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(11) | EP 0 085 980 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Elektrischer Widerstand, der niederohmig ist und insbesondere zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen elektrische Überlastung dient |
| (57) Der niederohmige (≤ 50 mohm) elektrische Widerstand besteht aus einem keramischen
PTC-Körper (1), der von parallelen Vertiefungen (2, 3) durchsetzt ist, deren innere
Oberflächen gegenpolig mit Metallbelegungen (4, 5) abwechselnd versehen sind, die
mittels Metallstreifen (13, 14) auf gegenüberliegenden Stirnflächen (7, 8) zur Stromzuführung
elektrisch leitend verbunden sind. |
[0001] 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 Metallbelegungen 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.
[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Widerstandes.
[0003] 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 positivem Temperaturkoeffizienten und wird in der Fachliteratur vornehmlich für keramische Kaltleiter auf der Basis von Perowskitstruktur besitzendem, durch Dotierung halbleitend gemachtem keramischen Material benutzt) lassen sich auf diese Weise nicht erreichen da für einen solchen Fall die Dicke der Körper, gemessen von Stirnfläche zur Stirnfläche, sehr gering sein müßte. Die bekannten Kaltleiter mit einem Körper mit Wabenstruktur werden beispielsweise als Heizelemente zur Durchflußerhitzung für strömende Medien benutzt.
[0004] In der DE-OS 30 16 725 ist unter anderem ein Verfahren zur Herstellung von PTC-Körpern beschrieben, die wie einleitend angegeben aufgebaut sind. Die inneren Oberflächen der einzelnen als Kanäle ausgeführten Vertiefungen sind derart metallisiert, daß der Stromdurchgang durch die dünnen Wände zwischen den einzelnen Kanälen erfolgt. Auf diese Weise können zwar niederohmige Kaltleiter hergestellt werden, wenn hierfür auch ein hinsichtlich Curietemperatur und spezifischen Widerstand entsprechend ausgewähltes Material benutzt wird, jedoch bereitet die Metallisierung dieser PTC-Körper einige verfahrenstechnische Schwierigkeiten. So müssen in den Stirnflächen,in denen die kanalförmigen Vertiefungen enden, in ihrer Höhe unterschiedlich angeordnete Vertiefungen und Querverbindungen vorgesehen sein, damit sichergestellt ist, daß letztlich im fertigen elektrischen Widerstand die einzelnen Vertiefungen alternierend kontaktiert sind.
[0005] Für die Herstellung niederohmiger elektrischer Widerstände mit PTC-Körpern gibt es bereits keramische Kaltleitermaterialien, 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.
[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Widerstand der eingangs angegebenen Art anzugeben, der besonders niederohmig ist, eine möglichst 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.
[0007] 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 ausgehend 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.
[0008] Andererseits ist ein elektrisches Bauelement der eingangs angegebenen Art zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in PTC-Körper nur einseitig offen sind, daß die 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 Stirnflächen offenen Vertiefungen schachbrettartig ineinandergreifend angeordnet sind.
[0009] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Widerstand gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aus durch Dotierung halbleitend gemachten keramischen Perowskitmaterial auf der Basis von BaTiO3 oder (BaxPb1-x) TiO3 mit x > 0 bis 0,5 mit einer Curietemperatur gleich oder größer 120 C und einen spezifischen Widerstandswert bei 25 °C von 5 bis 30 Ohm . cm besteht.
[0010] 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.
[0011] Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Entmetallisierung 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] Je mehr Vertiefungen im PTC-Körper vorhanden sind, desto niederohmiger wird der elektrische Widerstand.
[0015] 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 erforderlich, 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.
[0016] Bei einer Wandstärke von 0,6 mm zwischen den einzelnen gegenpoligen Kanälen werden bei 1 cm3 Volumen des PTC-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.
[0017] Auch hier gilt, daß mit einer Erhöhung der Zahl der Vertiefungen ein umso niederohmigerer elektrischer Widerstand erreicht werden kann.
[0018] Unter Verwendung eines PTC-Materials mit 30 Ohm · 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.
[0019] 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 °C) 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 von den Metallschichten befreit werden. Metallisierungsverfahren sind beispielsweise chemisches Vernickeln oder Flammspritzen, beides ist hinreichend bekannt.
[0020] 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.
[0022] Es zeigen:
Fig.-1 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 III-III in Figur 2.
[0023] 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 Anlegen einer Spannung an die Metallschichten 11 und 12 ein Stromdurchgang durch die Zwischenwände 6 senkrecht zu den Längsachsen der kanalartigen Vertiefungen 2 und 3 auf.
[0024] 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 Metallschichten 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 mäanderförmige Zwischenfläche 17 zwischen den Metallstreifen 13 und 14 wird ebenfalls durch Abschleifen erzeugt. Besonders vorteilhaft ist es, zur Entmetallisierung dieser Zwischenfläche 17 beim Preßvorgang 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.
[0025] 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.
[0026] 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 Metallschichten 22 und 23 ergeben.
[0027] 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 Metallisierungen 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 dünnen Zwischenwände zwischen den Kanälen 18 und 19 in senkrechter Richtung zu den Längsachsen dieser Kanäle auftritt.
Bezugszeichenliste
[0028]
1. PTC-Körper
2. Vertiefungen im PTC-Körper 1
3. Vertiefungen im PTC-Körper 1
4. Metallbelegungen der Vertiefungen 2
5. Metallbelegungen der Vertiefungen 3
6. Wände zwischen gegenpoligen Vertiefungen 2, 3
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 9
12. Metallschicht auf der Außenfläche 10
13. Metallstreifen, verbunden mit Metallschicht 11
14. Metallstreifen, verbunden mit Metallschicht 12
15. Außenflächen mit Isolierfläche
16. Außenflächen mit Isolierfläche
17. Zwischenfläche zwischen den Metallstreifen 13 und 14
18. Vertiefungen der Stirnfläche 20
19. Vertiefungen der Stirnfläche 21
20. Stirnfläche
21. Stirnfläche
22. Metallschicht
23. Metallschicht
24. Isolierfläche zwischen den Metallschichten 22 und 23
25. Isolierfläche zwischen den Metallschichten 22 und 23
26. Metallisierung in den Vertiefungen 18
27. Metallisierung in den Vertiefungen 19
1. 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 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 - gekennzeichnet,
daß zwei einander gegenüberliegende und zu den Längsachsen der Vertiefungen (2, 3)
parallele Außen flächen (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. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den PTC-Körper
(1) durchsetzenden Vertiefungen (2, 3) an beiden Stirnflächen (7, 8) des PTC-Körpers
(1) offen sind.
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. 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. 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 Oberflächen gegenpolig mit 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 gekennzeichnet , 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 Vertiefungen (18, 19)
schachbrettartig ineinandergreifend angeordnet sind.
6. Elektrischer Widerstand nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet
, daß er aus durch Dotierung halbleitend gemachten keramischen Perowskitmaterial auf
der Basis von BaTiO3 oder (BaxPb1-x) TiO3 mit x > 0 bis 0,5 mit einer Curietemperatur gleich oder größer 120 C und einen spezifischen
Widerstandswert bei 25°C von 5 bis 30 Ohm cm besteht.