DE3839868C2 - Thermistorbauelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein organisches PTC- (positiver Temperaturkoeffizient) Thermistor-Bauelement und insbesondere die Halterung eines Thermistors in einem Gehäuse.

Zahlreiche PTC-Thermistoren sind bereits lange als Schutz­ elemente im Gebrauch, um Bauelemente von Schutzschaltkreisen vor Überstrom zu schützen. Unter diesen zahlreichen PTC- Thermistoren ist der organische PTC-Thermistor allgemein bekannt, der ein Thermistorelement aufweist, welches aus elektrisch leitfähigen Teilen, wie beispielsweise Ruß oder irgendeinem Metall besteht, die mit einem Kunstharz des Polyolefin-Systems, wie beispielsweise Polyethylen, vermischt sind.

Gemäß dem Stand der Technik ist das Thermistorelement in dem organischen PTC-Thermistor, wie in der Fig. 9 darge­ stellt, aufgenommen. Wie aus der Fig. 9 zu ersehen ist, ist das organische PTC-Thermistorelement allgemein mit 10 bezeichnet und hat beispielsweise die Form einer Scheibe, auf deren einander gegenüberliegenden Seiten die entsprechenden Metallfolien thermisch abgeschieden sind. Diese Metallfolien dienen als Elektroden und ha­ ben jeweils mittels Lot 13 befestigte Zuführungsdrähte 12. Die Baueinheit wird dann mit einer äußeren Beschichtung 14 aus Kunstharz versehen, wobei die äußeren Enden der Zu­ führungsdrähte 12 außerhalb der Beschichtung liegen, damit das Bauelement an äußere Schaltkreiselemente an­ geschlossen werden kann.

Bei dem bekannten PTC-Thermistor gemäß dem in der Fig. 9 gezeigten Aufbau wurde herausgefunden, daß Thermistor­ elemente 10 infolge eines Verlustes an Stabilität infolge von Hitzeeinwirkung während das Anschweißens der Zuführ­ drähte 12 an die Elektroden 11 und/oder der Erzeugung der äußeren Beschichtung 14 leicht zerstört werden.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ist durch die JP-GM 61-201 ein organisches Thermistorelement vorgeschlagen worden, das von thermischer Beeinflussung frei ist. Dieses Thermistorbauelement hat ein organi­ sches PTC-Thermistorelement, auf dessen einander gegen­ überliegenden Flächen Elektroden abgeschieden sind, die innerhalb eines Gehäuses mittels zweier Anschlußelemente gehalten ist, die das Element von den einander gegenüber­ liegenden Seiten her federnd klemmen und dabei die Elektro­ den elektrisch leitend kontaktieren.

Bei dem vorstehend beschriebenen PTC-Thermistor­ bauelement hat sich jedoch als Problem herausgestellt, daß, wenn das Thermistorelement infolge eines, während seines Betriebes in ihm induzierten Überstromes erwärmt wird, das Element, da es als Hauptbestandteil aus einem organischen Material besteht, so weich werden kann, daß die durch die Anschlußklemmen ausgeübten, auf die jeweili­ gen Kontaktflächen sich konzentrierenden Federkräfte eine Verformung des Elementes an zwei Stellen entsprechend der Kontaktstellen bewirken können, wobei die Verformungen jeweils aufeinander zu gerichtet sind. Im schlimmsten Fall kann es passieren, daß die Dicke des Thermistorelementes an der Klemmstelle zwischen den Anschlußklemmen reduziert wird, was zu einem Kurzschluß zwischen den beiden Elektro­ den führen kann.

Dieses vorstehend erörterte Problem kann vermieden werden, wenn die Federkräfte verringert werden, die von den An­ schlußklemmen auf das Element über die jeweiligen Elektro­ den ausgeübt werden, um das Element in seiner Position zu halten. Die Verringerung der Federkräfte kann jedoch be­ wirken, daß sich das Element unter dem Einfluß von Vibra­ tionen und/oder Stößen innerhalb des Gehäuses seit­ lich verschiebt, und außerdem kann der Kontaktwider­ stand erhöht werden, was mit einer Änderung der Be­ triebswerte verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Thermistorbauelement zu schaffen, das verbesserte Kontaktelemente aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Hauptanspruchs.

Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wirkt die erste Anschluß­ klemme federnd mit dem Teil der ersten Elektrodenschicht zusammen, der mit dem elektrodenlosen Bereich der zweiten Elektrodenschicht fluchtet, während die zweite Anschluß­ klemme federnd an dem Teil der zweiten Elektrodenschicht anliegt, der mit dem elektrodenlosen Bereich der ersten Elektrodenschicht fluchtet. Das federnde An­ liegen der ersten und zweiten Klemmelemente an den jeweils zugehörigen Teilen der ersten und zweiten Elektrodenschichten dient nicht nur zum elektrischen Anschließen der ersten und zweiten Klemmelemente an die zugehörigen Elektrodenschichten, sondern auch zum Halten des Thermistorelementes.

Wegen des einzigartigen Haltesystems gemäß der vorlie­ genden Erfindung wird selbst, wenn das Thermistorele­ ment infolge von Selbsterwärmung weich geworden ist, das Thermistorelement nicht wesentlich verformt, da die Federkräfte der Anschlußklemmen verteilt sind. Sollte das Thermistorelement verformt sein, wird kein Kurzschluß auftreten, da ein Teil der ersten und zweiten Flächen des Thermistorelementes gegenüber dem anderen Teil der ersten und zweiten Flächen, der mit der zugehörigen Anschlußklemme mittels der zugeordne­ ten Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden ist, elektrodenlos ist. Daher kann bei dem PTC-Thermi­ stor der vorliegenden Erfindung die Federkraft, die jede Anschlußklemme auf die zugehörige Oberfläche des Thermi­ storelements über die zugehörige Elektrodenschicht aus­ übt, ausreichend hoch gewählt werden, und somit wird das Thermistorelement sicher gehalten, ohne daß diese Halterung durch äußere Schwingungen und/oder Stöße be­ einträchtigt werden kann. Der Kontaktwiderstand zwischen jeder Anschlußklemme und der zugehörigen Elektroden­ schicht kann ebenfalls stabilisiert werden.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein organisches PTC-Thermistor-Bauelement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, in einer Seitenansicht, wobei ein Deckel entfernt ist;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ein organisches PTC-Thermistor-Bauelement, welches in der Einrichtung gemäß Fig. 1 verwendet wird, in perspektivischer Darstellung;

Fig. 4 das Element gemäß einer anderen bevorzugten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung in einer Sei­ tenansicht;

Fig. 5 das Element gemäß Fig. 4 in der Draufsicht;

Fig. 6 das Element gemäß einer weiteren bevorzug­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ansicht gemäß Fig. 4;

Fig. 7 und 8 das Element gemäß Fig. 6 in der An­ sicht von oben und von unten zur Erläuterung der einander gegenüberliegenden Seiten des Elementes; und

Fig. 9 ein organischer PTC-Thermistor im Längs­ schnitt gemäß dem Stand der Technik.

Anzumerken ist, daß in den Figuren mit Ausnahme der Fig. 9 gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern be­ zeichnet sind.

Wie aus den Fig. 1-3 zu ersehen ist, besteht ein organisches PTC-Thermistor-Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem organischen PTC- Thermistorelement 1 mit irgendeinem bekannten Auf­ bau, das aus elektrischen leitfähigen Teilchen,wie beispielsweise Ruß oder irgendeinem Metall, vermischt mit Kunstharz des Polyolefin-Systems, wie beispiels­ weise Polyethylen, vermischt ist, hergestellt ist. Wie dargestellt, hat das organische PTC-Thermistor­ element 1 im allgemeinen die Form einer rechtecki­ gen Platte und einander gegenüberliegende erste und zweite Flächen, die jeweils mit ersten und zweiten Flächen, die jeweils mit ersten und zweiten Elektro­ denschichten 2 und 3 versehen sind. Diese ersten und zweiten Elektrodenschichten 2 und 3 können durch thermi­ sches Aufbringen der elektrisch leitfähigen Folien oder Bedrucken mit elektrisch leitfähiger Farbe jeweils auf die ersten und zweiten Flächen des Thermistorelementes 1 aufgebracht sein. Jede der ersten und zweiten Elektro­ denschichten 2 und 3 hat einen elektrodenlosen oder aus­ gesparten Bereich 2a oder 3a, der einen entsprechenden Bereich der zugehörigen Oberfläche des Thermistorele­ mentes 1 ermöglicht, welcher durch kein Elektrodenma­ terial beschichtet ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform haben die ersten und zweiten Elektrodenschichten 2 und 3 jeweils elektro­ denlose Bereiche 2a und 3a, die so angeordnet sind, daß die nicht beschichteten Teile der ersten und zweiten Oberflächen des Thermistorelementes 1 in einer Rich­ tung parallel zur Längsrichtung des Thermistorelementes 1 zueinander versetzt sind.

Das Thermistorbauelement hat außerdem erste und zwei­ te Anschlußklemmen 5 und 6, die jeweils eine nach innen gebogene federnde Zunge 5a oder 6a aufweisen und die entlang der entsprechenden Innenwand eines Gehäuses 7 befestigt sind, wobei die elastischen Zungen 5a und 6a das Thermistorelement 1 über die benachbarten Elektro­ denschichten 2 und 3 von einander entgegengesetzten Richtungen ausgehend, federnd halten und das Thermi­ storelement 1 in einer mittleren Position innerhalb des Gehäuses 7 halten. Die Anschlußklemmen 5 und 6 sind so im Gehäuse 7 aufgenommen und positioniert, daß die federnde Zunge 5a der Anschlußklemme 5 mit einem Teil der ersten Elektrodenschicht 2 auf der ersten Ober­ fläche des Thermistorelements 1 in Berührung steht, der mit dem elektrodenlosen Teil der zweiten Oberflä­ che des Thermistorelementes 1 fluchtet, während die federnde Zunge 6a der Anschlußklemme 6 mit einem Teil der zweiten Elektrodenschicht 3 auf der zweiten Ober­ fläche des Thermistorelementes 1 in Berührung steht, der mit dem elektrodenlosen Teil der ersten Oberflä­ che des Thermistorelements 1 fluchtet.

Gleichzeitig mit dem Positionieren des Thermistorelements 1 innerhalb des Gehäuses 7 werden die jeweiligen un­ beschichteten Teile der ersten und zweiten Oberflächen des Thermistorelementes 1 mit zugeordneten Vorsprün­ gen 7a und 7b in Eingriff gebracht, die einstückig am Gehäuse angeformt sind und nach innen vorstehen, wodurch die Federkräfte, die von den federnden Zungen 5a und 6a auf das Thermistorelement 1 ausgeübt werden, jeweils von den Vorsprüngen 7b und 7a aufgenommen wer­ den können, um das Thermistorelement 1 in seiner Posi­ tion innerhalb des Gehäuses 7 festzulegen.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einiger Beispiele erläutert, die jedoch nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung begrenzen sollen.

Auf die ersten und zweiten Oberflächen des organi­ schen PTC-Thermistorelements 1 wurden Nickelfolien aufgebracht und die Baueinheit wurde daraufhin mit 120 kg/cm² für 10 Minuten bei 190°C zusammengepreßt, um die ersten und zweiten Elektrodenschichten 2 und 3 zu erzeugen. Das organische PTC-Thermistorelement 1 wurde dann in einige Formchips mit 15 mm Länge, 10 mm Breite und 1,0 mm Dicke geschnitten, und dann wurden die Teile der ersten und zweiten Elektro­ denschichten 2 und 3 entfernt, um die elektroden­ losen Bereiche 2a und 3a zu erzeugen.

Um vergleichen zu können, wurden auf die gleiche Art und Weise, wie vorstehend beschrieben, Chips herge­ stellt, die jedoch keine teilweise entfernten ersten und zweiten Elektrodenschichten 2 und 3 aufwiesen, d. h., bei denen die ersten und zweiten Elektroden­ schichten vollständig die ersten und zweiten Flächen des Thermistorelementes bedeckten.

Beide Musterchips gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß dem Vergleichschip wurden federnd zwischen die zu­ gehörigen federnden Zungen innerhalb der jeweiligen Ge­ häuse eingebracht.

Versuch I

Wenn die von jeder federnden Zunge auf das Thermistor­ element ausgeübte Federkraft 500 g betrug und wenn zwi­ schen den Anschlußklemmen eine Gleichstromspannung von 30 V angelegt wurde, ergab die Untersuchung des Thermi­ storelements gemäß der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und gemäß dem Vergleichs­ musterchip, daß bei dem Thermistorelement gemäß der dargestellten Ausführungsform keine Veränderung fest­ gestellt werden konnte, während bei dem Thermistor­ element gemäß dem Vergleichschip eine Verringerung der Dicke des Teils des Thermistorelementes, an dem die jeweiligen federnden Zungen federnd angelegen ha­ ben, festgestellt werden, was zu einer Verringerung des Abstandes zwischen der ersten und zweiten Elek­ trodenschicht führte. Bei dem Bauelement gemäß dem Stand der Technik, neigen die Federkräfte dazu, extrem auf die Anschlußklemmen zentriert zu sein, da die Stellen, an denen die federnden Zungen am Thermi­ storelement anliegen, einander gegenüberliegend und zueinander fluchtend sind, so daß das Thermistor­ element leicht verformt werden kann. Auf der anderen Seite sind bei der Einrichtung gemäß der dargestellten Ausführungsform die Angriffspunkte, an denen die federn­ den Zungen das Thermistorelement berühren, zueinander versetzt, so daß die Federkräfte verteilt werden, und das Thermistorelement ist somit weniger anfällig für Verformung.

Bei fortlaufenden Anlegen einer Gleichstromspannung von 30V an die Musterchips gemäß der dargestellten Ausführungs­ form gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß des Ver­ gleichsmusters wurde beobachtet, daß die Elektroden der Muster gemäß des Vergleichsmusterchips nach 200 Stunden Stromdurchgang kurzgeschlossen und ausgebrannt waren, während bei den Mustern gemäß der dargestellten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung keine Änderung festge­ stellt werden konnte. Wie klar zu ersehen ist, findet bei dem Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in der Ausführungsform dargestellt, selbst wenn das Thermistorelement an den Teilen wo die federnden Zungen angreifen, verformt wird, kein Kurzschluß statt, da ein Teil des Thermistorelementes gegenüber dem Teil, an dem die zugehörige federnde Zunge anliegt, der elektroden­ lose oder ausgesparte Bereich der zugehörigen Elektroden­ schicht ist.

Versuch II

Wie vorstehend erläutert ist die Vergleichseinrichtung so, daß wenn die von jeder Anschlußklemme ausgeübte Feder­ kraft erhöht wird, das Thermistorelement für Verformung empfindlich. Daher wurde wie im folgenden in einer Tabelle ausgeführt ein Fallversuch durchgeführt, wobei die Feder­ kraft für beide Versuchsmuster 1 und 2 verringert wurde, um jegliche mögliche Änderung des Widerstandes zu ermitteln. Während des Falltestes wurden zwei Muster für jedes Ver­ gleichsbeispiel 1 und 2 aus einer Höhe von 0,75 m auf eine Holzplatte von 30×30 cm Seitenlänge und aus Ahornholz, fallen gelassen.

Wie aus der vorstehenden Tabelle zu ersehen ist, zeigen die beiden Proben jedes Vergleichsmusters 1 und 2 eine beträchtliche Änderung ihres Widerstandes vor und nach dem Falltest. Dies erläutert die Tatsache, daß das Thermi­ storelement sich seitlich verschoben hat und dabei sich auch der Kontaktwiderstand verändert hat, weil die aus­ reichende Federkraft das Thermistorelement nicht sicher in seiner Position gehalten hat. Im Gegensatz hierzu kann gesagt werden, daß die beiden Proben gemäß der darge­ stellten Ausführungsform nur eine geringe Änderung ihres Widerstandes vor und nach dem Fallversuch aufweisen und demgemäß das Thermistorbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung einen ausgezeichneten Widerstand gegen Schwingungen und Stöße aufweist.

Bei der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform hat das Thermistorelement 1 die Form einer Scheibe mit zwei einander gegenüberliegenden Vorsprüngen 1a und 1b, die radial und nach außen in voneinander abgewandten Richtungen vorstehen. Die erste Elektrodenschicht 2 ist auf der er­ sten Oberfläche des Thermistorelementes 1 einschließlich der fortgesetzten Oberfläche eines der radialen Vorsprünge beispielsweise des Vorsprunges 1b aufgebracht, während die zweite Elektrodenschicht 3 auf der zweiten Oberfläche des Thermistorelementes 1 einschließlich einer übergehenden Oberfläche des anderen der radialen Vorsprünge, d. h. des Vorsprunges 1a, aufgebracht ist. Die erste Elektroden­ schicht 2 hat einen elektrodenlosen oder ausgesparten Be­ reich 2a an einer Steile entsprechend dem Vorsprung 1a, während die zweite Elektrodenschicht 2 einen elektroden­ losen oder ausgesparten Bereich 3a aufweist, der an einer Stelle entsprechend des Vorsprunges 1b liegt. Wenn das Thermistorelement mit dem Aufbau gemäß der Ausführungs­ form der Fig. 4 und 5 innerhalb des Gehäuses montiert und gehalten wird, werden die von den federnden Zungen 5a und 6a (siehe Fig. 1 und 2) ausgeübten Federkräfte auf einen Teil der ersten Elektrodenschicht 2, der über dem Vorsprung 1b liegt und auf einen Teil der zweiten Elektrodenschicht 3, der über dem Vorsprung 1a liegt, ausgeübt, wie dies durch die Pfeile A und B jeweils in der Fig. 4 dargestellt ist.

Das in den Fig. 6 bis 8 gezeigte Thermistorelement 1 ge­ mäß einer anderen Ausführungsform hat eine ähnliche Form wie das in den Fig. 4 und 5 gezeigte Element, mit Aus­ nahme, daß keine radialen Vorsprünge vorgesehen sind. Das hierbei gezeigte kreisförmige Thermistorelement 1 hat eine erste Elektrodenschicht 2, die kreisförmig ist und einen kleineren Durchmesser als das Thermistorelement 1 hat, so daß ein elektrodenloser oder ausgesparter Bereich 2a entsprechend eines Umfangsbereiches des Thermistorele­ mentes 1 vorgesehen ist (siehe Fig. 7). Die zweite Ober­ fläche des Thermistorelementes 2 ist mit einer zweiten Elektrodenschicht 3 die im wesentlichen ringförmig ist, versehen, deren Außendurchmesser gleich dem Durchmesser des Thermistorelementes 1 ist, und die einen mittleren ausgesparten Teil hat, um einen elektrodenlosen Bereich 3a zu erzeugen (siehe Fig. 8). Wenn das Thermistorelement gemäß des Aufbaus wie in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, innerhalb des Gehäuses montiert und gehalten wird, werden die Federkräfte, die durch die federnden Zungen 5a und 6a (siehe Fig. 1 und 2) ausgeübt werden, an den jeweils durch die Pfeile C und D angegebenen Bereichen wirken (siehe Fig. 7 und 8).

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß die vorliegenden Erfindung wirksam ein organisches PTC- Thermistor-Bauelement schafft, die vorteilhafterweise nicht nur gegen Schwingungen und Stöße einen Widerstand aufweist, sondern auch gegen jeglichen möglichen Wärme­ einfluß widerstandsfähig ist, der während dem Löten des Thermistorbauelements an externen Schaltkreiselementen auf­ treten kann. Zusätzlich kann jede mögliche Zerstörung des Thermistorelementes, die beim Beschichten mit der äußeren Umschichtung stattfinden kann, beseitigt werden. Es ist weiterhin zu ersehen, daß keine wesentliche Möglichkeit besteht, daß der Abstand zwischen den Elektrodenschichten soweit reduziert wird, daß zwischen diesen ein Kurzschluß die Folge ist, da die Stellen, an denen die Anschlußklemmen an dem Thermistorelement anliegen, um dieses in seiner Position zu halten, zueinander versetzt angeordnet sind. Dieser Vorteil macht es möglich, Anschlußklemmen zu ver­ wenden, die eine erhöhte Federkraft ausüben, die erforder­ lich ist, damit das Thermistorelement unempfindlich gegen Schwingungen und/oder Stöße ist.

Claims (3)

1. Thermistorbauelement bestehend aus einem organischen PTC- Thermistorelement, auf dessen gegenüberliegenden Flächen ganz­ flächig Elektroden aufgebraucht sind, welches durch federnde Anschlußelemente kontaktiert und in einem Gehäuse gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ denschichten (2, 3) jeweils elektrodenlose Bereiche (2a, 3a) aufweisen, die bezüglich ihrer Position zueinander versetzt sind; und daß die federnden Anschlußelemente (5, 6) jeweils an einem Teil der ersten Elektrodenschicht (2) gegenüber dem elektrodenlosen Teil (3a) der zweiten Elektrodenschicht (3) und an einem Teil der zweiten Elektrodenschicht (3) gegenüber dem elektrodenlosen Teil (2a) der ersten Elektrodenschicht (2) fluchtend anliegen.

2. Thermistorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Thermistorelement (1) rechteckig ist, wobei der elektrodenlose Bereich (2a) der ersten Elektrodenschicht (2) an einem Ende des Thermistorele­ mentes liegt und der elektrodenlose Bereich (3a) der zweiten Elektrodenschicht (3) am gegenüberliegenden Ende des Thermistorelementes liegt.

3. Thermistorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Thermistorelement (1) kreis­ förmig ist und der elektrodenlose Bereich (2a) der ersten Elektrodenschicht (2) entlang dem Umfang des Thermistor­ elementes (1) und der elektrodenlose Bereich (3a) der zweiten Elektrodenschicht (3) in der Mitte des Thermistor­ elementes (1) ausgebildet ist.