ITVI940004A1 - Composto resistivo termosensibile, suo metodo di realizzazione ed uso - Google Patents

Description

D ESCR I ZION E

La presente invenzione ha per oggetto un composto resistivo termosensibile, nonché un suo metodo di realizzazione ed uso, in particolare per la costruzione di dispositivi elettrici aventi la proprietà di aumentare la loro resistenza interna con l'aumentare della temperatura, comunemente denominati PTC (positive temperature coefficient).

Un esempio tipico di applicazione dei PTC è quello dei relè di protezione contro le sovracorrenti nei circuiti elettrici. Tali dispositivi, in caso di corto circuito, limitano la corrente ad un valore predeterminato a causa dell'innalzamento repentino di resistenza ed invece ripristinano il flusso normale quando il corto è eliminato. Questi noti dispositivi sono costituiti da un materiale elettroconduttore ed eventualmente da un materiale termoconduttore, miscelati tra loro ed immersi in una matrice

allo stato plastico o semisolido, il composto essend quindi stratificato ed energicamente compresso tra coppie di elettrodi piani collegati ai terminali di un circuito. Per temperature di lavoro basse o normali, ad esempio fino a circa 80°C, la resistenza di tali dispositivi è estremamente bassa, ad esempio di pochi centesimi di Ω, ed aumenta bruscamente fino a valori di alcune decine centinaia di Ω oltre tali temperature.

I dispositivi PTC trovano anche impiego come riscaldatori per liquidi o solidi, ovvero come sensori di temperatura .

Una possibile applicazione dei riscaldatori PTC potrebbe essere costituita dagli specchietti retrovisori esterni elettroriscaldati per autoveicoli, che servono ad evitare la formazione di condensa o di ghiaccio sulle superfici riflettenti fredde. I tradizionali dispositivi riscaldatori per specchietti non sono basati sull’effetto PTC ma sono generalmente costituiti da un foglio di materiale resistivo deposto su uno strato isolante ed aderente alla superficie da riscaldare, il quale viene inciso mediante attacco acido (etched foil) in modo da formare percorsi elettrici di geometria e lunghezza predeterminata distribuiti sul supporto. Un primo inconveniente di tali riscaldatori tradizionali è costituito dalla natura fortemente inquinante del procedimento di attacco acido determinata dallo smaltimento delle sostanze utilizzate nell'incisione dello strato metallico. Un secondo inconveniente di tali dispositivi è costituito dalla loro bassa potenza che tuttavia è sufficiente per gli scopi prefissati. Infine, poiché non utilizzano l'effetto PTC, questi dispositivi necessitano di regolatori termostatici inseriti nel circuito di alimentazione elettrica.

Sono noti alcuni riscaldatori che sfruttano l'effetto PTC i quali sono formati da uno speciale inchiostro elettroconduttore deposto su un supporto isolante mediante tecniche di stampaggio o serigrafia in modo da realizzare un percorso elettrico di disegno predeterminato. L'inchiostro è generalmente costituito da una soluzione di materiali elettroconduttori dispersi in un liquido. Una caratteristica di questa classe di dispositivi è costituita dal fatto che, alle normali temperature di lavoro, essi presentano valori di resistenza relativamente bassi i quali consentono un'alimentazione con correnti a tensione compresa tra 12 e 24 V e potenze relativamente basse, ad esempio inferiori a 10W. Inoltre, essi presentano un rapporto tra la resistenza a temperatura bassa o normale e quella a temperatura alta, cioè oltre 110°C, inferiore a 3, il che può costituire una notevole limitazione in alcuni settori tecnologici.

Un impiego relativamente recente del dispositivi PTC è costituito dai riscaldatori per acquari o per vivai oppure per bagni fotografici. In questi casi è necessaria una potenza relativamente elevata, dell'ordine dei 100-200 W per temperature di esercizio dell'ordine di 27°c. Inoltre deve esser garantita una notevole costanza della temperatura di esercizio per ragioni biologiche o chimiche. In caso accidentale, ad esempio per diminuzione del livello del liquido e funzionamento del riscaldatore in aria, è auspicabile che la potenza dissipata scenda a valori intorno a 15-2ow a cui corrispondono temperature dell'ordine dei 110-120°C per evitare un surriscaldamento eccessivo, e quindi un danneggiamento irreversibile del dispositivo.

A causa delle caratteristiche inquinanti del processo "etched foil", questo metodo di realizzazione di elettroriscaldatori è stato scartato a ' favore dell'uso di inchiostri elettroconduttori con comportamento PTC, anche perchè rende necessario l'impiego di ulteriori dispositivi per il controllo della temperatura.

Tuttavia, allo stato attuale non sono noti inchiostri PTC con valori di resistenza tali da consentire, alle temperature di esercizio basse o normali, un'alimentazione con tensioni superiori a 24V, ad esempio alla tensione di rete di circa 220V, e con potenze di esercizio dell'ordine di 100-200W. Non sono nemmeno noti inchiostri PTC che consentano di ottenere, alle temperature elevate, cioè superiori a 110°C, valori della resistenza di picco compresi tra 5 e 10 volte quelli a temperatura normale, per limitare bruscamente la potenza e corrispondentemente la temperatura del dispositivo ad alta temperatura.

Il presente trovato si prefigge di superare gli inconvenienti tipici del passato realizzando un composto resistivo termosensibile con resistenza a bassa temperatura relativamente elevata tale da consentire l'alimentazione a temperatura ambiente con tensioni superiori a 24V, ad esempio con la normale corrente domestica di 220 V.

Nell'ambito dello scopo principale sopra indicato, un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un inchiostro PTC avente una resistenza variabile in funzione della temperatura con un rapporto tra le resistenze ad alta temperatura e bassa maggiori di quelle del passato, ad esempio compreso tra 3 e 10 ed oltre per temperature oltre i 110°C.

Un altro scopo è quello di realizzare un inchiostro PTC la cui resistenza elettrica possa essere variata agendo sulla composizione dello stesso.

Un altro scopo ancora è quello di realizzare un inchiostro PTC che presenti, una volta indurito, caratteristiche di elasticità che lo rendono atto ad essere stampato o serigrafato su supporti flessibili o deformabili senza causare danneggiamenti dei percorsi elettrici conduttivi.

Un ulteriore scopo è quello di utilizzare un composto resistivo termosensibile in accordo con il trovato per realizzare un dispositivo PTC ecologico ed affidabile, che risulti particolarmente adatto per il riscaldamento a temperatura sostanzialmente costante di liquidi e solidi.

Questi ed altri scopi che verranno meglio chiariti nel seguito sono raggiunti da un composto resistivo termosensibile, secondo gli insegnamenti della rivendicazione principale 1.

Nelle rivendicazioni dipendenti dalla 2 alla 8 vengono descritte forme di realizzazione preferite del composto.

Gli scopi prefissati vengono inoltre raggiunti da un metodo per la realizzazione di un dispositivo con coefficiente di resistenza positivo o PTC in accordo con gli insegnamenti della rivendicazione 9.

Le rivendicazioni dipendenti dalla 10 alla 14 descrivono forme di esecuzione del metodo di cui alla rivendicazione 9.

Infine, gli scopi del trovato vengono raggiunti da un dispositivo con coefficiente di resistenza positivo o PTC in accordo con la rivendicazione 15.

Con un composto resistivo secondo il trovato è possibile stampare o serigrafare un percorso elettroconduttore resistivo realizzando dispositivi PTC capaci di generare calore con potenze specifiche di almeno 0,5 w/cm<2 >usando l'alimentazione di rete di circa 220V.

Un dispositivo secondo il trovato può essere usato per riscaldare un mezzo liquido o solido a completa immersione o contatto con il mezzo da saldare, ed in caso di brusca variazione dell'assorbimento termico da parte del mezzo, ad esempio in caso di diminuzione del livello del liquido in un acquario, la temperatura del percorso resistivo si innalza localmente aumentando corrispondentemente la sua resistenza che autolimita il passaggio di corrente nella zona emersa.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più facilmente compresi alla luce della descrizione che segue fornita a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio degli allegati disegni in cui:

la FIGURA 1 rappresenta un disegno schematico di un dispositivo riscaldatore PTC secondo il trovato; la FIGURA 2 rappresenta un diagramma che mostra la variazione della resistenza del dispositivo della Fig. 1 in funzione della temperatura rilevata sullo stesso;

la FIGURA 3 illustra l'andamento della potenza assorbita dal dispositivo della Fig. 1 immerso in acqua ed estratto dal bagno.

Con riferimento alle figure citate, un dispositivo riscaldante PTC, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, è generalmente formato da un supporto isolante 2 sul quale è disegnato un percorso elettrico 3 con terminali 4 collegabili ad una linea elettrica esterna.

Preferibilmente il supporto 2 è costituito da un foglio o lamina di materiale plastico, ad esempio poliestere, Kevlar o Kapton (Trade Mark), in modo da risultare deformabile per essere inserito ad esempio, all'interno di un involucro tubolare di materiale termoconduttore a contatto con la sua parete interna.

Il percorso elettrico 3 del dispositivo PTC è più propriamente formato da una serie di strisce 5 di un composto resistivo termosensibile, che verrà descritto più dettagliatamente nel seguito, le quali potranno essere disegnate sul supporto 2 mediante deposizione con pennello, stampaggio o serigrafia con appositi telai.

Le strisce 5 sono disposte a pettine tra piste conduttrici 6 formanti elettrodi e collegate a loro volta a terminali 4. Anche le piste conduttrici 6 potranno essere realizzate mediante tecniche di deposizione, stampaggio o serigrafia di un inchiostro conduttore di tipo noto, ad esempio a base di argento o di un altro metallo conduttore allo stato puro o di lega.

Il composto o inchiostro resistivo usato per disegnare le strisce 5 è essenzialmente costituito da una miscela di particelle solide di almeno un materiale elettroconduttore, che chiameremo per comodità A, e di almeno una resina sintetica, che chiameremo per comodità B, dispersa in un solvente appropriato, che chiameremo per comodità C.

Il materiale elettroconduttore A è preferibilmente costituito da carbonio allo stato di carbone in polvere, del tipo normalmente noto come carbon black ed ottenuto mediante procedimento di cottura in forno (furnace process), ovvero di carbone in fibre, oppure di grafite in polvere o lamellare. Il carbonio potrà essere allo stato puro o combinato con altri materiali elettroconduttori quali il nichel, l'argento, l'oro, il platino, il rame, lo stagno, il ferro, l'alluminio, il tungsteno ed altri aventi resistività elettrica inferiore a 0,1 μΩm, ridotti in forma di polveri con granulometria ad esempio compresa tra Ο,1μm e 100 μm..

Tali metalli potranno essere allo stato puro o di leghe o miscelati in proporzioni diverse a seconda della resistività desiderata. In alternativa, potranno essere presenti aggiunte di ossidi o composti metallici quali ad esempio TiO e T1B2-Il materiale elettroconduttivo A potrà costituire tra il 5 ed il 70 % del peso totale del composto anidro. Usando percentuali inferiori, prossime al limite inferiore, si otterranno composti con elevate resistenze specifiche a temperatura ambiente, comprese ad esempio tra 300 e 500 ΚΩ/quadrato. I composti così ottenuti risulteranno più adatti per dispositivi PTC ad elevato assorbimento e con notevole numero di strisce resistive in parallelo, per abbassare la resistenza totale. Usando percentuali di miscela conduttrice prossime al limite superiore si otterranno composti con resistività relativamente bassa, ad esempio a partire da 5 ΚΩ/quadrato a temperatura ambiente, che consente la realizzazione di dispositivi PTC con un minor numero di strisce resistive in parallelo e di minore potenza.

La resina sintetica B può essere costituita da un polimero appartenente preferibilmente alla classe degli acetati o delle fluoroplastiche. Altri classi di polimeri utilizzabili potranno essere costituite dalle poliolefine, dai metacrilati o dagli esteri di cellulosa, o dall'unione di almeno due dei polimeri sopra indicati. Le resine allo stato solido potranno essere finemente triturate con granulometria compresa ad esempio tra 20 e 200 /un e quindi mescolate alla polvere di materiale conduttivo.

La miscela di materiale A e di resina B potrà essere dispersa in un solvente C scelto tra gli idrocarburi clorurati, gli esteri, gli eteri, gli esteri-eteri o in una miscela degli stessi. La percentuale in peso del solvente C rispetto a quello totale del composto può essere compresa tra il 30% e 1*80% e dipende dalla natura del solvente, da quella delle resine, del materiale elettroconduttore e inoltre dalla tecnica di deposizione usata, ad esempio dal tipo di telaio impiegato per la serigrafatura.

Una volta preparato il composto, questo viene omogeneizzato ed applicato per deposizione, stampaggio o serigrafia al supporto laminare 2 di materiale dielettrico, creando i percorsi resistivi 3 tra le piste conduttrici.

Dopodiché, il supporto stampato o serigrafato sarà sottoposto a uno o più cicli di cottura a temperatura superiore a 110°C con tempi sufficienti ad ottenere la completa evaporazione del solvente e la parziale o totale adesione della resina al supporto, realizzando un percorso resistivo perfettamente ancorato al supporto, di composizione sostanzialmente uniforme, con spessore medio compreso tra 5 e 40 um e con caratteristiche di grande flessibilità grazie alla presenza della matrice polimerica della resina.

Il diagramma della Fig. 2 è stato ottenuto rilevando la resistenza di un dispositivo del tipo sopra descritto e mostra che la resistenza di un tipico dispositivo secondo il trovato cresce percentualmente rispetto alla resistenza a temperatura ambiente di 27°C con l'aumentare della temperatura. In particolare, si osserva che l'incremento relativo della resistenza rispetto a quella a temperatura ambiente, espresso dal rapporto (R-R0)/R0, aumenta con legge approssimativamente lineare fino a circa 70

tale temperatura essa è approssimativamente superiore del 50% di quella a temperatura ambiente. Per temperature maggiori di circa 70°C il rapporto AR/RO aumenta con legge sostanzialmente esponenziale. Inoltre, per temperature superiori a circa 110°C tale incremento relativo è almeno pari a 3, mentre oltre 115°C è almeno pari a 5. In corrispondenza di 125°C il rapporto è compreso tra 8 e 13 e può variare anche notevolmente a seconda della natura del composto.

Nel diagramma della Fig. 3 è illustrato il comportamento di un dispositivo PTC dal momento iniziale in cui è immerso in acqua e viene istantaneamente estratto dall'acqua e lasciato libero in aria. In ordinata è rappresentata la potenza assorbita in Watt (W) ed in ascissa i tempi in secondi (s). Si osserva che la potenza iniziale a regime è di circa 42 W, e decade dopo circa 50s a circa il 40% del valore iniziale ed in circa 100s a circa 1/4 del valore iniziale.

Benché il composto ed il dispositivo con esso ottenuto siano stati descritti in alcune forme preferite, è evidente che potranno essere soggetti a modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate che si intendono tutte ugualmente protette. In particolare, in luogo dei materiali conduttori, dei polimeri e dei solventi elencati nella descrizione, ne potranno essere usati altri tecnicamente equivalenti purché conferiscano lo stesso effetto ed abbiano lo stesso comportamento da un punto di vista chimico-fisico.

Claims (17)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Composto resistivo termosensibile, particolarmente applicabile a dispositivi PTC, caratterizzato dal fatto di comprendere una soluzione formata da una miscela di particelle di almeno un materiale elettroconduttore (A) allo stato solido e di almeno una resina sintetica (B) allo stato solido, detta miscela essendo dispersa in almeno un solvente liquido (C), in cui la percentuale in peso di detto materiale elettroconduttore (A) rispetto al peso totale del composto anidro è compresa tra il 5% ed il 70%, ed in cui la resistenza di detto composto, dopo cottura in forno e completa evaporazione del solvente, cresce all'aumentare della temperatura con legge sostanzialmente lineare per temperature approssimativamente inferiori o uguali a 70°C, e con legge sostanzialmente esponenziale per temperature approssimativamente superiori a 70°C.
2. 2. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'incremento relativo della resistenza del composto sottoposto a cottura rispetto alla resistenza a temperatura ambiente è pari ad almeno 3 per temperature maggiori di 110°C, e pari ad almeno 5 per temperature superiori a 115 °C.
3. 3. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il valore di resistenza del composto a temperatura ambiente, dopo cottura, è pari ad almeno 5 ΚΩ/quadrato.
4. 4. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale elettroconduttore (A) comprende carbonio in forma di polvere di carbone del tipo carbon black o fibre di carbone .
5. 5. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale elettroconduttore include una polvere di uno o più metalli allo stato puro, di una lega o di un ossido metallico ovvero di una miscela degli stessi.
6. 6. Composto secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti metalli sono scelti tra il nickel, l'argento, l'oro, il platino, il rame, lo stagno, il ferro, l'alluminio, il titanio, il tungsteno.
7. 7. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta resina sintetica (B) è scelta tra gli acetati, le fluoroplastiche, le poliolefine, i metacrilati e gli esteri di cellulosa.
8. 8. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto solvente (C) è scelto tra gli idrocarburi clorurati, gli esteri, gli eteri, gli esteri-eteri.
9. 9. Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la percentuale in peso di detto solvente (C) è compresa tra il 30% ed l'80% del peso totale del composto per conferire alla soluzione una fluidità atta alla serigrafia o alla stampa, in funzione della natura e percentuale in peso dei componenti solidi (A, B).
10. 10. Metodo per la realizzazione di un dispositivo con coefficiente di resistenza positivo o PTC, comprendente un supporto laminare flessibile o rigido di materiale isolante sul quale sono deposte strisce di un composto resistivo in accordo con una o più delle rivendicazioni precedenti, secondo un percorso atto a collegare piste conduttrici formanti elettrodi, caratterizzato dal fatto che detto composto è stampato o serigrafato a freddo allo stato di soluzione ed è sottoposto ad una o più cotture ripetute a temperatura pari ad almeno 110°C per un tempo ed un numero di volte sufficienti ad ottenere la completa evaporazione di detto solvente e l'adesione almeno parziale di detta resina in modo da formare un percorso resistivo flessibile rigidamente ancorato al supporto laminare.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui le piste conduttrici formanti elettrodi sono ottenute per stampaggio o serigrafatura di un inchiostro conduttore a base metallica.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui le strisce di composto resistivo sono deposte sulle piste conduttrici formanti elettrodi.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui le piste conduttrici formanti elettrodi sono deposte sulle strisce di composto resistivo.
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui le strisce di composto resistivo formanti detto percorso sono disposte a pettine per realizzare resistenze in parallelo tra le piste conduttrici formanti elettrodi.
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui dette strisce hanno uno spessore compreso tra 5 e 40 um.
16. 16. Dispositivo a coefficiente di resistenza positivo o PTC, caratterizzato dal fatto di comprendere un supporto laminare flessibile o rigido (2) sul quale è deposto, mediante stampaggio o serigrafatura, un percorso resistivo (3) collegato a piste conduttrici (6) formanti elettrodi, in cui detto percorso (3) è formato da un composto resistivo termosensibile in accordo con una o più delle rivendicazioni dalla 1 alla 8, e con un metodo in accordo con una o più delle rivendicazioni dalla 9 alla 14.
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, in cui detto supporto isolante (2) è costituito da un foglio di materiale plastico scelto tra il poliestere, il Kevlar il Kapton (Trade Mark).