DE1665309A1 - Electrical resistance - Google Patents

Electrical resistance

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DE1665309A1 DE19661665309 DE1665309A DE1665309A1 DE 1665309 A1 DE1665309 A1 DE 1665309A1 DE 19661665309 DE19661665309 DE 19661665309 DE 1665309 A DE1665309 A DE 1665309A DE 1665309 A1 DE1665309 A1 DE 1665309A1
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Description

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Metro-Finanz Etablissement in Vaduz/LiechtensteinMetro finance establishment in Vaduz / Liechtenstein Elektrischer WiderstandElectrical resistance

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand, der einen in Form elektrisch leitender Teilchen in einen isolierenden Trägermaterial (z.B. Kunststoff) mindestens teilweise eingebetteten elektrischen Widerstandsstoff (z.B. Kohlenstoff) aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägermaterials größer als der des Widerstandsstoffes ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Schichtwiderstand für Heizzwecke, der aus in Pulverform vorliegendem Kohlenstoff, z,B. Graphit oder Ruß, als Widerstandsstoff besteht, welcher in ein elektrisch nicht oder nur sehr wenig leitendes Trägermaterial, z«B. Kunststoff, eingebettet wird und der ohne Regulierung durch einen Thermostaten bei Erhöhung der Temperatur selbsttätig seine Stromaufnahme vermindert und damit weniger Wärme nachliefert,The invention relates to an electrical resistor which comprises an electrical resistance material (e.g. carbon) which is at least partially embedded in an insulating carrier material (e.g. plastic) in the form of electrically conductive particles. having, wherein the coefficient of thermal expansion of the carrier material is greater than that of the resistance material. The invention particularly relates to a sheet resistor for heating purposes, consisting of carbon in powder form, e.g. Graphite or carbon black, as resistance material, which in an electrically non-conductive or only very little conductive carrier material, e.g. Plastic that is embedded and which is unregulated by a thermostat when the temperature is increased automatically reduces its power consumption and thus supplies less heat,

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Gemäß der Erfindung ist der elektrische Widerstand der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, datt die uielektrische Verlustziffer £_ · tang (f des verwendeten Trägermaterials für die Betrieosfrequenz mindestens in dem Temperaturoereich zwischen vorgesehener Endtemperatur des Trägermaterialε und dessen beginnender Erweichung mit steigender Temperatur aDnimmt oder wenigstens gleich oleiot.According to the invention, the electrical resistance of the type mentioned at the beginning is characterized by the fact that the dielectric loss factor £ _ · tang (f of the carrier material used for the operating frequency at least in the temperature range between the intended final temperature of the carrier material and whose beginning softening decreases with increasing temperature aD or at least oleiot.

Es wurde bereits ein Widerstand oeschrieben, bei dem das elektrisch nicht leitende, die elektrisch leitenden Teilchen des Widerstandsscoffes umnüllende Trägermaterial einen nöneren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als der widerstand·- stoff. Dadurch werden Dei zunenmender Temperatur üie elektrisch leitenden Teilchen, die sicn in einem mehr oder weniger guten elektrischen Kontakt miteinander befinden, immer weiter voneinander entfernt, wobei die Anzahl der Kontaktstellen abnimmt, was zur Erhöhung des ohmschen Widerstandes führt. Der Stromfluß in einem solchen Widerstandsmaterial müßte in einem bestimmten, durch die Wanl der Zusammensetzung einstellbaren Temperaturbereich nahezu unterbrochen werden· Nach den Gleichungen für die thermische ausdehnung müßte angenommen werden, daß die Zunahme des ohmschen Widerstandes dem Temperaturanstieg annähernd direkt proportional ist«A resistance has already been described in which the electrically non-conductive, the electrically conductive particle the carrier material enveloping the resistance scaffold a nöneren has a thermal expansion coefficient than the resistance material. As a result, the increasing temperature becomes electrical conductive particles, which are in a more or less good electrical contact with one another, further and further from one another removed, whereby the number of contact points decreases, which leads to an increase in the ohmic resistance. The current flow in Such a resistance material would have to be in a certain temperature range which can be adjusted by the Wanl of the composition are almost interrupted · According to the equations for thermal expansion, it would have to be assumed that the increase of the ohmic resistance is almost directly proportional to the rise in temperature «

Tatsächlich wird diese Annahme bei Schichtwiderständen aus gleichem Widerstandsstoff (Kohlenstoff), aber voneinander verschiedenen Trägersubstanzen (Kunststoffe) bei niedrigen Temperaturen bestätigt» In höheren Temperaturbereichen, wie z.B. bei In fact, this assumption is made for film resistors same resistance material (carbon), but different carrier substances (plastics) at low temperatures confirmed »In higher temperature ranges, e.g. at

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den gewünschten Aoschalttemperatüren, ist aber die Zunahme des ohmschen Widerstandes weit geringer und damit die Wärraeproduktion höher als erwartet. Daraus muß geschlossen werden, daß für die gesamte Wärmeentwicklung nicht allein die Joule'sehe Wärme, die bei echter stromleitung entsteht, maßgebend ist, sondern daß auch noch auf andere Weise Wärme entwickelt wird.the desired switching temperatures, but the increase in the ohmic resistance is much lower and thus the heat production higher than expected. From this it must be concluded that it is not only Joule's heat that is responsible for the overall heat development, which arises when there is real power conduction is decisive, but that heat is also developed in other ways.

Diese zusätzliche Wärme - und das wurde bisher nicht bekannt oder erkannt - entsteht folgendermaßen:This additional heat - and this has not yet been known or recognized - is created as follows:

Bei der Anwendung von Wechselstrom erzeugen die elektrischen Wechselfelder im isolierenden Trägermaterial (Kunststoff) eine ständige Unipolarisation der Elementarteilchen. Hiermit ist eine Energieumsetzung in Wärme verbunden. Man bezeichnet diese schon bei mäßigen Frequenzen merklichen Beträge als dielektrische Verluste· Ihre Größe hängt außer von der Frequenz f, der Kapazität C, der Anordnung und der Spannung U an den Elektroden noch von dem Verlustfaktor tang <f ab, worin if der sogenannte Verlustwinkel ist»When using alternating current, the alternating electrical fields in the insulating carrier material (plastic) generate a constant unipolarization of the elementary particles. This is associated with the conversion of energy into heat. These amounts, which are noticeable even at moderate frequencies, are called dielectric losses.Their size depends on the frequency f, the capacitance C, the arrangement and the voltage U at the electrodes, and on the loss factor tang <f , where if is the so-called loss angle »

Die Größe der Verluste Py berechnet sich aus der Formel: Py = 2iTf.C»ü2 » tangcfThe size of the losses P y is calculated from the formula: P y = 2iTf.C »ü 2 » tangcf

Dabei sind tangff und auch die Dielektrizitätskonstante £ (die mitbestimmend ist für die Größe der Kapazität C) sowohl von der Frequenz, die im vorliegenden Falle durch die Netzfrequenz vorgegeben ist, als auch von der Temperatur abhängig· So steigt z.B. bei vielen als Einbettungsmaterial in Frage kommenden Stoffen die Größe tang <f von einer bestimmten Temperatur abTangff and also the dielectric constant £ (the is co-determining for the size of the capacity C) both of the Frequency, which in the present case is specified by the network frequency and also depends on the temperature · So increases E.g. in the case of many substances that can be used as embedding material, the variable tang <f depends on a certain temperature

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steil an» Oowohl in dem Widerstandsmaterial bei Erwärmung durch die Unterbrechung der otrombahnen nur noch wenig Joule'sehe Wärme erzeugt werden kann, ist eine weitere Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme aus den oben geschilderten Gründen dennoch möglich, wenn aas die leitenden Teilchen umgebende Trägermaterial in diesem Temperaturbereich eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen großen dielektrischen Verlustfaktor tang <f aufweist. In jedem Widerstandsmaterial, das auf die oereits bekannte weise wirken soll, müssen also zwangsläufig dort sowohl der beschriebene, als auch der erst hier aufgezeigte Effekt gleichzeitig wirken.Although only a small amount of Joule heat can be generated in the resistance material when it is heated due to the interruption of the otromic pathways, further conversion of electrical energy into heat is still possible for the reasons described above if the carrier material surrounding the conductive particles is in this temperature range has a high dielectric constant and a large dielectric loss factor tang <f . In every resistance material that is supposed to act in the already known way, both the described effect and the effect only shown here must inevitably act at the same time.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, den Effekt einer regulierten Wärmeerzeugung ohne Thermostaten dadurch sicher zu erreichen, daß bei dem Widerstandsmaterial (bestehend z.B. aus in vorzugsweise unpolar gebauten Kunststoffen wie Polyolefine, z.B. Polypropylen, Polyäthylen, Polybutylen oder in ein Gemisch aus solchen, eingebettetem pulverförmigem Kohlenstoff), welches einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes besitzt, das Trägermaterial nach seinen Eigenschaften als Dielektrikum, nämlich den temperaturabhängigen Größen £ und tang 6 , ausgesucht wird. Die dielektrische Verlustziffer (Otang cf ) dieses Trägermaterials, z.B. Kunststoff, soll entweder in dem für die Wärmeerzeugung vorgesehenen Temperaturbereich (z.B. 20 - 60° C) größer sein, also zur Joule1 sehen Wärmeentwicklung beitragen, als jen-The present invention is based on the idea of reliably achieving the effect of regulated heat generation without thermostats in that the resistor material (consisting, for example, of preferably non-polar plastics such as polyolefins, e.g. polypropylene, polyethylene, polybutylene, or a mixture of such, embedded powdery carbon), which has a positive temperature coefficient of electrical resistance, the carrier material is selected according to its properties as a dielectric, namely the temperature-dependent quantities £ and tang 6 . The dielectric loss coefficient (Otang cf) of this carrier material, e.g. plastic, should either be greater in the temperature range intended for heat generation (e.g. 20 - 60 ° C) , i.e. contribute to Joule 1 see heat development, than that

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seits dieses Bereiches (z.B. über 60° C), in dem eine Abnahme der Wärmeerzeugung zur Selbstregulierung der Temperatur als Sicherung gegen Überhitzung des Widerstandsmaterials und damit Schmelzen des Kunststoffes gewünscht wird, oder es soll €«tangif in dem vorgesehenen Heizbereich konstant bleiben und mit steigender Temperatur keinen progressiven Anstieg oder ein Maximum im Bereich der gewünschten Heizleistungsverminderung (z.B. zwischen 70 und 100° C, wenn die Schmelztemperatur des Kunststoffes zwischen 80 - 100° C liegt) zeigen. Kunststoffe der ersteren Art sind z.B. verschiedene Polyäthylentypen, Kunststoffe der letzteren Art sind z.B. manche PVC-Typen,On the one hand, this range (e.g. above 60 ° C), in which a decrease in heat generation for self-regulation of the temperature as Protection against overheating of the resistance material and thus melting of the plastic is desired, or it should € «tangif remain constant in the intended heating range and with increasing temperature no progressive increase or a maximum in Show the range of the desired reduction in heating output (e.g. between 70 and 100 ° C if the melting temperature of the plastic is between 80 - 100 ° C). Plastics of the former kind are e.g. different types of polyethylene, plastics of the latter type are e.g. some types of PVC,

Diese Forderungen erfüllen z.B. gewisse Silikonlacke und Silikonkautschuklacke sowie auch Poly-Halogenwasserstoffe wie z.B. Polytetrafluorethylen. Denn gerade bei höheren Temperaturen, bei denen di· direkten Strombahnen zum Teil unterbrochen werden, könnte sonst für die Stromaufnahme der kapazitive Widerstand eine größere Holle spielen als der ohmsche Widerstand.These requirements are met, for example, by certain silicone varnishes and silicone rubber varnishes as well as poly-hydrogen halides such as e.g. polytetrafluoroethylene. Because especially at higher temperatures, at which the direct current paths are partially interrupted, Otherwise the capacitive resistance could play a bigger role in the current consumption than the ohmic resistance.

Da an das Einbettungsmaterial, z.B. bei der Herstellung von Flächenheizleitern geringer Schichtdicke, in vieler Hinsicht besondere Ansprüche gestellt werden müssen (z.B. gute mechanische Eigenschaften, hohe Erweichungstemperaturen) und diese sich möglicherweise mit den geforderten Eigenschaften als Dielektrikum nicht vereinen lassen, bietet sich als Ausweg folgende Möglichkeit;Since the embedding material, e.g. when manufacturing surface heating conductors with a small layer thickness, has to meet special requirements in many respects (e.g. good mechanical Properties, high softening temperatures) and these may not have the required properties as a dielectric unite, there is the following possibility as a way out;

Durch die Auswahl eines di· leitenden Teilchen umhüllenden Isolierstoffes mit für dies« Zwecke besonders günstigen dielek-By choosing an insulating material enveloping conductive particles with dielectric material that is particularly favorable for this purpose.

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trischen Eigenschaften und niedrigerem Schmelzpunkt als aas Trägermaterial kann ein mäßiger Anstiefo dessen dielektrischen Verlustfaktors oei Temperaturerhöhung im kritischen Bereich zwischen der erwünschten Höchsttemperatur und oeginnender Erweichung des Widerstandsmaterials annähernd kompensiert weraen (z.B. durch Versetzen des im Kunststoff einzuoettenden Leitpigmentes mit einem dielektrisch möglichst verlustfreien Kaoelisolationsöl und guter Homogenisierung bei etwas erhöhter Temperatur zur besseren Durchdringung, so daß die leitenden Teilchen möglichst gleichmäßig damit benetzt werden).trical properties and lower melting point than aas support material may be a moderate Anstie fo whose dielectric loss factor oei temperature increase in the critical region between the desired maximum temperature and oeginnender softening of the resistive material is approximately compensated weraen (for example, by displacing the einzuoettenden in plastic Leitpigmentes with a dielectrically possible lossless Kaoelisolationsöl and good Homogenization at a slightly higher temperature for better penetration, so that the conductive particles are wetted with it as evenly as possible).

Dieses Geschriebene elektrische Widerstandsmaterial kann nun entweder "selbsttragend" ohne weitere Zusätze oder Armierungsmittel zur Steigerung der mechanischen Stabilisierung zur Folie kalandriert oder zur Folie oder einer anderen geeigneten Form extrudiert werden.This written electrical resistance material can now either be "self-supporting" without further additives or reinforcing agents calendered to form a film or to form a film or another suitable material to increase the mechanical stabilization Shape to be extruded.

Es kann dieses Widerstandsmaterial aber auch zur Steigerung seiner mechanischen Festigkeit auf ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial (wie z.B. Papier, Asbestpapier oder eng- oder auch weitmaschige Gewebe aus Kunststoffen wie Diolen, Trevira etc« oder Asbest oder Glasfaser) aufgebracht werden, z.B. durch aufkalandrieren, Kaschieren, Imprägnieren, durch Tauchen oder Spritzen, sofern es sich um verflüssigtes Widerstandsmaterial in Form eines Lackes, einer Dispersion in einer flüssigen Phase oder einer Schmelze des Einbettungsmaterials handelt, in dem der eigentliche Widerstandsstoff, die Kohlenstoff teilchen, homogen verteilt bleiben.It can also increase this resistance material its mechanical strength on an electrically non-conductive carrier material (such as paper, asbestos paper or tight or wide-meshed fabrics made of plastics such as Diolen, Trevira etc «or asbestos or glass fiber) are applied, e.g. by calendering, laminating, impregnating, dipping or spraying, provided that the resistance material is liquefied in the form of a lacquer, a dispersion in a liquid phase or a melt of the embedding material acts in which the actual resistance substance, the carbon particles, remain homogeneously distributed.

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Claims (4)

PatentansprücheClaims 1, Elektrischer Widerstand, der einen in Form elektrisch leitender Teilchen in einem isolierenden Trägermaterial (z.B. Kunststoff) mindestens teilweise eingebetteten elektrischen Widerstandsstoff (z.B. Kohlenstoff) aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägermaterials größer als derjenige des Widerstandsstoffes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Verlustziffer £L«tang«f des verwendeten Trägermaterials für die Betriebsfrequenz mindestens in dem Temperaturbereich zwischen vorgesehener Endtemperatur des Trägermaterials und dessen beginnender Erweichung mit steigender Temperatur abnimmt oder wenigstens gleich bleibt.1, electrical resistance, the one in the form of electrical Conductive particles in an insulating carrier material (e.g. plastic) at least partially embedded electrical resistance material (e.g. carbon), the coefficient of thermal expansion of the carrier material being greater than that of the resistance material, characterized in that the dielectric Loss figure £ L «tang« f of the carrier material used for the operating frequency at least in the temperature range between the intended final temperature of the carrier material and its beginning softening decreases or at least remains the same with increasing temperature. 2. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Verlustziffer i-tangd eines oder mehrerer, den Widerstandsstoff umhüllender, gemeinsam mit diesem in das Trägermaterial eingebrachter Isolierstoffe, die einen niedrigeren ErwAchnngspunkt als das Trägermaterial aufweisen, mindestens in dem Temperaturbereich zwischen vorgesehener Endtemperatur des Trägermaterials und dessen beginnende Erweichung mit steigender Temperatur abnimmt oder wenigstens gleich bleibt.2. Electrical resistor according to claim 1, characterized in that that the dielectric loss coefficient i-tangd one or more insulating materials that envelop the resistance material and are introduced into the carrier material together with it, which have a lower melting point than the carrier material, at least in the temperature range between the intended End temperature of the carrier material and its beginning Softening decreases with increasing temperature or at least remains the same. 3· Elektrischer Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Verlustziffer <£.· tang <f des Trägermaterials und bzw. oder des oder der den Widerstandsstoff umhüllenden Isolationsstoffe in dem Temperaturbereich der Auf-3 · Electrical resistor according to claim 2, characterized in that the dielectric loss factor <£. · Tang <f of the carrier material and / or of the insulation material (s) enveloping the resistance material in the temperature range of the 009808/0988009808/0988 heizperiode ansteigt und vor Erreichen der vorgesehenen Endtemperatur wieder abnimmt.heating period increases and before reaching the intended final temperature decreases again. 4. Elektrischer widerstand nach Ansprucn 2, dadurch gekennzeichnet, dafa die dielektrische Verlustziffer ^* tang ά des Trägermaterials einen steigenden schwacnen .-mstieg mit zunehmender Temperatur zeigt, wouei die den Widerstandsstoff umhüllenden Isolationsstoffe in dem Temperaturoereich zwischen vorgesehener lindtemperatur und Deginnender Erweichung des Wiaerstandsmaterials in ihrer dielektrischen Verlustziffer £· tan^ ti abnehmen oder mindestens konstant gleich oleiben.4. Electrical resistance according to Claim 2, characterized in that dafa the dielectric loss coefficient ^ * tang ά of the carrier material an increasing weakness. -m increased with increasing Temperature shows how the insulation material enveloping the resistance material is in the temperature range between intended mild temperature and deginning of the softening of the resistance material in their dielectric loss coefficient £ · tan ^ ti decrease or at least stay constant. 009808/0388009808/0388
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