Elektrisches Heizungselement und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizungselement, das als Flächenstück ausgebildet ist und folgende Schichten aufweist: ein erstes Keramiksubstrat (14) in einem gebrannten Zustand, eine Widerstandsschicht (16) aus einem Widerstandsmaterial, die auf das erste Keramiksubstrat (14) aufgebracht ist, eine niedrig schmelzende Glasschicht (18), die die Widerstandsschicht (16) vollständig abdeckt, so dass die Widerstandsschicht (16) ein integraler Bestandteil der Glasschicht (18) ist, und ein zweites Keramiksubstrat (20) in einem gebrannten Zustand, das die Glasschicht (18) vollständig abdeckt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizungselement, das als Flächenstück ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zu dessen Herstellung.

[0002] Elektrische Heizungselemente können beispielsweise als Heizungen, Zuheizungen oder Zusatzheizungen ausgebildet sein und sollen zumindest vergleichsweise einfach herstellbar, möglichst betriebssicher und möglichst verschleißfest sein.

[0003] Elektrische Heizungselemente wie Heizungen, Zuheizungen oder Zusatzheizungen können gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ein Trägerelement aus Stahl oder Keramik, beispielsweise Keramikröhren, umfassen, das mit einem Widerstandsmaterial bedruckt ist. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen werden in der Regel Lack- oder Sinterschichten aufgetragen.

[0004] In der DE 35 45 267 A1 ist ein durch Strom aufheizbares Flächenheizelement beschrieben. Das Flächenheizelement besteht aus einem nicht leitenden Träger und einer flächig darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht, die als Widerstandsheizung fungiert. Die elektrisch leitfähige Schicht ist aus einer im pastösen Zustand aufgetragenen Dickschicht gebildet. Das Flächenheizelement hat jedoch eine geringe Spannungsfestigkeit und auch eine geringe Lebensdauer.

[0005] Aus der EP 0 914 021 B1 ist ein keramisches Heizungselement mit zwei Keramikschichten bekannt, bei dem ein Widerstandsheizelement zwischen den Keramikschichten eingebettet ist. Das Widerstandsheizelement besteht im Wesentlichen aus Metall. Die beiden Keramikschichten werden als Pulverpresslinge bereitgestellt und anschließend gesintert. Für das Sintern sind Temperaturen von über 1500°C erforderlich. Außerdem werden spezielle Werkzeuge benötigt. Dieses Verfahren ist somit aufwändig und teuer. Weiterhin kommt es während des Sinterns zu einer Schrumpfung, so dass die erreichten Maßtoleranzen mehr als 1 % betragen, was für die meisten Anwendungen nicht akzeptabel ist.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Heizungselement bereitzustellen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, durch die die oben genannten Nachteile überwunden werden.

[0007] Die Aufgabe wird hinsichtlich des elektrischen Heizungselements durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

[0008] Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Heizungselement vorgesehen, das als Flächenstück ausgebildet ist und folgende Schichten aufweist:

• ein erstes Keramiksubstrat in einem gebrannten Zustand,
• eine Widerstandsschicht aus einem Widerstandsmaterial, die auf das erste Keramiksubstrat aufgebracht ist,
• eine niedrig schmelzende Glasschicht, die mit der Widerstandsschicht verbunden ist,
• ein zweites Keramiksubstrat in einem gebrannten Zustand, das mit der Glasschicht verbunden ist.

[0009] Vorzugsweise deckt die niedrig schmelzende Glasschicht die Widerstandsschicht vollständig oder zumindest nahezu vollständig ab, so dass besonders bevorzugt die Widerstandsschicht ein integraler Bestandteil der Glasschicht ist.

[0010] Bevorzugt deckt das zweite Keramiksubstrat die Glasschicht vollständig oder zumindest nahezu vollständig ab und/oder das zweite Keramiksubstrat ist mit der Glasschicht verschmolzen.

[0011] Das zweite Keramiksubstrat ermöglicht eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit. Elektrische Spannungen von mehr als 500 V sind möglich. Eine bevorzugt vorhandene vollständige Abdeckung der Widerstandsschicht durch die Glasschicht ermöglicht eine gleichmäßige Einbringung von Wärme in das zweite Keramiksubstrat. Der Schichtaufbau verbessert die mechanische Stabilität des Heizungselements. Durch die Anordnung zwischen den Keramiksubstraten ist das Heizungselement vor Umwelteinflüssen geschützt.

[0012] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste und/oder zweite Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt. Insbesondere können handelsübliche Al₂O_3-Substrate im gebrannten Zustand verwendet werden. Diese sind insbesondere mit den Abmessungen 4"x4" oder 4"x6" erhältlich. Das Heizungselement kann dadurch mit konventionellen Materialien hergestellt werden.

[0013] Weiterhin kann die Widerstandsschicht aus einer Widerstandspaste hergestellt werden. Dabei kann die Widerstandspaste Partikel aufweisen, die beispielsweise eine Korngröße zwischen 2 µm und 5 µm haben.

[0014] Vorzugsweise kann die Glasschicht ein Material mit einem Schmelzpunkt zwischen 500°C und 700°C umfassen. Die niedrig schmelzende Glasschicht deckt die Widerstandsschicht vollständig ab und dient als Verbindungselement zum zweiten Keramiksubstrat.

[0015] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 6 gelöst.

[0016] Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere als Flächenstück ausgebildeten, elektrischen Heizungselements die folgenden Schritte:

• Bereitstellen eines ersten Keramiksubstrats in einem gebrannten Zustand,
• Auftragen einer Widerstandsschicht aus einem Widerstandsmaterial auf das erste Keramiksubstrat,
• Aufbringen einer niedrig schmelzenden Glasschicht auf die Widerstandsschicht, wobei die Glasschicht mit der Widerstandsschicht verbunden wird,
• Anfügen eines zweiten Keramiksubstrats in einem gebrannten Zustand.

[0017] Vorzugsweise wird die Widerstandsschicht vollständig oder zumindest nahezu vollständig von der Glasschicht abgedeckt, so dass besonders bevorzugt die Widerstandsschicht ein integraler Bestandteil der Glasschicht wird.

[0018] Bevorzugt wird das zweite Keramiksubstrat mit der Glasschicht verbunden, insbesondere verschmolzen.

[0019] Das Anfügen des zweiten Keramiksubstrats ergibt einen Schichtaufbau, der eine verbesserte mechanische Stabilität und eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit ermöglicht. Elektrische Spannungen von mehr als 500 V sind möglich. Durch eine bevorzugt erfolgende vollständige Abdecken der Widerstandsschicht durch die Glasschicht wird eine gleichmäßige Einbringung von Wärme in das zweite Keramiksubstrat ermöglicht. Durch die Anordnung zwischen den Keramiksubstraten ist das Heizungselement vor Umwelteinflüssen geschützt.

[0020] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste und/oder zweite Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt. Damit können übliche Al₂O₃-Substrate im gebrannten Zustand verwendet werden. Diese sind insbesondere mit den Abmessungen 4"x4" oder 4"x6" erhältlich. Das Heizungselement kann auf diese Weise mit handelsüblichen Materialien hergestellt werden.

[0021] Insbesondere wird für die Glasschicht ein Material mit einem Schmelzpunkt zwischen 500°C und 700°C verwendet. Die niedrig schmelzende Glasschicht deckt einerseits die Widerstandsschicht vollständig ab und dient andererseits als Verbindungselement zum zweiten Keramiksubstrat.

[0022] Vorzugsweise wird die Widerstandsschicht aus einem pastösen Material auf das erste Keramiksubstrat aufgetragen. Die Widerstandspaste weist meist Partikel auf, die beispielsweise eine Korngröße zwischen 2 µm und 5 µm haben.

[0023] Schließlich können mit der Widerstandsschicht auch Leiterbahnen für weitere elektrische und/oder elektronische Komponenten und/oder weitere elektrische Anschlüsse aufgetragen aufgedruckt werden.

[0024] Weitere Merkmale, besondere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0025] Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1

eine Draufsicht eines Heizungselements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

FIG 2

eine seitliche Schnittansicht des Heizungselements gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

[0026] In FIG 1 ist eine Draufsicht eines Heizungselements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

[0027] Das Heizungselement 1 umfasst einen ersten Bereich 10 mit elektrischen Anschlüssen sowie vorzugsweise mit einer elektronischen Schaltung zur Steuerung und/oder Regelung des Heizungselements. Des weiteren umfasst das Heizungselement 1 einen zweiten Bereich 12 mit dem eigentlichen Heizungselement.

[0028] In dieser konkreten Ausführungsform ist das Heizungselement 1 mit dem ersten und zweiten Bereich 10 und 12 insgesamt 152 mm lang und 24,5 mm breit. Der zweite Bereich 12, d.h. das eigentliche Heizungselement, ist in diesem Beispiel 126,5 mm lang und 24,5 mm breit.

[0029] FIG 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht des Heizungselements 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. FIG 2 verdeutlicht den Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Heizungselements. In FIG 2 ist die Schichtdicke des Heizungselements wesentlich dicker darstellt als in einer maßstabgetreuen Darstellung.

[0030] Das Heizungselement 1 umfasst ein erstes Keramiksubstrat 14, eine Widerstandsschicht 16, eine niedrig schmelzende Glasschicht 18 und ein zweites Keramiksubstrats 20.

[0031] Das erste Keramiksubstrat 14 ist in einem gebrannten Zustand und vorzugsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt.

[0032] Die Widerstandsschicht 16 umfasst ein Widerstandsmaterial. Vorzugsweise ist die Widerstandsschicht aus einer Widerstandspaste hergestellt. Die Widerstandspaste kann Partikel aufweisen, die eine Korngröße zwischen 2 µm und 5 µm haben. Der Ohmsche Widerstand der Widerstandsschicht 16 beträgt beispielsweise etwa 120 Ω.

[0033] Die Glasschicht 18 besteht aus einem niedrig schmelzenden Glas. Vorzugsweise beträgt der Schmelzpunkt zwischen 500 °C und 700 °C. Die Widerstandsschicht 16 ist ein integraler Bestandteilteil der Glasschicht 18.

[0034] Das zweite Keramiksubstrat 20 hat in dieser konkreten Ausführungsform vorzugsweise dieselben Eigenschaften wie das erste Keramiksubstrat 14 und ist mit der Glasschicht 18 verbunden, insbesondere verschmolzen.

[0035] In dieser konkreten Ausführungsform haben das erste Keramiksubstrat 14 und das zweite Keramiksubstrat 20 eine Schichtdicke von 0,635 mm. Die Glasschicht 18 hat in diesem Beispiel eine Schichtdicke von 0,075 mm. Die Widerstandsschicht 16 hat in dieser Ausführungsform eine Schichtdicke von 0,02 mm. Dabei ist die Widerstandsschicht 16 in die Glasschicht 18 integriert, so dass die 0,02 mm der Widerstandsschicht 16 in den 0,075 mm der Glasschicht 18 enthalten sind. Die gesamte Schichtdicke des Heizungselements beträgt bei dieser Ausführungsform 1,345 mm.

[0036] Das erfindungsgemäße elektrische Heizungselement und das Verfahren zu dessen Herstellung ermöglichen eine verbesserte mechanische Stabilität, eine erhöhte elektrische Spannungsfestigkeit und einen Schutz des Heizungselements vor Umwelteinflüssen. Für die weitere Verarbeitung kann das Heizungselement mit einem Laser behandelt werden.

[0037] Die Laserbehandlung kann sich dabei entweder auf die mechanische Formgebung oder auch das Einstellen des Widerstandswertes beziehen. Das Einstellen des Widerstandswertes erfolgt in diesem Fall, bevor die Glasschicht und/oder das zweite Keramikelement aufgebracht wird.

[0038] Das erfindungsgemäße Heizelement kann insbesondere eine Heizung, eine Zusatzheizung oder eine Zuheizung sein.

[0039] Für das erfindungsgemäße elektrische Heizungselement gibt es eine Reihe unterschiedlicher Anwendungsgebiete. Hierzu gehören beispielsweise Geräte, insbesondere Haushaltsgeräte, wie Haartrockner oder Heizlüfter.

[0040] Des weiteren kann das erfindungsgemäße elektrische Heizungselement für Heizsysteme in Fahrzeugen Anwendung finden. Hierzu ist beispielhaft zu nennen die Verwendung in Zügen oder Kraftfahrzeugen.

[0041] Für die Beheizung von Kraftfahrzeugen beispielsweise wurde in der Vergangenheit oft ausschließlich die Abwärme des Verbrennungsmotors verwendet. Bei neueren Fahrzeugen ist die Abwärme des Verbrennungsmotors oft deutlich verringert. Um den Komfort, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zu erhöhen, kann das erfindungsgemäße elektrische Heizungselement daher auch als Zusatzheizung oder Zuheizung Anwendung finden.

Bezugszeichenliste

[0042] 

1

Heizungselement

10

erster Bereich des Heizungselements

12

zweiter Bereich des Heizungselements

14

erstes Keramiksubstrat

16

Widerstandsschicht

18

Glasschicht

20

zweites Keramiksubstrat

Ansprüche

1. Elektrisches Heizungselement (1), das als Flächenstück ausgebildet ist und folgende Schichten aufweist:

- ein erstes Keramiksubstrat (14) in einem gebrannten Zustand,

- eine Widerstandsschicht (16) aus einem Widerstandsmaterial, die auf das erste Keramiksubstrat (14) aufgebracht ist,

- eine niedrig schmelzende Glasschicht (18), die mit der Widerstandsschicht (16) verbunden ist,

- ein zweites Keramiksubstrat (20) in einem gebrannten Zustand, das mit der Glasschicht (18) verbunden ist.

2. Elektrisches Heizungselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die niedrig schmelzende Glasschicht (18) die Widerstandsschicht (16) vollständig abdeckt, so dass vorzugsweise die Widerstandsschicht (16) ein integraler Bestandteil der Glasschicht (18) ist, und/oder

- dass das zweite Keramiksubstrat (20) die Glasschicht (18) vollständig oder zumindest nahezu vollständig abdeckt und/oder

- dass das zweite Keramiksubstrat (20) mit der Glasschicht (18) verschmolzen ist.

3. Elektrisches Heizungselement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste (14) und/oder zweite (20) Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt ist und/oder
dass die Widerstandsschicht (16) aus einer Widerstandspaste hergestellt ist.

4. Elektrisches Heizungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Glasschicht (18) ein Material mit einem Schmelzpunkt zwischen 500 °C und 700 °C umfasst.

5. Elektrisches Heizungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste (14) und/oder zweite (20) Keramiksubstrat Lötflächen aufweist.

6. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizungselements mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines ersten Keramiksubstrats (14) in einem gebrannten Zustand,

- Auftragen einer Widerstandsschicht (16) aus einem Widerstandsmaterial auf das erste Keramiksubstrat (14),

- Aufbringen einer niedrig schmelzenden Glasschicht (18) auf die Widerstandsschicht (16), wobei die Glasschicht (18) mit der Widerstandsschicht (16) verbunden wird,

- Anfügen eines zweiten Keramiksubstrats (20) in einem gebrannten Zustand.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Widerstandsschicht (16) vollständig von der Glasschicht (18) abgedeckt wird, so dass bevorzugt die Widerstandsschicht (16) ein integraler Bestandteil der Glasschicht (18) wird, und/oder

- dass das zweite Keramiksubstrat (20) mit der Glasschicht (18) verbunden, insbesondere verschmolzen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste (14) und/oder zweite (16) Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt wird und/oder dass für die Glasschicht (18) ein Material mit einem Schmelzpunkt zwischen 500 °C und 700 °C verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Widerstandsschicht (16) aus einem pastösen Material auf das erste Keramiksubstrat (14) aufgetragen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der Widerstandsschicht (16) auch Leiterbahnen für weitere elektrische und/oder elektronische Komponenten und/oder weitere elektrische Anschlüsse aufgetragen werden.

Zeichnung