SE436528B - Elektrisk anordning innefattande ett ptc-element sammansatt av en komposition, som uppvisar ptc-beteende - Google Patents

Description

7909911-5 10 15 20 25 30 35 2 Ts timmar, särskilt 1000 timmar. För många anordningar kommer vissa eller alla av dessa kriterier på resistansändring att uppfyllas om RTA är från 0,5 RT till 3RT, företrädesvis o,sRT nu znT, vid T = 2s°c. I De vid föreliggande uppfinning använda PTC-kompositionerna kan vara och (TS +50)°C, och t är 100 timmar, företrädesvis 250 timmar, speciellt 500 någon av de. PTC-ledande polymerer, som beskrivs i sökandens tidigare patentansökningar-och annan känd teknik. De ledande partiklarna omfattar företrädesvis kimrök, men även andra ledande partiklar, t.ex. me-tallpulver, metalloxider, oorganiska salter och grafit, kan användas. Föredragna komposi- tioner, innefattar en organisk polymer (varvid uttrycket polymer inbegriper blandningar av polymerer) med en kristallinitet av minst 1096, företrädesvis minst 3096, vari en» ledande kimrök är dispergerad, vilken har en partikelstorlek från 20 till 250 millimikron. PTC-kompositionen kan vidare innefatta ett icke- ledande oorganiskt fyllmedel, t.ex. zinkoxid, antimontrioxid eller lera, och/eller en antioxidant (t.ex. en hindrad fenol, exempelvis de som beskrivs i US-PS 3986981 och de som tillverkas av Ciba Geigy under varunamnet "1rganox"), eller någon annan tillsats som stabiliserar kompositionen mot termooxidativ ned- brytning, varvid mängden sådan tillsats vanligtvis ligger mellan 0,005 och 1096, exempelvis 0,01 och 696, företrädesvis mellan 0,5 och 496, baserat på polymerens vikt. Vissa material, som vanligtvis är användbara som antioxidanter för polymerer, kan ha en ogynnsam effekt på den elektriska stabiliteten, men lämpliga antioxidanter kan med lätthet ntväljas på trial-and-error-basis.

Vanligtvis är barriären sådan, att när anordningen är placerad i luft det enda syre, som kan komma i kontakt med minst 9596, företrädesvis i huvudsak 10096, av ytan på PTC-eiementet, är syre som har passerat genom barriären.

Barriären är företrädesvis sammansatt av ett material med en syregenom- trängningshastighet vid 25°C som är mindre än 5 x 10-9 cm3(STP)/cm2/mm/sek./cm Hg, mätt enligt ASTM D 1434-75. Speciellt när anordningen är en sådan, som förväntas arbeta på sådant sätt att barriären bibehålls vid förhöjd temperatur, är de fysikaliska egenskaperna hos barriären, inklusive dess syrepermeabilitet vid förhöjda temperaturer, företrädesvis sådana, att barriären bibehåller sin strukturella integritet och anordningen har de önskade elektriska egenskaperna efter aktiv åldring enligt definitionen ovan.

Barriärens tjocklek skall vara tillräcklig för att begränsa tillträdet av luft till PTC-elementet i önskad utsträckning och förhindra bildning av porer, t.ex. minst l mikron, och för polymera material är den vanligtvis från 0,0025 till 0,25 cm, företrädesvis från 0,013 till 0,13 cm, speciellt från 0,025 till 0,075 cm. Barriären skyddar företrädesvis anordningen mot mekanisk åverkan, och för detta ändamål , speciellt mindre än 10" 10 15 20 25 30 35 7999911 '5 3 är den företrädesvis sammansatt av ett material med en elasticítetsmodul större än 7000 kp/'cm2. Vid användning av sådan barriär är det föredraget, för att undvika varje risk för att barriären klämmer ihop PTC-elementet och sålunda ändraranordningens elektriska prestanda, att barriären är åtskild från PTC- 'elementet medelst en luftspalt eller ett skikt av något annat material med en elasticitetsmodul mindre än 7000 kp/cmz.

Lämpliga material för barriären innefattar metall- och polymerkom- positioner baserade på exempelvis en eller flera polymerer valda bland polyvinylidenklorid, polyvinylfluorid, polyetentereftalat, kautschukhydroklorid, polyklortrifluoreten, fenolformaldehydhartser, polyamider, epox-ihartser, sty- ren/akrylnitrilsampolymerer, polykarbonater, polystyren, isobuten/isoprensam- polymerer, polyeten, eten/tetrafluoreten-sampolymerer, vinylidenfluorid/hexa- fluorpropen-sampolymerer och fluorerade eten/propen-sampolymerer. Den konti- nuerliga yttemperaturen hos polymeren skall företrädesvis överstiga TS för PTC- elementet. Dessa polymerkompositioner kan innehålla konventionella tillsatser, men de skall företrädesvis inte innefatta material som migrerar in i PTC- elementet och har en skadlig inverkan på dess egenskaper.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen är anordningen en kretskontrollanordning och barriären är i form av ensjälvbärande behållare, genom vars väggar elektroderna löper (via lämpligt tätade öppningar) och inom vilken återstoden av anordningen är uppburen eller upphängd utan kontakt med behâllarens väggar. Behållaren innehåller företrädesvis inte något syre. Den kan exempelvis vara evakuerad eller fylld med någon inert gas såsom argon eller kväve. Typiskt sett kommer behållaren huvudsakligen att vara tillverkad av metall och med elektroderna löpande genom en vägg sammansatt av ett keramiskt material eller styvt plastmaterial. Vid en annan föredragen utförings- form är anordningen en värmare eller en kretskontrollanordning och barriären föreligger i form av ett polymerkompositionsskikt, som omger återstoden av anordningen, varvid den volym som omsluts av skiktet är i huvudsak fri från hålrum. Barriären kan vara sammansatt av ett enda material eller två eller flera material, antingen blandade med varandra eller som enskilda komponenter i barriären, t.ex. ett laminat. Den ena eller båda av elektroderna kan utgöra en del av barriären. Barriären skall givetvis inte ge någon elektrisk förbindelse mellan elektroderna.

Elektroderna är vanligtvis sammansatta av metall eller något annat material med en resistivitet mindre än 0,1 ohm.cm.Varderaelektroden kan vara i fysisk kontakt med PTC-elementet eller helt eller delvis åtskild därifrån av elektriskt ledande material, t.ex. en ledande polymerkomposition, som uppvisar 10 15 20 25 30 35 7909-911 '-5 4 relativt konstant wattförbrukning, dvs. som inte uppvisar PTC-beteende vid temperaturer under TS för PTC-elementet. Alternativt kan elektroderna vara laminerade mellan PTC-elementet och en ledande polymerkomposition med relativt konstant wattförbrukning. .Företrädesvis utgörs åtminstone ytterytan av varje elektrod av en' metall, som inte katalyserar nedbrytning av den ledande polymer, med vilken den står i kontakt. Elektroderna består sålunda företrädesvis av nickel, tenn, silver eller guld, eller av någon av dessa metaller belagd på koppar eller någon annan metall. När det krävs en plan elektrod är elektroder i form av sträckmetall eller trâdnät föredragna. .Andra användbara elektroder innefattar solida trådar, tvinnade trådar och flätor. Vid användning av tvinnade trâdelektroder eller andra elektroder, som innehåller -hålrum, skall man vidta åtgärder för att tillförsäkra att dessa hålrum inte bildar en passage för luften för inträde i anordningen, t.ex. genom fyllning av hâlrummen eller genom tillslutning av frilagda partier därav. Vid' tillverkning av anordningen skall man vidta åtgärder för att minimera kontaktresistansen.

Anordningen enligt uppfinningen inbegriper kretskontrollanordningar, speciellt av det slag som beskrivs i vår amerikanska patentansökan nr. 9653415 och självbegränsande värmare, inklusive bandvärmare.

I en klass av anordningar enligt uppfinningen, vanligtvis kretskontroll- anordningar, har PTC-elementet relativt små dimensioner, med en volym mindre än exempelvis 20 cm3, ofta mindre än 10 cm3 eller t.o.m. mindre, exempelvis mindre än 5 cm3 eller l cm3, och anordningens resistans vid 25°C är relativt låg, exempelvis mindre än 50 ohm, företrädesvis mindre än 10 ohm, eller t.o.m. mindre, exempelvis mindre än l ohm eller 0,5 ohm.

I en annan klass av anordningar enligt uppfinningen, vanligtvis flexibla bandvärmare som skall neddoppas i vätskor, t.ex. vattenbadvärmare, begränsar barriären inte bara tillträdet av syret till PTC-elementet, utan är också huvudsak ogenomtränglig för vatten eller annan vätska, i vilken anordningen skall neddoppas. När anordningen har en yttermantel av en plastiserad polymer, t.ex. polyvinylklorid, kan barriären även tjäna till att förhindra migrering av mjukgörare från manteln in i PTC-elementet. För en doppbandvärmare av detta slag är barriären företrädesvis försedd med ett laminat, som innefattar ett metallskikt, företrädesvis av aluminium, typiskt sett 0,0005 till 0,005 cm tjockt, som är laminerat mellan och bundet vid två polymera ark, företrädesvis av polyester, varvid varje ark typiskt sett är 0,001 till 0,005 cm tjockt. Laminatet kan vara lindat kring de övriga komponenterna i anordningen, så att det bildar ett överlappande hölje omkring dessa, varvid de överlappande delarna är förslutna mot varandra. Ett föredraget tillvägagångssätt är att göra en fortlöpande, 10 15 20 25 30 35 '19099-11 '-5 5 överlappande lindning runt en isolerad bandvärmare med ett tejplaminat av beskrivet slag försett med en beläggning på sin inneryta med ett värmeaktiver- i bart bindemedel, företrädesvis ett varmsmältande bindemedel, och sedan värma det hela för att binda de intilliggande lindningarna av tejpen vid varandra och vid bandvärmaren. När bandvärmaren är försedd med ett jordningselement, t.ex. en fläta, är PTC-elementet företrädesvis åtskilt från flätan medelst en konven- tionell isolerande mantel, t.ex. av en polyuretan, och av syre,- och vätskebarriä- ren. Flätan kan placeras mellan den isolerande manteln och syre- och vätskebarriären, men vid användning av en tejplindad barriär enligt beskrivningen ovan kan luft kvarhâllas i mellanrummen hos flätan och ha en skadlig inverkan på värmarens effektivitet. Bandvärmarens ändar skall företrädesvis förslutas för att tillförsäkra att inget vatten eller annan vätska kan komma i kontakt med PTC- elementet.

Uppfinningen illustreras i de bifogade ritningarna, i vilka _ Fig. l till ll visar anordningar enligt uppfinningen, och Fig. 5 visar effekten av aktiv åldring på resistansen vid 25°C för olika 'anordningar enligt uppfinningen.

Fig. l visar en kretskontrollanordning, som innefattar ett PTC-element 1 i form av en rund skiva med runda nätelektroder 2 inbäddade i motstående ytor därav. Ledare 4 är fästa vid elektroderna 2, och ett barriärskikt 3 omkapslar PTC-elementet l och elektroderna 2, med ledarna 4 löpande genom barriären.

Gränsytan mellan barriärskiktet 3 och PTC-elementet l och elektroderna 2 är fri från hålrum.

Fig. 2 visar en bandvärmare med konstant tvärsektion, som innefattar solida trådelektroder 2 inbäddade i PTC-elementet l, som omges av barriär- skiktet 3. Ãndarna på en sådan bandvärmare är företrädesvis täckta aven syrebarriär, men det är viktigt att notera, att även om man inte vidtar denna försiktighetsâtgärd, så innebär frånvaron av hälrum mellan PTC-elementet l och barriärskiktet 3 och i elektroderna 2 att endast en mycket begränsad andel av ytarean på PTC-elementet utsätts för denna luft. Om i motsats härtill det finns hålrum mellan manteln och PTC-elementet, eller om man använder tvinnade trâdelektroder och ändarna på värmaren inte är tillslutna, så kan luft, även om manteln är i huvudsak syreogenomtränglig, sippra längs PTC-elementet och komma i kontakt med en betydande del av dettas yta.

Fig. 3 visar en vattendoppbar bandvärmare med konstant tvärsektion, som innefattar elektroder l2 inbäddade i ett PTC-element 14, som har sådan TS att värmaren kommer att hålla det vatten, i vilket den är neddoppad, vid en lämplig förhöjd temperatur, t.ex. 65°C. En isolerande mantel 16, t.ex. av lO 15 20 25 30 35 'É909911-5 6 -polyuretam omger PTC-elementet 11+ och omges själv av en syre- och vattenbarriär 22, bildad genom successiv lindning och förslutning av ett 'tejplaminat enligt beskrivningen ovan. Ett vävt eller flätat jordningselement 23 omger barriären 22 och omges sin tur av en yttre isolerande mantel 21:, t.ex. av mjukgjord polyvinylklorid.

Fig. l; visar en kretskontrollanordning, i vilken barriären bildas av en , "burk" med väsentligen rektangulär i tvärsektion, och är försedd med en metalltopp 6 .och en därtill försluten bas. Burken är fylld med kväve. Basen innefattar en metallring 7, som har en periferiell tätningsslits, mot vilken toppen 6 är tätad, och en skiva 9, som är tätad mot ringen 7 och är sammansatt av glas eller en epoxiharts. Stiftledare 8 löper genomiskivan 9 och uppbär och är anslutna till rektangulära elektroder, mellan vilka ett PTC-element är lamlnerat; elektroderna och PTC-elementet visas (enbart schematiskt) vid 5.

Uppfinningen illustreras i de efterföljande exemplen, i vilka delar och procentuppgifter är viktbaserade, om inte annat anges. I vart och ett av exemplen framställdes och testades anordningarna på nedan beskrivet sätt. En PTC-komposition framställdes genom blandning av de i tabellen nedan angivna ingredienserna (varvid vikter anges i gram). Det bör noteras, att de använda polymererna var kommersiellt tillgängliga material, som innehåller en liten I mängd (ca 0,5 vikt-96) antioxidant. Blandningen utfördes vid smälttemperatur i 5 minuter i en ángvärmd Banburyblandare med- vattenkyld rotor. Blandningen togs ut från blandaren, fick svalna till rumstemperatur och hackades till små bitar.

Det hackade materialet formpressades vid en temperatur av l80°C och ett tryck på ca 70 kp/cmz i 5 minuter till en 0,2 cm tjock platta. Runda skivor med 1,9 cm diameter stansades ut ur plattan. En elektrod bildades pâ varje yta av varje skiva genom att i denna formades en skiva med' 1,9 cm diameter, utskuren från ett sträckmetallnät av nickelbelagd koppar. Provet bestrålades till 20 megarad för att tvärbinda PTC-kompositionen. 20 AWG trådledare fästes vid elektro- derna. När så anges i tabellen fullbordades framställningen av anordningen genom att man omgav provet med en barriär enligt uppgifterna i tabellen. I exempel 2 doppades provet i epoxihartskompositionen, som sedan härdades vid 80°C i 16 timmar. I Exemplen 3 och 5 upphettades provet till ll0°C och doppades sedan i en fluidiserad bädd av epoxihartset, som sedan härdades vid 1l0°C i l6 timmar. I Exempel 6 doppades provet i silikonhartset, som sedan härdades vid 20°C i l6 timmar. I Exemplen 2, 3, 5 och 6 var barriärskiktet 0,025 cm tjockt.

Den elektriska stabiliteten hos anordningarna vid aktiv åldring enligt definitionen ovan testades på följande sätt. Anordningens ledare anslöts till en växelströmskälla med variabel spänning. Spänningen på kraítkällan hölls vid 120 10 '1909911 '-5 7 volt utom när anordningen först kopplades eller återkopplades till kraítkällan, då spänningen var 30 till 45 volt under de första 30 sekunderna och sedan ökades till .120 volt under en period av 2 minuter. Med tidsmellanrum under âldringen bortkopplades anordningen från kraftkällan och fick svalna till rumstemperatur under en I/2-timme, varefter dess resistans vid rumstemperatur mättes.

Anordningarnas resistans vid rumstemperatur efter åldringen enligt ovan visas i Fig. 5. Man ser att produkterna enligt Exemplen l, lr, 6_ och 9, som inte har barriärer enligt uppfinningen, har dålig elektrisk stabilitet, medan ' produkterna enligt Exemplen 2, 3, 5, 7 och.8, som är enligt uppfinningen, har utmärkt stabilitet. _ Närvaron av barriären i anordningarna enligt uppfinningen har den 'ytterligare fördelen, att riskerna för explosion eller brand minskas väsentligt om anordningen utsätts för elektrisk pâkänning som orsakar nedbrytning av PTC- kom positionen. 7999911 '-5 00 mån m. amma mimßæ H.mmw i m-oø m. Hama må; Tmmw m-ow mšfi _ m-mßw .H .mmm mån mtflmmfi Qmßæ .Tamm .zâfiäwn 2-3 ___ :Qšxäß .i ä vfwmcodflmmcuabonzvvus ä “äs :Qöub...ï-m-ïflwë-nvmfinou.-.üi ä .wsoäo å ,. :wwš æm MH ß . mmm ß-mmm mffivß m ._ .www måm wmma m . amma måwæ Tamm måw måmmfl qmßm #3» :wwš måw m. amma aÅHæ Üamw, ä; wEw .uoE øhmzmcäämwøä Fowä wuE 213 ohmšwnøpzmpwE umfiofiæm E:=v_m> huva: whm=wnwn=mflwë vflwufimm Å 2 x on :w otmuw uvcwfiwcmhflëocwwušw m- .mä QS uämfläv wtmflcoxuæ Å ...I cm whvcfiš woswfiwcwhvëocowušw m .Sïämmm av: Éåzaßu 13 cm ohvcfi: wøzwzmrwhwfzocwwuhæw , m _32. å 58 mm Howä. Bäšxâm Mwüdwïmm mÉmumxoficm fimwzü.

Amwuflñwm 35. mmTz äaäm xmhrš! :mofläzu .sons mmTš ..uEšomEmwm..>m_>._x..~\cv«m fiåwflobß wmfififlflm. 88 xfiä: cwwošommwuwwwcovmm I ZOFEmOmEO¥ Ohm .MZ AmmåmXm

Claims (10)

JO 15 20 25 30 790991-1-5 9 PATENTKRAV

1. Elektrisk anordning innefattande .(1) ett PTC-element .(1) sammansatt av en komposition, som uppvisar PTC- beteende med en switchtemperatur TS och som innefattar en makromolekylär polymer och däri dispergerade partiklar, och (2) - minst två elektroder (2), som kan anslutas till en elektrisk kraftkälla och som vid sådan anslutning medför att ström går genom PTC-elementet (l), k ä n n e t e c k n a d av att den även innefattar (3) ' i en syrespärr (3), som när anordningen befinner sig i luft vid standard- temperatur och -tryck begränsar tilltrâdet av luft till PTC-elementet (l), så att den hastighet, med vilken PTC-elementet absorberar syre, är mindre än -e 10 cmzlsekJgram.

2. Anordning enligt patentkravet I, ik ä n n e t e c k n a d av att den hastighet, med vilken PTC-elementet absorberar syre, är mindre än 4 x 104 cm3/sek./gram. .

3. Anordning enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att den uppvisar en resistansändring vid minst en temperatur mellan (TS -1l0)°C och TS på -5096 till +20096 efter att ha utsatts för en åldringsbehandling, som omfattar ledning av ström genom anordningen i 500 timmar, varvid strömmen är sådan att lzR-värmningen av anordningen håller PTC-elementet vid en temperatur mellan TS och (TS +50)°C. fi.

4. Anordning enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att barriären (3) är sammansatt av ett material med en syregenomträngningshastighet mindre än 5 x 10-9 cm3(STP)/cm2/mm/sek./cm Hg.

5. Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att barriären är sammansatt av ett material med en syregenomträngningshastighet mindre än 10-9 cm3(STP)/cm2/mm/sek./cm Hg.

6. Anordning enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att barriären (3) innefattar en polymer med en kontinuerlig yttemperatur större än TS för PTC-elementet och är vald bland polyvinylidenklorid, polyvinylfluorid, polyetentereftalat, kautschukhydroklorid, polyklortrifluoreten, íenol-formaldehydhartser, polyamider, epoxihartser, sty- ren/akrylnitrilsampolymerer, cellulosaacetat, butadien/akrylnitril-sampolymerer, 10 7969911-'5 _ ' 10 polykarbonater, polystyren, isobuten/isoprensampolymerer, polyeten, eten/tetra- fluoretensampolymerer, vinylidenfluoríd/hexaíluorpropenpolymerer och fluore- rade eten/propensampolymerer.

7. Anordning enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av att minst en av elektroderna utgör en del av barriären.

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att barriären bildar en hermetisk tätning runt PTC- elementet.

9. Anordning enligt något av patentkraven l-6, k ä n n e t- e c k n a d av att den är en bandvärmare och att barriären är vattenogenomtränglig.

10. Anordning enligt' något av 'patentkraven l-6 och 9, k ä n ne t e c k n a d av att barriären innefattar ett laminat, innefattande ett metallskikt laminerat .mellan och bundet vid två nolymerark.