CH627322A5

CH627322A5 -

Info

Publication number: CH627322A5
Application number: CH177378A
Authority: CH
Inventors: Andre Marcel Alfred V Bokestal; Charles Joseph Ghisla Belhomme
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1977-02-21
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1981-12-31
Also published as: SE7801825L; DE2805427C3; SE418138B; NL7701813A; DE2805427B2; JPS53103559A; GB1573870A; JPS5842955B2; FR2381434A1; ATA120178A; AT377152B; CA1111093A; BE864127A; DE2805427A1; FR2381434B1; IT1092673B; IT7820383A0; US4210800A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement mit mindestens einem mit Stromleitern versehenen Widerstandskörper aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, der von einer elektrisch isolierenden einen Kunststoff enthaltenden Einbettmasse umgeben ist.

Ein derartiges Heizelement ist Gegenstand der deutschen Offenlegungsschrift 25 41 894.

Die Widerstandskörper, die in derartigen selbstregelnden Widerstandselementen verwendet werden, bestehen gewöhnlich aus gesintertem, mit seltenen Erden, Antimon, Niob oder anderen Elementen dotiertem Bariumtitanat oder Gemischen derselben mit Strontiumtitanat und/oder Bleititanat.

Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien ist verhältnismässig niedrig und demzufolge ist auch die Wärmeableitung in Luft verhältnismässig gering. Bei Belastung erreicht der PTC-Widerstand in Luft bereits bei einer verhältnismässig geringen Leistungsaufnahme die Temperatur, bei der der Widerstand schnell zunimmt. Eine verhältnismässig geringe weitere Temperaturzunahme hat dann eine verhältnismässig grosse Zunahme des Widerstands zur Folge. Dies führt in der Praxis zu einem Gleichgewichtszustand, bei dem die maximale Leistungsaufnahme von der Wärme, die abgeleitet werden kann, abhängig ist. Nachstehend wird in diesem Zusammenhang der Ausdruck «selbstregelnd» verwendet.

In der obengenannten deutschen Offenlegungsschrift wird vorgeschlagen, die Möglichkeit zur Wärmeableitung zu verbessern und damit die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit zu vergrössern, indem die Widerstandskörper allseitig von einer ein wärmeleitendes Füllmittel enthaltenden Kunststoffmasse umgeben werden, die aus einem Gemisch besteht, das einen gegen die höchste Betriebstemperatur des Widerstandselements beständigen vulkanisierten Kunststoff, eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Metallverbindung und ein Füllmittel enthält.

Das Gemisch enthält als Füllmittel vorzugsweise feinverteiltes Siliziumdioxid und/oder gemahlenen Quarz bis zu maximal 5° Gew.-% der Gesamtmenge.

Bei Anwendung einer derartigen Konstruktion stellt sich heraus, dass im Betrieb der Temperaturunterschied zwischen dem PTC-Widerstand und der Aussenseite des Gehäuses verhältnismässig gering ist und zum Beispiel weniger als 25 C betragen kann. Der Einfachheit halber ist das Ganze in einem Gehäuse untergebracht, das aus einer ähnlichen Masse hergestellt ist. Das Gehäuse kann zum Beispiel zylindrisch ausgebildet sein. Es ist dabei naturgemäss möglich, aber nicht notwendig, die Widerstandskörper ebenfalls zylindrisch auszubilden; sie können aber auch blockförmig gestaltet sein.

In der Praxis stellt sich heraus, dass als Kunststoff ein vulkanisiertes Silikongummi besonders gut brauchbar ist. Die wärmeleitende, elektrisch nichtleitende Metallverbindung besteht vorzugsweise aus Magnesiumoxid, während das Füllmittel zum Beispiel aus feinverteiltem Siliziumoxid bestehen kann.

Es zeigt sich, dass manchmal bei Anwendung von Widerstandselementen mit selbstregelnden Eigenschaften, die auf die oben beschriebene Weise hergestellt sind, Explosionen auftreten. Dabei kann Beschädigung der Einrichtung, von der das Heizelement einen Teil bildet, herbeigeführt und können zum Beispiel auch unter Spannung stehende Teile dieser Einrichtung freigelegt werden. Es ist klar, dass dabei auch der Gebraucher der Einrichtung Gefahr ausgesetzt wird. Es wurde gefunden, dass die beschriebenen Explosionen auf Fehler zurückzuführen sind, die trotz aller Vorkehrungen während der Herstellung gemacht werden. Diese Fehler können, wie sich herausstellt, dazu führen, dass beim Betrieb des Widerstandselements Reduktion des PTC-Materials auftritt; dadurch wird stellenweise der Widerstand des Materials herabgesetzt und eine zu hohe Leistung an diesen Stellen entwickelt, wodurch die Temperatur auf unkontrollierbare Weise zunehmen kann, mit allen sich daraus ergebenden Folgen. Es stellt sich heraus, dass diese Erscheinungen zum Beispiel auftreten können, wenn während der Vulkanisation des Kunststoffes in der Einbettmasse Stoffe gelöst werden, die imstande sind, das PTC-Material zu reduzieren. Es kann vorkomrhen, dass beim Anbringen der Elektroden Fehler gemacht sind, wodurch eine Menge Elektrodenmaterial an unerwünschte Stellen gelangen kann. Beim Betrieb kann dann örtlich eine zu hohe Leistung entwickelt werden. Dabei kann die Temperatur bis oberhalb der Zersetzungstemperatur des Kunststoffes in der Einbettmasse zunehmen. Bei der Zersetzung des Kunststoffes können Stoffe gebildet werden, die imstande sind, das PTC-Material zu reduzieren, wodurch der Widerstand an den betreffenden Stellen abnimmt und die Temperatur noch weiter zunehmen kann. Dies kann zu einer vollständigen Zerstörung des PTC-Materials führen, wobei das Auftreten von Explosionen möglich ist. Bei verhältnismässig hohen Betriebstemperaturen können bestimmte Elektrodenmaterialien oxidieren, wodurch eine örtliche Unterbrechung der Elektrode erhalten werden kann. In dieser Unterbrechung können Funken überschlagen, wobei ebenfalls Zersetzung des Kunststoffes in der Einbettmasse auftreten kann mit den obenbeschriebenen Folgen.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, ein Widerstandselement der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Explosionsgefahr zumindest stark herabgesetzt wird, auch wenn die Bedingungen derart sind, dass das PTC-Material durch Reduktion oder auf andere Weise beim Betrieb völlig zerstört wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass diese Aufgabe gelöst wird, wenn nach der Erfindung in der Einbettmasse mindestens ein Kanal vorhanden ist, der mit mindestens einem Ende an der Oberfläche der Einbettmasse mündet. Dadurch kann dieser Kanal in offener Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre stehen.

Es stellt sich heraus, dass durch diese Massnahme auf zweckmässige Weise das Auftreten von Explosionen vermieden werden kann, während andererseits die Wirkung und die Lebensdauer des Widerstandselements durch diese Massnahme nicht beeinträchtigt werden. Vorzugsweise werden die Kanäle in der Einbettmasse in der Nähe der Widerstandskörper angebracht. Unter «in der Nähe der Widerstandskörper» ist hier zu verstehen, dass der Kanal in geringer, aber effektiver Entfernung von dem (den) Widerstandskörper(n) liegt und eine Konstruktion mitumfasst, bei der der Kanal (die Kanäle) in offe-

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lier Verbindung mit der Oberfläche der Widerstandskörper steht (stehen).

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Widerstandskörper blockförmig gestaltet sind und miteinander fluchtend in einem langgestreckten 5 Gehäuse liegen, liegt mindestens einer der Kanäle parallel zur Längsachse des langgestreckten Gehäuses, während ein Teil der Wand dieses Kanals mit einem Teil des Umfangs der Widerstandskörper zusammenfällt.

In der Praxis stellte sich heraus, dass Reduktion des PTC- 10 Materials durch Stoffe, die während der Vulkanisation des Kunststoffes in der Einbettmasse gebildet werden können,

nicht mehr auftrat. Beim Vorhandensein von Elektrodenmaterial an unerwünschten Stellen auf der Oberfläche des Widerstandsmaterials oder bei Oxidation des Elektrodenmaterials bei 15 langem Betrieb bei hoher Betriebstemperatur stellte sich heraus, dass zwar eine vollständige Zerstörung des Widerstandsmaterials auftreten konnte, aber dass dabei keine Explosionen mehr stattfanden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der 20 Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 teilweise im Schnitt, ein Heizelement nach der Erfindung, und

Figuren 2 bis 4 im Schnitt und schematisch verschiedene aufeinanderfolgende Stufen bei der Herstellung von Heizele- 25 menten nach der Erfindung.

Das in Figur 1 teilweise im Schnitt dargestellte Heizelement enthält ein Gehäuse 1, in dem zwei Widerstandskörper 2 und 3 liegen. Die Widerstandskörper 2 und 3 sind mit Elektroden aus einer dünnen Metallschicht auf einander gegenüberlie- 30 genden Flächen versehen. In der Figur sind die Elektrodenflächen 4 und 5 dargestellt. Die Widerstandskörper 2 und 3 können mittels Stromleiter 6 und 7 mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Die Widerstandskörper 2 und 3 liegen in einer Masse 8 eingebettet, die eine wärmeleitende Metallverbindung, 35 ein Füllmittel und einen vulkanisierten Kunststoff enthält. In der Masse 8 sind Kanäle 9 und 10 vorgesehen.

Das Gehäuse 1 kann dadurch hergestellt werden, dass mittels einer Spritzgusspresse in eine geeignete Matrize unter Druck eine Paste aus 15 Gew.-% warmvulkanisierbarem Sili- 40 kongummi, 15 Gew.-% feinverteiltem Siliziumdioxid und 70 Gew.-% Magnesiumoxidpulver gepresst wird. Die Masse wird dann in der Matrize unter Druck bei erhöhter Temperatur (zum Beispiel 160 °C) vulkanisiert.

Das Heizelement nach der Erfindung kann zum Beispiel 45 wie folgt hergestellt werden. In ein durch einen Press- oder Spritzvorgang vorher aus der Kunststoffmasse hergestelltes Gehäuse 1 wird eine Menge Einbettmasse 8 eingeführt, die nach der Einführung die Widerstandskörper 2 und 3 völlig umgibt und den verbleibenden Raum im Gehäuse 1 ausfüllt 50 (Figur 2). Die Widerstandskörper 2 und 3, deren mit den Elektrodenflächen 4 und 5 mit Stromleitern versehene Seiten sichtbar sind, werden in die Masse 8 gepresst. Dann werden zwei Stahlstifte 9A und 10A möglichst nahe entlang den Widerstandskörpern 2 und 3 in die Masse bis auf den Boden des 55

Gehäuses 1 eingeführt (Figur 3). Die Einbettmasse 8 wird nun dadurch vulkanisiert, dass das Ganze zum Beispiel 10 Minuten auf etwa 180 °C erhitzt wird, bis eine derartige Festigkeit der Masse erhalten ist, dass die Stifte 9A und 10A entfernt werden können, ohne dass sich die in der Masse vorgesehenen Kanäle 9 und 10 wieder zusetzen (Figur 4). Die Einbettmasse 8 wird nun ausvulkanisiert, zum Beispiel indem das Ganze während 24 Stunden auf 180 °C gehalten wird.

Es ist naturgemäss möglich, die Widerstandskörper 2 und 3 zugleich mit den Stiften 9A und 10A in die Einbettmasse 8 zu drücken. Auch ist es möglich, die Einbettmasse 8 erst anzubringen, nachdem die Widerstandskörper 2 und 3 und die Stifte 9A und 10A in dem Gehäuse 1 angeordnet sind. Auch in den letzteren Fällen werden, nachdem die Masse 8 einige Zeit vulkanisiert worden ist, die Stifte 9A und 10A entfernt, wonach die Masse 8 weitervulkanisiert wird. Der Effekt der Erfindung ergibt sich aus den nachstehenden Versuchen (beschleunigten Lebensdauerversuchen).

A. 30 PTC-Widerstände wurden mit Elektroden aus einer ersten Schicht aus einer Nickel-Chrom-Legierung und einer zweiten Schicht aus Silber versehen. Die Elektroden wurden künstlich stark oxidiert, indem sie zwei Wochen an Luft auf 300 °C erhitzt wurden. Der Widerstandswert der PTC-Wider-stände, über die Elektroden gemessen, nahm dabei von etwa 1000 auf etwa 2000 Û zu. 10 Exemplare wurden dann zyklisch belastet (10 Minuten eingeschaltet, 10 Minuten ausgeschaltet, 265 V). Einige Sekunden nach dem Einschalten wurden stets Funken an den Elektrodenoberflächen beobachtet. Nach einigen Zyklen bildeten sich Risse an vielen Stellen in den PTC-Widerständen. Die 20 übrigen Exemplare wurden nach der Erfindung in einem Kunststoffgehäuse (eines pro Gehäuse) untergebracht, wobei 10 Exemplare keine Kanäle aufwiesen und 10 Exemplare mit Kanälen nach der Erfindung versehen waren. Die eingekapselten PTC-Widerstände wurden dann gleichfalls zyklisch belastet (10 Minuten eingeschaltet, 10 Minuten ausgeschaltet, 265 V). Die 10 Exemplare, bei denen die Einbettmasse nicht mit Kanälen versehen war, explodierten alle nach 1 bis 30 Zyklen. Die 10 mit Kanälen versehenen Exemplare wirkten zwar nicht mehr, weil der Widerstandswert während der Belastung auf 5000 bis 1 Mf2 anstieg, aber Explosionen waren nach 1000 Zyklen noch nicht aufgetreten.

B. Bei einem folgenden Versuch wurden 20 speziell für dieses Experiment hergestellte Widerstandskörper mit einer Curietemperatur von 270 °C (PTC-Widerstände mit einer Betriebstemperatur oberhalb der Temperatur, bei der das Silikongummi in der Einbettmasse stabil ist) nach der Erfindung in einem Kunststoffgehäuse untergebracht (eines pro Gehäuse), wobei 10 Exemplare in der Einbettmasse mit und 10 Exemplare nicht mit Kanälen versehen wurden. Die Widerstandskörper wurden kontinuierlich mit 265 V belastet. Die 10 nicht mit Kanälen versehenen Exemplare explodierten alle zwischen 12 und 48 Stunden nach Beginn der Belastung. Von den 10 Exemplaren mit Kanälen in der Einbettmasse war nach lOOOstündi-ger kontinuierlicher Belastung noch kein einziges defekt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

627322 PATENTANSPRÜCHE

1. Heizelement mit mindestens einem mit Stromleitern versehenen Widerstandskörper aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, der von einer elektrisch isolierenden, einen Kunststoff enthaltenden Einbettmasse umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einbettmasse (8) mindestens ein Kanal (9,10) vorhanden ist, der mit mindestens einem Ende an der Oberfläche der Einbettmasse mündet.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal (9,10) in der Einbettmasse (8) sich in der N ähe des Widerstandskörpers (2,3) befindet.

3. Heizelement nach Anspruch 2 mit blockförmigen Widerstandskörpern, die miteinander fluchtend in einem langgestreckten Gehäuse in einer Einbettmasse eingebettet liegen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal (9,10) parallel zur Längsachse des langgestreckten Gehäuses (1) liegt, wobei ein Teil der Wand des Kanals mit einem Teil des Umfangs der Widerstandskörper (2,3) zusammenfällt.