DE2459664B2

DE2459664B2 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2459664B2
Application number: DE19742459664
Authority: DE
Inventors: Peter Gordon LakeviUe Mass Stoeckler Hans Adolf Woonsocket RI (V StA) Fuller
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-17
Publication date: 1978-02-09
Also published as: GB1468720A; IT1024412B; CA1024202A; FR2256621B1; JPS5096944A; FR2256621A1; US3898422A; DE2459664A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, die aus aus einem Metallkörper, der erhitzt werden soll, einer Heizeinrichtung aus einem keramischen Titanmaterial mit einem positiven Temperatur-Widerstandkoeffizienten (nachfolgend als PTC-Material b/.w. PTC-Heizeinrichtung bezeichnet) und einer zwischen der Heizeinrichtung und dem Metallkörper angeordneten, eine elektrisch leitende und wärmeleitende Verbindung zwischen der Heizeinrichtung und dem Metallkörper herstellenden Schicht aus elektrisch leitenden und wärmeleitenden Teilchen, die in einem Bindemittel dispergiert sind, das sowohl an dem Metallkörper als auch an der Heizeinrichtung haftet, besteht.

Materialien mit einem positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten (sogenannte PTC-Materialien) werden in großem Umfange als Heizeinrichtungen in Thermorelais, Verzögerungsrelais und anderen auf Wärme ansprechenden Einrichtungen und Apparaturen 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 und der Materialien. Diese keramischen PTC-Materialien enthalten in der Regel Dotierungsmittel, wie seltene Erden, Antimon oder Wismut oder andere Elemente, um ihnen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. So können beispielsweise Blei und Strontium verwendet werden, um den Anomalie-Temperaturbereich dieser PTC-Materialien zu vergrößern oder zu verkleinern.

Derartige Heizeinrichtungen aus einem keramischen PTC-Material werden an einem zu erwärmenden Metallkörper befestigt, um in engem Wärmeaustausch mit diesem zu sein und um auch einen elektrisch leitenden Übergang zu erzielen, weil der elektrische Stromkreis, welcher der PTC-Heizeinrichtung die Energie liefert, zweckmäßig auch den zu erwärmenden Metallkörper umfaßt.

Zur Erzielung einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit an der Grenzfläche zwischen der PTC-Heizeinrichtung und dem zu erwärmenden Metallkörper wurden bisher allgemein ■> Materialien auf Epoxidharzbasis mit darin eingebetteten elektrisch leitenden Teilchen verwendet (vgl. z. B. die deutschen Auslegeschriften 12 86 242 und 11 97 143 sowie die Schweizer Patentschrift 3 19 001 und die US-Patentschrift 29 07 851). Es war auch bereits

in bekannt, als Zwischenschicht in ein Harz eingebettete Metallteilchen zu verwenden, die zum einen einen elektrischen Widerstand, zum andern eine Kontaktverbindung und zum dritten Stromkreisleitungen auf Isolierunterlagen herstellen (vgl. die deutschen Auslege-

Ii Schriften 10 73 055 und 11 42 645 sowie die US-Patentschriften 30 56 750 und 36 73 121).

Diese zwischen dem zu erwärmenden Metallkörper und der PTC-Heizeinriehtung angeordnete Zwischenschicht aus einem Epoxyharzmaterial mit darin eingebetteten elektrisch leitenden Teilchen stellt eine gute thermische und elektrische Verbindung zwischen der Oberfläche der PTC-Heizeinrichtung und der Oberfläche des zu erwärmenden Metallkörpers dar. Sie ergibt jedoch eine verhältnismäßig starre Bindung, die

2) folgende Nachteile hat: Da ein beträchtlicher Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bindemittels auf Epoxyharzbasis und des PTC-Materials besteht, treten während des Erwärmungscyclus Unterbrechungen der elektrischen Leitung in der

3d Zwischenschicht (Bindemittelschicht) aus dem elektrisch leitenden Epoxyharzmaterial auf. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das gesamte System starr verbunden ist, d. h. wenn die Kräfte gut gekoppelt sind, so daß eine Verschiebung der elektrisch

i^r> leitenden Teilchen innerhalb des Epoxyharzes aus ihren Gleichgewichtspositionen bewirkt wird. Diese vorübergehende Teilchenverschiebung kann zu Lichtbogenlükken und zu einem elektrischen sowie mechanischen Abbau des Grenzflächenmaterials führen.

■ti) Das zu diesem Zweck bisher üblicherweise verwendete Epoxyharzmaterial und sein Härtungsmittel haben außerdem die Neigung, die Temperaturanomalie des PTC-Materials zu zerstören durch Einleitung einer chemischen Umsetzung innerhalb des PTC-Keramik-

•ij materials, was zu Kurzschlüssen führen kann. Epoxyharze und verwandte organische Kunstharze sind zwar bei Temperaturen bis zu etwa 150°C beständig, bei höheren Temperaturen unterliegen sie jedoch einer thermischen Zersetzung, so daß sie in Heizvorrichtungen des

■>o eingangs genannten Typs nicht verwendet werden können.

Andererseits wurde festgestellt, daß wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen PTC-Materials und des zu erwärmenden

Ti Metallkörpers beträchtliche Schwierigkeiten auftreten bei Verwendung von mit einem Metall gefüllten Zwischenschichten, da diese die Neigung haben sich entweder von der keramischen PTC-Heizeinrichtung oder von dem zu erwärmenden Metallkörper abzulösen,

ho wenn die keramische PTC-Heizeinrichtung thermischen Zyklen unterworfen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Heizvorrichtung des eingangs genannten Typs die keramische PTC-Heizeinrichtung mit dem zu erwär-

'M menden Metallkörper so zu verbinden, daß sowohl eine Wärmeübertragung als auch eine elektrische Leitung zwischen dem Keramikmaterial und dem Metall möglich ist.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe bei einer Heizeinrichtung des eingangs genannten Aufbaus dadurch gelöst werden kann, daß als Zwischenschicht zwischen der Heizeinrichtung aus einem keramischen Titanatmaterial mit einem positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten (PTC-Material) und dem zu erwärmenden Metallkörper eine solche aus Teilchen aus Silber-, Silber-Kupfer-Legierungen oder Graphit verwendet wird, die in einem Harz aus der Gruppe der Silicon-, Polyimid-, Benzophenon-, Polyamidimid-, PoIybenzimidazo!-, Polybenzothiazol-, Polyäthylenimid-, Phosphonitril- und Polyesterharzen dispergiert sind, die frei von Komponenten ist, welche die keramische Heizeinrichtung beeinträchtigen könnten, und die bis zu Temperaturen in einer Größenordnung von mindestens 150°C beständig, flexibel, elastisch und kriechbeständig ist.

Die in der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung verwendete neue Zwischenschicht zwischen dem Metallkörper und dem keramischen PTC-Keizelement hai gegenüber den bisher verwendeten Bindemittelschichten den Vorteil, daß sie (1) sowohl an der keramischen Heizeinrichtung als auch an dem Metallkörper fest haftet, (2) die keramische Heizeinrichtung während ihrer Verwendung in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt, (3) die gewünschte elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zwischen der keramischen Heizeinrichtung und dem Metallkörper gewährleistet und (4) während der Durchführung von thermischen Zyklen mit der keramischen Heizeinrichtung flexibel und elastisch bleibt, so daß sie sich während der Durchführung der Heizzyklen mit der keramischen Heizeinrichtung weder von dieser Heizeinrichtung noch von dem Metallkörper ablöst und die Funktion der keramischen Heizeinrichtung in keiner Weise beeinträchtigt. Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung ist bei Betriebstemperaturen in der Größenordnung von 150 bis 180⁰C und darüber beständig, es tritt auch bei längerem Betrieb bei diesen hohen Temperaturen kein signifikanter Abbau der PTC-Anomalie auf, und sie läßt sich leicht und wirtschaftlich herstellen und ist zuverlässig im Gebrauch.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Aufriß einer Heizvorrichtung in vergrößertem Maßstab und

Fig. 2 und 3 ähnliche Aufrisse von anderen Ausführungsformt-n.

In den F i g. 1 bis 3 und in der folgenden Beschreibung werden für gleiche Teile stets gleiche Bezugsziffern verwendet.

Die F i g. 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 Leiten des elektrischen Stromes in einen im allgemeinen flachen, zylindrischen oder pillenförmigen Kaltleiter (PTC-Heizeinrichtung) 7. Zwischen dem Körperoberflächenabschnitt 5 und der inneren Oberfläche 11 des Kallleiters7 ist eine Schicht aus einem elektrisch leitenden und wärmeleitenden Bindemittel 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 eine elektrische Verbindung hergestellt und eine mechanische Kraft ■> erzeugt wird, um den Kaltleiter 7 gegenüber dem Körper 3 vorzuspannen. Der obere Abschnitt des Relais 1 ist gestrichelt dargestellt und umlaßt mindestens eine Relais-Anschlußklemme 15 und einen elektrischen Anschlußkontakt 17, der mit dem Körper 3 in

lii 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 dick) und besteht aus einem flexiblen, elastischen und kriechbestandigen Hochtemperatur-Harzmittel, das bei Temperaturen in der Größenordnung von mindestens 150" C beständig und frei von Komponenten ist, welche das keramische PTC-Material abbauen. Dieses Harz enthält einen darin dispergierten

in größeren Gewichtsanteil an elektrisch leitenden Teilchen aus Silber, Silber-Kupfer-Legierungen oder Graphit. Zum Beispiel werden in einem Silicon- oder Polyimidharz etwa CC bis 85 Gew.% oder mehr elektrisch leitende Metallteilchen mit einer durch-

r, schnittlichen Größe von etwa 1 Mikron verwendet. Ausgezeichnete Hochtempera'.ur-Harze zur Herstellung der Schicht 9 sind auch Polyamidsäure-Lösungsmittel-Gemische, die bei Anwendung von Wärme zu Polyimidharzen aushärten. Andere Hochtemperatur-

jo Harze, d. h. solche, die bei Temperaturen in der Größenordnung von etwa 260⁰C brauchbar sind, sind z. B. Benzophenon-, Polyamidimid-, Polybenzimidazol-, Polybenzothiazol-, Polyäthylenimid-. Phosphonitril- und Polyesterharze.

Γι Die oben angegebenen Zwischenschichten (Bindemittelschichten) 9 bilden eine wirksame Grenzfläche zwischen den Kaltleitern (PTC-Heizeinrichtungen) und dem Thermorelaiskörper, an denen er befestigt isi. Sie sind genügend flexibel und elastisch, um den Ausdeii-

Ki nungsunterschied zwischen dem Kaltleiter und dem Körper, der beispielsweise in der Größenordnung von 1 % liegt, auszugleichen, wenn sie einem Erwärmungszyklus bei erhöhten Temperaturen von 150 bis 180⁰C oder höher ausgesetzt werden. Sie weisen eine ausgezeichne-

■4ϊ te Haftung, z. B. eine Abzugsfestigkeit von nicht weniger als 22,7 N auf und sind kriechbeständig, d. h. sie werden nicht wesentlich bleibtnd deformiert, wenn sie den Betriebsbedingungen der Vorrichtung unterworfen werden. Außerdem weisen sie auch bei einem hohen

•>o Gehalt an elektrisch leitenden Teilchen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf, die beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 Ohm/Flächeneinheit/—0,025 mm liegt. Sie können durch Seidenklassier- oder andere konventio-

">■) nelle Auftragsverfahren aufgebracht werden oder sie können, wie nachfolgend näher erläutert, vorgeformt und in Form einer Folie oder in einer anderen Konfiguration aufgebracht werden.

Die Zwischenschicht 9 erlaubt die relative Bewegung

hu zueinander und die verschiedene Ausdehnung des Kaltleiters und des Körpers während des Erwärmungszyklus, ohne daß ein Verlust an thermischem und elektrischem Kontakt dazwischen auftritt. Die verhältnismäßig lockere oder schwache mechanische Kupp-

o"i lung 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 führen würde. Die elektrischen Eigenschaften der Schicht 9 sind so gut wie diejenigen von Epoxyharzmaterialien. Gewünschtenfalls können Chemikalienzusätze verwendet werden, die vermeiden, daß die Schicht hart (starr) wird, und die keinen Abbau der PTC-Anomalie bewirken (aus diesem Grunde sind Aminhärter unerwünscht), diese sind jedoch nicht wesentlich.

Die Fig. 2 zeigt eine Heizvorrichtung XA, die derjenigen der F i g. 1 ähnelt mit Ausnahme der Tatsache, daß der Körperoberfiächenabschnitt 5 durch einen vorspringenden Rand begrenzt ist und eine vorgeformte Schicht 9 A in Form einer Folie verwendet wird. Eine solche Folie aus einem Silikonharz mit darin eingebetteten Silberteilchen ist im Handel erhältlich. Die Vorrichtung gemäß F i g. 2 erlaubt die Ausdehnung des Kaltleiters (der PTC-PiIIe) in axialer Richtung, die nur durch die Kraft der Feder 13 begrenzt ist, während der Rand die se it liehe Bewegung etwas begrenzt.

Die Fig. 3 erläutert eine weitere Ausführungsform 1 B, die derjenigen der F i g. 2 sehr ähnelt, in welcher der Körperoberflächenabschniit 5 zurückspringt und in der als Schicht 9 B eine Folie aus einem Hochtemperatur-Harz mit elektrisch leitenden Teilchen verwendet wird die so geformt ist, daß sie in die Aussparung paß wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Kaltlei ter (der PTC-PiIIe) und dem Körper 3 aufgrund der mi dem PTC-Keramikmaterial in Kontakt stehender größeren Oberfläche verbessert wird. Bei dieser unc den anderen Ausführungsformen kann die Feder 13 zui Erzielung einer ausreichenden Kraft verwendet werden um den Kaltleiter in der Gleichgewichtsposition zi halten.

Typische Anwendungen der beschriebenen Heizvor richtung sind diejenigen in Verzögerungsrelais, be welchen der Kaltleiter (PTC-Heizeinrichtung) eine Bimetallplatte betätigt, und einer automatischen Verga ser-Luftklappenkontrolle, bei welcher der keramische Kaltleiter zum Betätigen einer Bimetallfeder verwende wird, welche das Treibstoff/Luft-Verhältnis einstellt Eine Vorrichtung, in der als Zwischenschicht 9 eir Siliconharz mit einem hohen Gehalt an Silberteilcher (etwa 85%) verwendet wird, wurde mit Erfolg ein Jah lang unter Betriebsbedingungen von etwa 190⁰C getestet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Heizvorrichtung, bestehend aus einem Metallkörper, der erhitzt werden soll, einer Heizeinrichtung aus einem keramischen Titanatmaterial mit einem positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten und einer zwischen der Heizeinrichtung und dem Metallkörper angeordneten, eine elektrisch leitende und wärmeleitende Verbindung zwischen der Heizeinrichtung und dem Metallkörper herstellende Schicht aus elektrisch leitenden und wärmeleitenden Teilchen, die in einem Bindemittel dispergiert sind, das sowohl an dem Metallkörper als auch an der Heizeinrichtung haftet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Teilchen aus Silber, Silber-Kupfer-Legierungen oder Graphit besteht, die in einem Harz aus der Gruppe der Silicon-, Polyimid-, Benzophenon-, Polyamidimide Polvbenzimidazol-, Polybenzothiazol-, Polyäthylenimid-, Phosphonitril- und Polyesterharze dispergiert sind, daß sie frei von Komponenten ist, welche die keramische Heizeinrichtung beeinträchtigen könnten, und daß sie bis zu Temperaturen in einer Größenordnung von mindestens 15O⁰C beständig, flexibel, elastisch und kriechbeständig ist.