EP0026457A2 - Heizeinrichtung mit Kaltleiter-Heizelement - Google Patents

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EP0026457A2
EP0026457A2 EP80105756A EP80105756A EP0026457A2 EP 0026457 A2 EP0026457 A2 EP 0026457A2 EP 80105756 A EP80105756 A EP 80105756A EP 80105756 A EP80105756 A EP 80105756A EP 0026457 A2 EP0026457 A2 EP 0026457A2
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EP
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heating element
heating device
aluminum oxide
plates
heating
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Peter Dipl.-Phys. Kleinschmidt
Hans Dr. Meixner
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Siemens AG
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/06—Heater elements structurally combined with coupling elements or holders
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible

Definitions

  • the invention relates to a heating device with a PTC (ceramic PTC) heating element, as specified in the preamble of claim 1.
  • PTC semiconductor PTC
  • DE-OS 27 43 880 namely the main patent for the present invention, describes a heating device with an optimized heating element made of thermistor material.
  • the PTC thermistor heating element has a thickness of only 0.5 to 2 mm with a specific electrical resistance of the PTC thermistor material kept in a relatively narrow range, which must also have a Curie temperature which is at least 50 ° higher than the switch-off temperature provided for the heating device. This switch-off temperature is z.3. for boiling water 100 ° C (373 K).
  • Another important feature of a heating device according to the above-mentioned DE-CS is that on both sides of the disc of the PTC heating element, heat dissipation is as large as possible is present. The same amount of heat dissipation on both sides takes precedence over extremely good heat dissipation on only one side.
  • the present invention is based on the consideration of providing the manufacturer of devices with electrical heating devices with such a PTC heating device, which is comparatively similar to one Wire heater with the electrically insulating body around it.
  • the connecting lugs led outwards are at a distance from one another which corresponds to the VDE regulations, because in the case of the disk-shaped PTC thermistor heating elements, the two electrodes located on the top of the PTC thermistor disk are only a maximum of 2 mm apart.
  • the electrical connecting lugs of the sandwich are at a sufficiently large distance from one another without losing the advantage of the small volume of the PTC thermistor heating element for comparatively high heating power.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a ready-to-install sandwich according to the invention to be used as an electrical heating device.
  • FIG. 2 shows a sectional view II-II of a sandwich according to FIG.
  • Fig. 1 shows the degree of perfection that enables the sandwich with PTC heating element to be easily installed.
  • the upper plate made of sintered aluminum oxide, which is visible in the perspective view, is designated by 2. Such a sintered body has high mechanical strength.
  • the frame made of plastic material is designated by 12, with which a tight, in particular liquid-tight, connection is made between the upper and the lower aluminum oxide plate (not visible in FIG. 1).
  • connection lugs for the supply of the operating voltage, e.g. 220 volt mains voltage.
  • the required minimum distance from one another can be maintained without difficulty after a sandwich as shown in FIG. 500 watt heating power (for a switch-off temperature of e.g. 100 ° C) has dimensions in the order of 35 by 35 mm.
  • FIG. 2 Details of the structure of a sandwich according to FIG. 1 can be seen from the sectional view in FIG. 2, in which the PTC heating element according to the DE-OS mentioned at the beginning is designated by 1.
  • the upper and lower aluminum oxide plates are designated by 2.
  • a lead-tin solder with a preferably relatively high lead content such as e.g. a solder with 95.5% Pb, 2.5% Ag, 2% Sn. in question.
  • This has not only a relatively high ductility, but also a melting point that is sufficiently above the temperature to which the PTC heating element can heat up to a maximum (beyond its Curie temperature).
  • the edges of the two aluminum oxide plates 2 are connected to one another. It is also advantageous to produce the frame 12 by an injection molding process, specifically directly on the sandwich, wherein the space between the heating element 1 and the frame 12 visible in FIG. 2 can also be practically completely filled. However, it is advisable for the heating element 1 to have a space, even if it is only extremely small Leaving directional thermal expansion, the plastic is not sufficiently elastic anyway.
  • the already mentioned layers 4 made of a ductile solder not only serve as elastic cushion in principle known per se for another type of installation, namely with the application of pressure, but the solder layers 4 also have the important function of mechanical cohesion here.
  • the heating element 1 has on its plate sides 11 an all-over, solderable metallization made of e.g. Burn-in silver on and also the respective opposite surfaces of the aluminum oxide plates 2 are metallized at least up to the size of the surface of the heating element.
  • a metallization layer for the alumina plates can e.g. also made of stoving silver or also e.g. consist of copper, aluminum, zinc applied by plasma or flame spraying.
  • FIG. 2 is a section according to II-II of FIG. 1, so that only the connecting lug 22 can be seen in the illustration in FIG. This is guided through the frame 12 and electrically connected on the inside of the sandwich to the metallization of the one aluminum oxide plate 2.
  • this terminal lug 22 is soldered on.
  • the metallization of the aluminum oxide plate only extends beyond the edge of the heating element at the relevant point.
  • the connecting lug 21 which is not visible in FIG. 2, is arranged and with that in FIG. 2 and with the metallization of the lower aluminum oxide in FIG. 2 plate 2 electrically connected.
  • a thickness of between 0.5 and 2 mm is recommended for the aluminum oxide flat 2. Such a small thickness results in little thermal resistance with good thermal conductivity of the Al 2 O 3 .
  • This metallization 11 is preferably produced from stoving silver in the form of a double layer.
  • a first layer of baked-on silver In-Ga-Ag alloy No. E 4106, Demetron
  • silver stoving tincture No. E 4100, Demetron
  • This double layer of stoving silver is ideal for the further soldering process.

Abstract

Sandwich aus zwei Al2O3-Sinterplatten (2) mit dazwischen eingelötetem Kaltleiter-Heizelement (1) als Heizelement für den Einbau in Heizgeräte.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung mit Kaltleiter-(keramischem PTC)Heizelement, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
  • In der DE-OS 27 43 880, nämlich dem Hauptpatent zur vorliegenden Erfindung, ist eine Heizeinrichtung mit einem optimierten Heizelement aus Kaltleiter-Material beschrieben. Das Kaltleiter-Heizelement hat dabei als wesentliches Merkmal eine Dicke von nur 0,5 bis 2 mm bei einem in relativ engem Bereich gehaltenen spezifischen elektrischen Widerstand des Kaltleiter-Materials, das zudem eine Curie-Temperatur haben muß, die wenigstens 50° höher ist als die für die Heizeinrichtung vorgesehene Abschalttemperatur.Diese Ab- schalttemperatur beträgt z.3. für das Kochen von Wasser 100°C (373 K). Weiteres wichtiges Merkmal einer Heizeinrichtung nach der obengenannten DE-CS ist, daß auf beiden Seiten der Scheibe des Kaltleiter-Heizelementes möglichst gleich große Wärmeableitung vorliegt. Die gleiche Gr ße der Wärmeableitung auf beiden Seiten hat Vorrang vor extrem guter Wärmeableitung auf nur einer Seite.
  • Mit einer Heizeinrichtung nach der DE-OS ist es möglich geworden, im praktischen Betrieb tatsächlich verwendbare, z.B. in Eierkochern, Kaffeemaschinen, Tauchsiedern und dergl., einzubauende Einrichtungen zu schaffen, die nicht nur die an sie gestellten Anforderungen bezüglich ausreichender Leistungsabgabe und sinnvoll bemessener Heiztemperatur-Begrenzung erfüllen, sondern die auch dauerhaft sind und die fortwährenden Temperaturänderungen und Temperaturspannungen im Kaltleiter-Material ohne zu Ausfall führendem Bruch der Scheiben überdauern.
  • Weiterer Stand der Technik zu Heizeinrichtungen mit Kaltleiter-Bauelementen, die tatsächlich in die technische Verwendung gelangen, ist in den deutschen Offenlegungsschriften 28 06 159 und 28 16 076 enthalten.
  • An sich ist der Einbau einer Heizeinrichtung mit Kaltleiter-Heizelement nach der DE-OS 27 43 880 damit technisch problemlos geworden, jedoch besteht ein Bedürfnis nach weiterer Vereinfachung des Einbaues, um einen noch weiteren Anwendungsbereich erschließen zu können.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, dem Hersteller von Geräten mit elektrischen Heizeinrichtungen eine solche Kaltleiter-Heizeinrichtung zur Verfügung zu stellen, die etwa vergleichsweise einem Drahtheizkörper mit dem darum befindlichen elektrisch isolierenden Körper ist. Z.B. sollen bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung die nach außen geführten Anschlußfahnen einen den VDE-Vorschriften entsprechenden Abstand voneinander haben, denn bei den scheibenförmigen Kaltleiter-Heizelementen haben die beiden auf den Oberseiten der Kaltleiter-Scheibe befindlichen Elektroden an sich nur einen höchstens 2 mm großen Abstand. Bei der Erfindung haben die elektrischen Anschlußfahnen des Sandwich jedoch einen ausreichend großen Abstand voneinander, ohne daß der Vorteil geringen Volumens des Kaltleiter-Heizelementes für vergleichsweise hohe Heizleistung verlorengeht.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.
  • Fig.1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einbaufertigen erfindungsgemäßen, als elektrische Heizeinrichtung zu verwendenden Sandwich.
  • Fig.2 zeigt eine Schnittdarstellung II-II eines Sandwich nach Fig.1.
  • Aus Fig.1 geht das Maß der Perfektion hervor, das die leichte Einbaubarkeit des Sandwich mit Kaltleiter-Heizelement ermöglicht. Mit 2 ist die in der perspektivischen Ansicht sichtbare obere Platte aus gesintertem Aluminiumoxid bezeichnet. Ein solcher Sinterkörper hat hohe mechanische Festigkeit. Mit 12 ist der Rahmen aus Kunststoffmaterial bezeichnet, mit dem eine dichte, insbesondere flüssigkeitsdichte, Verbindung zwischen der oberen und der (in der Fig.1 nicht sichtbaren) unteren Aluminiumoxidplatte hergestellt ist.
  • Dieser Rahmen verläuft rund herum um den ganzen Sandwich. Mit 21 und 22 sind die Anschlußfahnen für die Zuführung der Betriebsspannung, z.B. 220 Volt Netzspannung, bezeichnet. Für diese beiden Anschlußfahnen 21 und 22 läßt sich der geforderte Mindestabstand voneinander ohne Schwierigkeiten einhalten, nachdem ein wie in Fig.1 dargestellter Sandwich für z.B. 500 Watt Heizleistung (für eine Abschalttemperatur von z.B. 100°C) Abmessungen in der Größenordnung von 35 mal 35 mm hat.
  • Einzelheiten des Aufbaues eines Sandwich nach Fig.1 gehen aus der Schnittdarstellung der Fig.2 hervor, in der mit 1 das Kaltleiter-Heizelement nach der eingangs genannten DE-OS bezeichnet ist. Mit 2 sind die obere und die untere Aluminiumoxidplatte bezeichnet. Zwischen den Plattenflächen 11 des Heizelementes 1 und der jeweiligen gegenüberliegenden Fläche der Aluminiumoxidplatten 2 befindet sich je eine Schicht 4 aus duktilem Lot. Insbesondere kommt hierfür ein Blei-Zinnlot mit vorzugsweise relativ hohem Bleigehalt, wie z.B. ein Lot mit 95,5% Pb, 2,5% Ag, 2% Sn.in Frage. Dieses hat nicht nur relativ hohe Duktilität, sondern auch einen genügend weit oberhalb der Temperatur liegenden Schmelzpunkt, auf den sich das Kaltleiter-Heizelement (über seine Curie-Temperatur hinaus) maximal aufheizen kann.
  • Mit dem Rahmen 12 aus wärmefestem Kunststoffmaterial sind die Ränder der beiden Aluminiumoxidplatten 2 miteinander verbunden. Von Vorteil ist auch eine Herstellung des Rahmens 12 nach einem Spritzverfahren, und zwar direkt am Sandwich, wobei auch der in der Fig.2 sichtbare Zwischenraum zwischen dem Heizelement 1 und dem Rahmen 12 praktisch vollständig ausgefüllt sein kann. Es empfiehlt sich jedoch, für das Heizelement 1 einen, wenn auch nur äußerst geringen, Raum für seitlich gerichtete thermische Ausdehnung zu belassen, scfern der Kunststoff nicht ohnehin genügend elastisch ist.
  • Die bereits erwähnten Schichten 4 aus einem duktilem Lot dienen nicht nur als im Prinzip an sich für eine andere Einbauart, nämlich mit Druckausübung, bekannte Elastizitätspolster, sondern die Lotschichten 4 haben hier außerdem die wichtige Funktion des mechanischen Zusammenhaltes. Das Heizelement 1 weist auf seinen Plattenseiten 11 eine ganzflächige,lötfähige Metalli- sierung aus z.B. Einbrerennsilber auf und auch die je- weils gegenüberliegenden Flächen der Aluminiumoxidplatten 2 sind mindestens bis zur Größe der Fläche des Heizelementes lötbar metallisiert. Eine Metallisierungsschicht für die Aluminiumoxidplatten kann z.B. ebenfalls aus Einbrennsilber oder auch z.B. aus durch Plasma- oder Flammen-Spritzen aufgebrachtes Kupfer, Aluminium, Zink bestehen.
  • Die Fig.2 ist ein Schnitt gemäß II-II der Fig.1, so daß in der Darstellung der Fig.2 nur die Anschlußfahne 22 zu sehen ist. Diese ist durch den Rahmen 12 hindurchgeführt und auf der Innenseite des Sandwich mit der Metallisierung der einen Aluminiumoxidplatte 2 elektrisch verbunden. Insbesondere ist diese Anschlußfahne 22 angelötet. Hierfür kann vorgesehen sein, daß die Metallisierung der Aluminiumoxidplatte nur an der betreffenden Stelle über den Rand des Heizelementes hinausreichend ist.
  • In der gleichen Weise wie die Anschlußfahne 22 ist auch die in der Fig.2 nicht sichtbare Anschlußfahne 21 angeordnet und mit der in der Fig.2 und mit der Me- tallisierung der in der Fig.2 unteren Aluminiumoxidplatte 2 elektrisch verbunden.
  • Für die Aluminiumoxidplattan 2 empfiehlt sich eine Dicke zwischen 0,5 und 2 mm. Eine solch geringe Dicke bewirkt nur wenig Wärmewiderstand bei ohnehin guter Wärmeleitfähigkeit des Al2O3.
  • Voranstehend ist die Verwendung von Einbrennsilber als Metallisierungsschicht 11 auf den entsprechenden Oberflächen des Kaltleiter-Heizelements 1 angegeben. Vorzugsweise wird diese Metallisierung 11 aus Einbrennsilber in der Form einer Doppelschicht hergestellt. Zunächst wird auf den mit der Metallisierung 11 zu versehenden Oberseiten der Kaltleiterscheibe 1 eine erste Schicht aus Einbrennsilber In-Ga-Ag-Legierung (Nr. E 4106, Demetron) eingebrannt. Daraufhin wird dann Silber-Einbrenntinktur (Nr. E 4100, Demetron) auf die bereits vorhandene Einbrennsilberschicht aus In-Ga-Ag aufgetragen und wiederum eingebrannt. Diese Doppelschicht aus Einbrennsilber eignet sich hervorragend für den weiteren Lötvorgang.
  • Es ist festgestellt worden, daß bei Anwendung der voranstehend beschriebenen Einbrenn-Versilberung als Metallisierung 11 der Seiten der Kaltleiterscheibe 1 es erforderlich ist, nach der Durchführung der Einbrenn-Versilberung die Kaltleiterscheibe mit Metallisierungsschicht 11 zu tempern, und zwar bei Temperaturen zwischen 300° und 400°C für die Dauer von etwa 12 Stunden (8 bis 14 Stunden). Anderenfalls - so wurde festgestellt - verliert das Kaltleitermaterial (Keramik-PTC-Material) der Scheibe 1 die starke Temperaturabhängigkeit seiner Leitfähigkeit.

Claims (7)

1. Heizeinrichtung mit einem plattenförmigen Kaltleiter-Heizelement; das auf seinen Plattenflächen metallisiert ist nach Patent ....... (P 27 43 880), gekennzeichnet dadurch, daß für vereinfachten Einbau das Kaltleiter-Heizelement als einstückiger Sandwich (Fig.1) aufgebaut ist, wobei an beiden Plattenflächen (11) des Heizelementes (1) Platten (2) aus gesintertem Aluminiumoxid angebracht sind, daß zwischen den Flattenflächen (11) und der jeweiligen gegenüberliegenden lötbar metallisierten Fläche der Aluminiumoxidplatten (2) je eine Schicht (4) aus duktilem Lot vorgesehen ist, mit denen das Heizelement (1) und die Aluminiumoxidplatten (2) ganzflächig miteinander verlötet sind, und daß an die Aluminiumoxidplatten (2) angelötete Anschlußfahnen (22, 23) vorgesehen sind.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schicht (4) aus duktilem Lot mindestens 0,1 mm dick gehalten ist.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Aluminiumoxidplatten (2) über den Rand des Kaltleiter-Heizelementes (1) hinausreichend bemessen sind.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ränder der Aluminiumplatten (2) durch einen umlaufenden Rahmen (12) miteinander verbunden sind.
5. Heizeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der durch die überstehenden Ränder der Aluminiumoxidplatten (2) zum Kaltleiter-Heizelement hin vorhandene Raum mit einem wärmefesten Kunststoff des Rahmens (12) ausgefüllt ist.
6. Heizeinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Rahmen (12) durch Umspritzen mit Kunststoff hergestellt ist.
7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß bei Verwendung von Einbrennsilber für die Metallisierung der Plattenflächen 11 des Heizelements 1 nach dem Aufbringen der Einbrennsilberschichten die Platte 1 etwa 12 Stunden zwischen 300° und 400°C getempert wird.
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