DE19731164A1

DE19731164A1 - Selbstregelndes Heizelement

Info

Publication number: DE19731164A1
Application number: DE1997131164
Authority: DE
Inventors: Walther Dr Menhardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-01-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Heizelement, das aus einem Verbundwerkstoff aus kleinen Elementen von stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes einerseits und einem den übrigen Raum füllenden Material mit angepaßtem elektrischem Widerstand andererseits besteht. Heizelemente aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes haben den Vorteil selbsttätiger Temperaturregelung beziehungsweise selbsttätiger Temperaturbegrenzung, da der elektrische Widerstand dieses Materials bei Erreichen einer für das Material charakteristischen Temperatur stark ansteigt und somit den Strom bei ansteigender Temperatur zurückregelt.

Es werden für Heizelemente aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes üblicherweise gepreßte und gesinterte, eventuell teilweise geschliffene Keramikkörper eingesetzt (kurz: PTCs). Wegen der Technologie des Pillenpressens und auch wegen der einzuhaltenden Bedingungen des Sinterns ist man in der Formgebung dieser Keramikkörper sehr eingeschränkt. Sie liegen meist in Form rechteckiger oder runder Scheibchen vor. Für viele Anwendungen wären jedoch größere Möglichkeiten der Formgebung erwünscht.

Aus diesem Grunde wird versucht, aus einer Mischung kleiner Körner aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes einerseits und einem Binder andererseits Formköper herzustellen, in deren geometrischer Gestaltung man flexibler ist, die aber dennoch den Vorteil des positiven Temperaturkoeffizienten haben. Ein diesbezügliches Verfahren ist im United States Patent No. 4,544,828 beschrieben. Der nach diesem Vorschlag eingesetzte Binder ist allerdings nichtleitend, und eine Stromleitung durch das nach diesem Verfahren hergestellte Heizelement ist nur dann gewährleitet, wenn die einzelnen Körner des PTC-Materials untereinander trotz der Einbettung in den Binder und unter allen Betriebszuständen elektrischen Kontakt haben. Hierdurch werden sehr einengende Forderungen an den Binder gestellt, deren Einhaltung unter allen Betriebszuständen und über längere Betriebsdauer schwierig ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement eingangs erwähnter Art werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß die einzelnen Körner oder Plättchen aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes jeweils selbst zwei oder mehrere Kontaktflächen aufweisen und daß das verbindende Material, in dem sie eingebettet sind, auch eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zwischen den äußeren Anschlußelektroden des Heizelementes läuft eine Vielzahl unterschiedlicher Strompfade, teils nur durch das verbindende Material, teils in mehreren Stufen zwischen dem verbindenden Material und Keramik-Plättchen und deren Metallisierung wechselnd. In Summe ergibt sich eine Widerstands-Temperatur-Kennlinie, die zwar nicht den vollen Temperatursprung des PTC-Keramikmaterials hat, trotzdem aber noch eine Zone steilen Temperaturanstiegs aufweist, die für viele Anwendungen ausreicht. Die Vorteile dieses Verbundelementes sind große Freiheit in der Formgebung, geringe Empfindlichkeit gegenüber den Effekten unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Materialien und, bei Verwendung von Kunststoffen als Bindematerial, die Möglichkeit der Ausbildung flexibler Heizkörper.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert: In Fig. 1 bezeichnet die Ziffer 1 die Plättchen aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (PTCs), die in der Darstellung an einander gegenüberliegenden Seiten metallisiert sind. Diese Plättchen sind in das verbindende Material 2 eingebettet. Das Heizelement ist extern über die Kontaktflächen 3 mit den Anschlußdrähten 4 verbunden. Es bilden sich unterschiedliche Strompfade aus, einerseits nur durch das verbindende Material, andererseits sowohl durch verbindendes Material als auch durch PTC-Plättchen. Der spezifische Widerstand des verbindenden Materials ist so auf den Widerstand der PTC-Plättchen abgestimmt, daß die Strompfade neben den PTC-Plättchen nur einen geringen Nebenschluß darstellen und gleichzeitig doch eine elektrische Verbindung von einem PTC-Plättchen zum nächsten gegeben ist. Die Einbettung der PTC-Plättchen kann so erfolgen, daß alle gleich ausgerichtet sind, oder aber auch so, daß ihre Position statistisch beliebig ist. In diesem Fall wird es vorkommen, wie in Fig. 1 dargestellt, daß die Metallisierung einiger Plättchen senkrecht steht. Dies bedeutet in Richtung des Stromflusses Kurzschluß. Statistisch gesehen ergibt sich aber nur Kurzschluß auf einem Viertel des gesamten Strompfades, so daß insgesamt der gewünschte Effekt gegeben ist.

Fig. 2 zeigt ein einzelnes, metallisiertes Keramikplättchen, wobei 5 den Keramikkörper (z. B. Bariumtitanat) darstellt und 6 eine Kontaktelektrode. In Fig. 3 sind Widerstands-Temperatur-Kennlinien dargestellt. Es ist 7 die Charakteristik des PTC-Keramikmaterials, 8 der Widerstand des verbindenden Materials und 9 die Charakteristik des gesamten Heizelementes.

Claims

1. Selbstregelndes Heizelement, das aus einem Verbundwerkstoff aus kleinen Elementen von stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes einerseits und einem den übrigen Raum füllenden Bindematerial andererseits besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die stromleitenden Keramikelemente Kontaktierungsflächen aufweisen und daß das Bindematerial eine dem Widerstand der Keramikplättchen angepaßte Leitfähigkeit besitzt.

2. Selbstregelndes sHeizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Metallisierungsflächen der Keramikplättchen senkrecht zur Stromrichtung angeordnet sind.

3. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplättchen statistisch verteilt und statistisch verdreht angeordnet sind.

4. Selbstregelndes Heizelement nach Ansprüchen 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkörper unregelmäßige Form haben.

5. Selbstregelndes Heizelement nach Ansprüchen 1, 2, 3,4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkörper gezielt an solchen Teilen der Oberfläche metallisiert sind, daß sich ein besonders günstiger integraler Stromfluß ergibt.