DE1540300A1

DE1540300A1 - Elektrisches Bauelement,insbesondere elektrischer Widerstand aus Kunststoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1540300A1
Application number: DE19651540300
Authority: DE
Inventors: Rudd Wallace C; Fred Kohler
Original assignee: Polyelectric Corp
Current assignee: Polyelectric Corp
Priority date: 1964-10-09
Filing date: 1965-10-08
Publication date: 1969-12-11
Also published as: GB1077207A; US3351882A; FR1452971A

Description

!•Irma Polyelectric Corporation, Few York, Ή.Ί. (USA)

Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrischer Widerstand aus Kunststoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Erfindung bezieht sioh auf ein elektrisches .Bauelement, insbesondere einen elektrischen Widerstand aus Kunststoff und auf ein'Verfahren zu dessen Herstellung. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf einen elektrischen Widerstand der nachstehend beschriebenen Art.

Es ist schon ein elektrischer Widerstand vorgeschlagen · worden, bei dem fein zerteilte leitende Teilchen, wie z.B. Kohlepülver, in einem Grundmaterial aus verhältsnismäßig nicht leitendem Kunststoff, z.B. aus Polyolefinen wie Polyäthylen, verteilt sind. In dem Grundmaterial sind soviele leitende leuchen enthalten, daß unterhalt» einer bestimmten Temperaturgrenze eine Vielzahl dieser Teilchen normalerweise in Kontakt miteinander sind und ein Gitterwerk miteinander bilden, so daß ein elektrischer Wider-*· stand entsteht, der einen verhältnismäßig niedrigen und vergleichsweise konstanten Widerstand über einen beträoht-

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, lichen Temperaturbereich besitzt, bei dem aber der Widerstandswert sprunghaft ansteigt, wenn die Temperatur über eine bestimmte kritische Grenze hinausgeht. Beispielsweise kann der Widerstand in einem typischen Fall um mehr als 250% innerhalb eines Temperaturanstieges von etwa 13°G anwachsen. Es wird vermutet, daß das Material des Widerstandes in dieser Weise arbeitet, weil die Kontakte zwischen den Kohleteilchen gelöst werden, sobald es auf den kritischen Temperaturbereich erhitzt wird. Ss kann' nicht sicher gesagt werden, ob dieser Effekt das Ergebnis der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der Bestandteile der Widerstandsmasse ist oder ob .änderungen des Kristallzustandes des Kunststoffes im kritischen Bereich eine größere Holle spielen, üin Widerstand dieser Art ist in der amerikanischen Patentanmeldung Nr. 236 9^-3 beschrieben und beansprucht, die am 13. November 1962 angemeldet wurde. Auf den Inhalt dieser Anmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen.

In typischen Ausführungsformen solcher Widerstände nimmt das Kohlepulver 35-^5 Volumenprozent, vorzugsweise 40 Volumenprozent der Kunststoff- Kohlepulvermischuiag ein.

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Die Konstruktion von Widerständen dieser Art schließt be-" sondere Probleme ein, wenn diese Widerstände für andauernden und zuverlässigen Gebrauch bestimmt sein sollen. Ein Problem besteht z.B. darin, daß bei Benutzung von Polyäthylen als Kunststoff dessen Eigenschaften sich ändern, wenn der Kunststoff wiederholt über die kritische Tem-".'.■·'.-■ peratur erhitzt bzw. unter diese Temperatur abgekühlt >."■■■„ wird. Außerdem liegt die normale Erweichungstemperatur eines solchen thermoplastischen Kunststoffes nicht hoch genug über dem kritischen Bereich des Widerstandes, wie es an sich für viele Zwecke wünschenswert wäre. Ein anderes Problem besteht darin, daß elektrische Überlastungen an jedem Punkt in der Nähe der elektrischen Anschlüsse des Widerstandes, die kurz "Elektroden" genannt werden sollen, vermieden werden müssen. Es müssen deshalb Elektroden in einer form vorgesehen werden, die zuverlässig den Strom über eine angemessene QuerschnitiB-flache der der Kunststoff-Kohlemischung Verteilen und die außerdem gewährleisten, daß eine solche Verteilung auch bei zahlreichen WMerholungen des Arbeitsspieles des Widerstandes erhalten bleibt.

Durch die Erfindung werden die vorstehenden Aufgaben gelöst. Diese besteht grundsätzlich darin, daß Kunst-

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stoff polymerisationsprodukte benutzt und so "behandelt werden, daß die Moleküle an Ort und Stelle mit den darin eingebetteten Elektroden vernetzt werden. Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen, den Elektroden eine beträchtliche Kohtaktfläche zu geben, indem diese als Maschenwerk ausgebildet werden. Die Erfindung erstreckt sich schließlich auf Maßnahmen zu einer besonderen Gestaltung des Widerstandselementes und einer bevorzugten Lagerung der Elektroden; außerdem auf Verfahren zum Formen und Zusammenbau solcher Vorrichtungen.

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung sind nicht nur auf. Widerstände anwendbar, wie sie im allgemeinen oben beschrieben worden sind, sondern auch auf Widerstände und Halbleiter aus anderen Kunststoffen, die ein Gitterwerk aus Kohlenstoff oder anderen leitenden Teilchen enthalten oder die durch gewisse .Zusätze halbleitend gemacht worden sind. Einige Beispiele dieser Möglichkeiten werden weiter unten beschrieben.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sowie deren Vorteile sind der nachstehenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung zu entnehmen, in der bevor-

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zugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.

Fig.- 1 zeigt das Ende eines Widerstandes der obenbeschriebenen Art mit einer im Querschnitt gezeigten Elektrode in Form einer metallischen Kappe. Die gestrichelten Linien (Stromfäden) zeigen eine unerwünschte Stromverteilung am Ende des Widerstandes mit einer Elektrode dieser Art;

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, jedoch mit einer idealen Verteilung der Stromfäden;

• Fig. 5 zeigt eine Darstellung ähnlich der Fig. 2, jedoch mit einer praktisch ausreichenden Verteilung cfes Stromes gemäß der Erfindung;.

Fig. 4- ist eine perspektivische Ansicht eines Leiterendes, dessen feine Litzendrähte ausgefächert sind, um in das Ende eines Widerstandes gemäß der Erfindung, eingebettet zu werdenj

Fig. 5 zeigt ein Verfahren und Kittel zum Einbetten gefächerter Elektroden gemäß Fig. 4j '. j ■ . ■

■ Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Endteiles eines typischen Widerstandes gemäß der Erfindung mit einem .gemäß dem Verfahren nach I?ig. 5 hergestellten elektrischen Anschluß;

Fig. 7 ist eine Darstellung ähnlich der Fig. 6; jedoch , zeigt sie eine andere Ausführungäbrm der Erfindung;

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht noch einer anderen Ausführungsform;

Fig. 9 stellt eine Ansicht eines Widerstandes mit Elektroden dar, wie sie in Fig. 6 oder Fig. 7 abgebildet sind. Hier liegt der Widerstand in einer isolierenden Hülle eingebettet, die im Schnitt gezeigt ist;.

; Fig. 10 schließlich ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Art und Weise zeigt, in der am laufenden Band Widerstandselemente mit Elektroden gemäß der Erfindung hergestellt werden können. Es handeliTsich um eine etwas abweichende Ausführungsform. Einer der Widerstände ist in perspektivische!? Darstellung aus Fig. 11 ersichtlich.

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Wie schon gesagt wurde, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, für Widerstände der genannten Art einen geeigneten elektrischen Anschluß zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe soll anhand der Figur 1 näher erläutert werden. Hier ist ein Widerstand dargestellt, der aus einer Grundsubstanz aus Kunststoff besteht, die zahlreiche leitende Teilchen enthält. Das Ende 15 des Widerstandes ist quersohnittsmäßig erheblich größer als der mittlere 2JeIl 16* Eine metallische Elektrode, die im allgemeinen die Form einer Kappe oder Haube 17 hat, umgibt das freie Ende des Widerstandes. Während man nun normalerweise annehmen sollte, daß eine derartige Kappe eine mechanisch höchst wünschenswerte Form eines elektrischen Anschlusses sein würde, so zeigt 8ich doch, daß die mit 18 bezeichneten Stromfäden, die durch j gestrich-elte Linien dargestellt sind und die durch den vergßßerten Endteil 16 fließen, aus diesem in solcher Weise in die Kappe austreten, daß ein größerer Teil davon unmittelbar an den Rand der Kappe fließt. Dies hat seinen Grund darin, daß der ßtrom den Weg des geringsten Widerstandes geht. Auf diese Weise werden die zentralen Teile des Widerstandsendes tatsächlich durch die Kappe kurzgeschlossen, was zur Folge hat, da-ß der Strom derart an bestimmten Stellen oder Bereichen des Kappenrandes konzen-

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triert wird, daß diese Teile des thermoplastischen Materials zur überhitzung neigen und unerwünscht erweichen, bevor der aktive ÜDeil 16 des Widerstandes die kritische Arbeits·* .temperatur erreicht. Eine solche Überhitzung kann nicht nur zur Zerstörung des Kunststoffes führen, sondern auch grundsätzliche und unerwünschte Änderungen des Stromverlauf es bewirken.

Das im Zusammenhang mit Figur 1 geschilderte !Problem liegt aueh vor, wenn die Elektrode anstelle einer Kappe oder Haube z.B. die Form eines Ringes hat, der das Widerstandsen&e umgibt. Ebenso wird der fall liegen, wenn die Elektrode z,B* in der form einer Ijeitungslitze vorliegt, die um das frei© Saide des Widerstandes gewunden ist.

Im Segensatz zünden TerhägLtnissen, wie sie in figur 1 &&3*gss"te#|.lt" sind, ist eine ideale Verteilung der Strom» '£&&£& im Viderstan&sen&e dann vorhanden_$ wenn sie wie bei 1S* in figur 2 angedeutet verlaufen» Die wümsoitenswerte

-$&!& Stellung der Elektrode ist in diestr figur dl« gtriehpunktierte Mnie 19 gekennzei<?hfl.et. Die

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ÖAD ORIGINAt

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Elektrodenflache besitzt eine sphärische Form und stellt eine, sogenannte Äquipotentialfläche dar. Es ist eine Fläche, von der 3eder Stromfaden, wie er mit 18' gekennzeichnet ist, auf Wegen gleichen Spannungsabfalls verläuft. Deshalb wird der Strom gleichförmig und gut über den gesamten Querschnitt des Widerstandsmaterials im Bereich der Elektrode verteilt sein* In der Eraxis würde es jedoch genügen, wenn die Elektrode im wesentlichen in einer Ebene liegt, wie sie durch die strichpunktierte Linie 19' in Figur 3 dargestellt ist. Diese Ebene steht senkrecht zur Achse des Widerstandes. Obwohl in diesem Fall . ■ eine etwas höhere elektrische Belastung in der Nähe der Achse herrschen wird, wie es durch die Stärke der ge— . strichelten Linien 20 angezeigt ist, relativ zu dem Stromfluß 20' in der Nähe der Peripherie, so kann man doch annehmen, daß der Strom nach allen Teilen der ebenen Elektrode 19' ausreichend gleichmäßig ist für praktische Zwecke, so daß keine überhitzten Stellen auftreten können.

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Eine einfache Form einer praktisch benutzbaren Elektrode ■ gemäß der Erfindung ist in Figur 4- dargestellt■. Diese ; Elektrode besteht aus einem.isolierten Leiter 21, dessen \ Draht aus einer biegsamen Kupferlitze oder aus einer Litze anderen gut leitenden Materials besteht. Die einzelnen

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Litzendrähte 22, die freigelegt sind, werden ausgefächert, so daß sie, wie dargestellt, im wesentlichen in einer Ebene liegen. Um diese Art einer Elektrode an das Ende eines Kunststoff-Widerstandes anzubringen, wie er mit der Kennziffer 23 in Figur 5 bezeichnet ist, werden die ausgefächerten Drähte zunächst erhitzt, um dann mit einem erhitzten Stempel 24 in die Stirnseite 25 des Kunststoffes des Widerstandes eingepBEßt zu werden, der möglicherweise auch vorher erhitzt worden ist. Das Ergebnis dieses Vorganges ist in Figur 6 veranschaulicht. Im allgemeinen wird der Kunststoff bis nahe an seinen Erweichungspunkt erhitzt. Deshalb kommt für die meisten Polymerisationsprodukte aus Polyolefinen, wie z.B. Polyäthylen, Polypropylen, Polyisobutylen usw. eine Erhitzungstemperatur in der Größenordnung von ungefähr 93°O bis 190°0 in Präge, was im wesentlichen von dem verwendeten Kunststoff abhängen wird.

Wenn der Strom, der durch den Widerstand fließt, über einen beträchtlichen Querschnitt des thermoplastischen Materials verteilt und zwar möglichst gleichmäßig verteilt werden soll, dann ist es wichtig, daß die zahlreichen Teile der llektrode über eine beträchtliche Fläche des Widerstandes verteilt werden, um überhitzte Stellen

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BAD ORK3INAL,

■ und möglicherweise ein Erweichen oder eine sonstige Veränderung des thermoplastischen Materials an diesen Stellen zu vermeiden.

> Sin weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist darin zu

- sehen, daß alle Teile der Elektrode in einer solchen Form vorliegen, daß der Kunststoff des Widerstandes, der die leitenden feilchen enthält, tatsächlich in umfassender Verbindung mit den Teilen der Elektrode ist. Liegt eine Elektrode Ja Vorm einer ebenen Metallplatte vor oder in einer JtQTm₉ bei der der Kunststoff des Widerstandes nur

r. stumpf gegen die Elektrode anstoßt, dann kann der fall eintreten, daß sich infolge der verschiedenen Temperaturkoeffisienten des thermoplastischen und des leitenden

; Materials des Widerstandes die ixt, in der die leitenden !Belleben Alt der Elektrode verbunden sind, bei Erwärmung des Widerstandes ändert. Dies kann unerwünschte und sogar unvorhergesehene Änderungen im Creaamtwideretand der Vorrichtung mir Volge haben oder die gewünschte Bauer-

' ^^; haftigkeit und gleichmäßige Betriebsweise bei w&eraolten Gebrauch beeinträchtigen. Diese Schwierigkeiten werden

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durfte die Erfindung übexmtnden, nach welcher die Elektro-

eiaem Taoher dünner eingebetteter Drähte besteht, wie difs in llg. 6 dargestellt ist. Im felle der Er-

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findung ist jeder einzelne Draht und das benachbarte Kunststoffmaterial klammernd miteinander verbunden, und es bleibt auch in diesem Zustand, wenn sioh der Kunststoff und die leitenden Teilchen unterschiedlich

ausdehnen oder zusammenziehen sollten.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in Figur 7 dargestellt. Hier hat die Elektrode 26 die Form eines Drahtnetzes oder Drahtschirmes, der im Ende des Widerstandes 27 eingebettet liegt,und zwar vorzugsweise entlang einer Ebene, die senkrecht zur Achse des Widerstandes steht. Das Drahtnetz 26 ist mit einem elektrischen Anschlußdraht 28 verbunden.

Nachdem die elektrischen Anschlußdrähte in das erwärmte thermoplastische Material eingebettet und danach abgekühlt sind, wird eine Vielzahl von leitenden iüeilohen. in inniger Verbindung mit !Peilen der Drähte sein und auch no bleibt»» Im Sinne der Erfindung liegt te, anstelle dünner Litzendr&hte oder anstelle eines Drahtnetzes eine Metallplatte als Anschlußflache zu benutzen, die fein perforiert ist, wie dies in 29 der figur 8 gezeigt ist, Eine solche Anschlußplatte ist in der Wirkung etwa gleich mit der eines Drahtnetzes, Der die leitenden 3?eilohen ent-

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haltende Kunststoff füllt die feinen Öffnungen der Anschlußplatte aus, so daß diese praktisch im Kunststoff eingebettet ist .

Zur Vereinfachung sollen Elektroden der verschiedenen Arten, wie sie in den Figuren 6,7 und 8 und auch in Figur 11 dargestellt sind, und äquivalente Anordnungen in den Ansprüchen mit dem Begriff "Masohenelektrode" bezeichnet werden.

Ein anderes wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Ende eines Widerstandes querschnittsmäßig erheblich größer ausgebildet wird als der mittlere Teil 16 (vergl. Figuren 1 -3), in dem der gewünschte Effekt grundsätzlich stattfindet. Dieser Effekt besteht darin, daß der Widerstandswert plötzlich und stark ansteigt, wenn der Widerstand selbst über eine bestimmte kritische Temperatur erhitzt wird. Wenn man erfindungsgemäß den Enden des Widerstandes einen verhältnismäßig großen Quer~ schnitt gibt, so wird sich der Strom in diesen derart verteilen, daß diese Enden niemals die kritische Temperatur erreichen, bevor der eingeschnürte Teil 16 in den kritischen Temperaturbereich kommt. Dies ist dadurch

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begründet, daß in den engeren Teilen des Widerstandes eine stärkere Stromkonzentration vorfanden ist als an den Enden des Widerstandes. Im Sinne der Erfindung liegt es, den mittleren Teil des Widerstandes z.B. zylindrisch auszubilden, wie dies in Figur 6 dargestellt ist; es ist aber auch möglich, wenn erwünscht, den eingeengten mittleren Teil als V-förmige Ringnut auszubilden, wie dies mit Kennziffer 30 in Figur 8 oder mit Kennziffer 31 gemäß Figur 9 gezeigt ist. Die Erfindung erstreckt sich auch auf den Fall, daß zwei oder mehrere Einschnürungen oder Nuten vorgesehen werden, wie dies mit Kennziffer 32 in Figur 7 dargestellt ist. Schließlich kann gemäß der Erfindung der Widerstand mit einer zentralen Bohrung 33 versehen werden, die sich durch den gesamten Widerstand erstreckt und die Belüftung der inneren Teile gegen.-Überhitzung ermöglicht (Figur 8),

In manchen Fällen wird es wünschenswert sein, daß das thermoplastische Widerstandselement; in Isoliermaterial eingebettet oder in ein isolierendes Gehäuse 35 (Figur 9) eingebaut wird. Ein solches Gehäuse kann z.B. aus einem Epoxydharz oder Silicon, Gummi bestehen, mit dem das Widerst andselement an Ort und Stelle umhüllt wird» Es ist

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auch die Elektroden und Teile der Verbindungsdrähte einzubetten. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität der Vorrichtung und der Verbindungen erhöht; außerdem wird die Oberfläche des Widerstandes gegen Beschädigung oder Zerstörung geschützt, so daß die Lebensdauer der Vorrichtung wächst, während gleichzeitig die Gleichmäßigkeit der elektrischen Betriebsweise gewährleistet ist. Das Einbauen bzw. Einbetten in ein isolierendes Gehäuse vermindert auch die Spannungen an den eingebetteten Anschlußdrähten, indem jede Dehnung oder jeder Druck, der auftreten könnte, durch das Einbettungsmittel geführt wird uöd nicht durch das Material des Widerstandes selbst. Es kann gemäß der Erfindung auch wünschenswert sein, nach dem Einbetten des Widerstandes die beiden elektrischen Zuleitung·» zusaaimenzubinden, wie dies in Figur 9 dargestellt ist. Auf diese Weist werden Spannungen, wie sie durch die praktische Arbeit mit den BrÄbten auftreten können, gehindert, sieh auf das Material des Widerstandes selbst zu übertragen· Wenn der Widerstand in Epoxydharz eingebettet wird, ist ·β gegebenenfalls sweckmäßig, die Oberfläche des Widerstandsmaterial» anzurauhen. Die Erfindung achließt auch die Maßnahm© ein, gegebenenfalls im Bereich des

zentralen, aktiven Teiles des Widerstandes eine ring»

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förmige Kühlscheibe 36 anzuordnen, die mit der Herstellung der isolierenden Umhüllung eingegossen ist und dazu beiträgt, überschüssige Hitze im Betriebe des Widerstandes schnellstens auszustrahlen.

Obwohl Polyäthylen oder andere Polyolefine als thermoplastisches Material zur Einbettung der leitenden leuchen vorgezogen werden, so ist es doch sehr wünschenswert, daß das benutzte Material nicht leicht deformiert wird oder erweichen kann, wenn es auf die kritische Temperatur gelangt. Mit anderen Worten sollte der Kunst- , .stoff, wie im Fall des üblichen Polyäthylens, nicht grundsätzlich schon thermoplastisch werden an einem Punkt, der in der Nähe der kritischen Temperatur liegt, bei welcher der Widerstandswert der Vorrichtung plötzlich ansteigt. Wenn die Vorrichtung, wie gewünscht, im Betrieb einer beträchtlichen Anzahl von Arbeitsspielen unterworfen wird, so sollte sie einem Erweichen auf alle Fälle widerstehen, bis beträchtlich über der kritischen Grenze liegende Temperaturen erreicht sind, so daß eine dauern^«Seformierung oder Zerstörung des Kunststoffes nlahi* stattfinden kann. Eine solche muß vor allen Dingen in dem eingeschnürten, aktiven mittleren Teil des Widerstandes vermieden werden, wo der plötzliche Wechsel des Wider-

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standswertes vor sick geht. Es muß auch Sicherheit dafür bestehen, daß die Elektroden des Widerstandes in unveränderter Zuordnung und Verklammerung eingebettet bleiben.

Es wurde gefunden, daß diese Aufgaben gut gelöst werden können, wenn - und das ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung - der Kunststoff vernetzt wird; dieses Merkmal kann für sich allein oder mit anderen Maßnahmen gemäß der Erfindung für den Bau von Widerständen eingesetzt werden. Um die Elektroden einzubetten oder einzubauen, ist es gemäß der Erfindung zweckmäßig, daß das Material des Widerstandes im thermoplastischen Zustand ist. Um aber die erwähnten Schwierigkeiten im Betrieb des Widerstandes zu vermeiden, die oben geschildert wurden, ist es vorteilhaft, daß die Moleküle anschließend vernetzt werden, und zwar in einem Ausmaß, daß der Kunststoff praktisch nicht mehr itermoplastiseh ist. Ein solcher Zustand ist vor allem im Bereich der Elektroden erwünscht. Eine Vernetzung der Moleküle des Kunststoffes, wie z.B. Polyäthylen, kann in bekannter Weise durchgeführt werden, entweder durch die Anwendung von Strahlung oder durch chemische und anschließende Wärmebehandlung,

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BADORlOfNAl.

■ Wenn z.B. der Kunststoff durch Anwendung einer Strahlung vernetzt werden soll, so wird, nachdem die Elektroden in der obenbeschriebenen Weise eingebettet wurden, gemäß der Erfindung der ganze Widerstand einer Elektronenstrahlung von 1 bis 2 Millionen Elektronenvolt in einer Stäck-o von 50 bis 10ü Megarad unterworfen. Es kann gemäß der Erfindung auch eine andere Strahlenquelle etwa gleicher Intensität benutzt werden. Eine solche Strahlung wird in jedem Fall zunächst gegen die eine Stirnseite des Widerstandes gerichtet und dann gegen die andere und gegebenenfalls weitere Flächen\ auf diese Weise werden die Enden des Widerstandes in bestimmter Tiefe und insbesondere die !Teile, in denen die Elektroden eingebettet sind, ausreichend vernetzt, um das Material in einen praktisch nichtthermoplastischen Zustand zu versetzen. Die Vernetzung gemäß der Erfindung führt dazu, daß die Elektroden, die vom Kunststoff durchdrungen sind, sich an Ort und Stelle ineinander fest verklammern.

Soll die Vernetzung gemäß der Erfindung auf andere Weise, z.B. durch chemische Zusätze, bewirkt werden, so sollten solche Zusätze ausgewählt werden, die unverändert bleiben, wenn sie erhitzt werden, um den Kunststoff für den Einbau der Elektroden zu erweichen. Sie

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sollen aber bei den höheren Temperaturen wirksam sein, die bei der anschließenden Wärmebehandlung des Widerstandes notwendig sind. Mit anderen Worten sollen die Vernetzungszusätze so ausgewählt werden, daß sie bei härteren Bedingungen wirksam sind als denen, die für das Einbaxen der elektrischen Anschlüsse notwendig sind. Es sind solche Typen zu bevorzugen, die eine Aktivitätsschwelle aufweisen, die um 6° - 9^⁰G über der Temperatur liegt, die notwendig ist, um das erweichte thermoplastische Material mit den Elektroden zu verschweißen.

Beispiele geeigneter Vernetzungsmittel, die je nach dem verwendeten thermoplastischen Material ausgesucht werden müssen, sind:

Für Polyolefine wie z.B. !Polyäthylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Halogenderivate von Polyäthylen und Copolymerisate oder Mischungen dieser Stoffe kommen Vernetzungsmittel wie z.B. organische Peroxide in Präge.

Hir andere thermoplastische Polymerisationsprodukte sind Vernetzungsmittel zu verwenden, wie sie auf diesem Gebiet gebräuchlich sind. So kommen für Epoxydharze Vernetzungs-

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mittel wie Hexachloroendomethylen-Tetraphthalsäureaniiydrid in Frage; im allgemeinen auch Verbindungen, die aktiven Wasserstoff enthalten, wie z.B. Carboxyl- und Hydroxylgruppen.

Die Vernetzung findet zweckmäßig in demselben Bereich statt, in der zur Einbettung der Elektroden die erste Erhitzung stattgefunden hat. Beide Wärmebehandlungen können anschließend nacheinander erfolgen oder in getrennten Schritten. In jedem Fall muß die Temperatur in dem maßgeblichen Bereich um die Elektroden herum so erhöht werden, daß in diesem Gebiet eine Vernetzung durch die Zusätze infolge der- Wärmebehandlmg und der damit verbunden chemischen Reaktion eintritt„ Die Erhitzung kann mit Hilfe des elektrischen Stromes oder aber auch in einem Heizofen vorgenommen werden. Eine zusätzliche Erwärmung des mittleren Teiles des Widerstandselementes kann durch Ofenbehandlung oder durch dielektrische Hochfrequenzerhitzung erfolgen.

Im allgemeinen liegen die chemischen Vernetzungstemperaturen zwischen 107° - 24-9°C, vorzugsweise zwischen 163° - 232⁰C. Das Widerstandselement gemäß der Erfindung

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ist nach der Yernetzungsbehandlung in der einen oder anderen Weise verhältnismäßig steif und besitzt eine gummiartige Kaasistenz, selbst wenn Temperaturen in Höhe von 288⁰O benutzt wurden. Dabei behält es im wesentlichen seine elektrischen Eigenschaften und es kann deshalb für einen großen Bereich verschiedener Anwendungen als ein Widerstandselement benutzt werden, des einen relativ niedrigen und nahezu'konstanten oder nur leicht

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anwachsenden Widerstand über ein beträchtlichen Temperaturbereich besitzt, das aber seinen Widerst'andswert plötzlich und stark ändert, wenn die Temperatur eine kritische Grenze überschreitet.

Eine andere Technik gemäß der Erfindung, um Widerstände am laufenden Band mit Maschenelektroden zu erzeugen, ist in der Figur 10 schematisch dargestellt. Eine Strangpresse 4-0 bekannter Bauart für Kunststoffe kann benutzt werden, um einen laufenden Profilstab 41 des Kunststoffmaterials mit den darin befindlichen leitenden Teilchen auszupressen. Der Stab soll nach dem Auspressen vorzugsweise einen I-förmigen Querschnitt, wie dargestellt, aufweisen, und läuft, während er sich

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noch im erwärmten Zustand befindet, zwischen den Rollen 42,43 oder anderen Mitteln hindurch, um auf diese Weise Streifen 44 und 45 aus drahtnetz oder anderem Maschenmaterial für die Elektroden in die gegenüberliegenden Seiten des ausgepreßten Kunststoffstabes drücken zu lassen. Wird ein ausreichender Druck ausgeübt, so werden die Drahtnetzstreifen in die Oberfläche des Kunststoffmaterials eingedrückt und dort eingebettet, wie dies mit 46 bezeichnet ist. Anschließend kann der Gesamtstreifen in kurze Längen geschnitten werden, von denen jede einen Widerstand darstellt. Ein solcher ist in Figur 11 mit 47 bezeichnet; erbesitzt Elektroden, die mit 44¹ und 45' bezeichnet sind. Das Maschenmaterial, das für die Elektroden benutzt wird, soll vorzugsweise eine größere Breite besitzen als die gegenüberliegenden Stirnseiten des Kunststoffstabes, um freie Ränder zu erhalten, an denen Zuleitungsdrähte günstig befestigt, z.B. angelötet werden können. Die Vernetzung des Kunststoffmaterials durch einer der oben angegebenen Verfahren, kann entweder vor oder nach dem Zerschneiden des Stabes in getrennte Widerstände durchgeführt werden.

Die Erfindung kann verschieden ausgestaltet werden, wenn

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man die große Zahl an thermoplastischen Kunststoffen "betrachtet, die mit elektrisch leitenden Teilchen, die eingebettet werden, leitfähig gemacht werden. Es können aber auch andere Methoden hierfür gewählt werden. So hat es sich gezeigt, daß die Erfindung besonders wertvoll ist unter Verwendung von Polyolefin-Kunststoffen, wie z.B. Polyäthylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Halogen-Derivaten von Polyäthylen, wie z.B. PoIytetrafluoräthylen, Trifluor-iuonochloräthylen, Oopolymerisaten oder Mischungen davon. Um Widerstände aus diesen Kunststoffen für eine Vielzahl von Arbeitsspielen geeignet und um die Elemente widerstandsfähig zu machen, kann ein beträchtlicher Prozentsatz an härtendem Material zur Masse zugegeben werden, wie z.B. Phenolformalaldehyd, Melaminkunstharze oder Polyurethane. Es können zusätzlich Epoxydharze benutzt werden, die anfangs thermoplastisch sind, ferner thermoplastische Elastomere, wie z.B. Silicongummi, sowie andere thermoplastische Materialien, sofern sie nur durch Strahlung, durch chemische Zusätze oder durch Wärmebehandlung eines Systems, das aus mehreren oder vielen Komponenten besteht, vernetzt werden können.

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Diese Kunststoffe sollen gemäß der Erfindung fein aufgeteilte leitende Teilchen enthalten, um sie elektrisch leitend zu machen. Beispiele hierfür sind fein zerteilte Metalle, Legierungen, nichtmetallische Leiter, Metallsalze usw. 'Beispiele der ersten Gruppe sind Eisen, Kupfer, Chrom, Titan, Wolfram, Platinmetalle, Bor, Sil-icium, Silber, Goltfund Aluminium. Silber wird zweckmäßig in kolloidaler Form benutzt. Vorzugsweise wird als fein zerteiltes leitendes Material Kohlenstoff in der amorphen Form, insbesondere Ruß verwendet. Die Größe der leitenden Teilchen ist im allgemeinen zwischen 0,01 bis 1,0 Mikron. Sie stellen etwa 25 bis 75% des Volumens des thermoplastischen Widerstandselementes dar. Wenn gemäß der Erfindung Materialien wie Polyäthylen benutzt werden, so liegt die kritische Temperatur in der Nähe des söge- · nannten Krystallisationspunktes, bei dem die Bindungskräfte zwischen den langen Molekülketten nicht mehr wirksam sind.

Es wird angenommen, daß dies ein Grund für die überraschende Eigenschaft solcher Widerstände ist, plötzlich und stark im Widerstandswert anzusteigen, wenn die Temperatur einen kritischen Punkt übersteigt. Wenn der Widerstand nach der Erfindung aus Polyäthylen gemacht ist mit etwa 40 Volumenprozent Kohleteilchen darin, so beträgt der

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Widerstand bei Zimmertemperatur etwa 0,4- Ohn/om, der nur ganz langsam anwächst, wenn die Temperatur bis 11i°C ansteigt. Oberhalb dieser Grenze tritt ein sehr scharfes Ansteigen des Widerstandswertes mit der Temperatur ein, z.B. ein Ansteigen um 600%, wenn die Temperatur von ungefähr 123,9 bis 1^0 0 ansteigt.

Die gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele und Möglichkeiten der Erfindung sollen keine Beschränkung darstellen; es ist einleuchtend, daß der auf diesem Gebiet tätige !Fachmann auch andere Ausführungsarten finden wird.

Es soll noch besonders vermerkt werden, daß folgende Merkmale der Erfindung auch selbständige Bedeutung besitzen und nicht nur für Widerstände der angegebenen Art, sondern ganz allgemein (wo vorteilhaft) anwendbar sind i.

1. Die Maßnahme gemäß der Erfindung, das Kunststoffmaterial an Ort und Stelle mit den eingebetteten. Elektroden zu vernetzen,

2, Die Maßnahme gemäß der Erfindung, Elektroden von be-

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'. trächtlicher Quer schnitt sf lache maschen- bzw. netzartig auszubilden und in das Kunststoffmaterial einzubetten und

5. Die Maßnahme gemäß der Erfindung, den mittleren Teil des Bauelementes gegenüber den Enden einzuschnüren bzw. umgekehrt die für die Elektroden bestimmten Enden querschnittsmäßig großer zu gestalten als den mittleren Teil.

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Claims

- 27 Patentansprüche:

1. Mit Elektroden versehenes elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus vernetzbarem und leitend gemachtem überwiegend thermoplastischem Kunststoff besteht, der nach Einbettung der Elektroden zumindest in deren Bereich vernetzt worden ist.

2. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff durch feine leitende Teilchen in gleichmäßiger Verteilung leitend gemacht ist.

3. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement, vorzugsweise nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden maschenartig gestaltet (Maschenelektroden) und nach dem Einbetten in d$n Kunststoff mit diesem zumindest in einer gewissen Tiefe durch Vernetzen verbunden sind.

4. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement, vorzugsweise nach Anspruch 1 und

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einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Maschenelektroden über eine "beträchtliche Fläche des Kunststoffmaterials erstrecken.

5. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Maschenelektroden ungefähr entlang den Äquipoten-tialflachen senkrecht zum Stromverlauf zwischen den Elektroden des Bauelementes erstrecken.

6. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement, vorzugsweise nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Widerstandselementes an den für die Elektroden bestimmten Enden größer ist als in der Mitte.

7. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses in einem isolierenden Kunststoff eingebettet ist.

8. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet,

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ORlGiNAi INSPECTED

daß auch die Elektroden und Teile der Verbindungsdrähte mit eingebettet sind.

9. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Umhüllung eine Kühlscheibe enthält.

10. Elektrisches Bauelement, insbesondere elektrisches Widerstandselement nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlscheibe im Bereich des geringsten Querschnittes des Bauelementes angebracht ist.

11. Anwendung der Maßnahmen nach Anspruch.1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche auf Widerstände, bei denen der Widerstandswert sprunghaft ansteigt bzw. absinkt, wenn eine bestimmte kritische Temperaturgrenze überschritten ■ bzw. unterschritten wird.

12. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauelementen, insbesondere elektrischen Widerstandselementen nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material zunächst durch Erwärmung erweicht wird, um die Elektroden einzubetten, und alsdann einer besonderen Behandlung zur Vernetzung mit den Elektroden an Ort und Stelle (in situ) unterworfen wird.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das vernetzte thermoplastische Material in den Maschen-Öffnungen der Elektroden verankert ist.

, Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material zunächst auf eine Temperatur erhitzt wird, um die Maschenelektroden einzubetten, und daß alsdann die Temperatur weiter erhöht wird, um eine Vernetzung in Anwesenheit eines Zusatzstoffes zu "bewirken.

15. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernetzung durch Bestrahlung des thermoplastischen Materials erfolgt, um mindestens bis zu einer gewissen Tiefe eine Vernetzung zu bewirken.

16. Verfahren nach Anspruch 12 und 13 und einem oder mehreras der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettung der Maschenelektroden am laufenden Band durch Eindrücken eines Elektrodenstreifens vorzugsweise auf beiden Seiten eines erweichten thermoplastischen Kunststoffstabes erfolgt, der anschließend in einzelne Bauelemente, insbesondere elektrische Widerstandselemente zerschnitten wird.

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ORIGINAL INSPECTED

17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des als Maschenelektrode bestimmten Streifens größer ist als die Breite der Stirnseiten des thermoplastischen Profilstabes, um auf diese Weise Anschlußränder für die weitere elektrische Verbindung zu erhalten.

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