DE2037896C3 - Umhüllter Kunstharz-Kohlewiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen umhüllten Kunstharz-Kohlewiderstand mit einem elektrisch leitfähigen zylind.ischen Kern, bestehend aus ieinverteiltem Rußoder Graphitpnlver und mindestens 60 Gewichtsprozer* in einem aushärtbaren Kunstharz dispergierten Siliciumdioxid als Füllstoff, mit in den Kern eingebetteten axialen Anschlußdrähten und mit einer den Kern ujigebenden isolierenden Außenhülle, die, ausgenommen die leitfähigen Bestandteile, aus den gleichen Bestandteilen wie der Kern besteht.

Herkömmliche Kohle-Widerstände enthalten einen leitenden Innenkern mit feinverteiltem Ruß- oder Graphitpulver und in Harz dispergiertem Kieselsäurepulver und eine Außenhülle mit in Harz dispergierten, feinvertciltem Kieselsäurepulver. Die Kieselsäurepulver werden nicht einer vorangehenden Wärmebehandlung ausgesetzt. Es ist jedoch schwierig, mit derartigen nicht erhitztem Kieselsäurepulver einen Kohle-Widerstand mit überlegenen elektrischen Eigenschaften zu bilden, insbesondere wenn dieser bei hoher Feuchtigkeit eingesetzt werden soll.

Aus der USA.-Patentschrift 3 419 840 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kohle-Widerstandes bekannt, bei welchem zwecks Verbesserung der elektrischen Eigenschaften ein bei 1100 C getrocknetes Silimimdioxidpulver mit einer Reinheit von 99,9¹Va ^so~ wohl zu den Hüllen- als auch zu den Kcrnmateriulicn gegeben wird. Der Kernpunkt der USA.-Patentschrift bin uoiifi, dsS eis gkich^üSigcr F!u« dss !»uJvsrs in die Vertiefung, Verbesserungen von elektrischen Eigenschaften, Fülleigenschuften der Masse und eine hohe Ausbeute der Widerstände aus einem besonderen Gemisch erhalten werden können. Das AusgangsxmUerial für dos dort verwendete Siliziumdioxidpulver ist eine Siliziumverbindung, die durch, Dampfphuscnhydrolyse des Ausgangsmalerials in einer heißen (iasumgebung von 1100⁰C pulverisiert wird, mit eine Teilchengröße von 0,015 bis 0,012 μπι /u erhalten. Hierin besteht ein Nachteil, da die Wassuradsorption des Widerstandes im Falle von viel Sili/iiimdioxidpulver sehr hoch wird, so daß der erhaltene Widerstand einen instabilen elektrischen Widerstand in einer sehr feuchten Atmosphäre aufweist.

Die deutsche Auslegeschrift I 081 223 lehn, daß Siliciumdioxid enthaltende Füllsubstan/en auf annähernd 700⁰C zu erhitzen sind, bevor sie zu Isolationsharzen eingemischt werden, um ein Harz mit hohem Lichtbogenwiderstand zu liefern. Der Kernpunkt der deutschen Auslegeschrift 1 081 223 liegt jedoch in dem Kühlschritt von den erwähnten 700 (oder 600⁰C) auf 20Q¹¹C begründet, der stets erfordr ch wird. Außerdem ist bei den Lehren der deutschen Auslegeschrift 1 081 223 von Nachteil, daß die Art c'e<; verwendbaren Harzes sehr beschränkt ist; es wird

ίο kein Vorschlag für Widerstände mit hoher Stabilität des elektrischen Widerstandes in einer stark feuchten Atmosphäre gegeben.

In dem Aufsatz »Die Epoxyd-Gießharze« der Brown-Boveri-Mitt., 52 (1965), Nr. 8, S. 575 bis 589, von F. Knapp wird gezeigt, daß der Anteil \on Ouarzpulver als Füllstoff in einer Gießharzmasse 50 bis 80 Gewichtsprozent bei einer Korngröße von weniger als 60 um beträgt und der Verlustfaktor tan b eines Gießharzes mit Quarzpulverfüllung direkt proportional zur Temperatur der thermischen Vorbehandlung des Quarzpulvers ist. Den Ausführungen dieses Aufsat/eb läßt sich jedoch nicht die Lehre ntnehmen, wie man eine hohe Stabilität des elektrischen Widerstandes in einer stark feuchten Atmosphäre und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, «vie Stromrauschen und gute Löteigenschaften, die einen Leiter erreichen kann.

In der deutschen Auslegeschrift 1 104 595 wird die Verwendung von 31,2 bis 71,5 Gewichtsprozent Füllstoff (Siliziumdioxid-anhydrid) mit einer vorteilhaften Korngröße von etwa 1 am gelehrt, der gemäß einer Anweisung dieser Patenlbeschreibung bei 100 bis 1100 C in einer Schutzgasatmosphäre gebrannt werden soil. Hier ist jedoch stets erforderlich, eine thermische Behandlung in einer Schutzgasatmosphäre vorzünehmen, da ein Silikagel als Ausgangsmaterial verwendet wird. Überdies lehrt die Vorveröffentlichung keine Verb jserungen hinsichtlir-h de elektrischen Eigenschaften, wie des Stromrauschens und der Löteigenschaften.

Aufgabe der Erfindung war es, einen Widerstand der eingangs angegebenen Art aufzufinden, dessen elektrischer Widerstand sich nicht wesentlich unter dem hinfluß einer starken Umgebungsfeuchttgkeit ändert, das Stromrauschsn des Widerstandes so gering wie möglich ist und der Widerstand beim Einlöten seinen Widerstandswert nur geringfügig ändert.

Diese Aufgabe wird bei einem umhüllten Kunstharz-Kohlewidcrstand der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Füllstoff zu 99,00 bis 99,90 Ciewichtsprozent aus Siliziumdioxid besteht, seine Korngroße zwischen 0,3 und 20 μπι beträgt und ii^ü ?r in¹! Kc^rn pinen Anteil von 60 bis 80 Gewichtsprozent, in der Außenhülle von 75 bis 89 Gewichtspro/cnt bildet und daf .lindestcns der Füllstoff des

S5 Kern·, oder der \ußenhulle während 3 bis 10 Stunden bei einer Temperatur zwischen 700 und 1500"C geglüht ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beispielhaften Zeichnungen im einzelnen erläutert, worin

F i g. I den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Kohle-Widerstandes mit teilweise stark vergrößerte.! Scilschniltcn zeigt,

F i g. 2 ein Diagramm darstellt, welches den Wasseradsorptionslesl als Funktion de. Erhitzungstcmpcratur des Kicselsäurcpuivm zeigt,

F i g. 3 ein Diagramm darstellt, welches die Beziehung zwischen der Zeit der Fcuchtigkeilscinwirkung

3 4

und der elektrischen Widerstandsänderung der Wider- Das hier erwähnte Kieselsäurepulver ist von einer

stände als Funktion der Erhitzungsiemperatur des Reinheit von 99,00 bis 99,90 Gewichtsprozent Sinzium-

KieselsäurepuKers zeigt, dioxid und als Rest Verunreinigungen. Besonders

P j c. 4 ein Diagramm darstellt, welches die Be- schädliche Verunreinigungen sind Oxide, die al

Ziehung zwischen der Zeit der Feuchtigkeiiseinwirkung 5 Mineralisatoren agieren, was das Sintern des ^K'^esc.'"

' und der Widerstandsänderung eines formgesiossenen säurepulvers fördert, wie Eif^oxid, AlkalimetaJoxi

jr'onlc-Widerstands zeigt. und Calciumoxid. Dieses Kieb. äurepulver wird durcn

Bevor in eine detaillierte Beschreibung eingetreten Zerkleinern eines geeigneten Natursteins oder-miner

wird, soll dei Aufbau eines formgegossenen Kohle- erhalten. Die Wasseradsorption des zerkleinerten Widerstandes unter Bezugnahme auf F i g. 1 erläutert 10 Kieselsäurepulvers nimmt mit Anwachsen der r-

werden. Mit 1 ist ein leitender Innenkern rr.it fein\er- l.itzungstemperatur ab. Eine plötzliche Abnahme ae

teiltem Kohlepulver 4 und KJeselsäur.'puher 5. üisper- Wasseradsorption wird beim zerkleinerten M---

eiert im Harz 6, bezeichnet. Eine Außer ..iie 2 hüllt säurepulverbeobachtet, das 3 bis 10 Stunden aut/uu^

diesen leitenden Innenkem 1 e^n Diese '--Senhutle 2 erhitzt worden ist. Über 700⁰C nimmt die ™^as~ hat e^n im Harz8 feinverteiltes Kx. !-",repulver 7 i₅ adsorption allmählich mit Anwachsen der hrnitziiny.-

Fin Elektrodenoaar 3 ist an bcifc.- '' :.n des Kohle- temperatur ab. Oberhalb 1500⁰C zeigt das zerklcim..u.

Widerstandes eingebettet. kieseUäurepulvcr die Neigung zusammenzusintern

' "Ein Gemisch aus feinve» --Kern Ruß- oder C-.rnprm- Deshalb ist eine Erhitzungstemperatur über ukm v. "

culver und Kieselsäurepun - in ,men. .-.sioubarcn vermeiden. Γ 1 p. ? -teilt ein Beispieldiagramm oar. Kunstharz wird bei einer Temperatur \on <<> hi>. Uli) C 20 um die Beziehung /wischen der Wnsseradsorpuon ι

durch ein geeignetes Heißwal/verfahrcn --ut _?ern.N:.-ht. der Erhitzungsiemperatur bei ^K-^It ₁ ^seIs?^u"^pul^_r'_{1 7U}

bis es die richtige Plastizität erreicht Das h,r/ im ein aus /crklsinertem Kieselsäuresand erhalten wira, -

in der Wärme härtendes Bindemittel, wie > H Phenol-. erläutern. Das geprüfte Ki-selsaurepulver uiL \on e Melamin-. Silikon- oder Epoxvhar/. F.. ,e em^t/bare Reinheit von W.4 Gewichtsprozent S:l|aumdi°^x J una Gen.schzusammensetzung enthält 5 bi, :u(,e_W._Chts- ,5 hat er,.e durchschnittliche Teilchengröße von 10 μηι. prozent Ruß- oder Graphitpulver. 60 b* W (.,vv,chts- Der Wasseradsorptionstest wird, ,_n^ ahnhcher Dfozent Kieselsäurepulver und als Rest das fbr/. wie in J. Pol>mer Sei., 7,289 (1951), bcscnneoen w

r_. _ji j 1 u„:„i:,L.. τ-. 1 .1 "H_n .i..^..U.Tar;il-irt

prozent Kieselsäurepulver und als Rest das fbr/. wie in J. Polvmer S, ,(

Fine \ rwendbare durchschnittliche Teilchengrölie durchgeführi. . _f4urch"e-

die.es feinverteilten Kieselsäurepulvers Leg. hei etwa Der Löteigenschaftstest ^^,^^^eVnem 0 3 hi, 20 μπα. Die hier angegebenen durchs,h.mt!.,he 30 führt: Jedes hnde e-.nes ^Wlderstandes^"^r _e ^df ™ll _hmt

Te,Lhen,röße wird durch da, allgemein bekannte Leitungsdraht versehen der eine'^g^⁸^

BFT-Vpifahren, wie es 2. B. in J. Amer. Chem. See, und sich senkrecht von der E"denobe flache des Vv w

60. 3OT U938), beschrieben *,rd. beslimn.i. Standes erstreckte Der ^^f^.^.^SS

Mach Abkühlen auf Raumtemperatur *M das (ie- über ein ge scnmolz^^^tmeall von 350 c misch zerkleinert und zu uram.la.en für da, Ausgangs- 35 m der We.se, _ daß eaer Le.tungsd aW 1

material der leitenden Innenkerne p-mahlen. Winkel tenwe.se m das S^o^en ^

Ein Gemisch von feinverteiltem Kieselsaua-nuUer tauchte und der Ab stand ™isdh.n 0« in einem aushärtbaren Kunstharz w.rd he, einer 1em- V.derstandes und der Oterfl-d« ^_bSS_auchenden peratur von 50 bis 100 C durch ein geeignetes Heiß- Lotmctalls (d. h de Lange (ü ⁿⁱ«« _Wert walzverfahren gut gemischt, b.s es die richtige Plast.- 40 I e.tungsdrahies) 3 17 b„ 4 76 nvm betrug^D zität erreicht hat. Das Har/ ist em ,η der Wärme der «-«teigenscha,! '"J^¹ 'Widerstandes in härtendes Bindemittel, wie /. B. Phenol-, Melamin-, die AnJeumg des cltktriscncn sTl'ikon- oder Epoxyharz. Eine einsetzbarc Gemisch- Prozent an. Zusammensetzung enthält 75 bis 89 Gewichlspn.'/ccnt Beispiel 1 Kieselsäurepulver und als Rest das Harz. Eine ve- 45 . ■ Reinheit von 99,5 Gewichts-Ldbare durchschnittliche Teilchengröße dieses fein- ^Kl^^7^S^i«5 ^Mahlen von Kiesel-,erteilten Kieselsäurepulvers hegt bei etwa 0,3 bis ^_n^^^ erhalten. Das er-²⁰S^Ch Abkühlen aur Raumtemperatur w,rd dos Ge- haltene K.sel ^,Wcr hat eine dunjh schnitt hch e misch zerkleinert und zu Granulaten für das Ausgangs- 50 Te.lchcng roße v»mW um^U^ ^^ _c ^ ^ ^ material der Außenhülle gemahlen. TiunL chim~ Ein Gemisch aus 72Gewichts-Ein einheitlicher Körper au, dem durch die Außen- L^.^^Ll L" !,,eKSureoulvers, 8 Gewichtsprozent hülle eingeschlossenen leitenden innen*«.. *».... -,,-.„ ^,ΤήΓ'Ι.;",q~₅ (i_CWichtspröwnt Phenc«-Aldehyd-Harz jedes geeignete und verfügbare Verfahren gebildet Rußkolilejfl.5 t.cv _{Stearinsäure} als Schmierwerden, wie z.B. ein Extrudierverfahren oder ein 55 und ⁰^ ^~Ρ^ _{bei 7}0 C mittels einer Heiß-Preßverfahren. Bei einem Extrudie. verfahren werden ^m^"*^™™n\*toDn Gemisch wird abgedie vorgenannten beiden Gemiichc mOmnula- jvel/ma^r'"^fcg^J¹^ _{dncr Teilche}ngröße /erform vorerhitzt und gleichzeitig zu einer Düse /vsecks JunH und zu üj _{ejner Maschen}. Auspressung befördert. Der extrudierle Korper hegt kle nc t de.en U .»e _{bes(immi wird}. in Form eines langen Zylinders vor und wird m viele 6« we.te ν on Uw. ⁰^? ^ _{Ocmisch aus} go Gewich.skurze Zylinder der gewünsch :n Lange geschm.tcn. F ''¹^ ^3_urep„|vers, 19,5 Gcwichtspro-Bei einem Preuverfahren werden der leitende Innen- ^"^,^.„,,,/„„«ΐ 0,5 Gcwichtsprc cm, kern und die Ai-Penhülie getrennt durch Pressen ge- /Ij J "d in ähnlicher Weise wie oben hergebildet und dann miteinander nach einem geeigneten Stcannsaure wird Verfahren kombiniert, um einen kurzen Zyl.nder /u 65 stellt.^ _uranu|airomM._{n werden in} eine allgemein

"S'kun. ZyHnder wird an beiden Enden m„ zwei. bek.n,Ue ^^^^J^^&

Stromzuführungen versehen. "^nutl

Kern, eingehüllt von einer Außenhülle, besitzt. Der Düsenteil der Extrudiermaschine wird auf 1OO"C geheizt. Jeder der kurzen Zylinder wird an beiden Enden mit Stromzuführungen mittels eines allgemein bekannten Stanzverfahrens, das bei 180⁰C 3 Minuten unter einem Druck von 500 kg/cm² arbeitet, versehen. Die kurzen Zylinder mit je zwei an beiden Enden eingebetteten Stromzuführungen werden 8 Stunden bei 150° C erhitzt, uin stabile Widerstände zu bilden.

Die erhaltenen Widerstände werden im Feuchtigkeitstest, Stromrauschtest und Löteigenschaflstest untersucht.

F i g. 3 stellt ein Diagramm dar, welches die beziehung zwischen der Zeit der Feuchtigkeitseinwirkung und der elektrischen Widerstandsänderung der Widerstände als Funktion der Erhitzungstemperatur des Kieselsäurepulvers zeigt.

Tabelle 1 zeigt die Testergebnisse bei Vergleich mit herkömmlichem Kieselsäurepulver, welches nicht erhitzt worden ist.

Die Feuchtigkeits-, Stromrausch- und Lötcigenschaftstests werden in ähnlicher Weise, wie in MIL-STD-202 beschrieben, durchgeführt.

Tabelle 1

brhilzungstempcratur des Kicsclsüurcpu'.vcrs

Nicht erhitzt

700' LOOO 1200 1300 1500'

Änderung des Widerstands wertes

in -/„ durch der. Löteigenschaftstcst

anfangs

1,0 0,5 0,4 0,3 0,3 0,3

nach

Feucht igkcilsfcst¹)

3,0 1,0 0,8 0,5 0,5 0,5

Sf romrauschen Ί ίμν/V)

anfangs

0,8 0,6 0,5 0,4 0,4 0,4

nach

Fcuchtigkeilstcsi^:)

1.5 0,8 0,6 0,5 0,5 0,5

') Gemessen unter Verwertung eines »Quan-Tcch Labs

Resistor Noise Test Sei Modet 315«. ¹J Der Feuchtigkeitstest wird bei 40° C bei einer relativen

Feuchtigkeit von 95% 240 Stunden lang durchgeführt. Beispiel 2

Drei Arten von Widerständen wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Das verwendete Kicselsäurepulver wurde auf 1200"C oder nicht erhitzt. Die Zusammensetzung jedes der Gemische war genau die gleiche wie in Beispiet \. Bei den Widerständen des ersten Typs wurde das erhitzte Kicselsäurepulvcr nur in der Außcnhülle und das nicht erhitzte Kiesclsäurcpulvcr in dem inneren leitenden Kern verwendet. Bei ' den Widerständen des zweiten Typs wurde das erhitzte ' Kicsclsäurepulvcr nur in dem inneren leitenden Kern und nicht erhitztes Kicseisäurcpulvcr in der Außenhülle verwendet. Bei den Widerständen des dritten Typs wurde erhitzte Kieselsäure sowohl im inneren leitenden Kern als auch in der Außenhülle -erwcndct.

Diese Widerstände wurden ähnlichen Tests wie in Beispiel 1 unterwürfen.

F i g. 4 stellt ein Diagramm dar, welches die Beziehung zwischen der Zeit der Feuchtigkeitseinwirkung und der Widerstandsänderung zeigt. Tabelle 2 gibt üic Testergebnissc wieder.

Tabelle 2¹)

Art der Widerstände

Typi

Typ 2

Typ 3

Herkömmlich

Änderung des Widerstandswertcs

in "I₀ durch den Lüteigensc haiist cst

an) igs

0,5 0,4 0,3 1,0

nach Feuchtigkeitslest

1,0 0,7 0,5 3,0

Stromrauschen¹) (u V/V)

anfangs

0,6 0,5 0,4 0,8

Feuchtig* kcüstest

0,8 0,6 0,5 1,5

¹I Gemessen in ähnlicher Weise wie in Tabelle 1 beschrieben.

Ein Widerstand, bei dem erhitztes Kieselsäurepulver nur in der Außenhülle verwendet wird, ist noch im Feuchtigkeitstest und den Tests der anderen elektrischen Eigenschaften einem solchen überlegen, bei dem nicht erhitztes Kieselsäurepulver sowohl in der Außenhülle als auch in dem inneren leitenden Kern verwendet wird. Ein besseres Ergebnis wird durch Verwendung des erhitzten Kieselsäurepulvers in dem inneren leitenden Kern erhallen. Das beste Ergebnis kann durch Verwendung des erhitzten Kieselsäure pulvcrs sowohl in dem inneren leitenden Kern als auch in der Außenhülle erhalten werden.

Patentschutz wird nur begehrt für die Gesamtheit der Merkmal«; des Anspruchs.

- iHierzii-1 Blatt-Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   LJmhüllter Kunstharz-Kohlewiderstand mit einem elektrisch leitfähigen zylindrischen Kern, bestehend aus feinverteiltem Ruß- oder Graphitpulver und mindestens 60 Gewichtsprozenten in einem aushärtbaren Kunstharz dispergiertem Siliziumdioxid als Füllstoff, mit in den Kern eingebetteten axialen Anschlußdrähten und mit einer den Kern umgebenden isolierenden Außenhülle, die, ausgenommen die leitfähigen Bestandteile, aus den gleichen Bestandteilen wie der Kern'besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (5,7) zu 99,00 bis 99,90 Gewichtsprozent aus Siliziumdioxid besteht, seine Korngröße zwischen ö,3 bis 20 μιτι beträgt und das er im Kern (1) einen Anteil von 60" bis 8Ü Gewichtsprozent, in der Außenhülle (2) von 75 bis 89 Gewichtsprozent bildet und daß mindestens der Füllst jff des Kerns oder der Außenhülle während 3 bis 10 Stunden bei einer Temperatur zwischen 700 und 1500⁰C geglüht ist.