DE2941196A1

DE2941196A1 - Ptc-heizelement

Info

Publication number: DE2941196A1
Application number: DE19792941196
Authority: DE
Inventors: Hideshi Ichikawa Chiba Kataoka; Shoji Koyama; Hisao Hachioji Tokyo Nakagawa; Hisao Akita Senzaki; Ryoichi Shioi; Kazumasa Umeya
Original assignee: Tdk Electronics Co Ltd Tokyo; TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1979-10-11
Filing date: 1979-10-11
Publication date: 1981-04-23
Also published as: GB2061075A; US4654510A; DE2941196C2; GB2061075B

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement, bestehend aus einem keramischen Halbleiterkörper mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern, wobei das keramische Halbleitermaterial oberhalb des Curiepunktes einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Derartige keramische Halbleiterkörper bestehen aus einem PTC-Thermistor und dienen in Verbindung mit einem Gebläse als Heizgerät.

Ein PTC-Thermistor besteht aus Bariumtitanat und weist vorzügliche Gebrauchseigenschaften auf, insbesondere der Umstand, daß die gewünschten Aufheiztemperaturen erhalten werden durch Einstellen des Curiepunktes des PTC-Thermistors, und weiterhin durch die Tatsache, daß keine Gefahr besteht, daß ein PTC-Thermistor überhitzt wird. Das letztgenannte Merkmal beruht auf dem Umstand, daß der Widerstand eines PTC-Thermistors bei einer Temperatur oberhalb des Curiepunktes plötzlich ansteigt. Demgemäß ist ein PTC-Thermistor infolge seiner automatischen Temperaturkontrolle sehr attraktiv und wird bei den verschiedenartigsten Heizelementen verwendet.

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Wird ein bienenwabenförmiger PTC-Therniistorkörper, welcher eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist, zusammengebaut mit einem Ventilator, um Luft durch die Durchgangslöcher zu leiten, dann ist er praktisch verwendbar als Lufterhitzer, Haartrockner und für andere Arten von Trocknern. Da ein PTC-Thermistor in Form einer Pille keine ausreichende Wärmemenge erzeugt, um als Lufterhitzer verwendet werden zu können, werden für diesen Verwendungszweck PTC-Thermistoren eingesetzt, die einen bienenwabenförmigen Aufbau aufweisen.

Aus der US-PS 4 032 752 ist es bekannt, an beiden Enden des PTC-Thermistors mit bienenwabenförmigem Aufbau Ohm'scne Elektroden vorzusehen. Infolge der inhärenten Eigenschaften des PTC-Thermistors, des negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und eines niederen Widerstands unterhalb des Curiepunktes fließt ein beträchtlich hoher Strom durch den PTC-Thermistorkörper und die Ohm'sche Elektrode, bis die Temperatur des PTC-Thernistcrkörpers die Curietemperatur erreicht. Dieser beträchtlich hohe Strom tritt auf direkt nach Anschluß des FTC-Thermistors an eine elektrische Speisespannungsquelle. Infolge des hohen Stromes kann ein Teil, insbesondere der zentrale Teil der Ohm'schen Elektrode teilweise ausbrennen infolge von FunkenbiIcIjng zwischen de· Ohm'schen Elektroden und dem PTC-Thermistorkörper. Außerdem kann die Stromquelle infolge der hohen Stromaufnahme zerstört oder beschädigt werden. Der hohe Stromfluß der auftritt, bis die Temperatur plötzlich bis auf den Curiepunkt ansteigt, wird als Rushstron bezeichnet.

Der DE-AS 16 65 880 ist zu entnehmen, daß zur Bildung von Ohm'schen Elektroden an PTC-Thermistorkorpern mittels eires Siebdruckverfahrens eine Ohm'sche Paste aufgebracht wird, deren Hauptbestandteil aus Silber mit einem Zusatz aus Indium oder Gallium besteht, wobei eine Schicht gebildet wird, die anschließend gebacken wird. Die auf diese Weise erzeugte Silberelektrode weist das Problem 0er ,'•'igration von Silber bei niederen Temperaturen auf. Die Verschlechterung der Elektrode ist mit dadurch bedingt, daß Indium .,nd Gallium

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einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als Silber, wodurch eine Migration des Silbers in die Oberfläche des wabenförmigen PTC-Thermistorkörpers induziert wird. Diese Migration ist bei einem wabenförmigen PTC-Thernistorkörper deutlich stärker als bei einem soliden Heizkörper ohne Durchgangslöcher.

Es besteht daher die Aufgabe, das Heizelement so auszubilden, daß es zuverlässig ist, keine Migrationen auftreten und daß weiterhin der Wert des Rushstromes vermindert wird im Vergleich zu dem Rushstrcm, der bei einem konventionellen PTC-Heizelement auftritt.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Heizelement der eingangs genannten Art dadurch, daß der keramische Halbleiterkörper mindestens an einem Ende mit einer nicht Ohm'schen Elektrode versehen ist.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Heizgeräts;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strom- und

Spannungscharakteristik von PTC-Thermistören r:it verschiedenen Elektroden;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverhaltens von PTC-Thermistören und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Strom- und

Spannungsverhaltens im logarithmischen Maßstab.

Die in Fig. 1 gezeigte Heizvorrichtung, welche in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist, weist einen wabenförmigen PTC-Heizkörper 2 und ein Strömungserzeugendes Bauteil, wie beispielsweise einen Lüfter 3 auf, welcher beispielsweise Luft in den Heizkörper 2 bläst.

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Der wabenförmige PTC-Heizkörper 2 besteht aus einem PTC-Thennistorelement 4, das mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 5 versehen ist, und an dessen oberer und unterer Oberfläche der Trennwände nicht Ohm'sche Elektroden 7 vorgesehen sind. Die Trennwände 6 weisen die Fora eines Gitterwerks auf, und definieren somit die Durchgangslöcher. Die Dicke der Trennwände 6 kann zwischen 0,2 und 0,45 mm betragen und die Fläche der Durchgangslöcher relativ zur oberen oder unteren Oberfläche des PTC-Thermistorelements 4 beträgt etwa 30 bis 70 %.

Das wabenförmige PTC-Thermistorelement 4 kann aus irgendwelchem bekanntem PTC-Thermistormaterial bestehen, vorzugsweise handelt es sich um ein PTC-Thermistormaterial, wie es in der US-Patentanmeldung 882 922 beschrieben ist.

Im allgemeinen weist das PTC-Thermistorelement 4 eine Säulenform auf. Durch den säulenförmigen Körper verlaufen parallel zueinander die D.irchgangslöcher, welche runde, rechteckige, quadratische oder sechseckige Form aufweisen können. Die festen Teile des PTC-Thermistorkörpers haben eine im wesentlichen gleichförmige Dicke zueinander und bilden Trennwände, welche die Durchgangslöcher oder Kanäle definieren. Die nicht Chm'schen Elektroden sind an gegenüberliegenden Enden der Trennwände angeordnet und werden bevorzugt mittels einer Siebdrucktechnik aufgebracht.

Die nicht Ohm'schen Elektroden 7 bestehen hauptsächlich aus einem elektrisch leitenden Metall, wie beispielsweise Silber, Gold oder Kupfer und zusätzlich aus einem adhäsiven Oxyd oder Oxyden, wie beispielsweise Bleiborsilikatglas (frit). Für dem Ohm'schen Kontakt zwischen der Elektrode und de^ PTC-Thermistor ist bei den nicht Ohm'schen Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung kein Metall vorgesehen, wie beispielsweise In, Ga, Zn, Cd, Bi and Sn.

In Fig. 2 ist die Strom-Spannungscharakteristik für verschiedene Elektroden gezeigt. Ohm'sche Elektroden, welche hauptsächlich aus Silber und Indiun bestehen, haben eine lineare Strom-Spannungs-

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Charakteristik, wie dies die Kurve 10 zeigt. Wenn eine nicht Ohm' sehe Silberelektrode an einem Ende des PTC-Thermistorkörpers vorhanden ist und sich am anderen Ende eine Ohm'sche Silber-Indiumelektrode befindet, ergibt sich eine Strom-Spannungscharakteristik, entsprechend der Kurve 11, bei welcher eine Gleichrichtereigenschaft bei einer Spannung von 1,0 Volt oder geringer vorhanden ist. Wenn nicht Ohm'sche Silberelektroden an beiden Enden des PTC-Thermistorkörpers vorhanden sind, dann ist der durch den PTC-Thermistorkörper fließende Strom sehr gering, entsprechend der Kurve 12 und zwar im Spannungsbereich der Fig. 2, infolge der Gleichrichterwirkungen der nicht-Ohm'schen Elektroden.

Zur Herstellung der nicht-Ohm'schen Elektroden wird eine Silberpaste verwendet, welche hauptsächlich aus Silberpulver, einem oder mehreren adheVven Oxyden, einem organischen Binder und einem Lösungsmittel besteht. Die Silberpaste wird an beiden Enden wie vorbeschrieben aufgebracht und bei einer Temperatur von 600 bis 700°C gebacken. Die sich nach dem Backen ergebenden nicht-Ohm'schen Elektroden bestehen aus 90 bis 99, vorzugsweise 95 bis 98 % Silber und 2 bis 5 % des oder der adhäsiven Oxyde. Die nicht-Ohm'schen Elektroden haben eine Dicke von näherungsweise 7 bis 30 micron, vorzugsweise von 15 bis 25 micron.

Obwohl bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an beider. Enden des wabenförmigen Heizelements zwei nicht-vhm'sche Elektroden vorgesehen sind, ist es auch ioglich, an einem der Enden eine nict-Ohm'sche Elektrode vorzusehen und am anderen Ende aes wabenform! ger, PTC-Heizelements 2 eine konventionelle Ohm'sche Elektrode. Bevorzugt wird die nicht-Ohm'sche Elektrode an demjenigen Ende des wabenförmigen PTC-Heizelements angeordnet, welches der Umgebungsljft ausgesetzt ist. Im Falle der Verwendung einer Ohm'schen Elektrode wird diese bevorzugt hergestellt mittels eines Aufsprühverfahrens anstelle eines Siebdruckverfahrens. Die nicht-Ohm'sche Elektrode enthält kein Indium und Gallium, welches eine Migration von Silber induzieren würde und das auch die Witterungsbeständigkeit vermindern würde. Um die Zuverlässigkeit der Elektroden zu verbessern, wurde

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bereits der Vorschlag gemacht,bei einem wabenförmigen PTC-Heizelement zwei oder dreischichtige Elektroden vorzusehen. Der einschichtige Elektrodenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine ausreichend gute Wetter- und Korrosionsbeständigkeit auf und weiterhin sind die Herstellkosten eines Heizgeräts mit dem erfindungsgemäßen wabenförmigen PTC-Heizelement geringer im Vergleich zu einem Heizelement, bei welchem mehrschichtige Elektroden verwendet werden.

Der Bläser 3 besteht aus einem Elektromotor 8 und Lüfterflügeln 9, welche auf der Welle des Elektromotors 3 angeordnet sind.

Bei dem oben beschriebenen Heizgerät fließt der Ruschstrom direkt nach dem Anlegen des Stroms bzw. der Spannung an das wabenförmige PTC-Heizelement 2. Dieser Rushstrom kann auf einen relativ niederen Wert gebracht werden, bedingt d..rch den Kontaktwiderstand zwischen den nicht-Ohm¹sehen Elektroden 7 und dem PTC-Thermistorelement 2.

Demgemäß ist es möglich, Beschädigungen infolge eines abnormal hohen Stromes zu verhindern, d.h. es wird verhindert, daß die Elektroden im heizgerät abbrennen, oder daß eine Sicherung durchbrennt oder daß ein Stromunterbrecher in der Speisespannungsquelle anspricht.

In Fig. 3 ist das zeitliche Stromverhalten des Stroms durch ein PTC-Heizelement dargestellt und zwar einmal unter Verwendung nicht-Ohm'scher Elektroden (Kurve A)bzw. unter Verwendung von Ohm'schen Elektroden (Kurve B). Bei Verwendung nicht-Ohm'scher Elektroden ergibt sich ein geringerer Rushstrom (PA) durch das PTC-Heizelement. Der fließende Strom unter Verwendung von Ohm'schen Elektroden ist demgegenüber wesentlich höher (PB). Das Vernältnis PA/PB kann 1/2 oder weniger betragen. Nach einer Zeitspanne von 10 Sekunden bis weniger als 20 Sekunden nach Begir.n des Stromflusses durch 3en wabc-rfor-iigen PCT-Heizkörper 2 ,■<ird dieser Stromfluß durch den PTC-Heizorper 2 stabil, .d.h. der Stronidjrchfluß erreicht einen

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stabilisierten Zustand, wobei Wärme im Körper 2 erzeugt wird. Der Fluidstrom, wie beispielsweise Luft, deren Strömung durch den Bläser 3 erzwungen wird, wird auf die gewünschte Temperatur während des Durchgangs durch die Durchgangslöcher 5 erhitzt und strömt aus dem wabenförmigen Heizelement, wie dies durch den Pfeil C in Fig.l angedeutet ist.

In Fig. 4 ist das Strom-Spannungsverhalten dargestellt, wenn eine Spannung an den PTC-Heizkörper 2 angelegt wird und zwar einmal zeigt die Kurve D das Verhalten bei Verwendung nicht-Ohm'scher Elektroden und die Kurve E das Verhalten unter Verwendung einer Ohm'schen Elektrode. Gemäß Fig. 4 wurde die Spannung verändert zwischen 2 und 500 Volt. Wie der Fig. 4 entnehmbar ist, verlaufen die Kurven D und E gleich, wenn die Spannung über den Spannungswert Vn erhöht wird. Wird ein wabenform!ges Heizelement 2 bei einer Spannung gleich oder oberhalb des Koinzidenzpunktes Vn verwendet, dann ist der elektrische Energieverbrauch konstant. Hieraus ergibt sich, daß ein wabenförmiges PTC-Heizelement 2 gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen die gleiche Wärme erzeugt wie ein konventionelles wabenförmiges PTC-Heizelement mit Ohm'schen Elektroden.

Die vorliegende Erfindung wird ergänzend beschrieben anhand eines Beispiels.

Beispiel

Die Hauptzusammensetzung eines PTC-Thermistors wurde in Pulverform vorbereitet, so daß die Zusammensetzung enthielt 54 Gew.-% BaO, 12 Gew.-% PbO, 33,8 Gew.-% TiOp, unter Verwendung eines Halbleiterbildners, wie beispielsweise YpO₃ in einem Anteil von 0,2 Gew.-%. Mangan mit einem Anteil von 0,02 Gew.-% wurde hinzugefügt zur Hauptzusammensetzung und das Pulver wurde verpreßt und gesintert zur Herstellung einer wabenförmigen Struktur gemäß Fig. i. Beim Sinterprozeß wurden die Bestandteile zuerst in einer Kugelmühle

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vermischt, verpreßt und anschließend vorgesintert auf eine Temperatur von HOO⁰C. Das vorgesinterte Material wurde anschließend auf eine Korngröße von 2 bis 10 micron pulverisiert und mit einem organischen Binder aus Polyvinylalkohol in einem Anteil von 2 Gew.-% vermischt. Die Mischung aus dem vorgesinterten Keramikmaterial und dem organischen Binder wurde anschließend extrudiert und hierbei die Mischung in eine wabenförmige Struktur gebracht, welche anschließend gesintert wurde bei einer Temperatur zwischen 125O⁰C und 1300⁰C. Der Widerstand des PTC-Thermistors bei 20⁰C betrug 25 0hm. Der Durchmesser und die Dicke des wabenförmigen Körpers 1 betrug 50 mm bzw. 3,5 mm. Eine Anzahl von Durchgangslöchern 5 mit einer lichten Weite von 1 mm wurden definiert durch Trennwände 6 mit einer Dicke von 0,2 mm. Der Curiepunkt des wabenförmigen PTC-Thermistors betrug 19O⁰C. An beiden Enden wurde auf die Oberflächen der Trennwände 6 des PTC-Thermistors eine Paste aufgebracht, welche hauptsächlich aus etwa 90 % Silberteilchen, etwa 4 % Bleiborsilikatglas und einem organischen Binder bestand. Diese Paste wurde mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht und sodann bei einer Temperatur von 600⁰C gebacken, wobei sich nicht-Ohm'sche Elektroden 7 mit einer Dicke von 20 micron ergaben.

Eine übliche Wechselstromquelle von 100 Volt wurde über nicht dargestellte Leitungen an den wabenförmigen PTC-Heizkörper 2 angelegt und zwar an dessen Elektroden derart, daß ein Arbeitszyklus, bestehend aus einer Minute Stromdurchfluß und einer Minute Unterbrechung für 20 Zyklen wiederholt wurde. Anschließend wurde festgestellt, daß keine der nicht-Ohm'schen Elektroden an- oder abgebrannt war.

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Claims

Rolf Charter

Patentanwalt

Rehlingenstraße 8 · Postfach 260

D-8900 Augsburg 31

Telefon 0821/36015+36016

Telex 533 275

Pos.scheckkomo München Nr 154789-801 _Anm _ . JDK ELeCtrOPICS CO. Ltd.

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Patentansprüche

/ 1. ,Heizelement, bestehend aus einem keramischen Halbleiterkörper —'mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern, wobei das keramische Halbleitermaterial oberhalb des Curiepunktes einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Ende des keramischen Halbleiterkörpers eine nicht-Ohm'sehe Elektrode angeordnet ist.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-Ohm'sche Elektrode aus einem elektrisch leitenden Metall und einem adhäsiven Oxyd besteht.
3. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metall in der nicht-Ohm¹ sehen Elektrode enthalten ist mit einem Anteil von 90 bis 99 Gew.-% und der Rest aus dem adhäsiven Oxyd besteht.
4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die nicht-Ohm'sche Elektrode eine Dicke zwischen 7 und 30 micron aufweist.
5. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Metall Silber ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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6. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichn e t , daß die Dicke der Trennwände zwischen den Durchgangslöchern 0,2 bis 0,45 mm ist und die Fläche der Durchgangslöcher 30 bis 70 % der Gesamtfläche des Halbleiterkörpers an einer Stirnfläche einnimmt.

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