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DE3204207A1 - Elektrischer widerstand, der niederohmig ist und insbesondere zum schutz eines elektrischen verbrauchers gegen elektrische ueberlastung dient - Google Patents

Elektrischer widerstand, der niederohmig ist und insbesondere zum schutz eines elektrischen verbrauchers gegen elektrische ueberlastung dient

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DE3204207A1
DE3204207A1 DE19823204207 DE3204207A DE3204207A1 DE 3204207 A1 DE3204207 A1 DE 3204207A1 DE 19823204207 DE19823204207 DE 19823204207 DE 3204207 A DE3204207 A DE 3204207A DE 3204207 A1 DE3204207 A1 DE 3204207A1
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ptc
face
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H01C—RESISTORS
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München «2 ρ 7Of)1
Elektrischer Widerstand, der niederohmig ist und insbe* sondere zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand, der niederohmig ist (kleiner bis 50 mOhm), insbesondere zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen elektrische Überlastung dient und aus einem aus keramischem Material gebildeten PTC-Körper besteht, der von Vertiefungen durchsetzt ist, die parallel zueinander verlaufen und deren innere Oberflächen gegenpolig mit Metall* belegungen versehen sind, so daß der Stromfluß durch die Zwischenwände senkrecht zu den Längsachsen der Vertiefungen verläuft und die gegenpoligen Belegungen auf den Stirnflächen des PTC-Körpers zum Zwecke der Stromzuführungen miteinander verbunden sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Widerstandes.
In der DE-AS 24 10 999 ist ein keramischer Kaltleiter als Heizelement in Wabenform beschrieben. Die inneren Oberflächen der einzelnen Wabenkanäle sind nicht metallisiert, sondern nur gegenüberliegende Stirnflächen des Wabenkörpers, so daß bei diesem keramischen Kaltleiter der Stromdurchgang von Stirnfläche zur Stirnfläche durch den gesamten Körper erfolgt. Besonders niederohmige elektrische Widerstände mit derartigen PTC-Körpern (PTC ist die Abkürzung für elektrische Widerstände mit
Bck 1 Pj
04.02.1982
-.-. ;:,- ;■, f; ν- ί; vjv " - ΓίνηοπίΚ UfiU. ßll'JSä
positivem Temperaturkoeliizienten und wird in der Fachliteratur vornehmlich für keramische Kaltleiter auf der Basis von Perowskitstruktur besitzendem, durch Dotierung halbleitend-gemachtem;keramische lassen^sich-aui^iese^Wei^^ giäMuga-sr
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Stirnfläche zur Stirnfläche, sehr gering sein müßte. Die4 %ekännfcen ■ iCaltleit©r^ mii^.einemi
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leiter hergeste2tit:?^er!d«n^iwenni#2<e^J!ü^xaue^ sichtlich Curietemperatur und spezifischen Widerstand ■■■■-'··--g^si^SfelieM^aoS^
bereitet die^etallisierung.ldiefsir FiBr5Kc3rpiSÄüin|g@-x verfahrenstechnische Schwierigkeiten. So müssen in den o>. Stiiöfläeheftiiiin-idBnen-Mdiö-ffkaaälf^giaiigeÄiVa^^ «nden,-ian-ihr^iPoHohe
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leitermaterialien, die einen spezifischen elektrischen
Widerstand bis 5 Ohm · cm aufweisen. Um daraus besonders niederohmige elektrische Widerstände (Widerstandswerte kleiner als 50 mOhm) herzustellen, sind besonders große Querschnittsflächen erforderlich. Man hat deshalb schon versucht, solche elektrische Widerstände mit PTC-Körpern herzustellen, die besonders dünn, dafür aber von sehr großer Fläche sind. Bei platten- oder scheibenförmigen Bauformen führt dies zu sehr großflächigen Bauelementen, die darüberhinaus mechanisch praktisch nicht belastbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Widerstand der eingangs angegebenen Art anzugeben, der besonders niederohmig ist, eine mögliehst hohe mechanische Stabilität aufweist und sowohl hinsichtlich der Herstellung des PTC-Körpers als auch hinsichtlich der Metallisierung besonders einfach ist; der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Widerstandes mit PTC-Körper anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der elektrische Widerstand der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende und zu den Längsachsen der Vertiefungen parallele Außenflächen des PTC-Körpers mit zur Stromzuführung dienenden Metallschichten versehen sind, von denen ausge-· herid Metallstreifen auf die beiden zu den Außenflächen senkrecht stehenden Stirnflächen des PTC-Körpers verlaufen derart, daß mit den gegenüberliegenden Metallschichten auf den Außenflächen verbundene Metallstreifen kammartig ineinandergreifen und die Metallbelegungen der Zwischenwände jeweils einer Reihe von Vertiefungen miteinander elektrisch verbunden sind.
Andererseits ist ein eleictrisches Bauelement der eingangs angegebenen Art zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in PTC-Kö.rper nur einseitig off^n sj^ daß 4ie an der ersten Stirnfläche offenen Vertiefungen nicht bis zur zweiten Stirnfläche reichen und die .an "-"der."-zweiten. Stirnfläche offenen Vertiefungen nicht bis zur ersten Stirnfläche erreichen, und daß jeweils an verschiedenen
■■-■- .--.- ..-,. ..-. .ίί Viii1; V^rK- ■-■-■■ ■ Stirnflächen offenen Vertiefungen schachbrettartig ineinandergreifend angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Widerstand gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, durch Dotierung haibleitend gemachten keramiächen-Pirpwskitmaterial auf der Basis von BaTiQ^ oder'/ (b1-Jx) TiO, mit χ >; 0 bis Q,5 mit efner Qurietempe
ratur gleich oder größer 120 0C und einen spezifischen Widerstandswert bei 25 0C von 5 bis 30 Ohm · cm besteht.
Das Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes gemäß der Erfindung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Körper aus dem rohen keramischen Material-im Preßverfahren hergestellt und dann dem keramischen Sintervorgang unterworfen wird, daß nach dem Abkühlen die gesamte aus den Stirnflächen, den Außenflächen, den anderen beiden Außenflächen und den inneren Oberflächen der Vertiefungen bestehende Oberfläche des PTC-Körpers in einem Verfahrensgang metallisiert wird und daß dann zur Bildung von Isolierflächen die anderen Außenflächen und auf den beiden Stirnflächen die Zwischenflächen zwischen den Metallstreifen entmetallisiert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur EntMe«* tallisierung der Zwischenflächen zwischen den Metallstreifen beim Preßvorgang des PTC-Körpers zwischen den jeweiligen Reihen der Vertiefungen erhabene Teile erzeugt werden, die nach der Metallisierung wenigstens teilweise durch Schleifen entfernt werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß wegen der praktisch frei wählbaren Größe der PTC-Körper besonders niederohmige elektrische Widerstände erhalten werden, die vorzugsweise zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen Überlastung eingesetzt werden können. Bei Überlastung wird der sonst niederohmige elektrische Widerstand entsprechend der typischen PTC-Charakteristik (sprunghafter Anstieg des Widerstandswertes um drei und mehr Zehnerpotenzen im Bereich der Curietemperatur) besonders hochohmig und wirkt damit als Schutz für den elektrischen Verbraucher.
Sofern die Vertiefungen entsprechend der ersten Alternative der Erfindung von Stirnfläche zur Stirnfläche durchgehende Kanäle darstellen, ist es natürlich auch möglich, den PTC-Körper als Heizelement zur Erhitzung von durch ihn hindurchströmenden Medien zu verwenden.
Je mehr Vertiefungen im PTC-Körper vorhanden sind, desto niederohmiger wird der elektrische Widerstand.
Die lichte Weite der Vertiefungen ist vom Metallisierungsverfahren abhängig. Wird die Metallisierung beispielsweise im Flammspritzverfahren hergestellt, wie es in anderem Zusammenhang bekannt ist, so ist es erfor-
derlich, daß die lichte Weite größer ist und etwa 2 bis 5 mm beträgt. Bei Metallisierungsverfahren, bei denen der PTC-Körper auf chemischem Wege metallisiert wird,
■ . sind lichte Weiten der Vertiefungen von 1 mm und gegebenenfalls noch darunter möglich.
Bei einer Wandstärke von 0,6 mm zwischen den einzelnen gegenpoligen Kanälen werden bei 1 cm"5 Volumen des PTG-Körpers unter Verwendung eines Materials mit 5 Ohm· cm etwa 50 mOhm erreicht, so daß ein solcher elektrischer Widerstand für den Einsatz bis 20 V geeignet ist und eine Stromstärke von 6 bis 10 A verträgt.
Auch hier gilt, daß mit einer Erhöhung der Zahl der Vertiefungen ein umso niederohmigerer elektrischer Widerstand erreicht werden kann.
Unter Verwendung eines PTC-Materials mit 30 0hm · cm spezifischen Widerstand und einer Wandstärke von 2 mm zwischen den Vertiefungen wird bei größerem Volumen des PTC-Körpers der Einsatz bei 220 bis 250 V und 3 bis 5 A möglich.
Die Herstellung eines elektrischen Widerstandes gemäß der Erfindung ist besonders einfach und erfolgt durch einen Preßvorgang, bei dem ein monolithischer Körper mit Vertiefungen erzeugt wird, wobei für diesen Preßvorgang feinteiliges keramisches Rohmaterial verwendet wird. Der gepreßte PTC-Körper wird danach in an sich bekannter Weise unter Verwendung üblicher Temperaturen (1150 bis 1350 0C) keramisch gesintert. Nach dem Sintern wird die gesamte Oberfläche mit einer Metallschicht versehen, wonach die zu den Vertiefungen parallel liegenden Außenflächen des PTC-Körpers zur Bildung der einzelnen voneinander getrennten gegenpoligen Elektroden
sf- VPA 82 P 7 Q 0 5 OE
von den Metallschichten befreit werden. Metallisierungsverfahren sind beispielsweise chemisches Vernickeln oder Flammspritzen, beides ist hinreichend bekannt.
Wenn die Vertiefungen als durchgehende Kanäle ausgebildet sind, so erfolgt an den Lochinnenwänden eine erhöhte Wärmeübertragung infolge Konvektion, wodurch der Kippstrom gegenüber einer Ausführungsform mit nicht durchgehenden Vertiefungen bei gleichem elektrischen Widerstandswert erhöht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.· 1 eine Ausführungsform mit als durchgehende
Kanäle ausgeführten Vertiefungen, Fig. 2 eine mit nicht durchgehenden Vertiefungen
versehene Ausführungsform und Fig. 3 ein Schnitt in der Ebene HI-III in Figur 2.
In Fig. 1 ist mit 1 der PTC-Körper gezeigt, der von in Reihen angeordneten Vertiefungen 2 und 3 durchsetzt ist, die von der Stirnfläche 7 zur Stirnfläche 8 reichen und somit kanalförmig sind. Die Vertiefungen 2 und 3 sind mit Metallisierungen 4 und 5 auf ihrer gesamten inneren Oberfläche versehen. An den Außenflächen 9 und 10 sind Metallisierungen 11 und 12 aufgetragen, von denen ausgehend Metallstreifen 13 und 14 auf die beiden zu den Außenflächen 9 und 10 senkrecht stehenden Stirnflächen 7 und 8 des PTC-Körpers 1 verlaufen. Diese Metallstreifen 13 und 14 sind mit den Metallschichten 11 und 12 auf den Außenflächen 9 und 10 derart verbunden,
daß sie kammartig ineinandergreifen und mit den.Metallbelegungen 4 und 5 der Zwischenwände jeweils einer Reihe von Vertiefungen 2 bzw, 3 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise tritt bei AnIegen einer Spannung an die Metallschiehten 11 und 12 ein Stromdurchgang durch die Zwischenwände β senkrecht zu den Längsachsen der kanalartigen Vertiefungen 2 und auf.
Die Herstellung eines solchen PTC-Körpers 1 geschieht vorteilhaft in der Weise, daß durch einen Preßvorgang der Körper und die kanalförmigen Vertiefungen 2 und 3 erzeugt wird. Der nach diesem Preßvorgang aus keramischem Rohmaterial bestehende Körper wird dann dem Sintervorgang unterworfen und danach auf sämtlichen Oberflächenteilen metallisiert, d.h. auf den Stirnflächen 7 und 8, den Außenflächen 9 und 10, den anderen beiden Außenflächen 15 und 16 und den inneren Oberflächen sämtlicher Vertiefungen 2 und 3. Die Außenflächen 15 und 16 werden dann von der Metallisierung befreit, um Isolierflächen zwischen den Metallschiehten 11 und 12 zu erzeugen. Dieses Entmetallisieren der Außenflächen 15 und 16 kann durch Abschleifen vorgenommen werden, es ist aber auch möglich, diese Flächen vor der Metallisierung abzudecken, damit dort keine Metallschicht entsteht. Die mäanderförraige Zwischenfläche 17 zwischen den Metallstreifen 13 und 14 wird ebenfalls durch Abschleifen erzeugt. Besonders vorteilhaft ist es, zur Entmetaiiisierung dieser Zwischenfläche 17 beim Preß-Vorgang des PTC-Körpers zwischen den jeweiligen Reihen der Vertiefungen 2 und 3 erhabene, d.h. hervorstehende Teile zu erzeugen, die dann nach der Metallisierung des gesamten Körpers wenigstens teilweise durch Schleifen
entfernt werden, so daß die isolierende Zwischenfläche 17 entsteht.
Fig. 2 zeigt perspektivisch eine andere Ausführungsform des PTC-Körpers 1, bei dem die Vertiefungen 18 an der Stirnfläche 20 offen sind, jedoch nicht vollständig durchgehend bis zur Stirnfläche 21 geöffnet sind. Andererseits sind die Vertiefungen 19 an der Stirnfläche 21 offen und reichen nicht vollständig bis zur Stirnfläche 20. Die Vertiefungen 19 und 20 sind im PTC-Körper 1. so angeordnet, daß sie gewissermaßen schachbrettartig alternierend einmal an der einen Stirnseite offen und an der anderen geschlossen sind und zum anderen an der anderen Stirnseite offen und an der ersten geschlossen sind.
Dieser Körper kann ebenfalls und vorteilhafterweise in einem einzigen Preßvorgang hergestellt werden und wird nach dem Sintern vollständig metallisiert. Durch Entfernen der Metallschicht auf den an die Stirnflächen 20 und 21 angrenzenden Außenflächen entstehen Isolierflächen 24 und 25, die zusammen mit den entsprechenden freien Teilen an den jeweils gegenüberliegenden Außenflächen eine Isolierstrecke zwischen den Metallschich- ten 22 und 23 ergeben.
Fig. 3, die einen Schnitt in der Ebene III-III in Fig. 2 zeigt, ist zu erkennen, daß die Kanäle 18 an der Stirnfläche 20 offen und in der Nähe der Stirnfläche 21 geschlossen sind, während die Kanäle 19 an der Stirnfläche 21 offen und in der Nähe der Stirnfläche 20 geschlossen sind. Von den Metallschichten 22 und 23 reichen Metallisierungen 26 in die Vertiefungen 18 und Me-
taliisierungen 27 in die Vertiefungen 19 hinein. Diese Metallisierungen stellen gewissermaßen die gegenpoligen Belegungen dar, so daß der Stromdurchgang bei Anlegen einer Spannung durch die sehr dünrien Zwischenwände zwischen den Kanälen 18 und 19 in senkrechter Richtung zu den Längsachsen dieser Kanäle auftritt.
6 Patentansprüche,
3 Figuren.
1. PTC-Körper
2. Vertiefungen im PTC-Körper 1
3. Vertiefungen im PTC-Körper 1
4. Metairbelegungen der Vertiefungen
5. Metallbelegungen der Vertiefungen
6. Wände zwischen gegenpoligen Vertiefungen 2,
7. Stirnfläche des PTC-Körpers 1
8. Stirnfläche des PTC-Körpers 1
9. Außenfläche des PTC-Körpers 1
10. Außenfläche des PTC-Körpers 1
11. Metallschicht auf der Außenfläche
12. Metallschicht auf der Außenfläche
13· Metallstreifen, verbunden mit Metallschicht
14. Metallstreifen, verbunden mit Metallschicht
15. Außenflächen mit Isolierfläche
16. Außenflächen mit Isolierfläche
17. Zwischenfläche zwischen den Metallstreifen 13 und
18. Vertiefungen der Stirnfläche
19. Vertiefungen der Stirnfläche
20. Stirnfläche
21. Stirnfläche
22. Metallschicht
23. Metallschicht
24. Isolierfläche zwischen den Metallschichten 22 und
25. Isolierfläche zwischen den Metallschichten 22 und
26. Metallisierung in den Vertiefungen 27'; Metallisierung in den Vertiefungen

Claims (6)

  1. .."-;;■■■ " "/3.2Ό4207 VPA 82 P 70 05 DE
    Elektrischer Widerstand, der niederohmig ( <! 50 mOhm) ist, insbesondere zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen elektrische Überlastung dient und aus einem aus keramischem Material gebildeten PTC-Körper (.1) besteht, der von Vertiefungen (2, 3) durchsetzt ist, die parallel zueinander verlaufen und deren innere Oberflächen gegenpolig mit Metallbelegungen (4, 5) versehen sind, so daß der Stromfluß durch die Zwischenwände (6) senkrecht zu den Längsachsen der Vertie- fungen (2, 3) verläuft und die gegenpoligen Belegungen (4, 5) auf den Stirnflächen (7, 8) des PTC-Körpers (1) zum Zwecke der Stromzuführung miteinander verbunden sind, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß zwei einander gegenüberliegende und zu den Längs·» achsen der Vertiefungen (2, 3) parallele Außenflächen (9, 10) des PTC-Körpers (1) mit zur Stromzuführung dienenden Metallschichten (11, 12) versehen sind, von denen ausgehend Metallstreifen (13, 14) auf die beiden zu den Außenflächen (9, 10) senkrecht stehenden Stirnflächen (7, 8) des PTC-Körpers (1) verlaufen derart, daß mit den gegenüberliegenden Metallschichten (11, 12) auf den Außenflächen (9, 10) verbundene Metallstreifen (13, 14) kammartig ineinandergreifen und die Metallbelegungen (4, 5) der Zwischenwände jeweils einer Reihe von Vertiefungen (2, 3) miteinander elektrisch verbunden sind.
  2. 2. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
    VPA 82 "· 7 O "3204207 ι -ie- P 0 5DE
    den PTC-Körper (1) durchsetzenden Vertiefungen (2, 3) an beiden Stirnflächen (7, 8) des PTC-Körpers (1) offen sind.
  3. 3· Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der PTC-Körper (1) aus dem rohen keramischen Material im Preßverfahren hergestellt und dann dem keramischen Sintervorgang unterworfen wird, daß nach dem Abkühlen die gesamte aus den Stirnflächen (7, 8), den Außenflächen (9, 10), den anderen beiden Außenflächen .(15, 16) und den inneren Oberflächen der Vertiefungen (2, 3) bestehende Oberfläche des PTC-Körpers (1) in einem Verfahrensgang metallisiert wird und daß dann zur Bildung von Isolierflächen die anderen Außenflächen (15, 16) und auf den beiden Stirnflächen (7, 8) die Zwischenflächen (17) zwischen den Metallstreifen (13, 14) entmetallisiert werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur Entmetallisierung der Zwischenflächen (17) zwischen den Metallstreifen (13, 14) beim Preßvorgang des PTC-Körpers (1) zwischen den jeweiligen Reihen der Vertiefungen (2, 3) erhabene Teile erzeugt werden, die nach der Metallisierung wenigstens teilweise durch Schleifen entfernt werden.
  5. 5. Elektrischer Widerstand, der niederohmig (^ 50 mOhm) ist, zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen elektrische Überlastung dient und aus einem aus keramischem Material gebildeten PTC-Körper (1) besteht, der von Vertiefungen (2, 3) durchsetzt ist, die parallel zueinander verlaufen und deren innere
    -" *""/*" " "-32042Ό7 VPA 82 P 70 0 5
    Oberflächen gegenpolig rsit Metallbelegungen (4, 5) versehen sind, so daß der Stromfluß durch die Zwischenwände (6) senkrecht zu den Längsachsen der Vertiefungen (2, 3) verläuft und die gegenpoligen Belegungen (4, 5) auf den Stirnflächen (7, 8) des PTC-Körpers (1) zum Zwecke der Stromzuführung miteinander verbunden > sind, dadurch gekennzei chnet$, daß die Vertiefungen (18, 19) im PTC-Körper (1) nur einseitig offen sind, daß die an der ersten Stirnfläche
    (20) offenen Vertiefungen (18) nicht bis zur zweiten Stirnfläche (21) reichen und die an der zweiten Stirnfläche (21) offenen Vertiefungen (19) nicht bis zur ersten Stirnfläche (20) reichen, und daß die jeweils an verschiedenen Stirnflächen (20, 21) offenen Vertief ungen (18, 19) schachbrettartig ineinandergreifend angeordnet sind,
  6. 6. Elektrischer Widerstand nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, d a d u r c h gekennzeichnet s daß er aus durch Dotierung halbleitend gemachten keramischen Perowskitmaterial auf der Basis von BaTiO, oder (Ba^Fb1 ) TiO, mit χ >- 0 bis 0,5 mit einer Curietempe-
    ·* ο
    ratur gleich oder größer 120 C und einen spezifischen Widerstandswert bei 25 0C von 5 bis 30 Ohm» cm besteht.
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