DE2805427B2 - Heizelement mit einem PTC-Widerstandskörper - Google Patents
Heizelement mit einem PTC-WiderstandskörperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement mit mindestens einem mit Stromleitern versehenen Widerstandskörper aus einem Material mit positivem
Teniperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, der vor* einer elektrisch isolierenden, einen
Kunststoff enthaltendec Einher',nasse umgeben ist
Ein derartiges Heizelement ist Gegenstand der DE-OS 26 41 894derAnmeklerin.
Die Widerstandskörper, die in derartigen selbstregelnden Widerstandselementen verwendet werden,
bestehen gewöhnlich aus gesintertem mit seltenen Erden, Antimon, Nob oder anderen Elementen dotiertem Bariumtitanat oder Gemischen derselben mit
Stronthimtitanat und/oder Bleititanat.
Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien ist verhältnismäßig niedrig und demzufolge ist auch die Wärmeableitung in Luft verhältnismäßig gering. Bei Belastung
erreicht der PTC-Widerstand in Luft bereits bei einer verhältnismäßig geringen Leistungsaufnahme die Temperatur, bei der der Widerstand schnell zunimmt. Eine
verhältnismäßig geringe weitere Temperaturzunahme hat dann eine verhältnismäßig große Zunahme des
Widerstandes zur Folge. Dies führt in der Praxis /u einem Gleichgewichtszustand, bei dem die maximale
Leistungsaufnahme von der Wärme, die abgeleitet werden kann, abhängig ist Nachstehend wird in diesem
Zusammenhang der Ausdruck »selbstregelnd« verwendet.
In der DE-OS 26 41 894 wird vorgeschlagen, die
Möglichkeit zur Wärmeableitung zu verbessern und damit die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit zu
vergrößern, indem die Widerstandskörper allseitig von einer ein wärmeleitendes Füllmittel enthaltenden
KunsisfoffmaMe umgeben werden, die aiu einem
Gemisch besteht, das einen gegen die höchste Betriebstemperatur des Widerstandselements bestündigen vulkanisierten Kunststoff, eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Mctallverbinclung und ein Füllmittel
enthält.
Das Gemisch enthält als Füllmittel vorzugsweise feinverteiltes Siliciumdioxid und/oder gemahlenen
Bei Anwendung einer derartigen Konstruktion stellt sich heraus, daß im Betrieb der Temperaturunterschied
zwischen dem PTC-Widerstand und der Außenseite des Gehäuses verhältnismäßig gering ist und z. B. weniger
als 25° C betragen kann. Der Einfachheit halber ist das Ganze in einem Gehäuse untergebracht, das aus einer
ähnlichen Masse hergestellt ist Das Gehäuse kann z. B. zylindrisch ausgebildet sein. Es ist dabei naturgemäß
ίο möglich, aber nicht notwendig, die Widerstandskörper
ebenfalls zylindrisch auszubilden; sie können aber auch blockförmig gestaltet sein.
In der Praxis stellt sich heraus, daß als Kunststoff ein
vulkanisierter Silikongummi besonders gut brauchbar
is ist Die wärmeleitende, elektrisch nichtleitende Metallverbindung besteht vorzugsweise aus Magnesiumoxid,
während das Füllmittel z. B. aus feinverteiltem Siliciumoxid bestehen kann.
Widerstandselementen mit selbstregelnden Eigenschaften, die auf die oben beschriebene Weise hergestellt
sind Explosionen auftreten. Dabei kann Beschädigung der Einrichtung, von der das Heizelement einen Teil
bildet, herbeigeführt und es können z.B. auch unter
Spannung stehende Teile dieser Einrichtung freigelegt werden. Es ist klar, daß dabei auch der Anwender der
Einrichtung Gefahren ausgesetzt ist Es wurde gefunden, daß die beschriebenen Explosionen auf Fehler
zurückzuführen sind, die trotz aller Vorkehrungen
während der Herstellung gemacht werden. Diese Fehler können, wie sicii herausstellt dazu führen, daß beim
Betrieb des Widerstandselements eine Reduktion des PTC-Materials auftritt; dadurch wird stellenweise der
Widerstand des Materials herabgesetzt und eine zu
hohe Leistung an diesen Stellen entwickelt, wodurch die
Temperatur auf unkontrollierbare Weise zunehmen kann, mit allen sich daraus ergebenden Folgen. Es stellt
sich heraus, daß diese Erscheinungen z. B. auftreten können, wenn während der Vulkanisation des Kunst
stoffes in der Einbettmasse Stohe gelöst werden, die
imstande sind, das PTC-Material ?u reduzieren. Es kann
vorkommen, daß beim Anbringen der Elektroden Fehler gemacht wurden, wodurch Elektrodenmaterial
an unerwünschte Stellen gelangen kann. Beim Betrieb
kann dann örtlich eine zu hohe Leistung entwickelt
werden. Dabei kann die Temperatur bis oberhalb der Zersetzungstemperatur des Kunsisfoffes in der Einbettmasse zunehmen. Bei der Zersetzung des Kunststoffes
können Stoffe gebildet werden, die imstande sind, das
so PTC-Material zu reduzieren, wodurch der Widerstand an den betreffenden Stellen abnimmt und die Temperatur noch weiter zunehmen kann. Dies kann zu einer
vollständigen Zerstörung des PTC-Materials führen, wobei das Auftreten von Explosionen möglich ist Bei
verhältnismäßig hohen Betriebstemperaturen können bestimmte Elektrodenmaterialien oxidieren, wodurch
eine örtliche Unterbrechung der Elektrode erhalten werden kann. In dieser Unterbrechung können Funken
Oberschlagen, wobei ebenfalls Zersetzung des Kunst
stoffes in der Einbettmasse auftreten kann mit den
obenbeschriebenen Folgen.
Die Erfindung hat nun die Aufgabe, ein Widerstandselemcnt der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei
dem die Explosionsgefahr zumindest stark herabgesetzt
t>5 wird, selbst bei Bedingungen, bei denen das PTC-MaIerial durch Reduktion oder auf andere Weise beim
Betrieb völlig zerstört wird.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese
Aufgabe dadurch gelöst wird, daß in der Einbettmasse in
geringer Entfernung von dem (den) Widerstandskörper^) mindestens ein Kanal vorhanden ist, der den (die)
Widerstandskörper berühren kann und der mit mindestens einem Ende in offener Verbindung mit der ■*
umgebenden Atmosphäre steht
Es stellt sich heraus, daß durch diese Maßnahme auf zweckmäßige Weise das Auftreten von Explosionen
vermieden werden kann, während andererseits die Wirkung und die Lebensdauer des Widerstandselements
durch diese Maßnahme nicht beeinträchtigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit blockförmigen Widerstandskörpern, die
miteinander fluchtend in einem langgestreckten Gehäuse in einer Einbettmasse eingebettet liegen, liegt
mindestens ein Kanal parallel zur Längsachse des langgestreckten Gehäuses, wobei ein Teil der Wand des
Kanals mit einem Teil der Außenfläche der Widerstandskörper zusammenfällt
In der Praxis stellte sich heraus, daß eine Reduktion des PTC-Materials durch Stoffe, die wrhrend der
Vulkanisation des Kunststoffes in der Einbettmasse gebildet werden können, nicht mehr auftrat Beim
Vorhandensein von Elektrodenmaterial an unerwünschten
Stellen auf der Oberfläche des Widerstandsmaterials oder bei Oxidation des Elektrodenmaterials
bei langem Betrieb bei hoher Betriebstemperatur stellte sich heraus, daß zwar eine vollständige Zerstörung des
Widerstandsmaterials auftreten konnte, daß dabei aber so
keine Explosionen mehr stattfanden.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise ar.
Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Heizelement nach der Erfindung, teilweise im Schnitt, und J6
Fig.2 bis 4 Heizelemente nach der Erfindung im
Schnitt und schematisch in verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen ihrer Herstellung.
Ein in Fig. 1 teilweise im Schnitt dargestelltes Heizelement, enthält ein Gehäuse 1, in dem zwei
Widerstandskörper 2 und 3 liegen. Die Widerstandskörper 2 und 3 sind mit Elektroden aus einer dünnen
Metallschicht aufeinander gegenüberliegenden Flächen
versehen. In der Figur sind Elektrodenflächen 4 und 5
dargestellt Die Widerstandskörper 2 und 3 können mittels Stromleitern 6 und 7 mit eker Spannungsquelle
verbunden werden. Die Widerstandskörper 2 und 3 liegen in einer Masse 8 eingebettet, die eine
wärmeleitende Metallverbindung, ein Füllmittel und einen vulkanisierten Kunststoff enthält. In der Masse 8 w
sind Kanäle 9 und 10 vorgesehen.
Das Gehäuse 1 kann dadurch hergestellt werden, daß mittels einer Spritzgußpresse in eine geeignete Matrize
unter Druck eine Paste aus 15Gew.-% warmvulkanisierbarem
Silikongummi, 15Gew.-% feinverteiltem Siliciumdioxid und 70 Gew.-% Magnesiumoxidpulver
gepreßt wird. Die Masse wird dann in der Matrize unter Druck bei erhöhter Temperatur (z. B. 160"C) vulkanisiert
Das Heizelement nach der Erfindung kann z. B. wie folgt hergestellt werden. In ein durch einen Preß- oder
Spritzvorgang vorher aus der Kunststoffmasse hergestelltes Gehäuse 1 wird eine Menge Einbettmasse 8
eingebracht, die nach dem Einbringen die Widerstandskörper 2 und 3 völlig umgibt und den verbleibenden *λ
Raum im Gehäuse 1 ausfüllt (Fig. 2). Die Widerstandskörper
2 und 3, deren mi» den Elektrodenflächen 4 und 5 mit Stromleitern versehene Seiten sichtbar sind, werden
in die Masse 8 gepreßt Dann werden zwei Stahlstifte 9A und 10Λ möglichst na.ie entlang den Widerstandskörpern
2 und 3 in die Masse bis auf den Boden aes Gehäuses 1 eingeführt (F i g. 3). Die Einbettmasse 8 wird
nun dadurch vulkanisiert, daß das Ganze z. B. 10 Minuten
auf etwa 180° C erhitzt wird, bis eine solche
Festigkeit der Masse 8 erhalten ist, daß die Stifte 9Λ und
IQA entfernt werden können, ohne daß sich die in der Masse vorgesehenen Kanäle 9 und 10 wieder zusetzen
(F i g. 4). Die Einbettmasse 8 wird nun ausvulkanisiert, z. B. indem das Ganze während 24 Stunden auf 180° C
gehalten wird.
Es isl auch möglich, die Widerstandskörper 2 und 3 zugleich mit den Stiften 9A und 1OA in die Einbettmasse
zu drücken. Auch ist es möglich, die Einbettmasse 8 erst anzubringen, nachdem die Widerstandskörper 2
und 3 und die Stifte 9A und 10/4 in dem Gehäuse 1
angeordnet sind. Auch in den letzteren Fällen werden, nachdem die Masse 8 einige Zeit vulkanisiert worden ist,
die Stifte 9Λ und 10Λ entfernt wonach die Masse 8
weitervulkanisiert wird. Der Effekt-Jer Erfindung ergibt
sich aus den nachstehenden Versuchet* (beschleunigten
Lebensdauerversuchsn).
A. 30 PTC-Widerstände wurden mit Elektroden aus
einer ersten Schicht aus einer Nickel-Chrom-Legierüng
und einer zweiten Schicht aus Silber versehen. Die Elektroden wurden künstlich stark oxidiert,
indem sie zwei Wochen an Luft auf 300° C erhitzt wurden. Der Widerstandswert der PTC-Widerstände,
über die Elektroden gemessen, nahm dabei von etwa 1000 Ω auf etwa 2000 Ω zu. 10 Exemplare
wurden dann zyklisch belastet (10 Minuten eingeschaltet 10 Minuten ausgeschaltet 265V). Einige
Sekunden nach dem Einschalten wurden stets Funken an den Elektiodenoberflächen beobachtet
Nach einigen Zyklen bildeten sich Risse an vielen Stellen in den PTC-Widerständen. Die 20 übrigen
Exemplare wurden nach der Erfindung in einem Kunststoffgehäuse (eines pro Gehäuse) untergebracht,
wobei 10 Exemplare keine Kanäle aufwiesen und 10 Exemplare mit Kanälen nach der Erfindung versehen waren. Die eingekapselten
PTC-Widerstände wurden dann gleichfalls zyklisch belastet (10 Minuten eingeschaltet >0 Minuten
ausgeschaltet 265 V). Die 10 Exemplare, bsi denen die Einbettmasse nicht mit Kanälen versehen war,
explodierten alle nach 1 bs 30 Zyklen. Die 10 mit
Kanälen versehenen Exemplare wirkten zwar nicht mehr, weil der Widerstandswert während der
Belastung auf 5000 Ω bis 1 ΜΩ anstieg, aber Explosionen %varen nach 1000 Zyklen noch nicht
aufgetreten.
B. Bei einem folgenden Versuch wurden 20 speziell für dieses Experiment hergestellte Widerstandskörper
mit einer Curietemperatur von 27O°C (PTC-Widerstände
mit einer Betriebstemperatur oberhalb der Temperatur, bei der der Silikongummi in der
Einbettmasse stabil ist) nach der Erfindung in einem Kunststoffgehäuse untergebracht (eines pro Gehäuse),
wobei 10 Exemplare in der Einbettmasse Kanäle Und 10 Exemplare keine Kanäle hatten. Die
Widerstandskörper wurden kontinuierlich mit 265 V belastet. Die 10 nicht mit Kanälen versehenen
Exemplare explodierten alle zwischen 12 und 48 Stunden nac H Beginn der Belastung. Von den 10
Exemplaren mit Kanälen in der Einbettmasse war nach lOOOslündiger kontinuierlicher Belastung
noch kein einziges defekt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Heizelement mit mindestens einem mit Stromleitern versehenen Widerstandskörper aus
einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, der von einer
elektrisch isolierenden, einen Kunststoff enthaltenden Einbettmasse und einer äußeren Umhüllung
umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einbettmasse (8) in geringer Entfernung
von dem (den) Widerstandskörper^) (2, 3) mindestens ein Kanal (9, 10) vorhanden ist, der den (die)
Widerstandskörper berühren kann und der mit mindestens einem Ende in offener Verbindung mit
der umgebenden Atmosphäre steht
2. Heizelement nach Anspruch 1 mit blockförmigen Widerstandskörpern, die miteinander fluchtend
in einem langgestreckten Gehäuse in einer Einbettmasse eingebettet liegen, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Kanal (9, 10) parallel zur Längsachse des langgestreckten Gehäuses (1) liegt,
wobei ein Teil der Wand des Kanals mit einem Teil der Außenfläche der Widerstandskörper (2, 3)
zusammenfällt
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