DE3686296T2

DE3686296T2 - FILM HEATING ELEMENTS.

Info

Publication number: DE3686296T2
Application number: DE8686303722T
Authority: DE
Inventors: Neville Sam Batliwalla; Ravinder K Oswal; Jeff Shafe
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2006-05-16
Also published as: EP0209224B1; JPS61267287A; CA1262468A; ATE79209T1; EP0209224A3; DE3686296D1; EP0209224A2; IN167714B

Abstract

Electrical sheet heaters which comprise electrodes secured to a surface of a resistive element, a dielectric layer intimately bonded to the resistive element and to the electrodes, and an outer insulating layer. The heater is illustrated in Figure 1.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flächenheizeinrichtungen.The invention relates to surface heating devices.

Flächenheizeinrichtungen weisen typischerweise ein Schichtwiderstandselement und zwei oder mehr Elektroden auf. Das Widerstandselement kann aus einem leitfähigen Polymer bestehen, d. h. einem Gemisch eines leitfähigen Füllstoffs und eines organischen Polymers (wobei dieser Ausdruck auch Polysiloxane umfassen soll), wobei der Füllstoff in dem organischen Polymer dispergiert oder anderweitig davon zusammengehalten ist. Das Widerstandselement kann PTC-Verhalten haben, wodurch die Heizeinrichtung selbstregelnd wird. Bei manchen Flächenheizeinrichtungen sind die Elektroden auf einer Oberfläche des Widerstandselements positioniert, z. B. durch Aufdrucken einer leitfähigen Druckfarbe auf das Heizelement. Besonders relevant in dieser Beziehung sind EP-A-158 410, 175 550 und 176 284. Weitere Druckschriften, die leitfähige Polymerzusammensetzungen und sie aufweisende Vorrichtungen beschreiben, sind unter anderem die US- Patentschriften 2 952 761, 2 978 665, 3 243 753, 3 351 882, 3 571 777, 3 757 086, 3 793 716, 3 823 217, 3 858 144, 3 861 029, 3 950 604, 4 017 715, 4 072 848, 4 085 286, 4 117 312, 4 177 376, 4 177 446, 4 188 276, 4 237 441, 4 242 573, 4 246 468, 4 250 400, 4 252 692, 4 255 698, 4 271 350, 4 272 471, 4 304 987, 4 309 596, 4 309 597, 4 314 230, 4 314 231, 4 315 237, 4 317 027, 4 318 881, 4 327 351, 4 330 704, 4 334 351, 4 352 083, 4 361 799, 4 388 607, 4 398.084, 4 413 301, 4 425 397, 4 426 339, 4 426 633, 4 427 877, 4 435 639, 4 429 216, 4 442 139, 4 459 473, 4 473 450, 4 481 498, 4 476 450, 4 502 929, 4 514 620, 4 519 449, 4 529 866, 4 534 889 und 4 560 498; J. Applied Polymer Science 19, 813-815 (1975), Klason und Kubat; Polymer Engineering and Science 18, 649-653 (1978), Narkis et al; und EP-A-38 713, 38 714, 38 718; 74 281, 92 406, 119 807, 134 145, 133 748 und 0 144 187.Panel heaters typically comprise a sheet resistance element and two or more electrodes. The resistance element may be made of a conductive polymer, i.e. a mixture of a conductive filler and an organic polymer (which term is intended to include polysiloxanes), the filler being dispersed in or otherwise held together by the organic polymer. The resistance element may have PTC behavior, making the heater self-regulating. In some panel heaters, the electrodes are positioned on a surface of the resistance element, e.g. by printing a conductive ink onto the heating element. Particularly relevant in this regard are EP-A-158 410, 175 550 and 176 284. Other documents describing conductive polymer compositions and devices comprising them include US Patents 2 952 761, 2 978 665, 3 243 753, 3 351 882, 3 571 777, 3 757 086, 3 793 716, 3 823 217, 3 858 144, 3 861 029, 3 950 604, 4 017 715, 4 072 848, 4 085 286, 4 117 312, 4 177 376, 4 177 446, 4 188 276, 4 237 441, 4 242 573, 4 246 468, 4 250 400, 4 252 692, 4 255 698, 4 271 350, 4 272 471, 4 304 987, 4 309 596, 4 309 597, 4 314 230, 4 314 231, 4 315 237, 4 317 027, 4 318 881, 4 327 351, 4 330 704, 4 334 351, 4 352 083, 4 361 799, 4 388 607, 4 398 084, 4 413 301, 4 425 397, 4 426 339, 4 426 633, 4 427 877, 4 435 639, 4 429 216, 4 442 139, 4 459 473, 4 473 450, 4 481 498, 4 476 450, 4 502 929, 4 514 620, 4 519 449, 4 529 866, 4 534 889 and 4 560 498; J. Applied Polymer Science 19, 813-815 (1975), Klason and Kubat; Polymer Engineering and Science 18, 649-653 (1978), Narkis et al; and EP-A-38 713, 38 714, 38 718; 74 281, 92 406, 119 807, 134 145, 133 748 and 0 144 187.

Wie in unserer älteren Anmeldung EP-A-175 550 beschrieben ist, wurde während der Arbeiten mit Schichtheizeinrichtungen, die Elektroden aufweisen, die auf einer Oberfläche eines Schichtwiderstandselements positioniert sind, gefunden, daß die Gefahr einer Ablösung der Elektroden von dem Widerstandselement besteht. Wie in dieser älteren Anmeldung angegeben ist, besteht eine Lösung dieser Schwierigkeit darin, eine Isolationsschicht zu verwenden, die nicht auf der Elektroden tragenden Oberfläche befestigt ist; die Verwendung einer solchen getrennten Isolation hat den Nachteil, daß im Fall eines auch nur sehr kleinen Lochs in der Isolation durch das Loch eindringende Feuchtigkeit sich unter der Isolation ansammeln und einen Kurzschluß zwischen den Elektroden bewirken kann.As described in our prior application EP-A-175 550, it has been found during work with sheet heaters having electrodes positioned on a surface of a sheet resistance element that there is a risk of the electrodes becoming detached from the resistance element. As stated in this prior application, one solution to this difficulty is to use an insulation layer which is not attached to the electrode-bearing surface; the use of such separate insulation has the disadvantage that in the event of even a very small hole in the insulation, moisture penetrating through the hole can collect under the insulation and cause a short circuit between the electrodes.

DE-A-2 006 165 betrifft eine flexible Heizplatte mit einer aufgebrachten Feststoffisolationsschicht aus PVC-Material. US-A-4 250 398 bezieht sich auf einen zusammengesetzten laminierten Heizgegenstand mit zwei Isolationsschichten und einer leitfähigen Schicht dazwischen.DE-A-2 006 165 relates to a flexible heating plate with an applied solid insulation layer made of PVC material. US-A-4 250 398 relates to a composite laminated heating article with two insulation layers and a conductive layer in between.

Es wurde nunmehrr gefunden, daß die oben angegebenen Probleme gelöst werden können durch die Verwendung von Isolation, die aufweist (a) eine erste Schicht, die mit den Elektroden und dem Widerstandselement verbunden ist und aus einer gehärteten polymeren Zusammensetzung besteht, die eine relativ geringe Zugfestigkeit hat, so daß sie die Beanspruchungen aufnehmen kann, die durch Biegen und/oder thermische Wechselbeanspruchung aufgebracht werden, und (b) eine zweite, äußere Schicht, die ein konventioneller Isolierstoff sein kann mit der Ausnahme, daß sie nicht oder höchstens geringfügig mit der ersten Schicht verbunden ist. Die erste Schicht (die hier häufig als die dielektrische Schicht bezeichnet wird) wird gebildet durch Aufbringen auf die Elektroden tragende Oberfläche einer Zusammensetzung, die beim Auftragen flüssig ist und in situ härtet, so daß sie mit wenigstens einem Teil der Elektroden und bevorzugt auch mit wenigstens einem Teil des Widerstandselements und insbesondere mit der Oberfläche als Ganzes innig verbunden wird.It has now been found that the problems identified above can be solved by the use of insulation comprising (a) a first layer bonded to the electrodes and the resistive element and consisting of a cured polymeric composition having a relatively low tensile strength so that it can withstand the stresses imposed by bending and/or thermal cycling, and (b) a second, outer layer which may be a conventional insulating material except that it is not bonded or at most only slightly bonded to the first layer. The first layer (which is often referred to herein as the dielectric layer) is formed by applying to the electrode-bearing surface a composition which is liquid when applied and hardens in situ so as to be intimately bonded to at least part of the electrodes and preferably also to at least part of the resistance element and in particular to the surface as a whole.

Ferner wurde gefunden, daß die aufgebrachte dielektrische Schicht verbesserte elektrische Eigenschaften, insbesondere verbesserte elektrische Sicherheit ergibt, wodurch die Gefahr von Funkenbildung und Brand im Fall des Bruchs einer der Elektroden eliminiert oder wenigstens verringert wird.It has also been found that the applied dielectric layer provides improved electrical properties, in particular improved electrical safety, thereby eliminating or at least reducing the risk of sparking and fire in the event of one of the electrodes breaking.

Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine elektrische Flächenheizeinrichtung angegeben, die folgendes aufweist:Thus, the present invention provides an electric surface heating device which has the following:

(1) ein Schichtwiderstandselement (2), das (a) aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung mit PTC-Verhalten besteht und (b) eine erste Schichtoberfläche und eine zweite Schichtoberfläche aufweist;(1) a sheet resistance element (2) which (a) consists of a conductive polymer composition with PTC behavior and (b) has a first layer surface and a second layer surface;

(2) zwei oder mehr doppelkammförmig ineinandergreifende Elektroden (4, 6), die auf der ersten Oberfläche des Elements (2) befestigt und so positioniert sind, daß sie einen Teil dieser ersten Oberfläche freilassen;(2) two or more double-comb-shaped intermeshing electrodes (4, 6) mounted on the first surface of the element (2) and positioned to leave a portion of said first surface exposed;

(3) eine erste Isolationsschicht (8), die (a) über den Elektroden (4, 6) und der freigelassenen ersten Oberfläche des Widerstandselements (2) positioniert ist und die Elektroden (4, 6) und die freigelassene erste Oberfläche des Widerstandselements (2) direkt berührt und (b) eine organische Polymerzusammensetzung aufweist, die in flüssiger Form aufgebracht ist und nach dem Härten eine Zugfestigkeit von weniger als 275,79 bar (4000 psi) bei 23 ºC hat; und(3) a first insulating layer (8) which (a) is positioned over the electrodes (4, 6) and the exposed first surface of the resistive element (2) and directly contacts the electrodes (4, 6) and the exposed first surface of the resistive element (2) and (b) comprises an organic polymer composition applied in liquid form and having a tensile strength of less than 275.79 bar (4000 psi) at 23 ºC after curing; and

(4) eine zweite Isolationsschicht (16), die über den Elektroden (4, 6), dem Widerstandselement (2) und der ersten Isolationsschicht (8) positioniert ist;(4) a second insulation layer (16) positioned over the electrodes (4, 6), the resistance element (2) and the first insulation layer (8);

wobei eine eventuelle Verbindung zwischen der ersten (8) und der zweiten (16) Isolationsschicht derart ist, daß bei Ablösen der zweiten Isolationsschicht (16) von dem Widerstandselement (2) die Ablösefestigkeit der Verbindung zwischen der ersten (8) und der zweiten (16) Isolationsschicht geringer als die Ablösefestigkeit der Verbindung zwischen der ersten Isolationsschicht (8) und den Elektroden (4, 6) ist.wherein a possible connection between the first (8) and the second (16) insulation layer is such that when the second insulation layer (16) is detached from the resistance element (2), the detachment strength of the connection between the first (8) and the second (16) insulation layer is lower than the detachment strength of the connection between the first insulation layer (8) and the electrodes (4, 6).

Die dielektrische Schicht überdeckt wenigstens einen Teil der Elektroden und bevorzugt die Elektroden insgesamt mit Ausnahme derjenigen Teile, die mit elektrischen Zuleitungen verbunden sind (um die Heizeinrichtung an eine Stromversorgung anzuschließen) oder mit Verbindungselementen verbunden sind, die voneinander beabstandete Elektroden miteinander verbinden oder einen Bus entlang einem Rand oder zentralen Bereich einer Elektrode bilden, z. B. einer Elektrode mit Armen, die von dem Verbindungselement ausgehen. Wenn solche Verbindungselemente vorhanden sind, sollte die dielektrische Schicht gebildet werden, nachdem die Verbindungselemente aufgebracht worden sind, oder sie sollte diejenigen Teile der Elektroden, auf die die Verbindungselemente später aufgebracht werden, nicht überdecken. Die dielektrische Schicht überdeckt bevorzugt außerdem wenigstens einen Teil und bevorzugt den gesamten freiliegenden Teil der Elektroden tragenden Oberfläche(n) des Widerstandselements, insbesondere diejenigen Teile, die den Elektroden benachbart sind. Dies ist besonders nützlich, wenn die polymere Komponente des leitfähigen Polymers ein Polymer aufweist, z. B. wenigstens 75 Gew.-% eines Polymers geringer Oberflächenenergie enthält, die beispielsweise geringer als 40, speziell geringer als 35, insbesondere geringer als 30 dyn/cm ist, da es schwierig ist, mit solchen leitfähigen Polymeren durch die Schmelzverbindungs- und Klebeverbindungsverfahren, die konventionell zum Aufbringen von Isolation angewandt werden, eine Verbindung herzustellen.The dielectric layer covers at least a portion of the electrodes, and preferably the electrodes entirely, except for those portions connected to electrical leads (to connect the heater to a power supply), or connected to interconnecting elements which interconnect spaced apart electrodes, or form a bus along an edge or central region of an electrode, e.g. an electrode having arms extending from the interconnecting element. Where such interconnecting elements are present, the dielectric layer should be formed after the interconnecting elements have been applied, or it should not cover those portions of the electrodes to which the interconnecting elements are later applied. The dielectric layer also preferably covers at least a portion, and preferably all, of the exposed portion of the electrode-bearing surface(s) of the resistive element, particularly those portions adjacent to the electrodes. This is particularly useful when the polymeric component of the conductive polymer comprises a polymer, e.g. B. contains at least 75 wt.% of a polymer of low surface energy, for example less than 40, especially less than 35, especially less than 30 dynes/cm, since it is difficult to bond such conductive polymers by the melt bonding and adhesive bonding processes conventionally used for Applying insulation can be used to make a connection.

Die dielektrische Schicht wird gebildet durch Aufbringen einer geeigneten flüssigen Zusammensetzung, d. h. einer Zusammensetzung, die ein härtbares organisches Polymer oder geeignete Vorläufer für ein solches Polymer enthält, und anschließendes Verfestigen und Aushärten der Zusammensetzung in situ, erforderlichenfalls nach Entfernen eines etwa in der flüssigen Zusammensetzung vorhandenen Lösungsmittels. Die Zusammensetzung wird bevorzugt bei einer Temperatur aufgebracht, verfestigt und ausgehärtet, die eine mögliche Beschädigung des Widerstandselements und/oder der Elektroden vermeidet. Das Aushärten kann einfach aus der Wahl von geeigneten Bestandteilen für die flüssige Zusammensetzung resultieren, oder es kann von einer äußeren Anregung wie Feuchtigkeit, Wärme und/oder Bestrahlung abhängig sein oder davon beschleunigt werden. Besonders geeignete Materialien sind Zweikomponenten-Siliconsysteme, wobei der eine Teil das Monomere und der andere den Katalysator, z. B. Sylgard 577 von Dow-Corning, enthält. Es können auch flexible Zweikomponenten-Epoxidsysteme eingesetzt werden.The dielectric layer is formed by applying a suitable liquid composition, i.e. a composition containing a curable organic polymer or suitable precursors for such a polymer, and subsequently solidifying and curing the composition in situ, if necessary after removing any solvent present in the liquid composition. The composition is preferably applied, solidified and cured at a temperature which avoids possible damage to the resistance element and/or the electrodes. Curing may simply result from the choice of suitable ingredients for the liquid composition, or it may be dependent on or accelerated by external stimulation such as moisture, heat and/or radiation. Particularly suitable materials are two-component silicone systems, one part containing the monomer and the other the catalyst, e.g. Sylgard 577 from Dow-Corning. Flexible two-component epoxy systems can also be used.

Bevorzugt beträgt die Ablösefestigkeit der Verbindung zwischen dem ausgehärteten Material und den Elektroden wenigstens 1, insbesondere wenigstens 2, speziell wenigstens 3 lb pro linearer Inch bei 20 ºC, so daß, wenn die dielektrische Schicht von den Elektroden abgelöst wird, sie kohäsiv versagt (d. h. die Schicht wird aufgerissen, wobei die Grenzfläche im wesentlichen unverändert bleibt) und nicht adhäsiv (d. h. die Schicht löst sich entlang der Grenzfläche von dem Träger ab).Preferably, the peel strength of the bond between the cured material and the electrodes is at least 1, more preferably at least 2, especially at least 3 lb per linear inch at 20°C, so that when the dielectric layer is peeled from the electrodes, it fails cohesively (i.e., the layer is torn apart leaving the interface substantially unchanged) rather than adhesively (i.e., the layer peels away from the support along the interface).

Das ausgehärtete Material sollte eine Zugfestigkeit bei 23 ºC von höchstens 4000 psi, bevorzugt höchstens 3000 psi, speziell höchstens 2000 psi, insbesondere höchstens 1000 psi haben, so daß es an Änderungen der Dimensionen der Elektroden und des Widerstandselements infolge eines Biegens und/oder von Unterschieden der thermischen Ausdehnung und Kontraktion anpaßbar ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht ist bevorzugt wenigstens 0,002", insbesondere wenigstens 0,004", speziell wenigstens 0,006", um sicherzustellen, daß sie frei von feinen Löchern ist. Die dielektrische Schicht hat bevorzugt eine Durchschlagfestigkeit von wenigstens 1000 V/Inch bei allen Temperaturen, die im Gebrauch der Heizeinrichtung eventuell auftreten können, z. B. bei allen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und der Schalttemperatur einer PTC-leitenden Polymerzusammensetzung in einer selbstregelnden Heizeinrichtung.The cured material should have a tensile strength at 23 ºC of not more than 4000 psi, preferably not more than 3000 psi, especially not more than 2000 psi, especially not more than 1000 psi, so that it can adapt to changes in the dimensions of the electrodes and the resistance element due to bending and/or of differences in thermal expansion and contraction. The thickness of the dielectric layer is preferably at least 0.002", more preferably at least 0.004", especially at least 0.006", to ensure that it is free from pinholes. The dielectric layer preferably has a dielectric strength of at least 1000 V/inch at all temperatures that may be encountered in use of the heater, e.g. at all temperatures between room temperature and the switching temperature of a PTC conductive polymer composition in a self-regulating heater.

Die zweite Isolationsschicht ist bevorzugt nicht mit der dielektrischen Schicht oder irgendwelchen Teilen der Elektroden und der die Elektroden tragenden Oberfläche des Widerstandselements, die nicht mit der dielektrischen Schicht bedeckt sind, verbunden. Wenn irgendeine solche Verbindung vorhanden ist, ist sie bevorzugt derart, daß, wenn die zweite Isolationsschicht von dem Widerstandselement abgelöst wird, die dielektrische Schicht an Ort und Stelle verbleibt und die Ablösung durch kohäsives Versagen der dielektrischen Schicht oder durch adhäsives Versagen an der Grenzfläche zwischen der dielektrischen Schicht und der zweiten Isolationsschicht erfolgt (d. h., die Ablösefestigkeit der Verbindung zwischen der dielektrischen und der zweiten Schicht ist geringer als die Ablösefestigkeit der Verbindung zwischen der dielektrischen Schicht und den Elektroden).The second insulating layer is preferably not bonded to the dielectric layer or to any parts of the electrodes and the electrode-bearing surface of the resistive element that are not covered by the dielectric layer. If any such bond is present, it is preferably such that when the second insulating layer is peeled off the resistive element, the dielectric layer remains in place and the peeling occurs by cohesive failure of the dielectric layer or by adhesive failure at the interface between the dielectric layer and the second insulating layer (i.e., the peel strength of the bond between the dielectric and second layers is less than the peel strength of the bond between the dielectric layer and the electrodes).

Die zweite Isolationsschicht ist bevorzugt ein Polymermaterial, z. B. ein vorgeformter flexibler Flächenkörper daraus, der zufriedenstellende Beständigkeit gegenüber physischen Beanspruchungen und Chemikalien hat. Ein wichtiger Grund für das Vorhandensein der zweiten Isolationsschicht ist, daß die zur Verwendung in der dielektrischen Schicht geeigneten Zusammensetzungen geringe Beständigkeit gegenüber physischen Beanspruchungen und/oder Chemikalien haben.The second insulating layer is preferably a polymeric material, e.g. a preformed flexible sheet thereof, which has satisfactory resistance to physical stresses and chemicals. An important reason for the presence of the second insulating layer is that the compositions suitable for use in the dielectric layer have low resistance to physical stresses and/or chemicals.

Wenn, wie es bevorzugt ist, beide oder sämtliche Elektroden auf derselben Oberfläche des Widerstandselements befestigt sind, weist die Heizeinrichtung normalerweise eine dritte Isolationsschicht auf, die die keine Elektrode tragende Oberfläche des Widerstandselements überdeckt (und damit verbunden sein kann) und mit der zweiten Isolationsschicht entlang den Rändern derselben verbunden ist.When, as is preferred, both or all of the electrodes are mounted on the same surface of the resistive element, the heater will typically include a third insulating layer overlying (and possibly bonded to) the non-electrode-bearing surface of the resistive element and bonded to the second insulating layer along the edges thereof.

Die Heizeinrichtungen gemäß der Erfindung sind bevorzugt flexibel, was bedeutet, daß sie bei 23 ºC und bevorzugt bei -20 ºC ohne Beschädigung um einen Dorn mit einem Durchmesser von 4" gewickelt werden können.The heaters according to the invention are preferably flexible, which means that they can be wrapped around a mandrel with a diameter of 4" at 23 ºC and preferably at -20 ºC without damage.

Das leitfähige Polymer hat bevorzugt einen spezifischen Widerstand bei 23 ºC von wenigstens 0,5 Ohm.cm, insbesondere 0,5-100.000 Ohm.cm. Es ist bevorzugt vernetzt, insbesondere durch Bestrahlen, z. B. mit Elektronenstrahlen oder Gammastrahlen, z. B. auf eine gleichmäßige Dosis von wenigstens 5 Mrad, bevorzugt wenigstens 12 Mrad.The conductive polymer preferably has a specific resistivity at 23 °C of at least 0.5 Ohm.cm, in particular 0.5-100,000 Ohm.cm. It is preferably crosslinked, in particular by irradiation, e.g. with electron beams or gamma rays, e.g. to a uniform dose of at least 5 Mrad, preferably at least 12 Mrad.

Die Erfindung ist besonders gut brauchbar, wenn die Elektroden durch Drucken, speziell Siebdrucken, einer leitfähigen Druckfarbe auf das Widerstandselement oder durch ein ähnliches Verfahren gebildet werden, das in etwas zerbrechlichen Elektroden resultiert, z. B. Elektroden, die durch Anwendung der Polymerdickschicht-Technologie oder durch Besputtern oder durch ein Verfahren, das einen Ätzschritt aufweist, gebildet sind, weil das Aufbringen des Dielektrikums nur geringe oder überhaupt keine Auswirkung auf die Elektroden oder die Grenzfläche zwischen Widerstandselement und Elektrode hat. Die Elektroden weisen bevorzugt ein leitfähiges Polymer auf, beispielsweise in Form einer Druckfarbe, wobei der leitfähige Füllstoff aus einem Metall, bevorzugt Silber, oder einem Gemisch von Silber und Graphit besteht oder es enthält. Die Elektroden haben bevorzugt einen spezifischen Widerstand im Bereich von 2,5 x 10&supmin;&sup4; bis 1 x 10&supmin;³ Ohm.cm. Bevorzugt befindet sich zwischen den Elektroden und dem Widerstandselement eine Kontaktschicht, die einen spezifischen Widerstand zwischen den spezifischen Widerständen der Elektroden und des Widerstandselements hat, wie in der EP-Anmeldung Nr. 176 284 beschrieben ist. Die Elektroden sind bevorzugt auf derselben Oberfläche des Widerstandselements positioniert, so daß zwischen ihnen hindurchgeleiteter Strom im wesentlichen parallel zu der Oberfläche fließt, aber sie können auf beiden Oberflächen vorgesehen sein. Es ist besonders bevorzugt, daß die Elektroden doppelkammförmig ineinandergreifen, wie in der EP- Anmeldung Nr. 185 410 beschrieben ist.The invention is particularly useful when the electrodes are formed by printing, especially screen printing, a conductive ink onto the resistive element or by a similar process which results in somewhat fragile electrodes, e.g. electrodes formed by using polymer thick film technology or by sputtering or by a process comprising an etching step, because the application of the dielectric has little or no effect on the electrodes or the interface between resistive element and electrode. The electrodes preferably comprise a conductive polymer, for example in the form of a printing ink, the conductive filler consisting of or containing a metal, preferably silver, or a mixture of silver and graphite. The electrodes preferably have a resistivity in the range of 2.5 x 10⁻⁴ to 1 x 10⁻³ Ohm.cm. Preferably there is between the electrodes and the resistive element a contact layer having a resistivity between the resistivities of the electrodes and the resistive element, as described in EP application No. 176 284. The electrodes are preferably positioned on the same surface of the resistive element so that current passed between them flows substantially parallel to the surface, but they may be provided on both surfaces. It is particularly preferred that the electrodes interdigitate in a double comb manner, as described in EP application No. 185 410.

Wenn die Heizeinrichtung eine Masse-Ebene benötigt, wenn sie beispielsweise an einem gefährlichen Ort verwendet werden soll, weist sie bevorzugt ein metallisches Schichtelement auf, das als eine Masse-Ebene dient und das nicht direkt oder indirekt mit dem Widerstandselement oder den Isolationselementen der Heizeinrichtung verbunden ist.If the heating device requires a ground plane, for example if it is to be used in a hazardous location, it preferably comprises a metallic layer element which serves as a ground plane and which is not directly or indirectly connected to the resistance element or the insulation elements of the heating device.

Die neuen Heizeinrichtungen sind erheblich sicherer als identische Heizeinrichtungen ohne die dielektrische Schicht. So erhöht die dielektrische Schicht einerseits die Kraft, die benötigt wird, um eine Elektrode zu beschädigen, und vermindert andererseits die Gefahren, die aus einer Beschädigung der Elektroden resultieren. Ohne die dielektrische Schicht kann, wenn in einer der Elektroden eine Bruchstelle vorliegt, Lichtbogenbildung, Funkenbildung und anschließendes Brennen des Widerstandselements auftreten. Mit der dielektrischen Schicht kann zwar eine Bruchstelle an den Elektroden in einer Lichtbogenbildung über die Bruchstelle resultieren, das führt aber nicht zu Funkenbildung und anschließendem Brennen. Ohne die Erfindung in irgendeiner Weise einschränken zu wollen, wird angenommen, daß die Abwesenheit von Funkenbildung und Brennen darauf zurückzuführen sein kann, daß die dielektrische Schicht den Zugang von Sauerstoff zu der Bruchstelle in der Elektrode verhindert oder doch wenigstens minimiert, so daß Funkenbildung und Brennen nicht unterhalten werden können. Das Material der dielektrischen Schicht hat bevorzugt eine hohe Kriechstromfestigkeit, so daß diese dazu beiträgt, eine etwaige fortgesetzte Funkenbildung zu löschen. Auch verhindert die dielektrische Schicht, daß Wasser oder irgendein anderer Elektrolyt die Elektroden berührt und überbrückt, und vermeidet daher die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden und die Probleme der daraus resultierenden Funkenbildung und des Brennens des Widerstandselements. In dieser Beziehung ist die Erfindung besonders nützlich, wenn einander benachbarte Elektroden einen Abstand von weniger als 1" voneinander haben und leicht kurzgeschlossen werden können.The new heating devices are considerably safer than identical heating devices without the dielectric layer. Thus, on the one hand, the dielectric layer increases the force required to damage an electrode and, on the other hand, reduces the dangers resulting from damage to the electrodes. Without the dielectric layer, if there is a break in one of the electrodes, arcing, sparking and subsequent burning of the resistance element can occur. With the dielectric layer, a break in the electrodes can result in arcing across the break, but this does not lead to sparking and subsequent burning. Without wishing to limit the invention in any way, it is believed that the absence of sparking and burning can be attributed to the dielectric layer preventing or at least minimizing access of oxygen to the break in the electrode, so that sparking and burning cannot be sustained. The material of the dielectric layer preferably has a high tracking resistance so that it helps to extinguish any continued sparking. Also, the dielectric layer prevents water or any other electrolyte from contacting and bridging the electrodes and therefore avoids the danger of short circuits between the electrodes and the problems of resulting sparking and burning of the resistive element. In this respect, the invention is particularly useful when adjacent electrodes are spaced less than 1" apart and can easily be short-circuited.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigen die Figuren eine Heizeinrichtung, die ein Heizelement aufweist, das ein Schichtwiderstandselement 2 aus leitfähigem Polymer aufweist, auf dessen Oberfläche doppelkammförmig ineinandergreifende Elektroden 4 und 6 aufgedruckt sind. Eine dielektrische Schicht 8 liegt über den doppelkammförmig ineinandergreifenden Bereichen der Elektroden, verläuft aber nicht bis zu den Längsrandbereichen der Elektroden. Die dielektrische Schicht 8 weist ein Polysiloxan auf, das durch Aushärten eines flüssigen Zweikomponenten-Systems erhalten ist, das über das Element 2 und die Elektroden 4 und 6 aufgebracht und dann für 10 min auf 275 ºF erwärmt wird. Die dielektrische Schicht 8 ist mit dem darunterliegenden Element 2 und den Elektroden 4 und 6 innig verbunden. Sammelschienen 10 und 12, die aus Metallnetz bestehen, sind um nichtbedeckte Randbereiche des Elements 2 bzw. der Elektroden 4 und 6 herumgefaltet. Ein Isolationsmantel (nur in Fig. 1 gezeigt) ist um das Heizelement und Sammelschienen aus einem polymeren unteren Flächenkörper 14 und einem polymeren oberen Flächenkörper 16 herum gebildet. Der Flächenkörper 14 ist an der Unterseite des Heizelements 2 und an den Randbereichen des oberen Flächenkörpers durch eine im wesentlichen fortlaufende Klebstoffschicht 17 (wie gezeigt) oder durch Schmelzverbinden (nicht gezeigt) befestigt. Der obere Flächenkörper 16 ist den Sammelschienen 10 und 12, dem Dielektrikum, den Elektroden 4 und 6 oder dem Widerstandselement 2 benachbart, aber nicht daran befestigt. Auf der Oberseite des oberen Flächenkörpers befindet sich eine Metallfolie 18, z. B. Kupferfolie, die in ihrer Position durch einen äußeren polymeren isolierenden Flächenkörper 20 gehalten ist, dessen Randbereiche an den Randbereichen des Flächenkörpers 16 durch Klebstoffschichten 22 und 24 (wie gezeigt) oder durch Schmelzverbinden befestigt sind. Wie Fig. 2 zeigt, haben die Elektroden eine Breite t und eine Länge 1 und sind um einen Abstand d voneinander getrennt, die Sammelschienen haben eine Breite x, und die dielektrische Schicht hat eine Länge y parallel zu der Länge der Elektroden. Typische Werte für diese Variablen sind folgende:Referring to the drawings, the figures show a heating device comprising a heating element comprising a conductive polymer sheet resistive element 2 having double-combed interdigitated electrodes 4 and 6 printed on its surface. A dielectric layer 8 overlies the double-combed interdigitated regions of the electrodes but does not extend to the longitudinal edge regions of the electrodes. The dielectric layer 8 comprises a polysiloxane obtained by curing a two-component liquid system which is applied over the element 2 and the electrodes 4 and 6 and then heated to 275°F for 10 minutes. The dielectric layer 8 is intimately bonded to the underlying element 2 and the electrodes 4 and 6. Busbars 10 and 12, which are made of metal mesh, are folded around uncovered edge regions of the element 2 and the electrodes 4 and 6, respectively. An insulating jacket (shown only in Fig. 1) is formed around the heating element and bus bars from a polymeric lower sheet 14 and a polymeric upper sheet 16. The sheet 14 is attached to the underside of the heating element 2 and to the edge regions of the upper sheet by a substantially continuous adhesive layer 17 (as shown) or by fusion bonding (not shown). The upper sheet 16 is adjacent to, but not attached to, the bus bars 10 and 12, the dielectric, the electrodes 4 and 6, or the resistive element 2. On top of the upper sheet is a metal foil 18, e.g. copper foil, which is held in position by an outer polymeric insulating sheet 20, the edge portions of which are secured to the edge portions of the sheet 16 by adhesive layers 22 and 24 (as shown) or by fusion bonding. As shown in Fig. 2, the electrodes have a width t and a length 1 and are separated by a distance d, the busbars have a width x, and the dielectric layer has a length y parallel to the length of the electrodes. Typical values for these variables are as follows:

t 0,03-0,02"t0.03-0.02"

l 0,5-6,0"l0.5-6.0"

d 0,1-0,3"d0.1-0.3"

x 0,2-0,8"x 0.2-0.8"

y 1 + 1".y 1 + 1".

Die Erfindung wird weiterhin durch das folgende Beispiel verdeutlicht.The invention is further illustrated by the following example.

Example

Eine Heizeinrichtung, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wurde auf die folgende Weise hergestellt.A heater as shown in Figs. 1 and 2 was prepared in the following manner.

Die nachstehend aufgeführten Bestandteile wurden miteinander vermischt und bei 450 ºF als ein Flächenkörper mit einer Dicke von 0,0175" schmelzextrudiert. Bestandteil Gew. -% Polyvinylidenfluorid ("Kynar") Ruß (Vulcan XC72) Füllstoffe und weitere AdditiveThe ingredients listed below were mixed together and melt extruded at 450ºF as a sheet having a thickness of 0.0175" Component % by weight Polyvinylidene fluoride ("Kynar") Carbon black (Vulcan XC72) Fillers and other additives

Der Flächenkörper wurde auf eine Dosis von 14 Mrad (7 Mrad pro Seite) bestrahlt, wodurch das Polymer vernetzt wurde. Eine Elektrodenstruktur gemäß Fig. 2 wurde auf die Streifen aufgebracht durch Siebdrucken einer Schicht, die eine Graphit und Silber enthaltende Zusammensetzung aufwies und einen spezifischen Widerstand von 1,3 x 10&supmin;² Ohm.cm hatte, gefolgt von Trocknen. Der Abstand (d) zwischen benachbarten Elektroden war 0,25"; die Breite (t) jeder Elektrode war 0,0625", und die Länge (1) jeder Elektrode war 5,4". Dann wurde der Flächenkörper für 1 h auf 175 ºF erwärmt und zu Streifen einer Breite von 7,25" zerschnitten.The sheet was irradiated to a dose of 14 Mrad (7 Mrad per side) which cross-linked the polymer. An electrode structure as shown in Figure 2 was applied to the strips by screen printing a layer comprising a composition containing graphite and silver and having a resistivity of 1.3 x 10-2 ohm.cm, followed by drying. The distance (d) between adjacent electrodes was 0.25"; the width (t) of each electrode was 0.0625", and the length (l) of each electrode was 5.4". The sheet was then heated to 175°F for 1 hour and cut into strips 7.25" wide.

Eine Schicht einer Dicke von 8-10 mil einer härtbaren Zweikomponenten-Siliconflüssigkeit (Sylgard 577 von Dow Corning) wurde dann auf die Streifen aufgebracht, und die Streifen wurden für 5-10 min bei 275 ºF in einen Ofen verbracht , um das Silicon auszuhärten.An 8-10 mil layer of a two-part curable silicone fluid (Sylgard 577 from Dow Corning) was then applied to the strips and the strips were placed in an oven at 275ºF for 5-10 minutes to cure the silicone.

Sammelschienen von nickelbeschichtetem Kupfer-Streckmetall, die 1,5" breit waren, wurden um die Ränder des Elektroden tragenden Streifens herum gefaltet. Die resultierende Baugruppe wurde laminiert zwischen (A) einen unteren Flächenkörper von Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer ("Halar") mit einer Breite von 8,5" und einer Dicke von 0,020", der auf seiner gesamten Oberfläche mit einer 0,002" dicken Schicht eines Silicon-Klebstoffs beschichtet war, der von Adhesives Research Corporation unter dem Handelsnamen "Arclad" vertrieben wird, und (B) einen oberen Flächenkörper von Ethylen- Chlortrifluorethylen-Copolymer ("Halar") einer Breite von 8,5" und einer Dicke von 0,010", der auf 0,5" breiten Randbereichen seiner Unterseite mit einer 0,002" dicken Schicht des gleichen Klebstoffs beschichtet war. Somit wurden die dielektrische Schicht und die Oberfläche der Sammelschienen von dem Klebstoff nicht berührt. Die Laminierung wurde bei 125 ºF und 100 psi durchgeführt. Eine Kupferfolie mit einer Dicke von 0,002" und einer Breite von 7,25" wurde auf die freiliegende Oberfläche des oberen Flächenkörpers gelegt, und das Kupfer wurde mit einem äußeren Flächenkörper von Ethylen- Chlortrifluorethylen-Copolymer ("Halar") einer Breite von 8,5" und einer Dicke von 0,005" abgedeckt, der auf 015" breiten Randbereichen seiner Unterseite mit einer 0,002" dicken Schicht des gleichen Klebstoffs beschichtet war. Der äußere Flächenkörper wurde auf den oberen Flächenkörper (aber nicht auf die Kupferfolie) bei 125 ºF und 100 psi laminiert.Busbars of nickel-plated copper expanded metal, 1.5" wide, were folded around the edges of the electrode-bearing strip. The resulting assembly was laminated between (A) a lower sheet of ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer ("Halar"), 8.5" wide and 0.020" thick, coated on its entire surface with a 0.002" thick layer of a silicone adhesive sold by Adhesives Research Corporation under the trade name "Arclad," and (B) an upper sheet of ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer ("Halar"), 8.5" wide and 0.010" thick, coated on 0.5" wide edge regions of its bottom surface with a 0.002" thick layer of the same adhesive. Thus, the dielectric layer and the surface of the busbars were not touched by the adhesive. Lamination was carried out at 125 ºF and 100 psi. A copper foil 0.002" thick and 7.25" wide was placed on the exposed surface of the upper sheet, and the copper was covered with an outer sheet of ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer ("Halar") 8.5" wide and 0.005" thick, coated on 015" wide edge portions of its bottom surface with a 0.002" thick layer of the same adhesive. The outer sheet was laminated to the upper sheet (but not to the copper foil) at 125ºF and 100 psi.

Claims

1. Electric surface heating device comprising:

(1) a sheet resistance element (2) which (a) consists of a conductive polymer composition with PTC behavior and (b) has a first layer surface and a second layer surface;

(2) two or more double-comb-shaped intermeshing electrodes (4, 6) mounted on the first surface of the element (2) and positioned to leave a portion of said first surface exposed;

(3) a first insulating layer (8) which (a) is positioned over the electrodes (4, 6) and the exposed first surface of the resistive element (2) and directly contacts the electrodes (4, 6) and the exposed first surface of the resistive element (2) and (b) comprises an organic polymer composition applied in liquid form and having a tensile strength of less than 275.79 bar (4000 psi) at 23 ºC after curing; and

(4) a second insulation layer (16) positioned over the electrodes (4, 6), the resistance element (2) and the first insulation layer (8);

wherein a possible connection between the first (8) and the second (16) insulation layer is such that when the second insulation layer (16) is detached from the resistance element (2), the detachment strength of the connection between the first (8) and the second (16) insulation layer is lower than the detachment strength of the connection between the first insulation layer (8) and the electrodes (4, 6).

2. Heating device according to claim 1, wherein the second insulating layer is not connected to the first insulating layer.

3. A heater according to claim 1 or 2, wherein the first insulation layer has a thickness of 0.0508-0.0762 mm (0.002-0.003"), preferably 0.1016-0.508 mm (0.004-0.020"), and is made of a material having a tensile strength of less than 206.843 bar (3000 psi) at 23 ºC, preferably less than 137.895 bar (2000 psi) at 23 ºC.

4. A heater according to claim 3, wherein the first insulation layer has a thickness of 0.1524-0.3048 mm (0.006-0.012") and is made of a material having a tensile strength of less than 68.948 bar (1000 psi) at 23ºC.

5. Heating device according to one of the preceding claims, wherein the first insulation layer consists of a polysiloxane.

6. A heating device according to any preceding claim, wherein the electrodes are positioned on the same surface of the resistive element so that when current flows between them, a substantial part of the current is parallel to the surfaces of the resistive element.

7. Heating device according to claim 6, which has double comb-shaped intermeshing electrodes which are arranged on the same surface of a resistance element, and wherein the resistance element consists of a conductive polymer composition with PTC behavior.

8. A heating device according to claim 7, wherein the conductive polymer composition is melt extruded and has a resistivity of 0.5-100,000 Ω cm at 23 ºC.

9. A heating device according to any preceding claim, wherein the electrodes are manufactured by a process comprising printing a conductive ink onto the resistive element.