WO1992006570A1 - Self-regulating electric heating element - Google Patents

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WO1992006570A1
WO1992006570A1 PCT/AT1991/000105 AT9100105W WO9206570A1 WO 1992006570 A1 WO1992006570 A1 WO 1992006570A1 AT 9100105 W AT9100105 W AT 9100105W WO 9206570 A1 WO9206570 A1 WO 9206570A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ceramic
heating element
elements
ptc material
ceramic ptc
Prior art date
Application number
PCT/AT1991/000105
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Josef Drasch
Martin Hitschmann
Original Assignee
Pct Ceramics Heiz- Und Regeltechnik Gesellschaft M. B. H.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pct Ceramics Heiz- Und Regeltechnik Gesellschaft M. B. H. filed Critical Pct Ceramics Heiz- Und Regeltechnik Gesellschaft M. B. H.
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Definitions

  • the invention relates to a self-regulating electrical heating element with a resistance heating element made of ceramic material with a positive temperature coefficient of electrical resistance, wherein heat-conducting and electrically conductive connecting or decoupling elements are arranged on the heating element made of ceramic material. and the ceramic PTC material is provided with an electrically conductive coating on the contact surfaces of the connecting or coupling elements.
  • PTC resistors made of ceramic material of the aforementioned type are often called PTC resistors or the ceramic material is referred to as PTC ceramic
  • the connecting or decoupling elements and the heating element are made of ceramic material by means of springs or the like. compressed.
  • the contact pressure of the clamp connection must be sufficiently high and remain high even in the event of longer changing operating conditions. This is particularly important with regard to the inrush current, which is considerably larger than the operating current.
  • a further disadvantage of the clamping connections is also the fact that there is air between the contact surfaces and this leads to oxidation processes and also prevents thermal decoupling.
  • the conventional clamping connections can cause the contact surfaces to scorch, precisely due to the increased contact resistance when the current is switched on.
  • heating elements have also become known in which the PTC ceramic is in direct contact with lead-out wires which are attached to the ceramic by hand soldering. With these, however, there is only a poor decoupling of the Heat, so that it is necessary to surround the resistance radiator with casting compounds with better thermal conductivity than air.
  • the aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a heating element of the type mentioned at the beginning, in which, on the one hand, good heat extraction and good contacting, which also tolerates the inrush current surges, is given.
  • this is achieved in that the ceramic PTC material of the heating element is soldered or welded to the coupling-out or connecting elements.
  • connection is characterized by a correspondingly large conductive connection surface, so that this connection can also withstand high currents.
  • such a connection can be made relatively easily in production lines.
  • the surfaces of the coupling-out or connecting elements facing the ceramic PTC material are coated with a solder that is also applied to the ceramic PTC material.
  • connection of the PTC ceramic to the decoupling element and the connecting element can be produced very easily, these parts preferably being coated with tin, with a tin-lead alloy or with an Ag-based hard solder.
  • the elements connected to the ceramic PTC material are made of an insulating material, preferably ceramic, the elements being provided with an electrically conductive covering on at least one side.
  • the decoupling element and the connecting element have different strengths.
  • the connecting element for thickness compensation may be provided in order to ensure a certain thickness of the finished heating element.
  • one of the elements connected to the ceramic PTC material of the individual radiators can be provided over the entire surface and the other element only along the contact area of the individual ceramic PTC materials. Materials is coated with a solder, and that the other element is provided with separate conductor tracks for each body made of ceramic PTC material.
  • the wiring can be carried out in a particularly simple manner with the remaining wiring of a device.
  • the elements connected to the ceramic PTC material have a thermal expansion coefficient comparable to that of the PTC material.
  • the elements connected to the ceramic PTC material are meandering.
  • the thickness of the coating of the ceramic PTC material is selected depending on the actual size of the body of ceramic PTC material.
  • the procedure is such that the dimensional accuracy is obtained during the soldering process.
  • FIG. 1 is a side view of a heating element according to the invention
  • FIG. 1 is an enlarged detail of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an exploded drawing of a further embodiment of a heating element according to the invention
  • Fig. 6 shows an example of a connecting element
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a heating element according to the invention with an alternative PTC ceramic arrangement.
  • the heating element consists of a decoupling element 1 and a similar connecting element 1 ', so that the latter also contributes to the decoupling of heat.
  • These elements are electrically conductive - e.g. consist of copper and are provided on the side facing a PTC ceramic 4 with a solderable or weldable layer 2.
  • the PTC ceramic 4 is also provided with a coating 3 on its two surfaces that come into contact with the elements 1, 1 '.
  • This coating 3 consists of the metal contact 5 which is customary for PTC ceramics, e.g. a Cr layer applied directly to the PTC ceramic 4 with a subsequent Ni layer, to which an Ag layer is finally applied.
  • This metal contact 5 is provided with a solderable or weldable layer 11.
  • the layers 2 and 11 expediently consist of the same material or solder.
  • pure tin, a tin-lead alloy or a hard solder based on Ag can be used as the solder.
  • the coatings 11 compensate for the schematically represented irregularities in the surfaces of the metal contact 5 or the PTC ceramic.
  • the relatively large tolerances of the PTC ceramic pieces 4 can also be largely compensated for by the coatings 11, so that the complete radiator or heating element can be manufactured with relatively narrow thickness tolerances.
  • the thickness of the layer 2 is chosen as a function of the actual size of the PTC ceramic 4, since compliance with the specified external dimensions of the finished heating element is important for the quality of the heat extraction.
  • a flexible insulating sleeve 8 e.g. from a Kapton film, or according to Fig. 5 a solid insulating body 8 ', 8' ', e.g. made of ceramic, in which the heating element is inserted or enclosed.
  • elastic, heat-conducting plastics can also be used, e.g. Silicone rubber, in which case its elasticity permits further tolerances when installed in a housing.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a heating element according to the invention.
  • PTC ceramic pieces 4 ' which, as already described, are provided with coatings 3. These are connected to one another via two identical elements 6, which are provided with a coating 2 on their sides facing the ceramic pieces 4 '.
  • decoupling elements 6 are provided with soldering eyelets 7, which allow simple connection of the corresponding connection enable wires, the electrically conductive coating 2 also being applied in the area of the soldering lugs 7 and being connected to the coating 3 in the area of the ceramic pieces 4 ',
  • the heating element formed from at least one PTC ceramic 4 and the decoupling or connecting elements 1, 1 ', 6 soldered or welded to it can, if the decoupling or connecting elements are made of an electrically conductive material, either with a foil 8 are wrapped out of insulating material, as indicated in FIG. 4, preferably using a Kapton film, or, as indicated in FIG. 5, in a housing 8 'made of a solid insulating material, such as, for example Ceramic is inserted and closed by means of a corresponding cover 8 ".
  • the decoupling or connecting elements from an insulating material, such as Ceramic, in which case, if the corresponding creepage distances between conductive parts or coatings are maintained, external insulation can be dispensed with.
  • an insulating material such as Ceramic
  • FIG. 6 shows an example of an outcoupling element 14 which is meandering.
  • different coefficients of thermal expansion can be absorbed between the ceramic (not shown in FIG. 6) and the decoupling element 14 without greater forces acting on the connected parts.
  • FIG. 7 shows a decoupling element 10 for three PTC ceramic pieces, not shown in FIG. 7, provided with a coating 3, which is provided with a coating 2 over its entire surface and a connecting element 9, which if necessary has a different thickness than the coupling-out element 10, and which is provided with a coating 2 at three locations provided for receiving the coated PTC ceramic pieces.
  • these coated points merge into separate conductor tracks 12, to which corresponding diversions are connected, which can optionally be switched via a switch 13.
  • the decoupling or connecting elements also consist of conductor tracks Films can be formed, or that the decoupling element is made of a thicker material that conducts heat well, such as copper or brass sheet or a ceramic provided on one side with an electrically conductive coating, and / or the connecting element consists of a conductor track or an electrically conductive coating
  • the film can be formed, in the latter case the film can be selected depending on the actual size of the PTC ceramic connected to the decoupling element in order to be able to maintain close tolerances with regard to the thickness of the finished heating element.
  • Another embodiment of the invention may consist of a metal such as e.g. Copper existing connecting or decoupling elements are welded directly to the ceramic, to which a metal contact may have been applied.
  • the welding which is carried out by means of a special welding process, is preferably carried out in such a way that orthogonal, linear welding spot configurations are formed so that an orthogonal grid is formed.

Abstract

A self-regulating electric heating element has a resistance heating body made of a ceramic material with an electric resistance having a positive temperature coefficient. Thermally and electrically conductive linking or uncoupling elements are arranged on the heating body made of ceramic material. The PTC ceramic material is provided with an electrically conductive coating on the support surfaces of the linking or uncoupling elements. In order to make it possible to produce such heating elements automatically, ensuring at the same time a good contact of the PTC ceramic (4, 4') and a good heat insulation, the ceramic PTC material (4, 4') of which the heating body is made is soldered or brazed to the uncoupling or linking elements (1, 1'; 6; 9, 10).

Description

Selbstregelndes elektrisches Hei2element Self-regulating electrical heating element
Die Erfindung betrifft ein selbstregelndes elektri¬ sches Heizelement mit einem Widerstands-Heizkörper aus kerami¬ schem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizenten des elektrischen Widerstandes, wobei auf dem Heizkörper aus kera¬ mischem Material wärmeleitende und elektrisch leitende Verbin¬ dungs- bzw. Auskoppelelemente angeordnet sind, und wobei das keramische PTC-Material an den Anlageflächen der Verbindungs¬ bzw. Auskoppelelemente mit einer elektrisch leitenden Be¬ schichtung versehen ist.The invention relates to a self-regulating electrical heating element with a resistance heating element made of ceramic material with a positive temperature coefficient of electrical resistance, wherein heat-conducting and electrically conductive connecting or decoupling elements are arranged on the heating element made of ceramic material. and the ceramic PTC material is provided with an electrically conductive coating on the contact surfaces of the connecting or coupling elements.
Widerstands-Heizkörper aus Keramikmaterial vorgenann¬ ter Art werden häufig PTC-Widerstände genannt bzw. wird das Keramikmaterial als PTC-Keramik bezeichnetResistance radiators made of ceramic material of the aforementioned type are often called PTC resistors or the ceramic material is referred to as PTC ceramic
Bei bekannten derartigen Heizelementen werden die Verbindungs- bzw. Auskoppelemente und der Heizkörper aus kera¬ mischem Material durch Federn od. dgl . zusammengepreßt.In known heating elements of this type, the connecting or decoupling elements and the heating element are made of ceramic material by means of springs or the like. compressed.
Eine solche Klemmverbindung hat aber verschiedene Nachteile. So müssen die Heizkörper und Kontaktpartner mög¬ lichst plan aufeinander anliegen. Dies ist aber aufgrund des Sinterbrandes des keramischen PTC-Materials nur nach einer aufwendigen Nachbearbeitung desselben zu erreichen. Erst nach einer solchen Nachbehandlung kann das keramische Material mit einer leitenden Kontaktsch cht versehen werden.However, such a clamp connection has various disadvantages. For example, the radiators and contact partners must rest against each other as flat as possible. However, due to the sintering of the ceramic PTC material, this can only be achieved after extensive reworking of the same. Only after such an aftertreatment can the ceramic material be provided with a conductive contact layer.
Außerdem muß der Kontaktdruck der Klemmverbindung ge¬ nügend hoch sein und auch bei längeren wechselnden Betriebsbe¬ dingungen hoch bleiben. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Einschaltstromstoß von Bedeutung, der erheblich größer als der Betriebsstrom ist. Ein weiterer Nachteil der Klemmverbin¬ dungen liegt auch in dem Umstand, daß sich zwischen den Kontaktflächen Luft befindet und es dadurch zu Oxidationsvor- gängen kommt und auch die thermische Auskopplung behindert wird. Außerdem kann es bei den herkömmlichen Klemmverbindungen zu einem Verschmoren der Kontaktflächen, eben aufgrund des ei— höhten Übergangswiderstandes beim Einschalten des Stromes, kommen.In addition, the contact pressure of the clamp connection must be sufficiently high and remain high even in the event of longer changing operating conditions. This is particularly important with regard to the inrush current, which is considerably larger than the operating current. A further disadvantage of the clamping connections is also the fact that there is air between the contact surfaces and this leads to oxidation processes and also prevents thermal decoupling. In addition, the conventional clamping connections can cause the contact surfaces to scorch, precisely due to the increased contact resistance when the current is switched on.
Weiters wurden auch Heizelemente bekannt, bei denen die PTC-Keramik direkt mit Ausleitungsdrähten, die durch Hand¬ löten an der Keramik angebracht sind, kontaktiert sind. Bei diesen kommt es aber nur zu einer schlechten Auskopplung der Wärme, sodaß es bei diesen notwendig ist, den Widerstands- Heizkörper mit Vergußmassen mit besserer Wärmeleitfähigkeit als Luft zu umgeben.Furthermore, heating elements have also become known in which the PTC ceramic is in direct contact with lead-out wires which are attached to the ceramic by hand soldering. With these, however, there is only a poor decoupling of the Heat, so that it is necessary to surround the resistance radiator with casting compounds with better thermal conductivity than air.
Ziel der Erfindung ist es diese Nachteile zu vermei¬ den und ein Heizelement der eingangs erwähnten Art vorzuschla¬ gen, bei dem einerseits eine gute Wärmeauskopplung und eine gute Kontaktierung, die auch problemlos die Einschaltstrom¬ stöße verträgt, gegeben ist.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a heating element of the type mentioned at the beginning, in which, on the one hand, good heat extraction and good contacting, which also tolerates the inrush current surges, is given.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das keramische PTC-Material des Heizkörpers mit den Auskoppel¬ bzw. Verbindungselementen verlötet oder verschweißt ist.According to the invention, this is achieved in that the ceramic PTC material of the heating element is soldered or welded to the coupling-out or connecting elements.
Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, daß die Un¬ ebenheiten der PTC-Keramik durch das Lot ausgeglichen werden können, sodaß auf eine Nachbearbeitung der PTC-Keramik ver¬ zichtet werden kann. Außerdem erfolgt dadurch die Wärmeaus¬ kopplung ohne Störung durch Luftpolster, wobei dies auch zur Vermeidung von Oxidationserscheinungen beiträgt.These measures ensure that the unevenness of the PTC ceramic can be compensated for by the solder, so that post-processing of the PTC ceramic can be dispensed with. In addition, the heat is decoupled without interference from air cushions, which also helps to avoid oxidation.
Die vorgeschlagene Verbindung zeichnet sich durch eine entsprechend große leitende Verbindungsfläche aus, sodaß diese Verbindung auch hohen Strömen gewachsen ist. Außerdem läßt sich eine solche Verbindung relativ leicht in Fertigungs¬ straßen herstellen.The proposed connection is characterized by a correspondingly large conductive connection surface, so that this connection can also withstand high currents. In addition, such a connection can be made relatively easily in production lines.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorge¬ sehen sein, daß die dem keramischen PTC-Material zugekehrten Flächen der Auskoppel- bzw. Verbindungselemente mit einem Lot beschichtet sind, das auch auf dem keramischen PTC-Material aufgebracht ist.According to a further feature of the invention, it can be provided that the surfaces of the coupling-out or connecting elements facing the ceramic PTC material are coated with a solder that is also applied to the ceramic PTC material.
Auf diese Weise läßt sich die Verbindung der PTC-Ke¬ ramik mit dem Auskoppelelement und dem Verbindungselement sehr leicht herstellen, wobei diese Teile vorzugsweise mit Zinn, mit einer Zinn-Blei-Legierung bzw. mit einem Hartlot auf Ag- Basis beschichtet sind.In this way, the connection of the PTC ceramic to the decoupling element and the connecting element can be produced very easily, these parts preferably being coated with tin, with a tin-lead alloy or with an Ag-based hard solder.
Weiters kann vorgesehen sein, daß die mit dem kerami¬ schen PTC-Material verbundenen Elemente aus einem Isoliermate¬ rial, vorzugsweise Keramik, hergestellt sind, wobei die Ele¬ mente zumindest einseitig mit einem elektrisch leitenden Belag versehen sind.Furthermore, it can be provided that the elements connected to the ceramic PTC material are made of an insulating material, preferably ceramic, the elements being provided with an electrically conductive covering on at least one side.
Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß sich weitere Isolationsmaßnahmen erübrigen. Außerdem wird durch solche Elemente auch die Wärme sehr gut ausgekoppelt. Ferner können solche Heizelemente leicht ohne weitere Ver¬ packung in Geräte eingebaut werden.These measures have the advantage that there is no need for further insulation measures. In addition, such elements also couple the heat very well. Furthermore, such heating elements can easily be installed in devices without further packaging.
Für bestimmte Anwendungen kann auch vorgesehen sein, daß das Auskoppelelement und das Verbindungselement unter¬ schiedliche Stärken aufweisen.For certain applications it can also be provided that the decoupling element and the connecting element have different strengths.
Dabei kann z.B. das Verbindungselement zum Dickenaus¬ gleich vorgesehen sein, um eine bestimmte Dicke des fertigen Heizelementes sicherzustellen.Here, e.g. the connecting element for thickness compensation may be provided in order to ensure a certain thickness of the finished heating element.
Weiters kann bei einer Ausführungsform mit mehreren Heizkörpern aus keramischem PTC-Material in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß eines der mit dem keramischen PTC-Material der einzelnen Heizkörper verbundenen Elemente vollflächig und das andere Element lediglich längs des Aufla- gebereiches der einzelnen keramischen PTC-Materialien mit ei¬ nem Lot beschichtet ist, und daß das andere Element mit sepa¬ raten Leiterbahnen für jeden Körper aus keramischem PTC-Mate¬ rial versehen ist.Furthermore, in an embodiment with a plurality of radiators made of ceramic PTC material, in a further development of the invention, one of the elements connected to the ceramic PTC material of the individual radiators can be provided over the entire surface and the other element only along the contact area of the individual ceramic PTC materials. Materials is coated with a solder, and that the other element is provided with separate conductor tracks for each body made of ceramic PTC material.
Bei solchen Heizelementen kann die Verdrahtung auf besonders einfache Weise mit der übrigen Verdrahtung eines Ge¬ rätes erfolgen.With such heating elements, the wiring can be carried out in a particularly simple manner with the remaining wiring of a device.
In Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß die mit dem keramischen PTC-Material verbundenen Elemente einen mit dem PTC-Material vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.In a further development of the invention it can also be provided that the elements connected to the ceramic PTC material have a thermal expansion coefficient comparable to that of the PTC material.
Durch die Aufteilung des keramischen PTC-Materials in mehrere Teilkörper und/oder die Wahl vergleichbarer thermi¬ scher Ausdehnungskoeffizienten kann der störende Einfluß der unterschiedlichen Temperaturk .'fizienten der PTC-Keramik und des Materials der Auskoppel- bzw. Verbindungselemente, z.B. Kupfer, so weitgehend ausgeglichen werden, daß über den in Frage kommenden Temperaturbereich ein Zerreißen der PTC-Kera¬ mik vermieden ist.The disruptive influence of the different temperature coefficients of the PTC ceramic and the material of the decoupling or connecting elements, e.g., by the division of the ceramic PTC material into several partial bodies and / or the selection of comparable thermal expansion coefficients. Copper, are largely compensated for such that tearing of the PTC ceramic is avoided over the temperature range in question.
Weiters kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß die mit dem keramischen PTC-Material verbundenen Elemente mäanderförmig ausgebildet sind.Furthermore, it can also be provided according to the invention that the elements connected to the ceramic PTC material are meandering.
Auf diese Weise läßt sich ein elastisches Anpassen der mit der PTC-Keramik verbunden Elemente an die Ausdehnung der Keramik erreichen.In this way, an elastic adaptation of the elements connected to the PTC ceramic can be achieved to the extent of the ceramic.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorge¬ sehen sein, daß die Dicke der Beschichtung des keramischen PTC-Materials in Abhängigkeit vom Istmaß der Körper an kerami¬ schem PTC-Material gewählt ist.According to a further feature of the invention it can be provided that the thickness of the coating of the ceramic PTC material is selected depending on the actual size of the body of ceramic PTC material.
Durch diese Maßnahme lassen sich sehr enge Toleranzen im Hinblick auf die Dicke des fertigen Heizelementes errei¬ chen, was im Hinblick auf eine optimale Auskopplung der Wärme von Vorteil ist .This measure makes it possible to achieve very narrow tolerances with regard to the thickness of the finished heating element, which is advantageous in terms of optimal heat extraction.
Besteht die Beschichtung aus einem Lot, so wird hie- bei so vorgegangen, daß sich die Maßhaltigkeit beim Lotvorgang ergibt.If the coating consists of a solder, the procedure is such that the dimensional accuracy is obtained during the soldering process.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. Show:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Heizelementes,1 is a side view of a heating element according to the invention,
Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung der Fig. 1,2 is an enlarged detail of FIG. 1,
Fig. 3 eine Explosionszeichnung einer weiteren Aus¬ führungsform eines erfindungsgemäßen Heizelementes,3 shows an exploded drawing of a further embodiment of a heating element according to the invention,
Fig. 4 und 5 zwei Beispiele einer Isolierung,4 and 5 two examples of insulation,
Fig. 6 ein Beispiel für ein Verbindungselement, undFig. 6 shows an example of a connecting element, and
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungs¬ gemäßen Heizelementes mit einer alternativen PTC-Keramikanord- nung.7 shows a further embodiment of a heating element according to the invention with an alternative PTC ceramic arrangement.
Der Heizkörper besteht nach der Fig. I aus einem Aus¬ kopplungselement 1 und einem gleichartigen Verbindungsele¬ ment 1', sodaß letzteres ebenfalls zur Wärmeauskopplung bei¬ trägt. Diese Elemente sind elektrisch leitend - können z.B. aus Kupfer bestehen - und -sind an der einer PTC-Keramik 4 zu¬ gekehrten Seite mit einer löt- bzw. schweißfähigen Schichte 2 versehen. Die PTC-Keramik 4 ist an ihren beiden mit den Elementen 1, 1' in Berührung kommenden Flächen ebenfalls mit einer Beschichtung 3 versehen. Diese Beschichtung 3 besteht aus der für PTC-Keramiken üblichen Metallkontaktierung 5, z.B. einer unmittelbar auf die PTC-Keramik 4 aufgebrachten Cr- Schichte mit einer nachfolgenden Ni-Schichte, auf welche ab¬ schließend eine Ag-Schichte aufgebracht ist. Diese Metallkon¬ taktierung 5 ist mit einer löt- bzw. schweißfähigen Schichte 11 versehen.According to FIG. 1, the heating element consists of a decoupling element 1 and a similar connecting element 1 ', so that the latter also contributes to the decoupling of heat. These elements are electrically conductive - e.g. consist of copper and are provided on the side facing a PTC ceramic 4 with a solderable or weldable layer 2. The PTC ceramic 4 is also provided with a coating 3 on its two surfaces that come into contact with the elements 1, 1 '. This coating 3 consists of the metal contact 5 which is customary for PTC ceramics, e.g. a Cr layer applied directly to the PTC ceramic 4 with a subsequent Ni layer, to which an Ag layer is finally applied. This metal contact 5 is provided with a solderable or weldable layer 11.
Zweckmäßigerweise bestehen die Schichten 2 und 11 aus dem gleichen Material oder Lot. Als Lot kommt z.B. reines Zinn, eine Zinn-Blei-Legierung oder ein Hartlot auf Ag-Basis in Frage. Durch Verlöten bzw. Verschweißen der Schichten 2 und 3, was nunmehr auch maschinell, z.B. in Fertigungsstraßen er¬ folgen kann, wird die erforderliche Verbindung der PTC-Keramik mit den Auskoppel- bzw. Verbindungselementen erreicht.The layers 2 and 11 expediently consist of the same material or solder. For example, pure tin, a tin-lead alloy or a hard solder based on Ag can be used as the solder. By soldering or welding the layers 2 and 3, which can now also be done mechanically, for example in production lines, the required connection of the PTC ceramic to the decoupling or connecting elements is achieved.
Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, gleichen die Be¬ schichtungen 11 die schematisch dargestellten Unregelmäßig¬ keiten in den Oberflächen der MetalIkontaktierung 5 bzw. der PTC-Keramik aus. Außerdem können durch die Beschichtungen 11 auch die relativ großen Toleranzen der PTC-Keramikstücke 4 weitgehend ausgeglichen werden, sodaß der komplette Heizkörper bzw. Heizelement mit relativ engen Dickentoleranzen herge¬ stellt werden kann.As can be seen from FIG. 2, the coatings 11 compensate for the schematically represented irregularities in the surfaces of the metal contact 5 or the PTC ceramic. In addition, the relatively large tolerances of the PTC ceramic pieces 4 can also be largely compensated for by the coatings 11, so that the complete radiator or heating element can be manufactured with relatively narrow thickness tolerances.
Durch die Verlötung oder Verschweißung der PTC-Kera¬ mik 4 mit dem Verbindungselement 1' bzw. dem Auskoppelele¬ ment 1 werden Gas- und Luftschichten zwischen diesen Teilen vermieden, wodurch einerseits die Gefahr einer Oxidation in diesem Bereich vermieden und außerdem die Wärmeauskopplung op¬ timiert wird. In dieser Hinsicht ist es besonders vorteilhaft, wenn die Dicke der Schichte 2 in Abhängigkeit vom Istmaß der PTC-Keramik 4 gewählt wird, da die Einhaltung der vorgegebenen Außenmaße des fertigen Heizelementes wichtig für die Qualtat der Wärmeauskopplung ist.By soldering or welding the PTC ceramic 4 to the connecting element 1 'or the coupling element 1, gas and air layers between these parts are avoided, which on the one hand avoids the risk of oxidation in this area and also reduces the heat decoupling is timed. In this regard, it is particularly advantageous if the thickness of the layer 2 is chosen as a function of the actual size of the PTC ceramic 4, since compliance with the specified external dimensions of the finished heating element is important for the quality of the heat extraction.
Zur elektrischen Isolation des Heizelementes nach der Fig. 1 und 2, kann nach der Fig. 4 eine flexible Isolier¬ hülle 8, z.B. aus einer Kaptonfolie, oder nach der Fig. 5 ein fester Isolierkörper 8', 8'', z.B. aus Keramik, vorgesehen wer¬ den, in den das Heizelement eingelegt bzw. eingeschlossen wird.For the electrical insulation of the heating element according to FIGS. 1 and 2, according to FIG. 4 a flexible insulating sleeve 8, e.g. from a Kapton film, or according to Fig. 5 a solid insulating body 8 ', 8' ', e.g. made of ceramic, in which the heating element is inserted or enclosed.
Grundsätzlich können auch elastische, wärmeleitende Kunststoffe verwendet werden, wie z.B. Silikonkautschuk, wobei in einem solchen Falle dessen Elastizität weitere Toleranzen beim Einbau in ein Gehäuse zuläßt.In principle, elastic, heat-conducting plastics can also be used, e.g. Silicone rubber, in which case its elasticity permits further tolerances when installed in a housing.
In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizelementes dargestellt. Bei dieser sind mehrere PTC-Keramikstücke 4', die, wie bereits beschrieben mit Beschichtungen 3 versehen sind. Diese sind über zwei gleiche Elemente 6 miteinander verbunden, die an ihren den Keramik¬ stücken 4' zugekehrten Seiten mit einer Beschichtung 2 verse¬ hen sind.3 shows a further embodiment of a heating element according to the invention. In this there are several PTC ceramic pieces 4 'which, as already described, are provided with coatings 3. These are connected to one another via two identical elements 6, which are provided with a coating 2 on their sides facing the ceramic pieces 4 '.
Diese Auskoppelelemente 6 sind mit Lötösen 7 verse¬ hen, die einen einfachen Anschluß der entsprechenden Anschluß- drahte ermöglichen, wobei die elektrisch leitende Beschich¬ tung 2 auch im Bereich der Lötösen 7 aufgebracht ist und mit der Beschichtung 3 im Bereich der Keramikstücke 4' verbunden ist ,These decoupling elements 6 are provided with soldering eyelets 7, which allow simple connection of the corresponding connection enable wires, the electrically conductive coating 2 also being applied in the area of the soldering lugs 7 and being connected to the coating 3 in the area of the ceramic pieces 4 ',
Das aus mindestens einer PTC-Keramik 4 und den an dieser angelöteten oder angeschweißten Auskoppel- bzw. Verbindungselementen 1, 1', 6 gebildete Heizelement kann, wenn die Auskopplung- bzw. Verbindungselemente aus einem elektrisch leitfähigem Material hergestellt sind entweder mit einer Fo¬ lie 8 aus Isoliermaterial umwickelt werden, wie dies in der Fig. 4 angedeutet ist, wobei vorzugsweise eine Kaptonfolie verwendet wird, oder aber, wie dies in der Fig. 5 angedeutet ist, in ein Gehäuse 8' aus einem festen Isoliermaterial, wie z.B. Keramik eingelegt und mittels eines entsprechenden Dec¬ kels 8" verschlossen werden.The heating element formed from at least one PTC ceramic 4 and the decoupling or connecting elements 1, 1 ', 6 soldered or welded to it can, if the decoupling or connecting elements are made of an electrically conductive material, either with a foil 8 are wrapped out of insulating material, as indicated in FIG. 4, preferably using a Kapton film, or, as indicated in FIG. 5, in a housing 8 'made of a solid insulating material, such as, for example Ceramic is inserted and closed by means of a corresponding cover 8 ".
Grundsätzlich ist es aber auch möglich die Auskoppel¬ bzw. Verbindungselemente aus einem Isoliermaterial herzustel¬ len, wie z.B. Keramik, wobei dann, bei Einhaltung der entspre¬ chenden Kriechstrecken zwischen leitenden Teilen oder Be¬ schichtungen, auf eine äußere Isolierung verzichtet werden kann.In principle, however, it is also possible to manufacture the decoupling or connecting elements from an insulating material, such as Ceramic, in which case, if the corresponding creepage distances between conductive parts or coatings are maintained, external insulation can be dispensed with.
Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel für ein Auskoppelele¬ ment 14, das mäanderförmig ausgebildet ist. Durch diese Gestaltung können unterschiedliche thermische Ausdehnungskoef izienten zwischen der in Fig. 6 nicht darge¬ stellten Keramik und dem Auskoppelelernent 14 aufgefangen wer¬ den, ohne daß dadurch größere Kräfte auf die verbundenen Teile einwirken.FIG. 6 shows an example of an outcoupling element 14 which is meandering. By means of this design, different coefficients of thermal expansion can be absorbed between the ceramic (not shown in FIG. 6) and the decoupling element 14 without greater forces acting on the connected parts.
Die Fig. 7 zeigt ein Auskoppelelement 10 für drei, in der Fig. 7 nicht dargestellte, mit einer Beschichtung 3 verse¬ hene PTC-Keramikstücke, das über seine gesamte Fläche mit ei¬ ner Beschichtung 2 versehen ist und ein Verbindungselement 9, das gegebenenfalls eine gegenüber dem Auskoppelelement 10 ver¬ schiedene Dicke aufweist, und das an drei, zur Aufnahme der beschichteten PTC-Keramikstücke vorgesehenen Stellen mit einer Beschichtung 2 versehen ist. Dabei gehen diese beschichteten Stellen in getrennte Leiterbahnen 12 über, an denen ent¬ sprechende Ausleitungen angeschlossen sind, die über einen Schalter 13 wahlweise geschaltet werden können.FIG. 7 shows a decoupling element 10 for three PTC ceramic pieces, not shown in FIG. 7, provided with a coating 3, which is provided with a coating 2 over its entire surface and a connecting element 9, which if necessary has a different thickness than the coupling-out element 10, and which is provided with a coating 2 at three locations provided for receiving the coated PTC ceramic pieces. In this case, these coated points merge into separate conductor tracks 12, to which corresponding diversions are connected, which can optionally be switched via a switch 13.
Grundsätzlich ist zu bemerken, daß die Auskoppel¬ bzw. Verbindungselemente auch aus mit Leiterbahnen versehenen Folien gebildet sein können, oder daß das Auskoppelelement aus einem gut wärmeleitenden dickeren Material, wie z.B. Kupfer¬ oder Messingblech oder einer einseitig mit einem elektrisch leitenden Belag versehenen Keramik und/oder das Verbindungs¬ element aus einer mit Leiterbahnen oder einem elektrisch lei¬ tenden Belag versehenen Folie gebildet sein kann, wobei in letzterem Falle die Folie in Abhängigkeit vom Istmaß der mit dem Auskoppelelement verbundenen PTC-Keramik gewählt werden kann, um enge Toleranzen im Hinblick auf die Dicke des ferti¬ gen Heizelementes einhalten zu können.Basically, it should be noted that the decoupling or connecting elements also consist of conductor tracks Films can be formed, or that the decoupling element is made of a thicker material that conducts heat well, such as copper or brass sheet or a ceramic provided on one side with an electrically conductive coating, and / or the connecting element consists of a conductor track or an electrically conductive coating Provided film can be formed, in the latter case the film can be selected depending on the actual size of the PTC ceramic connected to the decoupling element in order to be able to maintain close tolerances with regard to the thickness of the finished heating element.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß einem Metall wie z.B. Kupfer bestehende Verbindungs- bzw. Auskoppelelemente direkt mit der Keramik, auf die gegebenenfalls eine Metallkontaktierung aufgebracht ist, verschweißt werden. Die mittels Spezialschweißverfahren durchgeführte Verschweißung erfolgt bevorzugt so, daß zueinan¬ der orthogonale linienförmige Schweißpunktkonfigurationen aus¬ gebildet werden, so daß ein orthogonaler Raster entsteht.Another embodiment of the invention may consist of a metal such as e.g. Copper existing connecting or decoupling elements are welded directly to the ceramic, to which a metal contact may have been applied. The welding, which is carried out by means of a special welding process, is preferably carried out in such a way that orthogonal, linear welding spot configurations are formed so that an orthogonal grid is formed.
Patentansprüch : Claim:

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Selbstregelndes elektrisches Heizelement mit einem Widerstands-Heizkörper aus keramischem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstan¬ des, wobei auf dem Heizkörper aus keramischem Material wärme¬ leitende und elektrisch leitende Verbindungs- bzw. Auskoppel¬ elemente angeordnet sind, und wobei das keramische PTC-Mate¬ rial an den Anlageflächen der Verbindungs- bzw. Auskoppel¬ elemente mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische PTC-Material (4, 4') des Heizkörpers mit den Auskoppel- bzw. Verbindungs¬ elementen (1, 1'; 6; 9, 10) verlötet oder verschweißt ist.1. Self-regulating electric heating element with a resistance heating element made of ceramic material with a positive temperature coefficient of the electrical resistance, whereby thermally conductive and electrically conductive connecting or decoupling elements are arranged on the heating element made of ceramic material, and wherein the ceramic PTC material on the contact surfaces of the connecting or Auskoppel¬ elements is provided with an electrically conductive coating, characterized in that the ceramic PTC material (4, 4 ') of the radiator with the Auskoppel- or connecting elements (1, 1 '; 6; 9, 10) is soldered or welded.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem keramischen PTC-Material (4, 4') zugekehrten Flä¬ chen der Auskoppel- bzw. Verbindungselemente (1, 1';, 6; 9, 10;) mit einem Lot beschichtet sind, das auch auf dem kerami¬ schen PTC-Material (4, 4') aufgebracht ist.2. Heating element according to claim 1, characterized in that the ceramic PTC material (4, 4 ') facing surfaces of the decoupling or connecting elements (1, 1'; 6; 9, 10;) with a solder are coated, which is also applied to the ceramic PTC material (4, 4 ').
3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die mit dem keramischen PTC-Material (4, 4') verbundenen Auskoppel- bzw. Verbindungselemente (1, 1'; 6; 9, 10) aus einem Isoliermaterial, vorzugsweise Keramik, herge¬ stellt sind, wobei die Elemente zumindest einseitig mit einem elektrisch leitenden Belag versehen sind.3. Heating element according to claim 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that the ceramic PTC material (4, 4 ') connected coupling or connecting elements (1, 1'; 6; 9, 10) made of an insulating material, preferably ceramic, are manufactured, the elements being provided at least on one side with an electrically conductive coating.
4. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die mit dem keramischen PTC-Material (4, 4') verbundenen Auskoppel- bzw. Verbindungselemente (l,;lr; 6; 9, 10) aus flexiblen, mit Leiterbahnen versehenen Kunststoffbah¬ nen gebildet sind.4. Heating element according to claim 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that the ceramic PTC material (4, 4 ') connected coupling or connecting elements (l,; l r ; 6; 9, 10) made of flexible, plastic tracks provided with conductor tracks are formed.
5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelelement (1; 1'; 6; 9, 10) und das Verbindungselement (1, 1', 6, 9, 10, 11) unterschiedliche Stärke aufweisen. 5. Heating element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coupling element (1; 1 ';6; 9, 10) and the connecting element (1, 1', 6, 9, 10, 11) have different strengths.
6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit meh¬ reren Heizkörpern aus keramischem PTC-Material, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß eines der mit dem keramischen PTC-Material (4') der einzelnen Heizkörper verbundenen Elemente (10) voll¬ flächig und das andere Element (9) lediglich längs des Aufla¬ gebereiches der einzelnen keramischen PTC-Materialien mit ei¬ nem Lot beschichtet ist, und daß das andere Element (9) mit separaten Leiterbahnen (12) für jeden Körper aus keramischem PTC-Material versehen ist.6. Heating element according to one of claims 1 to 5 with several radiators made of ceramic PTC material, characterized ge indicates that one of the elements (10) connected to the ceramic PTC material (4 ') of the individual radiators over the entire surface and the other element (9) is coated with a solder only along the contact area of the individual ceramic PTC materials, and that the other element (9) is provided with separate conductor tracks (12) for each body made of ceramic PTC material is.
7. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem keramischen PTC-Material (4, 4') verbundenen Elemente (1, 1', 6, 9, 10) einen mit dem PTC- Material vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweise .7. Heating element according to one of claims 1 to 6, characterized in that with the ceramic PTC material (4, 4 ') connected elements (1, 1', 6, 9, 10) a comparable with the PTC material thermal Expansion coefficients have.
8. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem keramischen PTC-Material (4) verbundenen Elemente (1, 1', 6, 9, 10) mäanderförmig ausgebil¬ det sind.8. Heating element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the elements (1, 1 ', 6, 9, 10) connected to the ceramic PTC material (4) are meandering.
9. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung (3) des kerami¬ schen PTC-Materials (4, 4') in Abhängigkeit vom Istmaß der Körper aus keramischem PTC-Material gewählt ist. 9. Heating element according to one of claims 1 to 8, characterized in that the thickness of the coating (3) of the ceramic PTC material (4, 4 ') is selected as a function of the actual size of the body made of ceramic PTC material.
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