EP2057864A1 - Heizelement - Google Patents

Heizelement

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EP2057864A1
EP2057864A1 EP07801293A EP07801293A EP2057864A1 EP 2057864 A1 EP2057864 A1 EP 2057864A1 EP 07801293 A EP07801293 A EP 07801293A EP 07801293 A EP07801293 A EP 07801293A EP 2057864 A1 EP2057864 A1 EP 2057864A1
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EP
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heating element
electrodes
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element according
layer
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Werner Kahr
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    • Y10T29/49098—Applying terminal

Definitions

  • Heating elements with ceramic PTC resistors are known for example from the publication US 4,899,032.
  • the heating element has a ceramic body specified, which has PTC properties.
  • PTC Positive Temperature Coefficient.
  • the heating element has electrodes which are arranged on the ceramic body. Both the ceramic body and the electrodes are lead-free.
  • the heating element can be used in automotive applications in 12/24/42 V operation preferably for heating the vehicle interior, especially in diesel vehicles (cars, trucks, commercial vehicles) and gasoline-powered vehicles.
  • a plurality of identical heating elements are arranged on a common carrier, conductively connected to one another and thus combined to form a heating arrangement.
  • the ceramic body is sintered. To produce the ceramic body ceramic raw materials are used without lead additives.
  • the ceramic raw material preferably contains BaTiO 3 .
  • the ceramic raw material contains in a variant (for example, next the barium titanate) a proportion of SrTiO 3 .
  • the body may be free of SrTiO 3 .
  • the following ceramic composition is considered: BaTiO 3 50 to 85%, CaTiO 3 3 to 15%, SrTiO 3 to 50%, SiO 2 1 to 2%.
  • the electrodes or their sublayers are preferably produced in a metal deposition process. Examples are sputtering, vapor deposition, galvanic deposition, chemical deposition. However, the electrodes can also be produced by burning in a metal paste. Depending on the variant, the thickness of the electrodes can be between 2 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • the electrodes may contain metallic Al as the base material.
  • the base material of the electrodes may be enriched with glass flux.
  • the proportion of glass flux is preferably about 5%.
  • the thickness of an electrode comprising Al as a base material and a glass flux as an additive is preferably 20 ⁇ m.
  • the glass flow can be dispensed with, so that the electrodes are free of glass additives.
  • the thickness of an electrode made of Al without glass flow is preferably 4 ⁇ m.
  • the electrodes may have a layer sequence comprising a plurality of partial layers.
  • the layer sequence may in particular comprise a base layer, which functions as an inner contact layer, and a diffusion barrier layer.
  • the inner contacting layer serves for ohmic contacting of the ceramic body.
  • chromium or a zinc-containing layer suitable.
  • As a diffusion barrier layer is a nickel layer suitable, which can be applied depending on the variant directly on the Keratnik stresses or on the Maisier Anlagen.
  • the layer sequence preferably also comprises a conductive layer (outer contact layer) which has a good electrical conductivity which is higher than that of the underlying layers.
  • a conductive layer for example, a silver layer or a silver-containing layer is suitable. Further layer sequences not mentioned here can also be considered for the electrodes of the specified heating element.
  • the electrodes produced in a baking process are produced with stoving pastes which have a glass content.
  • a metal paste is used with a glass additive that is lead-free.
  • the metal paste also contains organic binders, which are preferably completely burned out when the electrodes are burned in.
  • the heating element preferably has two major surfaces.
  • a first electrode is arranged on the first main surface and a second electrode is arranged on the second main surface.
  • the heating element may be formed as a surface mountable device.
  • the specific resistance of the heating element may for example be set between 10 and 500 ohm cm.
  • the resistance value is not limited to the specified range.
  • the specified heating element will be explained with reference to schematic and not to scale figures. Show it:
  • FIG. 1 in cross section a heating element
  • FIG. 1 in cross section a heating element with multilayer electrodes.
  • the heating element shown in FIG. 1 comprises a ceramic body 1, a first electrode 2 and a second electrode 3.
  • the electrode 2 is arranged on the lower main surface and the electrode 3 is arranged on the upper main surface of the body 1. Both the body 1 and the electrodes 2, 3 are lead-free.
  • FIG. 2 shows a variant of the heating element shown in FIG. 1, in which each electrode consists of several layers.
  • the lower electrode has an inner contact layer 2a, a diffusion barrier layer 2b and an outer contact layer 2c.
  • the upper electrode similarly has an inner contact layer 3a, a diffusion barrier layer 3b, and an outer contact layer 3c.
  • the diffusion barrier layer 2b, 3b is disposed between the contact layers 2a, 3a and 2c, 3c.
  • the inner contacting layer 2a, 3a is disposed between the body 1 and the diffusion barrier layer 2b, 3b.
  • Each of the layers 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c is lead-free. Reference sign

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Abstract

Es wird ein Heizelement mit einem Keramikkörper (1) angegeben, der PTC-Eigenschaften aufweist. Das Heizelement weist Elektroden (2, 3) auf, die am Keramikkörper (1) angeordnet sind. Sowohl der Keramikkörper als auch die Elektroden sind bleifrei.

Description

Beschreibung
Heizelement
Heizelemente mit keramischen PTC-Widerständen sind beispielsweise aus der Druckschrift US 4,899,032 bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein umweltfreundliches Heizelement anzugeben.
Es wird ein Heizelement mit einem Keramikkörper angegeben, der PTC-Eigenschaften aufweist. PTC steht für Positive Tempe- rature Coefficient. Das Heizelement weist Elektroden auf, die am Keramikkörper angeordnet sind. Sowohl der Keramikkörper als auch die Elektroden sind bleifrei.
Mit dem angegebenen Heizelement gelingt es, Umweltbelastungen, die mit dem Entsorgen von Schwermetallen zusammenhängen, im Wesentlichen zu vermeiden.
Das Heizelement kann bei Kfz-Anwendungen in 12/24/42 V Betrieb vorzugsweise zur Beheizung vom Fahrzeuginnenraum, insbesondere bei Dieselfahrzeugen (Pkw, Lkw, Nutzfahrzeugen) sowie benzinbetriebenen Fahrzeugen verwendet werden. Vorzugsweise werden mehrere identische Heizelemente auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, leitend miteinander verbunden und somit zu einer Heizanordnung zusammengefasst .
Der Keramikkörper wird gesintert. Zur Herstellung des Keramikkörpers werden Keramikrohstoffe ohne Bleizusätze verwendet. Der Keramikrohstoff enthält vorzugsweise BaTiO3. Der Keramikrohstoff enthält in einer Variante (beispielsweise neben dem Bariumtitanat) einen Anteil von SrTiO3. Alternativ kann der Körper frei von SrTiO3 sein.
Als vorteilhaft wird z. B. die folgende Keramikzusammenset- zung betrachtet: BaTiO3 50 bis 85%, CaTiO3 3 bis 15%, SrTiO3 bis 50%, SiO2 1 bis 2%.
Die Elektroden oder deren Teilschichten werden vorzugsweise in einem Metallabscheideverfahren erzeugt. Beispiele dafür sind Sputtern, Bedampfen, eine galvanische Abscheidung, eine chemische Abscheidung. Die Elektroden können aber auch durch das Einbrennen einer Metallpaste erzeugt werden. Die Dicke der Elektroden kann je nach Variante zwischen 2 μm und 25 μm betragen.
Die Elektroden können in einer vorteilhaften Variante metallisches Al als Grundmaterial enthalten. Das Grundmaterial der Elektroden kann mit Glasfluss angereichert sein. Der Anteil von Glasfluss beträgt vorzugsweise ca. 5%. Die Dicke einer Elektrode, die Al als Grundmaterial und einen Glasfluss als Zusatzstoff umfasst, beträgt vorzugsweise 20 μm.
Alternativ kann auf den Glassfluss verzichtet werden, so dass die Elektroden frei von Glaszusätzen sind. Die Dicke einer Elektrode aus Al ohne Glasfluss beträgt vorzugsweise 4 μm.
Die Elektroden können eine Schichtenfolge aufweisen, die mehrere Teilschichten umfasst. Die Schichtenfolge kann insbesondere eine Grundschicht, die als innere Kontaktierschicht fungiert, und eine Diffusionssperrschicht aufweisen. Die innere Kontaktierschicht dient zur ohmschen Kontaktierung des Keramikkörpers. Als Kontaktierschicht ist z. B. Al, Chrom oder eine zinkhaltige Schicht geeignet. Als Diffusionssperrschicht ist eine Nickelschicht geeignet, die je nach Variante unmittelbar auf den Keratnikkörper oder auf die Kontaktierschicht aufgetragen sein kann. Die Schichtenfolge umfasst vorzugsweise auch eine Leitschicht (äußere Kontaktierschicht) , die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, welche höher als diejenige der darunter liegenden Schichten ist. Als Leitschicht ist beispielsweise eine Silberschicht oder eine silberhaltige Schicht geeignet. Weitere, hier nicht genannte Schichtenfolgen kommen für die Elektroden des angegebenen Heizelements auch in Betracht.
Die in einem Einbrennverfahren erzeugten Elektroden werden mit Einbrennpasten hergestellt, die einen Glasanteil aufweisen. Bei der Erzeugung von solchen Elektroden wird eine Metallpaste mit einem Glaszusatz benutzt, der bleifrei ist. Die Metallpaste enthält außerdem organische Bindemittel, die beim Einbrennen der Elektroden vorzugsweise vollständig ausgebrannt werden.
Das Heizelement weist vorzugsweise zwei Hauptflächen auf. In einer bevorzugten Variante ist auf der ersten Hauptfläche eine erste Elektrode und auf der zweiten Hauptfläche eine zweite Elektrode angeordnet .
Das Heizelement kann als ein oberflächenmontierbares Bauelement ausgebildet sein.
Der spezifische Widerstand des Heizelements kann beispielsweise zwischen 10 und 500 Ohm cm eingestellt sein. Der Widerstandswert ist allerdings auf den angegebenen Bereich nicht beschränkt . Das angegebene Heizelement wird anhand von schematisehen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 im Querschnitt ein Heizelement;
Figur 2 im Querschnitt ein Heizelement mit Vielschicht- Elektroden.
Das in Figur 1 gezeigte Heizelement umfasst einen Keramikkörper 1, eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3. Die Elektrode 2 ist auf der unteren Hauptfläche und die E- lektrode 3 auf der oberen Hauptfläche des Körpers 1 angeordnet. Sowohl der Körper 1 als auch die Elektroden 2, 3 sind bleifrei .
In der Figur 2 ist eine Variante des in der Figur 1 gezeigten Heizelements vorgestellt, bei dem jede Elektrode aus mehreren Schichten besteht . Die untere Elektrode weist eine innere Kontaktierschicht 2a, eine Diffusionssperrschicht 2b und eine äußere Kontaktierschicht 2c auf. Die obere Elektrode weist in entsprechender Weise eine innere Kontaktierschicht 3a, eine Diffusionssperrschicht 3b und eine äußere Kontaktierschicht 3c auf.
Die Diffusionssperrschicht 2b, 3b ist zwischen den Kontaktierschichten 2a, 3a und 2c, 3c angeordnet. Die innere Kontaktierschicht 2a, 3a ist zwischen dem Körper 1 und der Diffusionssperrschicht 2b, 3b angeordnet.
Jede der Schichten 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c ist bleifrei. Be zugs zeichenl is t e
1 Korper
2, 3 Elektrode
2a, 3a innere Kontaktierschicht
2b, 3b Diffusionssperrschicht
2c, 3c äußere Kontaktierschicht

Claims

Patentansprüche
1. Heizelement, enthaltend
- einen Keramikkörper (1), der PTC-Eigenschaften aufweist,
- Elektroden (2, 3), die am Keramikkörper (1) angeordnet sind,
- wobei der Keramikkörper (1) und die Elektroden (2, 3) bleifrei sind.
2. Heizelement nach Anspruch 1,
- wobei der Keramikkörper (1) BaTiO3 enthält.
3. Heizelement nach Anspruch 1,
- wobei der Keramikkörper (1) SrTiO3 enthält.
4. Heizelement nach Anspruch 1,
- wobei der Keramikkörper (1) frei von SrTiO3 ist.
5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- wobei die Elektroden (2, 3) mindestens eine Schicht aufweisen, die in einem der folgenden Verfahren erzeugt wurde: Sputtern, Bedampfen, galvanische Abscheidung, chemische Abscheidung, Einbrennen.
6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- wobei die Elektroden (2, 3) Al enthalten.
7. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- wobei die Elektroden (2, 3) jeweils eine Schichtenfolge aufweisen, die eine innere KontaktierSchicht (2a, 3a) , eine Diffusionssperrschicht (2b, 3b) und eine äußere Kontaktierschicht (2c, 3c) umfasst .
8. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- wobei die Elektroden (2, 3) einen Glasanteil aufweisen.
9. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- wobei die Elektroden (2, 3) frei von Glaszusätzen sind.
10. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- wobei auf einer ersten Hauptfläche des Keramikkörpers (1) eine erste Elektrode (2) und auf einer zweiten Hauptfläche des Keramikkörpers eine zweite Elektrode (3) angeordnet ist
11. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- das oberflächenmontierbar ist.
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