliegenden Erfindung erreichen, wenn auf einem PTC-Thermistorelement 15 überdeckende Schutzplatten 39 und auf metallischen Schichten 37 gewellte Rippenplatten 19 ausgebildet werden und diese Teile miteinander verlötet werden, indem der Lötvorgang in einer nicht-oxidierenden Umgebung durchgeführt wird, woraufhin die Anordnung einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt wird.

Claims

1. PTC-Thermistorbauelement, umfassend:

ein PTC-Thermistorelement (15), im wesentlichen aus einer keramischen Platte gefertigt;

ein Paar entgegengesetzte Elektroden (17) auf den beiden Hauptflächen des PTC-Thermistorelements (15); und

Wärmeabstrahlrippen (19), aus Metallblechen gefertigt und mit mehreren Scheiteln, die mit zugehörigen der entgegengesetzten Elektroden (17) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet

daß die Elektroden (17) auf den Hauptflächen zu einer Dicke von 50 bis 300 um ausgebildet sind, und

daß die Scheitel durch Löten an den Elektroden (17) angebracht sind.

2. PTC-Thermistorbauelement nach Anspruch 1, bei dem PTC-Thermistorelement (15) zugewandte Innenflächen der entgegengesetzten Elektroden (17) mit Oberfiächenunregelmäßigkeiten einer mittleren Oberflächenrauhigkeit von 2 bis 30 um versehen sind.

3. PTC-Thermistorbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Ränder des PTC-Thermistorelements (15) zu ihren freien Enden hin verjüngt sind.

4. PTC-Thermistorbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede der entgegengesetzten Elektroden (17) einen metallischen Film aufweist, mit dem eine der Hauptflächen des PTC-Thermistorelements (15) überzogen ist, und eine auf dem metallischen Film ausgebildete elektrischleitende Abschirmung aufweist, um die Emission von Gas aus dem PTC-Thermistorelement (15) zu sperren.

5. Verfahren zum Herstellen eines PTC-Thermistorbauelements, umfassend die Schritte:

Bilden eines Paares entgegengesetzter Elektroden (17) auf jeder Hauptfläche eines aus einer keramischen Platte bestehenden PTC-Thermistorelements (15);

Befestigen von Wärmeabstrahlrippen (19) aus Metallblechen an den entgegengesetzten Elektroden (17) in einer nicht-oxidierenden Umgebung durch Löten; und

Aussetzen des PTC-Thermistorelements (15) einer oxidierenden Umgebung bei einer Temperatur von über 480ºC, nachdem die Wärmeabstrahlrippen an ihm befestigt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Wärmeabstrählrippen (19) gebildet werden durch Biegen metallischer Wärmeabstrahlrippenplatten derart, daß mehrere Scheitel gebildet werden, wobei der Schritt des Befestigens aus dem Löten der Scheitel der Wärmeabstrahlrippenplatten an den entgegengesetzten Elektroden (17) besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die entgegengesetzten Elektroden eine Dicke von 15 bis 300 um aufweisen.

8. Verfahren zum Herstellen eines PTC-Thermistorbauelements, umfassend die Schritte:

Ausbilden metallischer Schichten (37) auf jeder Hauptfläche eines im wesentlichen aus einer keramischen Platte bestehenden PTC-Thermistorelements (15);

Aufbringen elektrisch leitender Abschirmungsschichten (39) über den metallischen Schichten, um eine Emission von Gas aus dem PTC-Thermistorelement (15) zu vermeiden, und von metallischen Rippenplatten (19) mit mehreren in ihnen ausgebildeten metallischen Rippen auf den Abschirmungsschichten (39), wobei Scheitel der Rippen an den Abschirmungsschichten (39) anliegen;

Zusammenfügen und Verbinden der aus dem PTC-Thermistorelement (15), den metallischen Schichten (37), den Abschirmungsschichten (39) und den metallischen Rippenplatten (19) bestehenden Anordnung, indem die Teile in einer nicht-oxidierenden Umgebung gelötet werden; und

Unterbringen der Anordnung in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von mehr als 480ºC.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die metallische Schicht (37) und die Abschirmungsschicht (39) eine gemeinsame Dicke von 50 bis 300 um besitzen.