DE1665309A1

DE1665309A1 - Elektrischer Widerstand

Info

Publication number: DE1665309A1
Application number: DE19661665309
Authority: DE
Inventors: Richard Philipp
Original assignee: METRO FINANZ Ets
Current assignee: METRO FINANZ Ets
Priority date: 1966-01-03
Filing date: 1966-01-03
Publication date: 1970-02-19
Also published as: ES335091A1; BE692141A; SE327752B; DE1665309B2; NL6618218A; FR1604521A; CH456741A; DK122241B; AT269996B

Description

B. W'inhwjstr.

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Metro-Finanz Etablissement in Vaduz/Liechtenstein Elektrischer Widerstand

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand, der einen in Form elektrisch leitender Teilchen in einen isolierenden Trägermaterial (z.B. Kunststoff) mindestens teilweise eingebetteten elektrischen Widerstandsstoff (z.B. Kohlenstoff) aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägermaterials größer als der des Widerstandsstoffes ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Schichtwiderstand für Heizzwecke, der aus in Pulverform vorliegendem Kohlenstoff, z,B. Graphit oder Ruß, als Widerstandsstoff besteht, welcher in ein elektrisch nicht oder nur sehr wenig leitendes Trägermaterial, z«B. Kunststoff, eingebettet wird und der ohne Regulierung durch einen Thermostaten bei Erhöhung der Temperatur selbsttätig seine Stromaufnahme vermindert und damit weniger Wärme nachliefert,

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Gemäß der Erfindung ist der elektrische Widerstand der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, datt die uielektrische Verlustziffer £_ · tang (f des verwendeten Trägermaterials für die Betrieosfrequenz mindestens in dem Temperaturoereich zwischen vorgesehener Endtemperatur des Trägermaterialε und dessen beginnender Erweichung mit steigender Temperatur aDnimmt oder wenigstens gleich oleiot.

Es wurde bereits ein Widerstand oeschrieben, bei dem das elektrisch nicht leitende, die elektrisch leitenden Teilchen des Widerstandsscoffes umnüllende Trägermaterial einen nöneren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als der widerstand·- stoff. Dadurch werden Dei zunenmender Temperatur üie elektrisch leitenden Teilchen, die sicn in einem mehr oder weniger guten elektrischen Kontakt miteinander befinden, immer weiter voneinander entfernt, wobei die Anzahl der Kontaktstellen abnimmt, was zur Erhöhung des ohmschen Widerstandes führt. Der Stromfluß in einem solchen Widerstandsmaterial müßte in einem bestimmten, durch die Wanl der Zusammensetzung einstellbaren Temperaturbereich nahezu unterbrochen werden· Nach den Gleichungen für die thermische ausdehnung müßte angenommen werden, daß die Zunahme des ohmschen Widerstandes dem Temperaturanstieg annähernd direkt proportional ist«

Tatsächlich wird diese Annahme bei Schichtwiderständen aus gleichem Widerstandsstoff (Kohlenstoff), aber voneinander verschiedenen Trägersubstanzen (Kunststoffe) bei niedrigen Temperaturen bestätigt» In höheren Temperaturbereichen, wie z.B. bei

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den gewünschten Aoschalttemperatüren, ist aber die Zunahme des ohmschen Widerstandes weit geringer und damit die Wärraeproduktion höher als erwartet. Daraus muß geschlossen werden, daß für die gesamte Wärmeentwicklung nicht allein die Joule'sehe Wärme, die bei echter stromleitung entsteht, maßgebend ist, sondern daß auch noch auf andere Weise Wärme entwickelt wird.

Diese zusätzliche Wärme - und das wurde bisher nicht bekannt oder erkannt - entsteht folgendermaßen:

Bei der Anwendung von Wechselstrom erzeugen die elektrischen Wechselfelder im isolierenden Trägermaterial (Kunststoff) eine ständige Unipolarisation der Elementarteilchen. Hiermit ist eine Energieumsetzung in Wärme verbunden. Man bezeichnet diese schon bei mäßigen Frequenzen merklichen Beträge als dielektrische Verluste· Ihre Größe hängt außer von der Frequenz f, der Kapazität C, der Anordnung und der Spannung U an den Elektroden noch von dem Verlustfaktor tang <f ab, worin if der sogenannte Verlustwinkel ist»

Die Größe der Verluste P_y berechnet sich aus der Formel: P_y = 2iTf.C»ü² » tangcf

Dabei sind tangff und auch die Dielektrizitätskonstante £ (die mitbestimmend ist für die Größe der Kapazität C) sowohl von der Frequenz, die im vorliegenden Falle durch die Netzfrequenz vorgegeben ist, als auch von der Temperatur abhängig· So steigt z.B. bei vielen als Einbettungsmaterial in Frage kommenden Stoffen die Größe tang <f von einer bestimmten Temperatur ab

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steil an» Oowohl in dem Widerstandsmaterial bei Erwärmung durch die Unterbrechung der otrombahnen nur noch wenig Joule'sehe Wärme erzeugt werden kann, ist eine weitere Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme aus den oben geschilderten Gründen dennoch möglich, wenn aas die leitenden Teilchen umgebende Trägermaterial in diesem Temperaturbereich eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen großen dielektrischen Verlustfaktor tang <f aufweist. In jedem Widerstandsmaterial, das auf die oereits bekannte weise wirken soll, müssen also zwangsläufig dort sowohl der beschriebene, als auch der erst hier aufgezeigte Effekt gleichzeitig wirken.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, den Effekt einer regulierten Wärmeerzeugung ohne Thermostaten dadurch sicher zu erreichen, daß bei dem Widerstandsmaterial (bestehend z.B. aus in vorzugsweise unpolar gebauten Kunststoffen wie Polyolefine, z.B. Polypropylen, Polyäthylen, Polybutylen oder in ein Gemisch aus solchen, eingebettetem pulverförmigem Kohlenstoff), welches einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes besitzt, das Trägermaterial nach seinen Eigenschaften als Dielektrikum, nämlich den temperaturabhängigen Größen £ und tang 6 , ausgesucht wird. Die dielektrische Verlustziffer (Otang cf ) dieses Trägermaterials, z.B. Kunststoff, soll entweder in dem für die Wärmeerzeugung vorgesehenen Temperaturbereich (z.B. 20 - 60° C) größer sein, also zur Joule¹ sehen Wärmeentwicklung beitragen, als jen-

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seits dieses Bereiches (z.B. über 60° C), in dem eine Abnahme der Wärmeerzeugung zur Selbstregulierung der Temperatur als Sicherung gegen Überhitzung des Widerstandsmaterials und damit Schmelzen des Kunststoffes gewünscht wird, oder es soll €«tangif in dem vorgesehenen Heizbereich konstant bleiben und mit steigender Temperatur keinen progressiven Anstieg oder ein Maximum im Bereich der gewünschten Heizleistungsverminderung (z.B. zwischen 70 und 100° C, wenn die Schmelztemperatur des Kunststoffes zwischen 80 - 100° C liegt) zeigen. Kunststoffe der ersteren Art sind z.B. verschiedene Polyäthylentypen, Kunststoffe der letzteren Art sind z.B. manche PVC-Typen,

Diese Forderungen erfüllen z.B. gewisse Silikonlacke und Silikonkautschuklacke sowie auch Poly-Halogenwasserstoffe wie z.B. Polytetrafluorethylen. Denn gerade bei höheren Temperaturen, bei denen di· direkten Strombahnen zum Teil unterbrochen werden, könnte sonst für die Stromaufnahme der kapazitive Widerstand eine größere Holle spielen als der ohmsche Widerstand.

Da an das Einbettungsmaterial, z.B. bei der Herstellung von Flächenheizleitern geringer Schichtdicke, in vieler Hinsicht besondere Ansprüche gestellt werden müssen (z.B. gute mechanische Eigenschaften, hohe Erweichungstemperaturen) und diese sich möglicherweise mit den geforderten Eigenschaften als Dielektrikum nicht vereinen lassen, bietet sich als Ausweg folgende Möglichkeit;

Durch die Auswahl eines di· leitenden Teilchen umhüllenden Isolierstoffes mit für dies« Zwecke besonders günstigen dielek-

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trischen Eigenschaften und niedrigerem Schmelzpunkt als aas Trägermaterial kann ein mäßiger Anstie_fo dessen dielektrischen Verlustfaktors oei Temperaturerhöhung im kritischen Bereich zwischen der erwünschten Höchsttemperatur und oeginnender Erweichung des Widerstandsmaterials annähernd kompensiert weraen (z.B. durch Versetzen des im Kunststoff einzuoettenden Leitpigmentes mit einem dielektrisch möglichst verlustfreien Kaoelisolationsöl und guter Homogenisierung bei etwas erhöhter Temperatur zur besseren Durchdringung, so daß die leitenden Teilchen möglichst gleichmäßig damit benetzt werden).

Dieses Geschriebene elektrische Widerstandsmaterial kann nun entweder "selbsttragend" ohne weitere Zusätze oder Armierungsmittel zur Steigerung der mechanischen Stabilisierung zur Folie kalandriert oder zur Folie oder einer anderen geeigneten Form extrudiert werden.

Es kann dieses Widerstandsmaterial aber auch zur Steigerung seiner mechanischen Festigkeit auf ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial (wie z.B. Papier, Asbestpapier oder eng- oder auch weitmaschige Gewebe aus Kunststoffen wie Diolen, Trevira etc« oder Asbest oder Glasfaser) aufgebracht werden, z.B. durch aufkalandrieren, Kaschieren, Imprägnieren, durch Tauchen oder Spritzen, sofern es sich um verflüssigtes Widerstandsmaterial in Form eines Lackes, einer Dispersion in einer flüssigen Phase oder einer Schmelze des Einbettungsmaterials handelt, in dem der eigentliche Widerstandsstoff, die Kohlenstoff teilchen, homogen verteilt bleiben.

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Claims

Patentansprüche

1, Elektrischer Widerstand, der einen in Form elektrisch leitender Teilchen in einem isolierenden Trägermaterial (z.B. Kunststoff) mindestens teilweise eingebetteten elektrischen Widerstandsstoff (z.B. Kohlenstoff) aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägermaterials größer als derjenige des Widerstandsstoffes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Verlustziffer £L«tang«f des verwendeten Trägermaterials für die Betriebsfrequenz mindestens in dem Temperaturbereich zwischen vorgesehener Endtemperatur des Trägermaterials und dessen beginnender Erweichung mit steigender Temperatur abnimmt oder wenigstens gleich bleibt.
2. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Verlustziffer i-tangd eines oder mehrerer, den Widerstandsstoff umhüllender, gemeinsam mit diesem in das Trägermaterial eingebrachter Isolierstoffe, die einen niedrigeren ErwAchnngspunkt als das Trägermaterial aufweisen, mindestens in dem Temperaturbereich zwischen vorgesehener Endtemperatur des Trägermaterials und dessen beginnende Erweichung mit steigender Temperatur abnimmt oder wenigstens gleich bleibt.
3· Elektrischer Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Verlustziffer <£.· tang <f des Trägermaterials und bzw. oder des oder der den Widerstandsstoff umhüllenden Isolationsstoffe in dem Temperaturbereich der Auf-

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heizperiode ansteigt und vor Erreichen der vorgesehenen Endtemperatur wieder abnimmt.
4. Elektrischer widerstand nach Ansprucn 2, dadurch gekennzeichnet, dafa die dielektrische Verlustziffer ^* tang ά des Trägermaterials einen steigenden schwacnen .-mstieg mit zunehmender Temperatur zeigt, wouei die den Widerstandsstoff umhüllenden Isolationsstoffe in dem Temperaturoereich zwischen vorgesehener lindtemperatur und Deginnender Erweichung des Wiaerstandsmaterials in ihrer dielektrischen Verlustziffer £· tan^ ti abnehmen oder mindestens konstant gleich oleiben.

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