DE2362801B2

DE2362801B2 - Verfahren zum Aufbringen von metallischen Kontaktstreifen auf Flächenheizelemente

Info

Publication number: DE2362801B2
Application number: DE2362801A
Authority: DE
Inventors: Rudolf 8261 Garching Aigner; Herbert Dr. 8261 Burgkirchen Fitz; Manfred 8261 Teising Reith
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1973-12-18
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1978-06-08
Also published as: AT328583B; JPS5092434A; NO744551L; ATA999574A; DE2362801C3; IT1027729B; DE2362801A1; FR2254924A1; FR2254924B1; BE823520A; GB1478919A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von metallischen Kontaktstreifen auf Flächenheizelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Flächenheizelemenete, die aus einem leitfähigen, nichtmetallischen bzw. leitfähig gemachten Material bestehen, müssen für die Zuführung und die gleichmäßige Verteilung des Stroms an zwei gegenüberliegenden Seiten mit einem guten elektrischen Leiter zwecks Verbindung mit dem Stromnetz kontaktiert werden. Wesentlich dabei ist, daß die Metallkontaktierung eng mit dem Flächenwiderstand verbunden ist, um die Übergangswiderstände so klein wie möglich zu halten, wobei jedoch bei Herstellung dieser Verbindung darauf geachtet werden muß, daß der Flächenwiderstand selbst nicht beschädigt bzw. in seiner Struktur verändert wird, da dadurch die Flexibilität erheblich leiden würde.

Für die Kontaktierung von Flächenheizelcmenten sind bereits eine Reihe von Verfahren bekanntgeworden. So ist es bekannt, Kontakte durch Flammspritzen von Kupfer, Aluminium oder anderen elektrisch gut leitenden und flammspritzbaren Materialien aufzubringen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die aufgebrachten Kontaktierungen sehr spröde und knickempfindlich sind. Außerdem kann es nur bei solchen Materialien (Substrat und Leitpigment) angewendet werden, die durch den Vorgang des Flammspritzens nicht zerstört oder beschädigt werden.

Es ist ferner bekannt (DE-OS 15 40 843), Kontaktierungen bei Flächenheizelementen herzustellen, indem man Metallstreifen auf die Oberfläche aufnäht oder mittels Heftklammern, Nieten od. dgl. befestigt. Eine solche Kontaktierung führt jedoch nur bei sehr glatten Oberflächen zu einem einigermaßen befriedigenden Ergebnis. Bei rauheren Oberflächen kommt eine lediglich punktförmige Berührung an den »Gipfeln« der Oberfläche zustande, die Übergangswiderstände werden dadurch untragbar hoch, was im Extremfall zum Verschmoren des Heizleiters an der Kontaktierung führen kann.

Nach der DE-OS 16 15 494 können Kontakte für die Stromzuführung zu Flächenheizleitern auch dadurch

is angebracht werden, daß man bei der Herstellung des Grundmaterials, z. B. eines Textil- oder Glasfasergewebes, Metalldrähte einwebt. Ein solches Einweben von Metalldrähten bereitet jedoch wegen der sehr unterschiedlichen Flexibilität von Glas- bzw. Textilfaden und Metallfaden erhebliche Schwierigkeiten.

Weiterhin ist versucht worden, bei kalt- oder warmhärtenden Kunststoffen die für die Kontaktierung notwendigen Metallzuführungen während des Härtungsvorganges einzugießen bzw. bei thermoplastisehen Kunststoffen einzuschweißen, insbesondere bei der Kalandrierung Metallfäden in den noch plastischen Kunststoff einlaufen zu lassen (DE-OS 15 65 754).

Da jedoch heutzutage Materialien für Flächenheizelemente vielfach kontinuierlich als »Meterware« hergestellt werden, haben solche Verfahren den Nachteil, daß die eingebrachten Kontakte nachträglich aus dem Substrat wieder freigelegt werden müssen. Ein Einbringen von Metallkontakten während der Kalandrierung kommt nur für relativ dicke Folien in Frage.

Ganz abgesehen davon eignen sich solche Verfahren nur für solche Materialien, die überhaupt vergießbar oder verschweißbar sind, und sie bringen keinerlei Vorteil bei Kunststoffen, die am Metall schlecht oder gar nicht haften, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, da sich hier eine völlig unzureichende Kontaktierung ergibt. Aber auch bei vergießbaren oder verschweißbaren Kunststoffen wird die Fertigung erschwert, da ganz bestimmte Temperaturen beim Einbringen bzw. während des Härtevorganges eingehalten werden müssen.

Nach den deutschen Offenlegungsschriften 18 08 022, 19 03 799 und 19 14 117 sollen Kontaktierungen von leitfähig gemachten Polyestervliesen dadurch erreicht werden, daß man Metallbänder darauf anbringt und diese von oben her durch eine selbstklebende Schicht (slebstklebend gemachtes Faservlies oder selbstklebende Folie) fixiert. Dieses Verfahren hat die gleichen Nachteile wie die obengenannte Befestigung durch Aufnähen, Aufklammern od. dgl., das heißt, es werden auch hier nur punktförmige Kontakte erreicht, woraus ungünstige Übergangswiderstände resultieren.

Auch ist bereits bekannt, Flächenheizleiter durch Aufbringen einer sich über die ganze Fläche erstreckenden Metallschicht von beiden Seiten her mit Kontakten zu versehen (DT-OS 19 10 704). Hiermit wird zwar die für die Kontaktierung zur Verfügung stehende Fläche vergrößert und durch die vermehrte Zahl von »punktförmigen« Kontaktstellen der Übergangswiderstand herabgesetzt, jedoch ergibt sich dann im Flächenheizleiter ein wesentlich ungünstiger Stromfluß in Vertikalrichtung, wodurch der Widerstand auf einen Bruchteil zusammenschrumpft.
Schließlich besteht die Möglichkeit (DE-AS

10 73 055), eine gut leitfähige Schicht auf den Heizleiter dadurch aufzubringen, daß man leitfähige, mit Metallen pigmentierte Lacke (sogenannte Leitlacke) auf das Flächenheizelement aufstreicht. Da die Lackkomponente derartiger Leitlacke jedoch nur bis zu bestimmten Grenzen temperaturbeständig sind, können derart kontaktierte Flächenheizleiter größeren Temperaturbelastungen jedoch nicht aufgesetzt werden. Wenn der Flächenheizleiter größere Leistungen aufnehmen t>oll, ist es auch schwierig, die entsprechenden Leitungsquerschnitte mittels derartiger Leitlacke zu erzielen, da die Harzkomponente des Lackes automatisch einen «Verdünnungseffekt« auf die leitfähige Komponente ausübt und somit die elektrische Belastbarkeit vermindert wird. Alle vorstehend genannten Verfahren haben insbesondere den Nachteil, daß sie für Flächenheizelemente in Form eines grobmaschigen Gewebes mit nicht geschlossenen Maschen nicht anwendbar sind.

Der Erfindung liegt somit, die Aufgabe zugrunde, Kontaktierungen an Flächenheizelementen so anzubringen, daß die Berührungsfläche von Metallkontakt zum Flächenwiderstand so groß und so eng wie möglich ist, ohne daß die Struktur oder die Flexibilität des Flächenheizelementes darunter leidet.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand der eingangs genannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 gelöst.

Unter den genannten Anpreßbedingungen wird erreicht, daß sich der aufgelegte Metallstreifen optimal genau an das Oberflächenprofil des Widerstandselementes anpaßt, ohne daß das Element durch den Anpreßdruck beschädigt werden kann. Dies ist besonders dann wichtig, wenn das Flächenheizelement als ein grobmaschiges Gewebe mit offenen Maschen ausgebildet ist. In diesem Fall wird der aufgelegte Metallstreifen bis zum Durchgriff durch die Maschen des Flächenwiderstandes hindurchgedrückt, ohne daß die Struktur des Maschengev/ebes beschädigt wird.

Durch das zwischen das Flächenheizelement und das Gegendruckelement eingebracht selbstabbindende, flächige Gebilde werden die durch die Maschen hindurchtretenden Teile des Kontaktstreifens in ihrer Lage fixiert. Ein solches selbstabbindendes flächiges Gebilde kann eine einseitig mit einer selbstklebenden Schicht versehene Kunststoff-Folie oder ein entsprechendes textiles Gewebe oder ein Vlies sein. Von besonderem Vorteil ist es aber, wenn dieses selbstabbindende flächige Gebilde zur Fixierung der eigentlichen Kontaktierung selbst ein guter elektrischer Leiter ist, da dann die Wirksamkeit der Kontaktierung erhöht wird.

Dies kann also eine Metallfolie sein, die auf einer Seite mit einer selbstklebenden Schicht versehen ist, wobei diese Selbstklebeschicht vorteilhafterweise noch mit feinverteiltem Metall pigmentiert, d. h. leitend gemacht wird. Es kann sich aber auch um eine Metallfolie handeln, die eine einseitig aufgebrachte Lötschicht besitzt. In diesem Fall wird die Fixierung der eingepreßten Kontaktstreifen von der Gegenseite dadurch erreicht, daß man während des Anpressens die Gegendruckplatte aufheizt bzw. einer Gegendruckwalze Wärme zuführt, wodurch dann die Lötverbindung erzielt wird.

Die genannten Bedingungen hinsichtlich des elastomeren Anpreßelementes, das im Rahmen des erfindungisgemäßen Verfahrens eingesetzt wird, sind von wesentlicher Bedeutung. Werden diese Bedingungen Shore-Härte A (nach DIN-Norm 53 505) 40 bis 70, Stoßelastizität (nach DIN-Norm 53 512) von 40 bis 70%, nicht eingehalten, so resultiert entweder eine ungenügende Anpressung an die Oberflächenstruktur bzw. kein Durchgriff bei offener Maschengeweben, so daß der erforderliche geringe Übergangswiderstand zwischen Kontakt und Flächenheizleiter nicht erzielt werden kann, oder aber die Oberfläche, das Profil, gegebenenfalls sogar das gesamte innere Gefüge des Flächenheizelementes wird deformiert, was zu unerwünschten Widerstandsänderungen, insbesondere zu einer Wider-Standszunahme führt

Das eingesetzte elastomere Anpreßelement kann von unterschiedlicher geometrischer Form sein, insbesondere ist es ein Stempel oder eine Walze. Die Mindeststärke der Elastomerenschicht soll etwa 0,5 cm betragen. Die genannten Eigenschaften hinsichtlich der Härte und StoQelastizität erbringen insbesondere folgende mit Füllstoffen versehene, vulkanisierbare Elastomere: Polybutadiene, Chloropren, chlorsulfoniertes Polyäthylen, Isobutylen-Isopren-Mischpolymerisate, vorzugsweise aber Naturkautschuk, Polyisopren und Butadien-Styrol-Mischpolymerisate. Diese Materialien werden durch Zugabe von Füllstoffen, insbesondere erdigen Füllstoffen, wie Silikaten, verschiedenartigen Rußen, Kreide oder S1O2, und gegebenenfalls nach den dem Fachmann geläufigen Vulkanisationsverfahren auf die obigen Eigenschaften eingestellt. Die Reißfestigkeit des Elastomeren soll 20 bis 200, vorzugsweise 150 bis 200 kg/cm² betragen (bestimmt nach DIN-Norm 53 504).

Der mit dem elastomeren Anpreßelement auszuübende Anpreßdruck ist abhängig von der Art des Materials, von der Dicke des aufgebrachten Kontaktstreifens, von der Oberflächenstruktur und/oder der Maschenweite des Gewebes. Somit kann dieser Druck in relativ weiten Yj Grenzen schwanken. Je nach den Gegebenheiten kann schon ein Anpreßdruck von ca. 0,5 kg/cm² ausreichend sein, es können auch Drucke bis zu 100 kg/cm² angewandt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden für die Kontaktierung von grobmaschigen Flächenheizelementen aus leitpigmentierten Kunststoffen, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, Polyester, Epoxidharze, Polyvinylacetat, Silikonharze oder auch nichtleitende andere Materialien wie Kautschuk, wobei ■45 die bekannten Leitpigmente, wie Ruß, Graphit, Metallpulver (Kupfer, Bronze, Silber, Aluminium usw.) eingemischt sind. Derartige Flächenwiderstände können außerdem mit Stützeinlagen aus Glasfasern oder auch natürlichen oder synthetischen Textilfasern in Form von grobmaschigen Geweben versehen sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch geeignet für grobmaschige Heizelemente aus an sich leitenden Materialien, wie gepreßte Kohlefaser und Graphit Die aufzubringenden Kontakte sind Metallfolienstreifen, deren Breite und Dicke sich nach der Größe und insbesondere der elektrischen Leistungsaufnahme des jeweiligen Flächenheizelementes richten. In der Länge werden diese Metallfolienstreifen mit Vorteil so dimensioniert, daß sie möglichst zwei gegenüberliegende Seiten des Flächenheizelementes voll überstreichen, wodurch ein gleichmäßiger Stromfluß innerhalb der Widerstandsmasse gewährleistet ist. Die Metallstreifen körnen dabei beide auf der gleichen Seite des Flächenwiderstandes angebracht werden, jedoch auch so, daß einer die obere und einer die untere Fläche an zwei gegenüberliegenden Seiten kontaktiert. Für diese Metallfolien werden vorzugsweise gut leitende Metalle eingesetzt, wie insbesondsere Kupfer, Silber, Gold,

Platinmetalle oder aber auch Aluminium.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine ganze Reihe von Vorteilen erzielt, so insbesondere, daß durch die Art des Aufpressens eine optimal große Auflagefläche der Metallfolie auf dem Oberflächenprofil des Flächenwiderstandes erreicht wird, wobei das Flächenheizelement nach dem Aufbringen der Kontaktierung völlig flexibel bleibt und keine schädlichen Veränderungen seines Gefüges erleidet. Ferner kann der Leiterquerschnitt beliebig gewählt und erhöht werden, so daß auch Flächenheizelemente hoher elektrischer Leistungsaufnahme problemlos kontaktiert werden können. Insbesondsere ist es aber bei Flächenheizelementen, die in Form nicht geschlossener, grobmaschiger Gewebe ausgebildet sind, erstmalig möglich, einen Durchgriff und eine sichere Fixierung des Kontaktstreifens zu erzielen, ohne daß die besonders gefährdete Maschenstruktur beschädigt wird.

Ein gemäß der Erfindung kontaktiertes Flächenheizelement ist in F i g. 1 bis 3 dargestellt. F i g. 1 zeigt dieses Flächenheizelement in der Draufsicht, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie A-B und Fig.3 einen vergrößerten Ausschnitt aus diesem Schnitt (Vergrößerung 1:5) an der kontaktierten Stelle. Aus diesen Figuren ist ersichtlich ein Flächenheizelement bestehend aus einem Glasfasergewebe, imprägniert mit einem Gemisch aus Ruß, Graphit und Polytetrafluorethylen als Bindemittel 1, zwei als Kontaktierung dienende Kupferfolienstreifen 2, die bis zum Durchgriff auf das Gewebe aufgepreßt sind, die beiden elektrischen Anschlußkabel 3 sowie zwei von unten her mittels einer leitfähigen Klebeschicht 5 fixierte Kupferfolienstreifen 4.

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert:

Beispiel 1

Ein Heizleitergewebe auf Basis Glasfasergewebe/Polytetrafluoräthylen/Graphit mit einer Maschenweite von 4 mm (nicht geschlossene Maschen) und in Abmessungen 10 χ 10 cm wurde an den gegenüberliegenden Seiten mit einem Kupferband, 20 mm breit und 100 μ dick, über die gesamte Länge dieser Seiten belegt. Auf der gegenüberliegenden Fläche des Heizleitergewebes wurde an der entsprechenden Stelle je ein einseitig klebbarer Streifen Kupferfolie aufgeklebt und dieser Aufbau dann mit einem Silikongummistempel (Shore-Härte A = 50, Reißfestigkeit 160 kg/cm³, Elastizität 50%) bei einem Druck von 50 kg/cm² von oben her gegen eine unter dem Heizleitergewebe befindliche nichtelastomere Gegendruckplatte gedrückt.

Das Kupferband wurde dabei durch das Maschenprofil des Heizleiters gegen die darunter befindliche selbstklebende Kupferfolie gedrückt und dort fixiert, wobei deren Selbstklebeschicht mit feinstem Kupferpulver leitfähig gemacht war. Der Widerstand des so

ίο kontaktierten Flächenheizleiters betrug 32,7 Ω, gemessen mit der Wheatstoneschen Brückenschaltung. Ein gleichartiges Gewebe gleicher Größe wurde in den Abmessungen obiger Kontaktierung mit einem silberhaltigen Leitblack bestrichen. Diese Methode wird in der Praxis angewandt, um den »Absolutwiderstand« von Flächenheizleitern zu bestimmen. Bei der Widerstandsmessung mit Wheatstone-Brücke ergab sich innerhalb der Fehlergrenze der gleiche Wert. Dagegen zeigte ein gleichartiges Gewebe gleicher Größe, auf dem die oben näher definierte Kontaktierung nur aufgeklammert worden war, eine deutliche Widerstandserhöhung auf 41,5 Ω.

Bei einer elektrischen Belastung mit 320 Watt (110 Volt) zeigte sich bei der erfindungsgemäß aufgepreßten Kontaktierung keinerlei Schädigung, während das Element mit der aufgeklammerten Kontaktierung bereits bei 250 Watt an den Berührungspunkten zwischen Kontakt und Flächenheizleiter-Oberfläche unter Feuererscheinung durchbrannte. Ein silberhaltiger Leitlackstreifen gleicher Dicke (100 μ) brannte bereits bei 150 Watt durch.

Beispiel 2

Ein Heizleitergewebe wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch mit einer Maschenweite von 5 mm (nicht geschlossene Maschen) wurde auf zwei gegenüberliegenden Seiten der einen Fläche mit je einem Kupferfolienstreifen von 1 cm Breite und 100 μ Dicke, auf der anderen Fläche an den entsprechenden Stellen mit je einem mit Zinn beschichteten Kupferstreifen belegt und mit einem Silikongummitstempel, wie in Beispiel 1 beschrieben, zusammengepreßt. Die Gegendruckplatte wurde dabei auf 230° C aufgeheizt. Nach dem Entspannen waren die beiden Kupferfolienstreifen durch die Maschen hindurchgedrückt und mit den Gegenstreifen fest verlötet. Auch hier ergab sich keine Widerstandsänderung, verglichen mit der »Absolutmessung« mit Hilfe von silberhaltigem Leitlack.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbringen von metallischen Kontaktstreifen auf Flächenheizelemente, die aus mit Hilfe von Leitpigmenten elektrisch leitfähig gemachten Kunststoffen bestehen und in Form grobmaschiger, nicht geschlossener Gewebe ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kontaktstreifen mittels eines elastomeren Anpreßelementes, dessen Shore-Härte A (nach DIN 53 505) 40 bis 70 und dessen Sioßelastizität(nach DIN 53 512)40bis70% beträgt,und mittels eines unter dem Flächenheizelement befindlichen Gegendruckelementes innig auf die Oberfläche des Flächenheizelementes aufgepreßt wird, wobei vorher zwischen Flächenheizelement und Gegendruckelement ein selbstabbindendes, flächiges Gebilde gelegt worden ist, das sich beim Preßvorgang mit den durch die Gewebemaschen hindurchgedrückten Abschnitten der Kontaktstreifen verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstabbindende, flächige Gebilde aus einer einseitig mit Selbstklebeschicht versehenen Metallfolie besteht, wobei die Selbstklebeschicht mittels feinverteiltem Metall leitfähig gemacht worden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstabbindende flächige Gebilde aus einer Metallfolie mit einseitig aufgebrachter Lötschicht besteht und daß von der Gegendruckplatte Wärme zur Erzielung der Lötverbindung zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstabbindende, flächige Gebilde aus einer einseitig mit Selbstklebeschicht versehenen Kunststoffolie besteht.