DE2459664A1 - Kaltleiterbindungsvorrichtung - Google Patents
KaltleiterbindungsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kaltleiterbindungsvorrichtung,
sie betrifft insbesondere solche Vorrichtungen, bei denen
Kaltleiter (PTC heater) vom Keramik-Typ an Körper gebunden werden, die auf· erhöhte Temperaturen erhitzt werden sollen.
Positive Temperaturkoeffizientenwiderstandsmaterialien
(PTC-Materialien) werden in großem Umfange als Heizeinrichtungen in Thermorelais, Verzögerungsrelais und anderen
auf Wärme ansprechenden Einrichtungen und Apparaturen verwendet. Das PTC-Material vom Keramik-Typ wird im allgemeinen
für die Herstellung solcher Kaltleiter (Heizeinrichtungen) verwendet. In der Regel handelt es sich dabei um Bariumtitanat
und verwandte divalente Titanate und Zirkonate, die bei bestimmten Temperaturen Festphasenänderungen unterliegen.
Diese Phasenänderungen sind begleitet von abrupten und großen Änderungen des spezifischen Widerstandes der Materi-
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Dr.Hn/QU
alien. Diese keramischen PTC-Materialien enthalten im
allgemeinen Dotierungsmittel, wie Seltene Erdmetalle, Antimon oder Wismut oder andere Elemente,zur Erzielung
der gewünschten Eigenschaften. So können beispielsweise Blei und Strontium verwendet werden, um den Anomalie- Temperaturbereich
dieser Materialien zu vergrößern oder zu verkleinern.
Solche Heizeinrichtungen (Kaltleiter) werden an einem zu erwärmenden Körper befestigt, um in engem Wärmeaustauschkontakt
zu sein und um in der Regel auch einen elektrisch leitenden Übergang zu erzielen, weil der elektrische Stromkreis,
der dem Kaltleiter (der Heizeinrichtung) die Energie liefert, zweckmäßig in dem Stromkreis den in der Regel elektrisch
leitenden Körper enthält oder verwendet. Zur Erzielung einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer guten elektrischen
Leitfähigkeit an der Grenzfläche zwischen dem Kaltleiter (PTC heater) und dem Körper, an dem er in der Gesamtanordnung
bzw. Gesamtvorrichtung festgehalten werden soll, wurden bisher im allgemeinen Materialien auf Epoxyharzbasis verwendet,
die darin eingebaute elektrisch leitende Teilchen tragen.
Diese dazwischen angeordnete Schicht aus einem elektrisch leitenden Epoxyteilchenmaterial bildet eine gute thermische
und elektrische Bindung zwischen der Kaltleiteroberfläche
und der Oberfläche des zu erwärmenden Körpers. Die Bindung ist jedoch eine verhältnismäßig starre Bindung und hat bestimmte
Nachteile. Es besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten dieses Bindematerials auf Epoxyharzbasis und dem PTC-Material, Dies führt
während des Erwärmungscyclus zu Unterbrechungen des elektrischen Leitungsmechanismus in der Bindeschicht aus dem elektrisch
leitenden Epöxymaterial. Dieses Verhalten ist insbesondere wichtig, wenn das gesamte System starr verbunden ist,
d.h. wenn die Kräfte gut gekoppelt sind, so daß eine Verschie-
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bung der elektrisch leitenden Teilchen in dem Epoxyharz aus ihren Gleichgewichtspositionen in der hochleitenden
Modifikation bewirkt wird. Diese vorübergehende Teilchenverschiebung kann zu Lichtbogenlücken und zu einem elektrischen
sowie mechanischen Abbau des Grenzflächenmaterials führen.
Auch haben das Epoxymaterial und sein Härtungsmittel die Neigung, die PTC-Anomalie zu zerstören durch Erzeugung einer
chemischen Umsetzung innerhalb des Körpers aus dem PTG-Keramikmaterial.
Eine Verringerung des PTC-Widerstandes bei der Betriebstemperatur kann zu einem elektrischen "Weglaufen"
und zu einem katastrophalen Durchschlag (Kurzschluß) führen.
Die Epoxyharze und die verwandten organischen Kunstharze gehören zu einer Familie von Materialien, die bei Temperaturen.
um etwa 1500C eine längere Lebensdauer haben. Bei höheren
Temperaturen unterliegen diese organischen Materialien einer kinetisch kontrollierten thermischen Zersetzung (einem thermischen
Abbau)· Da diese Harzmaterialien als Grundmatrixmaterial für die elektrisch leitenden Teilchen verwendet werden,
führt diese thermische Zersetzung zu Zerstörungseffekten in
bezug auf die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Grenzfläche selbst.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es. daher, Kaltleiter-Vorrichtungen
(PTC heater assemblies) anzugeben, in denen die Bindeschicht auch bei hohen Betriebstemperaturen in der
Größenordnung von 150 bis 1800C und darüber keinem signifikanten
elektrischen und mechanischen Abbau unterliegt. Ziel der Erfindung ist es ferner, eine Kaltleiter-Vorrichtung
anzugeben, bei der kein signifikanter Abbau der PTC-Anomalie auch nach längerem Betrieb bei diesen hohen Temperaturenauftritt,
die leicht und wirtschaftlich hergestellt werden kann und zuverlässig beim Gebrauch ist* Weitere Ziele, Vorteile
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lind Merkmale der Erfindung gehen zum !Teil aus der folgenden
Beschreibung hervor, zum Teil sind sie für den Fachmann offensichtlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Anordnung) ist gekennzeichnet durch einen Kaltleiter (PTC heater) aus einem elektrischen
Widerstands-PTC-Material vom Keramik-Typ, der entsprechend
dem ihn durchfließenden elektrischen Strom Wärme entwickelt. Der Kaltleiter weist einen Oberflächenabschnitt
auf, durch welchen die Wärme übertragen wird und durch welchen der elektrische Strom fließt. Die Vorrichtung umfaßt ferner
einen Körper, der erwärmt werden soll und der einen wärmeleitenden und elektrisch leitenden Oberflächenabsehnitt einer
solchen Form aufweist, die im wesentlichen mit derjenigen des Kaltleiteroberflächenabschnittes übereinstimmt und auf
welchen die Wärme von dem Kaltleiter übertragen werden soll. Der Körper weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf,
der sich von demjenigen des Kaltleiterwiderstandsmaterials (PTC-Materials) unterscheidet. Die Vorrichtung weist auch
eine Schicht aus einem elektrisch leitenden und wärmeleitenden Bindematerial für die Übertragung der Wärme und für die
Leitung des elektrischen Stromes auf, die zwischen den Oberflächenabschnitten angeordnet ist. Diese Schicht besteht
aus einer Mischung aus kleinen elektrisch leitenden und wärmeleitenden Teilchen, die innerhalb eines flexiblen,
elastischen und kriechbeständigen Hochtemperatur-Harzmaterials dispergiert sind, das gegenüber Temperaturen in der
Größenordnung von mindestens 150°C beständig und frei von
Komponenten ist, welche das PTC-Material zersetzen (abbauen).
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Aufriß einer erfindungsgemäßen Kaltleitervorrichtung in vergrößertem Maßstab und
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Pig. 2 und 3 ähnliche Aufrisse von.anderen· Ausführungsformen der Erfindung.
In den Fig. 1 bis 3 und in der folgenden Beschreibung
werden für gleiche Teile stets gleiche Bezugsziffern verwendet.
Die Fig. 1 zeigt ein Thermo-Relais 1, das ein Gehäuse oder
einen Körper 3 aus einem elektrisch leitenden Metall, wie
Kupfer oder Aluminium, mit einem wärmeleitenden und elektrisch
leitenden, im wesentlichen flachen Oberflächenabschnitt 5 aufweist, auf den die Wärme übertragen werden soll und der
als Elektrode oder Anschlußkontakt dient zum Überführen des elektrischen Stromes in einen im allgemeinen flachen, zylindrischen
oder pillenförmigen Kaltleiter (PTC heater) 7· Zwischen dem KörperOberflächenabschnitt 5 und der inneren Oberfläche
11 des Kaltleiters 7 ist eine Schicht aus einem elektrisch leitenden und wärmeleitenden Bindematerial 9 angeordnet.
Der Boden ist im wesentlichen flach oder stimmt im wesentlichen mit der Form des Körperabschnittes 5 überein. Eine elastische,
elektrisch leitende Feder 13 (die an einem konventionellen Gehäuse, nicht dargestellt, befestigt ist) für das Relais 1
drückt gegen die äußere Oberfläche der Pille (des Kaltleiters)
7» wodurch damit eine elektrische Verbindung hergestellt
und eine mechanische Kraft erzeugt wird, um den Kaltleiter gegenüber dem Körper 3 vorzuspannen. Der obere Abschnitt des
Relais 1 ist gestrichelt dargestellt und umfaßt mindestens eine Relais-Anschlußklemme 15 und einen elektrischen Anschlußkontakt
17» der mit dem Körper 3 in Verbindung steht, um
diesen mit einem elektrischen Stromkreis zu verbinden, der dem Kaltleiter 7 Energie zuführt.
Die Schicht 9 ist verhältnismäßig dünn (beispielsweise 0,076 bis 0,102 mm (3 bis 4- mils) dick) und besteht aus einem
flexiblen, elastischen und kriechbeständigen Hochtemperatur-
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Harzmaterial, das bei Temperaturen in der Größnordnung
von mindestens 15O0C beständig und frei von Komponenten
ist, welche das keramische PTC-Material abbauen (zerstören). Dieses Harz enthält einen darin dispergierten größeren
Gewichtsanteil an elektrisch leitenden Teilchen, beispielsweise solchen aus Silber, Silber-Kupfer-Legierungen,
Graphit und dgl. Zum Beispiel werden in einem Silicon- oder Polyimidharz etwa 60 bis etwa 85 Gew.-% oder mehr elektrisch
leitende Metallteilchen mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 1 Mikron verwendet. Typische Siliconharze sind
solche Siliconfirnisse und -klebstoffe, wie sie unter den Handelsbezeichnungen SR-525, SR-I55, SR-520, SR-527 und
SR-585 von der Firma General Electric erhältlich sind. Ausgezeichnete Hochtemperatur-Harze zur Herstellung der Schicht
sind auch Polyamidsäure-Lösungsmittel-Gemische, wie sie unter der Handelsbezeichnung "Pyre-ML" von der Firma E.I. DuPont
de Nemours and Company erhältlich ist, die bei Anwendung von Wärme zu Polyimidharzen aushärten. Ein anderes Hochtemperatur-Harz,
das sich für diesen Zweck eignet, ist das unter der Handelsbezeichnung AI-10 von der Firma Amoco Chemicals Corp.
erhältliche Produkt. Andere Hochtemperatur-Harzmaterialien, d.h. solche, die bei Temperaturen in der Größenordnung von
etwa 260°C (500°F) brauchbar sind, sind z.B. Benzophenon, Polyamidimid, Polybenzimidazole, Polybenzothiazole, Polyäthylenimine,
Phosphonitril- und Polyesterharze.
Die oben angegebenen Bindeschichten (Bindemittelschichten) 9
bilden eine wirksame Grenzfläche zwischen den Kaltleitern (PTC-heaters) und dem Thermorelaiskörper und dgl., an denen
er befestigt ist. Sie sind genügend flexibel und elastisch, um den Ausdehnungsunterschied zwischen dem Kaltleiter und
dem Körper, der beispielsweise in der Größenordnung von 1 % liegt, auszugleichen, wenn sie einem Erwärmungscyclus bei
erhöhten Temperaturen von 150 bis 1800C oder höher ausgesetzt
werden. Sie weisen eine ausreichende Haftung, z.B. eine Abzugs-
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festigkeit von nicht weniger als 2,27 kg (5 pounds),auf
und sind kriechbeständig, d.h. sie werden nicht wesentlich permanent deformiert, wenn sie den Gebrauchsbedingungen
dieser Vorrichtungen unterworfen werden. Außerdem weisen sie auch bei einem hohen Gehalt an elektrisch leitenden Teilchen
eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf, die beispielsweise in der Größenordnung
von 0,1 Ohm/I'lächeneinheit/0,025 mm (1 mil) liegt.
Sie können durch Seidenklassier- oder andere konventionelle '
Auftragsverfahren aufgebracht werden oder sie können, wie nachfolgend näher erläutert, vorgeformt und in Form einer
Folie oder in einer anderen Konfiguration aufgebracht werden.
Die Bindeschicht 9 erlaubt die relative Bewegung zueinander und die verschiedene Ausdehnung des Kaltleiters und des
Körpers während des Erwärmungseyelus, ohne daß ein Verlust
an thermischem und elektrischem Kontakt dazwischen auftritt. Die verhältnismäßig lockere oder schwache mechanische Kupplung
zwischen dem Substrat oder dem Körper und dem Kaltleiter
gewährleistet, daß die Gleichgewichtspositionen der elektrisch leitenden Teilchen minimal gestört werden und dies vermeidet
eine Teilchen-Teilchen-Trennung, die zu einer Lichtbogenbildung und zu einer Zersetzung (Zerstörung) der Schicht führt,
Die elektrischen Schalteigenschaften der Schicht 9 sind so gut wie diejenigen von Epoxyharzmaterialien. Gewünschten? alls
können Chemikalienzusätze verwendet werden, die vermeiden, daß die Schicht hart (starr) wird und keinen Abbau der PTC-Anomalie
bewirken (aus diesem Grunde sind Aminhärter unerwünscht),
diese sind jedoch nicht wesentlich.
Die Fig. 2 zeigt eine Kaltleiterbindungsvorrichtung 1A, die
derjenigen der Fig. 1 ähnelt mit Ausnahme der Tatsache, daß der Körperoberflächenabschnitt 5 durch einen vorspringenden
Rand begrenzt ist und eine vorgeformte Schicht 9A in Form einer Folie verwendet wird. Eine solche Folie aus einem
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Siliconharz mit darin eingebetteten Silberteilchen ist unter der Handelsbezeichnung "850-Consil" von der Firma
Technical Wire Products Inc. erhältlich· Die Vorrichtung
gemäß Fig. 2 erlaubt die Ausdehnung des Kaltleiters (der
PTC-Pille) in axialer Richtung, die nur durch die Kraft der
Feder 13 begrenzt ist, während der Rand die seitliche Bewegung etwas begrenzt.
Die Fig. 3 erläutert eine weitere Ausführungsform 1B der
Erfindung, die derjenigen der Fig. 2 sehr ähnelt, in der der Körperoberflächenabschnitt 5 zurückspringt und in der als
Schicht 9B eine Folie aus einem Hochtemperatur-Harz mit elektrisch
leitenden Teilchen verwendet wird, die so geformt ist, daß sie in den Rücksprung (die Aussparung) paßt, wodurch die
Wärmeübertragung zwischen dem Kaltleiter (der PTC-Pille) und dem Körper 3 aufgrund der mit dem PTC-Keramikmaterial in Kontakt
stehenden größeren Oberfläche verbessert wird. Bei dieser und den.anderen Ausführungsformen kann die Feder 13 zur Erzielung
einer ausreichenden Kraft verwendet werden, um den Kaltleiter in der Gleichgewichtsposition zu halten.
Typische Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind diejenigen in Verzögerungsrelais, bei denen der Kaltleiter
(PTC heater) eine Bimetallplatte betätigt, und eine automatische Vergaser-Luftklappenkontrolle, bei der der keramische
Kaltleiter zum Betätigen einer Bimetallfeder verwendet wird, welche das Treibstoff/Luft-Verhältnis einstellt. Eine erfindungsgemäße
Vorrichtung, in der als Bindeschicht 9 ein Siliconharz mit einem hohen Gehalt an Silberteilchen (etwa
85 %) verwendet wird, wurde mit Erfolg ein Jahr lang unter
Betriebsbedingungen von etwa 1900C getestet. Aus den vorstehenden
Angaben geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Ziele und andere Vorteile mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erreicht werden.
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Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme
auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann klar, daß sie
darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielerlei Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können,
ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Patentansprüche:
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Claims (9)
1.y Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen Kaltleiter
C heater) aus einem elektrischen Widerstands-PTC-Material
vom Keramik-Typ, das entsprechend einem hindurchfließenden elektrischen Strom Wärme erzeugt, der einen Oberflächenabschnitt
aufweist, durch welchen die Wärme übertragen werden soll und durch welchen der elektrische Strom fließt;
einen Körper, der erwärmt werden soll und der einen wärmeleitenden und elektrisch leitenden Oberflächenabschnitt aufweist,
der hinsichtlich seiner Form mit demjenigen des KaItleiteroberflächenabschnittes
zusammenpaßt, und auf den die Wärme von dem Kaltleiter zu übertragen ist, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der sich von demjenigen des PTC-Widerstandsmaterials unterscheidet; und
eine Schicht aus einem elektrisch leitenden und einem wärmeleitenden Bindematerial, die zwischen den Oberflächenabschnitten
angeordnet ist, für die Übertragung von Wärme und für die Leitung des elektrischen Stromes, die aus einer Mischung aus
kleinen, elektrisch leitenden und wärmeleitenden !Teilchen
besteht, die innerhalb eines flexiblen, elastischen und kriechbeständigen Hochtemperatur-Harzmaterials dispergiert sind,
das bei Temperaturen in der Größenordnung von mindestens 1500C
beständig und frei von Komponenten ist, welche das PTC-Material abbauen (zersetzen).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem PTC-Material um ein keramisches Titanat-
oder Zirkonatmaterial handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Bindematerial um eine vorgeformte dünne und im allgemeinen flache Schicht aus dem Harzmaterial mit
einem größeren Gewichtsanteil an darin eingelagerten lei-
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tenden Teilchen handelt
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der Oberflächenabschnitt des Kaltleiters als auch der Oberflächenabschnitt des Körpers im wesentlichen flach
sind und daß die Vorrichtung außerdem ein mit dem Kaltleiter in Kontakt stehendes elastisches, elektrisch leitendes
Element zur Erzielung e.iner elektrischen Verbindung damit und zur Anwendung einer mechanischen Kraft zum Vorspannen
des Kaltleiters gegenüber dem.Körper aufweist.
5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zu. erwärmende Körper einen vorspringenden Rand aufweist, der den Körperoberflächenabschnitt begrenzt, um so
eine wesentliche Grenzflächenbewegung des Kaltleiters gegenüber
dem Körper zu begrenzen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bindematerialschicht im allgemeinen die Form einer Schale hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß sie außerdem ein mit. dem Kaltleiter in Kontakt stehendes elastisches, elektrisch leitendes Element zur Erzielung einer
elektrischen Verbindung damit und zur Anwendung einer mechanischen Kraft zum Vorspannen des Kaltleiters gegenüber dem
Körper aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Körperoberflächenabschnitt eine Aussparung aufweist
und daß die Bindematerialschicht so vorgeformt ist, daß sie in den ausgesparten Abschnitt paßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hochtemperatur-Harzmaterial um ein Silicon oder
ein Polyimid handelt. 5 Q g 77 ß u
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