DE2436726B2 - Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten - Google Patents
Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen Widerstandselementen für hohe LeistungsdichtenInfo
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Description
Drahtlose großflächige Widerstandsmaterialien für den Einsatz bis ca. 500 Watt pro qm Flächenleistung
werden üblicherweise durch Aufnähen von metallischen Bändern (DE-OS 21 11 277), wie z. B. Kupferbändern,
auf das drahtlose Widerstandsmaterial kontaktiert. Dieses Verfahren ist bei einer größeren Leistungsdichte
als der angegebenen nicht mehr praktikabel, da sich wegen der hohen Stromdichte zwischen Leiterbahn und
Widerstandsmaterial Mikrofunken ausbilden, die zur Zerstörung des drahtlosen Widerstandsmaterials bei
Dauerbetrieb führen. Weiterhin ist bekannt, daß man auch mit leitfähig gemachten Klebern (DE-OS
16 15 257, Seite 23) die metallische Stromzuführung auf dem Widerstandsmaterial ankleben kann. Hierzu
benützt man z. B. acrylathaltige Haftkleber (US-PS 35 95 720) oder vulkanisierbare Kleber (OE-PS 2 14 025
und DE-OS 21 11 277), denen beispielsweise Kupferspäne
zugesetzt sind. Auch Bindemittel verschiedener Zusammensetzung mit Silberpulver und Kohlenstoffpulver
als Leitpigmente sind bekannt (FR-PS 9 81 643).
Diese Methoden sind aber nicht universell anwendbar, da z. B. die acrylathaltigen Haftkleber auf
drahtlosem Widerstandsmaterial aus Silicon und Fluor- so kohlenwasserstoffen nicht haften. Außerdem bleiben
diese Kleber nur bis zu einer Temperatur von ca. 1000C
funktionsfähig, was in der Praxis zur Ablösung der Metallstreifen bei Temperaturen über 1000C führt.
Drahtlose großflächige Widerstandsmaterialien mit Leistungsdichten über 500 Watt werden aber oft bei
Temperaturen bis 2000C eingesetzt.
Mit Silberpigmenten gefüllte Kleber, die temperaturbeständiger sein können, sind unter Kupferbändern als
Leiterstreifen oder auch unter Aluminiumbändern als w> Leiterstreifen für den Dauereinsatz nicht geeignet, da
sie zu Korrosionserscheinungen an den Grenzflächen Anlaß geben.
Aufgabe war es daher, ein Kontaktierungsverfahren zu finden, das die oben beschreibenen Nachteile nicht ir>
hat.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen
Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten durch Aufkleber metallischer Leiterstreifen mittels eines heiß
vulkanisierenden Klebemittels und anschließender Ausvulkanisierung. Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei
einem Verfahren der genannten Art dadurch, daß erfindungsgemäß als heiß aufvulkanisierendes Klebemittel
ein heiß vulkanisierender Silikonkleber verwendet wird, und nach dem Ausvulkanisieren der metallische
Leiterstreifen durch mechanisches Recken bei Raumtemperatur auf die Länge gestreckt wird, die er
bei der Vulkanisationstemperatur hatte.
Unter drahtlosen ohmschen Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten werden erfindungsgemäß
solche verstanden, die eine Leistungsaufnahme von mehr als 500 Watt pro qm haben. Es sind Anwendungen
bekannt, bei denen drahtlose ohmsche Widerstandsmaterialien mit Leistungsdichten bis 20 000 Watt pro
qm eingesetzt werden.
Als heiß aufvulkanisierende Klebemittel, die mit Kohlenstoffpulver, meistenteils Ruß, leitfähig gemacht
sind, kommen insbesondere Silikonkleber, wie sie beispielsweise in der DE-OS 23 07 776 beschrieben sind,
in Frage. Ein Beispiel für ein solches Klebemittel ist die folgende Mischung:
78 g einer Mischung aus 100 Teilen eines als endständige Einheiten Dimethylvinylsiloxygruppen aufweisenden
Diorganopolysiloxans aus 99,8 Mol—% Dimethylsiloxan-Einheiten und 0,2 Mol—% Vinylmethylsiloxan-Einheiten
mit einer Viskosität von 1 ■ 103 Pa s bei 25°C, 13 Teilen Dimethylpolysiloxanen
mit 7 Gew.—% an Si-gebundene Hydroxylgruppen und 40 Teilen pyrogen in der Gasphase erzeugtem
Siliciumdioxid werden mit 702 g Perchloräthylen vermischt. Die so erhaltene 10 Gew.— %ige Dispersion
wird in einem mit 2800 Umdrehungen je Minute betriebenen mechanischen Hochfrequenzgerät 15 Minuten
mit 22 g eines Acetylenrußes mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von kleiner als 50 nm und
einer Oberfläche nach BET von größer als 70 m2/g vermischt und nach 4 Tagen Lagerung mit !475 g
Perchloräthylen verdünnt. Dabei sind keine Absetzungserscheinungen zu beobachten. Durch Zusatz von
0,1%, bezogen auf ihr Gewicht, von einem Mischpolymerisat aus 98 Mol.% Methylhydrogensiloxan und 2
Mol.% Trimethylsiloxan-Einheiten mit einer Viskosität von etwa 3 · 10-2 Pa s bei 25°C und 0,05%, bezogen auf
ihr Gewicht, von einer l%igen Lösung von Platin (IV)-chlorosäure in Cyclohexanon, kann diese Dispersion
bei 300° C zu einem elastischen Film mit guter Haftung auf Metall ausgehärtet werden. Dieser
elastische Film hat einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm · cm.
Im allgemeinen werden die metallischen Leiterstreifen bei Temperaturen zwischen 100 und 3000C auf das
drahtlose Widerstandsmaterial aufvulkanisiert. Dabei tritt folgendes Problem auf: Der metallische Leiterstreifen
hat einen wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten als das drahtlose Widerstandsmaterial. Der
faltenfrei auf das drahtlose Widerstandsmaterial aufvulkanisierte Metallstreifen zieht sich nach der Vulkanisation
bei Raumtemperatur wieder auf seine ursprüngliche Länge zusammen, die geringer ist als die des
Widerstandsmaterials und verursacht dadurch Falten des drahtlosen Widerstandselements.
Bei Widerstandselementen mit hohen Leistungsdichten muß für eine gute Wärmeabführung gesorgt werden,
da sich sonst die Heizelemente örtlich auf Temperaturen erhitzen, die über der Zersetzungstemperatur des
drahtlosen Widerstandsmaterials liegen. Dadurch würde der Heizleiter zerstört.
Durch das nachträgliche mechanische Recken bei Raumtemperatur auf die Länge, die der Metallstreifen
bei der Vulkanisationstemperatur hatte, lassen sich die Falten in den Heizelementen beseitigen und dadurch ein
einwandfreier Wärmeübergang zwischen drahtlosem Widerstandsmaterial und wärmeabführender Fläche
erreichen. Als Maß für die notwendige Reckung des Metallstreifens kann bei Raumtemperatur z. B. die
völlige Faltenfreiheit des kontaktierten Widerstandselementes gelten. Unter Raumtemperatur wird in diesem
Zusammenhang der Temperaturbereich 10 bis 4O0C verstanden.
Drahtlose elektrische Widerstandselemente können z. B. bestehen aus einer Kunststoff-Folie, die mit Ruß
beschichtet ist, aus einem Trägergewebe, wie z. B. Glasgewebe oder Glasvlies, oder Kunststoffvlies als
Trägermaterial und einer leitfähigen Schicht aus einer Mischung aus Kohlenstoffpulver und verschiedenen
Kunststoffen, wie z. B. SiJiconen, FJuorkohlenwasserstoffen, Vinylacetatpolymeren und -copolymeren, gesättigten
und ungesättigten Polyestern. Vorzugsweise werden Mischungen aus Kohlenstoffpulver und Siliconmassen
eingesetzt.
Als metallische Leiterstreifen werden bevorzugte Kupfer- oder Aluminiumstreifen verwendet, oder
geflochtene Kupfer- oder Aluminiumlitzen. Technisch ist auch Silber hervorragend geeignet.
Das Klebemittel wird vorzugsweise auf den Metallstreifen mittels eines Lösungsmittels aufgebracht und
das Lösungsmittel so entfernt, daß die Vulkanisationstemperatur des Klebemittels nicht erreicht wird. In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die metallischen Leiterstreifen
um zwei gegenüberliegende Ränder des Widerstandsmaterials gefalzt aufgeklebt. Dabei hat es sich als
vorteilhaft erwiesen, daß die metallischen Leiterstreifen so um die gegenüberliegenden Ränder des Widerstandselements
gefalzt werden, daß auf beiden leitfähigen Flächen des elektrischen Widerstandselements die
dadurch entstehenden metallischen Leiterbahnen den gleichen elektrischen Querschnitt haben.
Bei einem Aufbau des Widerstandselements Trägerfolie bzw. Trägervlies oder -gewebe mit leitfähiger
Beschichtung kann das Trägermaterial die beiden leitfähigen Schichten so stark elektrisch gegeneinander
isolieren, daß kein einwandfreier Übergang des elektrischen Stroms zwischen den beiden leitenden
Flächen gewährleistet ist. Das spielt insbesondere bei hohen Leistungsdichten eine Rolle. Durch die Falzung
werden die beiden elektrisch leitenden Flächen kurzgeschlossen und dadurch eine gleichmäßige Leistungsaufnahme
gewährleistet.
Besteht die Gefahr, daß bei speziellen Anwendungen die Klebefuge zwischen Heizleiter und Kupferstreifen
besonderen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, kann als zusätzliche Maßnahme die KSebefuge durch
Nähen oder Klammern vor einer mechanischen Beschädigung geschützt werden.
Elektrische Widerstandselemente mit hohen Leistungsdichten eignen sich z. B. zur Beheizung von
hydraulischen Pressen, elektrischen Warmwasserbereitern, Kaffeemaschinen, Bügelmaschinen, Speichergeräten
für die Wohnraumbeheizung sowie zur Beheizung von Aquarien für Zierfische, Terrarien und Tropenfenstern.
Ein elektrisches Widerstandsmaterial aus einem Glasgewebe mit einer leitfähigen Siliconbeschichtung
(Siliconmasse mit Kohlenstoffpulver) wird auf die Maße 30 cm χ 150 cm zugeschnitten. Das Meteria! hat die
Form eines Rechtecks. Gefordert wird eine Leistungsaufnahme von 4000 Watt.
Die Längsseiten des Rechtecks werden in der Weise kontaktiert, daß ein metallisches Kupferband geeigneten
elektrischen Querschnitts um diese Begrenzungslinien gefalzt wird. Das Kupferband wird vorher mit
einem hochleitfähigen Siliconkleber — wie auf Seite 2 beschrieben — klebefähig gemacht und das Lösungsmittel
entfernt. Anschließend wird in einer Klebepresse bei einer Temperatur von 200°C das Kupferband anvulkanisiert.
Vulkanisationsdauer 1,5 Min. Bei dieser Temperatur erhält man ein völlig faltenfreies Heizelement.
Nach Abkühlen des Verbundes auf Raumtemperatur bilden sich auf dem drahtlosen Widerstandselement
zwischen den beiden anvulkanisierten Kupferstreifen zahlreiche Falten. Spannt man ein solches Widerstandsmaterial
auf ein mit kaltem Wasser gefülltes zylindrisches Rohr, so ergeben sich zwischen der metallischen,
wärmeabführenden Fläche und dem Heizelement zahlreiche Falten und Luftpolster zwischen Widerstandsmaterial
und Rohr, die den Wärmeübergang behindern. Beim Anlegen der Betriebsspannung an ein
solches Heizelement (Leistungsaufnahme 4000 Watt), insbesondere im Dauergebrauch, wird an der Stelle
dieser Luftpolster das Heizelement zerstört.
Dehnt man die Kupferstreifen bei Raumtemperatur auf die Länge, die sie bei der Vulkanisationstemperatur
hatten, so verschwinden diese Falten und der geschilderte Nachteil der Zerstörung der Elemente tritt nicht
mehr auf. Die thermische Ausdehnung der Kupferstreifen, wie sie bei der späteren Betriebstemperatur, die im
allgemeinen niedriger ist als die Vulkanisationstemperatur, auftritt, hat keine nachteiligen Auswirkungen, da die
Überdehnung des drahtlosen elektrischen Heizelements von diesem aufgenommen werden kann.
Claims (3)
1. Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen Widerstandselementen für
hohe Leistungsdichten durch Aufkleben metallischer Leiierstreifen mittels eines heiß vulkanisierenden
Klebemittels und anschließender Ausvulkanisierung, dadurch gekennzeichnet, daß als heiß
vulkanisierendes Klebemittel ein heiß vulkanisierender Silikonkleber verwendet wird, und nach dem
Ausvulkanisieren der metallische Leiterstreifen durch mechanisches Recken bei Raumtemperatur
auf die Länge gestreckt wird, die er bei der Vulkanisationstemperatur hatte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiterstreifen um
zwei gegenüberliegende Ränder des Widerstandselements gefalzt aufgeklebt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiterstreifen
so aufgefalzt werden, daß auf beiden Flächen des Widerstandselementes metallische Leiterbahnen
von gleichem elektrischen Querschnitt entstehen.
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