DE3151109C2

DE3151109C2 - Verfahren zum Herstellen von Thermistor-Heizeinrichtungen mit positiven Temperaturkoeffizienten

Info

Publication number: DE3151109C2
Application number: DE3151109A
Authority: DE
Inventors: Etsuroh Ikoma Nara Habata; Kenji Kadoma Osaka Kanatani; Nobumasa Hirakata Osaka Ohshima
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-12-26
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1984-07-19
Also published as: GB2090710B; GB2090710A; DE3151109A1; US4414052A; US4482801A

Abstract

Bei einem Thermistor-Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) werden Verbindungen zwischen Wärmestrahlern aus Metall und den Elektroden an einem Thermistorelement mit positivem Temperaturkoeffizienten nur mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Klebstoffs in der Weise erreicht, daß vor und während des Aushärtschrittes die Wärmestrahler gegen die Elektroden gedrückt werden, um dadurch zumindest teilweise zwischen ihnen elektrische Kontakte herzustellen. Die Wärmestrahler dienen auch als Strombahnen in bzw. aus dem Thermistorelement. Die PTC-Thermi stor-Heizvorrichtung ist im Aufbau einfach und kann mit geringeren Kosten ohne weiteres hergestellt werden; noch dazu weist sie einen hohen und gleichbleibenden thermischen Ausgang auf.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Thermistor-Heizeinrichtungen mit positiven Temperaturkoeffizienten der im Oberbegriff des Anspruchs ] angegebenen Gattung.

Aus dem Abstract der JP-A2 53-93438 geht eine Thermistor-Heizeinrichtung mit positivem Temperaturkoeffizienten hervor, bei der das PTC-Element unter Verwendung eines wärmeleitenden Materials mit der wärmeerzeugenden Rippe verklebt und damit vereinigt wird. Dadurch kann die Luft, weiche die Wärmeübertragung zwischen der Rippe und der Elektrode stören würde, vollständig eliminiert werden, so daß die abgegebene Wärmeleistung erhöht wird.

Ein Verfahren zur Herstellung von Thermistor-Heizeinrichtungen mit positiven Temperaturkoeffizienten der angegebenen Gattung ist aus dem Abstract der JP-A2 53-116539 bekannt, wobei die PTC-Elemente mit metallischen Wärmestrahlern verklebt sind. Bei diesem Herstellungsverfahren treten insofern Probleme auf, als der verwendete Klebstoff im allgemeinen ausgehärtet werden muß, wozu aufwendige, zusätzliche Herstellungsschritte erforderlich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Thermistor-Heizeinrichtungen mit positiven Temperaturkoeffizienten der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die Aushärtung des Klebstoffes keinen zusätzlichen Fertigungsaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß die Fügeteile PTC-Element und Wärmestrahler so stark zusammengedrückt ν erden, daß trotz des elektrisch isolierenden Klebers elektrische Kontakte entstehen, die es erlauben, das PTC-Element zur Aushärtung des Klebstoffes durch Anschluß der Wärmestrahler an eine Spannungsquelle zu erwärmen. Dabei erfolgt die Erwärmung sehr gleichmäßig, so daß srch eine einwandfreie Klebeverbindung ergibt Außerdem wird die Erwärmung sehr schnell durchgeführt, so daß sich die Aushärtzeit des Klebstoffes und damit die Herstellungszeit verringern läßt

Außerdem wird die während der Aushärtung des Klebstoffes erzeugte Wärmeenergie weitgehend für die Aushärtung des Klebstoffes ausgenutzt, so daß die Aushärtung mit einem sehr guten Wirkungsgrad erfolgt, in jedem Fall mit einem weit besseren Wirkungsgrad als er durch eine externe Erwärmung des Klebstoffes erreicht werden kann.

Außerdem wird kein zusätzlicher Raum für eine zusätzliche Heizeinrichtung für die Durchführung der Aushärtung benötigt, wodurch sich ebenfalls eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ergibt

Wenn bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung von Thermister-Heizeinrichtungen die PTC-Elemente und die metallischen Wärmestrahler miteinander verklebt werden, kommt es oft zu einem schlechten Kontakt wenn die Aushärtung des Klebstoffes durch eine externe Wärmequelle erfolgt Dieser schlechte Kontakt kann nicht einwandfrei festgestellt werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch der Klebstoff elektrisch über die metallischen Wärmestrahler ausgehärtet so daß es nicht zu der gewünschten Wärmeerzeugung und damit nicht zur Aushärtung des Klebstoffes kommt, wenn der Kontakt zwischen den PTC-Elementen und den metallischen Wärmestrahlern nicht ausreichend gut ist Damit läßt sich also ein schlechter Kontakt bereits frühzeitig erkennen und damit beheben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Thermistor- Heizeinrichtung,

F i g. 2 im vergrößerten Maßstab eine Teilansicht der Ausführungsform nach F i g. 1,

Fig.3 eine Kurvendarstellung des elektrischen Kontaktwiderstandes zwischen dem metallischen Wärmestrahler und dem PTC-Element bei der Thermistor-Einrichtung nach den F i g. 1 und 2 als Funktion des auf den metallischen Wärmestrahler bei der Aushärtung des Klebstoffes ausgeübten Druckes p,

Fig.4 eine Schemadarstellung zur Erläuterung der einzelnen Schritte bei der Herstellung der Thermistor-Heizeinrichtung nach F i g. 1,

F i g. 5 eine perspektivische Teilansicht der Oberfläche eines PTC-Elementes,

F i g. 6 einen Teil eines Längsschnittes durch die Klebstoff-Verbindung zwischen dem metallischen Wärmestrahler und dem PTC-Element,

F i g. 7 und 8 perspektivische Ansichten von weiteren Ausführungsformen der Elektroden- Oberflächen,

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer dritten Aus-

führungsfonn einer Thermistor- Heizeinrichtung, und

Fig. 10A, 1OB und 11 Ansichten zur Erläuterung einer Abwandlung dieser Thermistor- Heizeinrichtung.

Die in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellte Thermistor-Heizeinrichtung weist ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten auf, das im folgenden auch als »PTC-Element« bezeichnet werden soll. Dieses PTC-Element 26 enthält Aluminiumelektroden 27 und 28, die beispielsweise durch Metallzerstäubung auf die gegenüberliegenden Hauptflächen des PTC-Elementes 26 aufgebracht worden sind. Wärmestrahler 31 und 32 aus Aluminium sind mittels eines elektris-ch isolierenden Klebstoffs auf der Basis eines Silikon- oder Epoxyd-Derivats fest mit den Elektroden 27 bzw. 28 verbunden. Die Klebstoffschichten zwischen den Elektroden und den Wärmestrahlern sind mit 29 und 30 bezeichnet. Während der Aashärtung der Klebstoffschichten 29 und 30 werden die Wärmestrahler 31 und 32 gegen die Elektroden 27 bzw. 28 gedrückt.

Ein Teil der Verbindung zwischen der oberen Elektrode 27 und dem oberen Wärmestrahler 31 ist in F i g. 2 im vergrößerten Maßstab dargestellt. Unter dem Mikroskop betrachtet weisen die beiden Oberflächea der Elektrode 27 und des Wärmestrahlers 31 sehr feine Oberflächenunregelmäßigkeiten auf; wenn jedoch der Wärmestrahler 31 unter Zwischenschaltung des isolierenden Klebstoffs 29 fest gegen die entsprechende Oberfläche der Elektrode 27 gedrückt wird, füllt der isolierende Klebstoff 29 diese feinen Hohlräume aus, die zwischen der Elektrode 27 und dem Wärmestrahler 31 entstehen, so daß ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen diesen Flächen auftritt, wie in F i g. 2 dargestellt ist und noch beschrieben werden soll.

In Fig.3 ist der Kontaktwiderstand zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Wärmestrahler, ausgedrückt in mn, als Funktion des auf den Wärmestrahler und die Elektrode ausgeübten Druckes ρ in N/m² aufgetragen. Die entsprechenden Meßwerte wurden durch einen Versuchsaufbau erhalten, wie er in F i g. 4 dargestellt ist. Die Aluminium-Elektroden 25 und 28 sind 30—50μπι dick; es wurde ein Silikon-Klebstoff mit einer Viskosität von 200 Poises verwendet Das PTC-Element 26 hat eine Größe von 10 mm · 30 mm · 2,8 mm. Die Wärmestrahler 31 und 32 bestehen aus Aluminium. Aus F i g. 3 ist folgendes zu erkennen: Wenn ein Druck p, der über 4,9 · 10⁴ N/m² hinausgeht, auf die Wärmestrahler 31 und 32 ausgeübt wird, können befriedigende elektrische Kontakte zwischen den Elektroden 27 und 28 und den Wärmestrahler!! 31 und 32 gewährleistet werden, und zwar auch dann, wenn die Schichten aus den elektrisch isolierenden Klebstoffen 29 und 30 zwischen diesen Flächen angeordnet sind. Damit wirken die Wärmestrahler 31 und 32, die auf diese Weise elektrisch mit den Elektroden 27 .bzw. 28 verbunden sind, auch als Stromzuführung.

Der elektrisch isolierende Klebstoff hat eine Aushärtetsmperatur bei oder in der Nähe der Curie-Temperatur des PTC-Elementes 26. Die Verbindung zwischen dem Wärmestrahler und der Elektrode erfolgt auf folgende Weise: Zunächst wird ein elektrisch isolierender Klebstoff mit einer Aushärtetemperatur im angegebenen Bereich auf die Oberflächen der Elektroden 27 und 28 aufgebracht; dann werden die Wärmestrahler 30 und 31 gegen die Elektroden 27 und 28 gedruckt, während gleichzeitig eine Spannung direkt oder über die Wärmestrahler 30 und 31 an das PTC-Element 26 angelegt wird, so daß diese Wärme für die Aushärtung des Klebstoffes erzeugt.

Nach der vollständigen Aushärtung des Klebstoffes wird der angelegte Druck ρ aufgehoben und die Spannungszufuhr abgeschaltet Nun sind die Wärmestrahler 31 und 32 fest mit den Elektroden 27 bzw. 28 verbunden. Bei Verwendung eines elektrisch isolierenden Zweikomponenten-Silikonklebstoffs beträgt die Aushärtungszeit des Klebstoffes bei der Erwärmung durch einen Heißluft-Gebläseofen bei etwa 190° C mehr als 20 Minuten. Verwendet man statt dessen einen elektrisch isolierenden Silikon-Klebstoff mit einer Curie-Temperatur von 200° C, der bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand von 100 Ω hat, so läßt sich durch Anlegen einer Spannung von 60 V an das PTC-• Element die Aushärtung des Klebstoffes in etwa 1 Minute durchführen.

Im folgenden sollen anhand der Fig.5 bis 7 eine zweite Ausführungsfcrm einer Thermistor-Heizeinrichtung sowie einige Abwandlungen dieser Ausluhrungsform beschrieben werden. Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform nach df/: F i g. 1 und 2 besteht darin, daß die Oberfläche des PTC-Elementes so behandelt worden ist, daß sie Unregelmäßigkeiten vorgegebener Größe und Form hat Dadurch erhält das fertige Produkt sehr gleichmäßige Eigenschaften und arbeitet sicher und zuverlässig.

Das in den F i g. 5 und 6 erkennbare PTC-Element 33 weist Aluminium-Elektroden 35 auf. Die Oberfläche jeder Elektrode 35 ist mit einem schachbrettartigen, erhabenen Muster ausgebildet Wie man insbesondere in F i g. 5 erkennt, enthält dieses Muster eine Riffelung, die durch parallele Reihen von gleichmäßigen Vertiefungen, sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung, gebildet wird. Sowohl die Tiefe der Vertiefungen als auch der senkrechte Abstand zwischen dem höchsten Punkt der Rippe und dem Boden der Vertiefung liegen in der Größenordnung von 0,5 mm.

Bei der Verbindung zwischen Wärmestrahler 34 und Elektrode 35 über den isolierenden Klebstoff S7 (siehe Fig.6), die auf die oben beschriebene Weise erfolgt,

■to wird der Klebstoff zwischen den Rippen 39 und der Oberfläche des Wärmestrahlers 34 herausgedrückt, so daß üin sehr guter elektrischer Kontakt und gleichzeitig guter Wärmeübergang zwischen den Flächen gewährleistet wird.

Bei der in F i g. 7 dargestellten Abwandlung der zweiten Ausführungsform ist die Oberfläche der Elektrode 35a des PTC-Elements 33a in Längsrichtung gewellt. Dies hat den Vorteil, daß bei einer Änderung der Höhe der Rippen 35a die Rippen 35a in noch engeren Kontakt mit der Oberfläche des Wärmestrahlers 34 gebracht werden können.

Fig.8 zeigt eine zweite Abwandlung der zweiten Ausfuhru.igi-iorm, bei der die Oberfiäche der Elektrode 396 des PTC-Elementes 386 nur in Richtung ihrer Breite mit der Riffelung versehen ist. Dies bedeutet, diß die Länge der Rippen 386 kürzer ist als die der Rippen 38a bei der Abwandlung nach F i g. 7, so daß der isolierende Klebstoff 37 noch leichter aus dem K.ontaktbereich herausgedrückt werden kann.

Als weitere Alternative kann die Riffelung nicht nur in der Elektroden-Oberfläche des PTC-Elementes 36, sondern auch in den Kontaktflächen der oberen und unteren Wärmestrahler 34 ausgebildet werden.

Anhand der F i g. 9 b^;s 11 wird eine dritte Ausfühmngsform einer Thermistor-Heizeinrichtung beschrieben.

Gemäß F i g. 9 weist ein PTC-Element 40 Elektroden 41 und 42 aus Aluminium auf. Die zugehörigen Wärme-

strahler 45 und 46 haben die Form einer geraden, gewellten Rippe aus Aluminium und eine Dicke, die etwas größer als die von Aluminium-Kontaktplatten 42 und 43 zwischen den Elektroden 41 und 42 und den Wärmestrahlern 45 und 46 ist. Mittels eines (nicht dargestellten) 5 elektrisch isolierenden Klebstoffes, dessen Aushärtetemperatur bei oder in der Nähe der Curie-Temperatur des PTC-Elementes 40 liegt, sind die Elektroden 41 und 42, die Kontaktplatten 43 und 44 und die Wärmestrahler 45 und 46 miteinander verbunden. ι ο

Die dünnen Aluminium-Kontaktplatten 43 und 44 können Durchbiegungen, Wölbungen, Welligkeiten und feine Oberflächer.-Unregelmäßigkeiten in den Kontaktflächen des PTC-Elementes 40 und der Wärmestrahler 45 und 46 ausgleichen.

Die Verbindung dieser Elemente erfolgt auf die oben beschriebene Weise.

Anhand der F i g. 1OA und 1OB wird eine Abwandlung der vierten Ausführungsform beschrieben. Dabei wird nur die obere Hälfte des Aufbaus erörtert, weil diese Thermistor-Heizeinrichtung einen zur Mittenebene des PTC-Elementes 47 symmetrischen Aufbau hat. Die entsprechenden Teile in der unteren Hälfte sind mit in Klammern gesetzten Bezugszeichen versehen.

Las PTC-Element 47 weist eine Aluminium-Elektrode 48 (49) auf seiner oberen Hauptfläche auf. Eine dünne Aluminium-Kontaktplatte 50 (51) hat eine Dicke von 0,2 mm und weist eine große Zahl von öffnungen 52 (53) auf, die in Reihen und Spalten im entsprechenden Abstand voneinander angeordnet sind (siehe Fig. 10B). Die öffnungen 52 (53) können jedoch auch in Zick/ Zack-Form zueinander versetzt sein.

Ein Wärmestrahler 56 (57) aus Aluminium hat die Form einer geraden, gewellten Rippe und eine Wandstärke von 0,5 mm.

Ein elektrisch isolierender Klebstoff mit einer AushärteteiTiperiur bei oder in der Nähe der Curie-Ternperatur des PTC-Elementes 47 wird auf die Elektroden-Oberfläche 48 (49) des PTC-Elementes 47 aufgebracht. Wenn die dünne Kontaktplatte 50 (51) und der Wärmestrahler oder die gewellte Kühlrippe 56 (57) in der angegebenen Reihenfolge übereinander angeordnet sind und der erwähnte Verbindungsdruck ausgeübt wird, breitet sich der Klebstoff aus und wird durch die öffnungen 52 (53) der Kontaktplatte 50 (51) gedrückt, wie in F i g. 11 bei 54 (55) angedeutet ist; der aus den öffnungen 52 (53) herausquellende Klebstoff stellt die Verbindung zwischen der dünnen Kontaktplatte 50 (51) und dem Wärmestrahler 56 (57) her.

Bei der Herstellung der Verbindung wird eine Spannung an den oberen und unteren Wärmestrahler 56 und 57 angelegt, um den elektrisch isolierenden Klebstoff auszuhärten.

Der Vorteil dieser Abwandlung liegt darin, daß der Klebstoff nur einmal aufgebracht werden muß. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung, so daß eine weitgehende Automatisierung möglich ist Außerdem gewährleistet der in den öffnungen 52 (53) zurückbleibende, ausgehärtete Klebstoff eine starke und zuverlässige Verbindung zwischen dem PTC-Element 47 und dem Warmestrahler56(57).

Versuche haben gezeigt, daß die Wärmeübertragung zwischen dem PTC-Element 47 und dem Wärmestrahler 56 (57) über die dünne, mit öffnungen versehene Kontaktplatte 50 (55) im gleichen Bereich liegt wie bei der es Ausführungsform nach F i g. 9.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Thermistor-Heizeinrichtungen mit positiven Temperaturkoeffizienten, bei dem die PTC-Elemente mit metallischen Wärmestrahlern verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein elektrisch isolierender Klebstoff mit einer Aushärtetemperatur bei oder in der Nähe der Curie-Temperatur des PTC-Eiementes auf die Elektrodenoberfläche und/oder auf die metallischen Wärmestrahler aufgebracht wird,

b) die Wärmestrahler darüber angeordnet werden und so stark gegen die Elektrodenoberflächen gedruckt werden, daß

c) zwischen Wärmestrahler und Elektrodenoberflächen eine elektrische Verbindung entsteht und daß

d) die Wärmestrahler unter Beibehaltung des Druckes mit einer geeigneten Spannungsquelle elektrisch verbunden werden, um durch die dabei auftretende Erwärmung des PTC-Elementes den Klebstoff auszuhärten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Kontaktplatten mit kleinen öffnungen zwischen die Elektroden-Oberflächen und die Wärmestrahler eingeklebt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Oberflächen und/oder die Kontaktflächen der Wärmestrahlerein Riffelmuster aufwei^n.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Riffelmu·: er in Quer- und/ oder Längsrichtung erstreckt.