DE68907905T2

DE68907905T2 - Heizelement und verfahren zur herstellung eines heizelementes.

Info

Publication number: DE68907905T2
Application number: DE68907905T
Authority: DE
Inventors: Robert Smith-Johannsen
Original assignee: SMITH JOHANNSEN ENTERPR
Current assignee: SMITH JOHANNSEN ENTERPR
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1989-01-30
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-01-31
Also published as: EP0417097B1; AU3037389A; NO880529D0; EP0417097A1; NO880529L; DE68907905D1; US5057674A; WO1989007381A1

Description

Die Erfindung betrifft ein selbstbegrenzendes elektrisches Heizelement entsprechend dem Hauptanspruch des Anspruchs 1, d.h. ein Heizelement mit zwei äußeren Halbleiterlagen, deren Temperaturkoeffizient (ZTC) Null ist, die voneinander durch eine Lage mit kontinuierlich positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) getrennt sind und die mittels zwei parallelen Elektroden mit Strom beaufschlagt werden, von denen eine mit einem Ende der ZTC Lagen in Kontakt steht und die andere parallele Elektrode mit der anderen ZTC Lage an deren entferntestem Ende in Kontakt ist.
Es sind verschiedene Akten selbstbegrenzender elektrischer Heizelemente bekannt, deren geometrische Ausbildungen ähnlich denjenigen sind, die gemäß der Erfindung bevorzugt sind. Solche Heizelemente sind z.B. bekannt aus der DE- C2-2 543 314 und den entsprechenden US Patenten 4 177 376, 4 330 703, 4 543 474 and 4 654 511.
Die in dem genannten deutschen Patent DE-C2-2 543 314 beschriebenen Heizelemente beziehen sich insbesondere auf Artikel, die mit Wärme herstellbar sind. Diese Artikel werden häufig zum Beschichten verwendet wie zum Beschichten von elektrischen Bauteilen und Kabelverbindungen. Der mit Wärme herstellbare Artikel ist so angeordnet, daß er das zu beschichtende Bauelement oder die Kabelverbindung umschließt, wonach der Artikel mit einer Stromquelle verbunden ist. Die Massen und Kombinationen von Schichten, welche den Artikel bilden, sind so ausgebildet, daß der Artikel auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, bei der der Artikel schrumpft und die elektrischen Elemente oder die Kabelverbindung umschließt.
Entsprechende Heizverbindungselemente sind auch in dem US- Patent 4 017 715 und EP-A1-0 237 223 beschrieben. Die Anforderungen an die in US 4 017 715 beschriebenen Elemente bestehen darin, daß bei Raumtemperatur der Widerstand in der ZTC Lage gr6ßer als der in der PTC Lage gebildete Widerstand ist. Aus dem US Patent 4 689 475 sind elektrische Heizeinrichtungen bekannt, die wenigstens eine Metallelektrode und in Kontakt mit dieser ein leitfähiges Polyiner umfassen, wobei die Metalloberfläche, welche mit dem leitfähigen Polymer in Kontakt steht, aufgerauht oder in anderer Weise behandelt ist, um die Haftung an dem leitfähigen Polymer zu verbessern. Die Metallelektrode ist vorzugsweise ein galvanisch erzeugter Überzug. Das leitfähige Polymer zeigt vorzugsweise PTC Verhalten. Die Elektroden dieser Einrichtungen bedecken die gesamte Fläche des Heizelements. Dabei gibt es nur eine Stromrichtung, nämlich diejenige, die auf dem kürzesten Weg durch die PTC Lage von einem Metallüberzug zu dem anderen führt. Obwohl die beschriebenen Einrichtungen angeblich selbstbegrenzende Heizelemente umfassen, sind ihre Charakteristiken von denjenigen, die gemäß der Erfindung erhalten werden, wesentlich unterschiedlich.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein selbstregelndes Heizelement zu schaffen, dessen eine Eigenschaft darin besteht, daß es bezüglich großen Spannungsanderungen bei oder nahe der Wärmeregeltemperatur verhältnismaßig unempfindlich ist.
Die Erfindung wird in erster Linie bezüglich zusammengesetzten Einrichtungen beschrieben, bei denen eine Komponente einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands (PTC) hat und die andere Komponente im wesentlichen einen Temperaturkoeffizienten (ZTC) des Widerstands von Null hat.
Ein inhärentes Problem der bekannten Einrichtungen, die lediglich von der Änderung des spezifischen Widerstands mit der Temperatur abhängen, bestand darin, daß bestimmte Betriebscharakteristiken der Einrichtung nicht immer erreichbar waren. Beispielsweise ist es höchst wünschenswert, eine vorgegebenene Leistungsabgabe innerhalb eines kleinen Temperaturregelbereichs aufrechtzuerhalten, und dieser Temperaturbereich fällt nicht immer mit der Anomalietemperatur zusammen, bei der die meisten Polymere ihre Ts (Schalttemperatur) haben und die eng mit dem Schmelzpunkt in dem Fall kristalliner Polymere verknüpft ist.
Ein Merkmal der Erfindung besteht deswegen darin, die Regeltemperatur der Einrichtung weiter von ihrem Kristallinenschmelzpunkt festzusetzen, da die Erfahrung gezeigt hat, daß ein PTC Bestandteil um so instabiler ist, je näher er an seinem Schmelzpunkt arbeitet.
Diese Merkmale werden entsprechend der Erfindung dadurch erreicht, daß die Bestandteile des Lagenaufbaus so ausgebildet werden, daß bei Raumtemperatur der Widerstand der PTC Lage zwischen den ZTC Lagen sehr viel geringer als der der kombinierten ZTC Lagen ist, der seinerzeits sehr viel geringer als der Widerstand der PTC Lage zwischen den Elektronen ist, und wobei bei der Regeltemperatur der Widerstand in der PTC Lage zwischen den parallelen ZTC Lagen gleich dem Widerstand in den parallelen ZTC Lagen ist, wobei die Geometrie so geschaffen ist, daß bei Regeltempertur, bei der die Widerstände der beiden Bestandteile gleich sind, die pro Zeit- und Flächeneinheit erzeugte Wärme (Leistungsdichten) ebenfalls im wesentlichen gleich ist.
Dank diesen Beziehungen bei der Erfindung wirkt die PTC Lage bei Raumtemperatur als Kurzschluß zwischen den parallelen ZTC Lagen. Jedoch ist wegen der Geometrie der Widerstand zwischen den PTC Lagen sehr groß, wenn zunächst Spannung angelegt wird und die ZTC Lagen alleine Wärme entwickeln. Jedoch nimmt der spezifische Widerstand in der PTC Lage beim Anstieg der Temperatur zu, bis der Widerstand zwischen den ZTC Lagen gleich demjenigen der kombinierten ZTC Lagen ist. Geringfügig über dieser Temperatur wirken die beiden ZTC Lagen als Elektroden, und Wärme wird gleichmäßig in dem ganzen System erzeugt. Jeder weitere Anstieg der Temperatur irgendwo in der Fläche der ZTC Lagen setzt den Strom wirksam herab oder unterbricht diesen. In dieser Weise wirkt der PTC Bestandteil fast ausschließlich als Regler, während die ZTC Bestandteile als aktive Heizelemente arbeiten.
Bei Regelbedingungen wird Wärme über die gesamte Fläche selbst außerhalb der stromführenden Elektroden erzeugt, weil die ZTC Lagen als Elektroden wirken.
Weil der Anfangsstrom unabhangig von dem Widerstand der PTC Regellage ist, spielen Änderungen, die so groß sind wie zwei bis fünf mal des ursprünglichen PTC Widerstands bei Raumtemperatur, praktisch keine Rolle. Deswegen ist die Anfangsleistungsabgabe trotz eines beträchtlichen Maßes von Instabilitat in der PTC Lage unverändet.
Weiterhin wird die Abschalt- oder Regeltemperatur nur wenig durch große Spannungsänderungen beeinflußt. Da die Heizfunktion im wesentlichen durch die ZTC Lagen ausgeübt wird, haben diese Elemente fast keine Einschaltstromspitze.
Weil die ZTC Lagen die Hauptwärmequelle sind und die PTC Lage als der Regler in einer Stromrichtung senkrecht zu den ZTC Lagen wirkt, ist die "heiße-Linien"-Wirkung eines reinen PTC Widerstands vollständig beseitigt, und das Element erzeugt Wärme über seine gesamte Fläche, und die Temperatur wird fast unabhängig von Änderungen der Wärmeverluste geregelt.
Weil der PTC Bestandteil eine gleiche Fläche wie die parallelen ZTC Bestandteile aufweist, tritt die größte Leitungsdichte in dem PTC Bestandteil auf, wenn die Widerstände gleich sind, und bei höherer Temperatur nimmt die Leistungsdichte rasch ab. In dieser Weise wird der PTC Bestandteil nie hoch beansprucht, was zu einer langen und stabilen Lebendauer führt.
Das kritische und einzige Erfordernis der Erfindung ist die Begrenzung, die der Leistungsdichte bei der Regeltemperatur auferlegt ist. In den älteren Patenten wird vieles über den Widerstand und den spezifischen Widerstand der beiden aktiven Bestandteile ausgeführt, jedoch ist nirgends die Leistungsdichte bei Regeltemperaturen erwähnt. Daß diese nicht als ein Faktor erkannt wurde, kann anhand der Beispiele der erwähnten Patente gezeigt werden. Diese zeigen klar, daß man sich lediglich bemühte, die effektive Ts der Elemente zu regeln und daß der kritischen Wirkung der relativen Leistungsdichte keine Beachtung geschenkt worden ist (tatsächlich noch nicht einmal die Erkenntnis des Problems vorlag).
Weiterhin kann das in den älteren Patenten beschriebene Versuchsverfahren nicht benutzt werden, um alle gezeigten Ausführungsbeispiele auszuwerten, weil dies eine falsche Angabe der zu erwartenden Leistungsfähigkeit bei Eigenerwärmungs-Bedingungen ergeben wurde. Bei dem beschriebenen Versuchverfahren wurde das Heizelement mit einer geringen Eingangsleistung beaufschlagt, um die Änderung der spezifischen Widerstands des gesamten Elements zu messen, jedoch wurde die Temperatur durch eine äußere Quelle geregelt, die deswegen nicht auf die Wärme ansprach, die getrennt in den beiden Bestandteilen erzeugt wurde. Dies war wichtig, weil in vielen Fällen die Fläche der beiden Bestandteile unterschiedlich ist. Deswegen würde bei einer Eigenerwärmungs-Betriebsweise solch ein Element mit einem verhältnismäßig kleinen PTC Bestandteil, der jedoch den gleichen Widerstand wie der ZTC Bestandteil bei Regeltemperatur aufweist, ein Uberhitzen der PTC Lage ergeben, was leicht zu einem Ausfall führen kann.
Der Sinn der Heizelemente, die in US 4 017 715 beschrieben ist, besteht darin, ein Mittel zu schaffen, den Schmelzpunkt der PTC Lage (wenn auch nur zeitweise) zu überschreiten. Andererseits erlegt die Bauweise der Elemente, die in einigen der anderen älteren Patente beschrieben wurde, keine Grenzen der TemPeratur auf, die in der PTC Lage aufgrund der Leistungsdichte oder Temperaturgradientenwirkungen auftritt.
Viel ist über die sogenannte "heiße-Linien"-Wirkung geschrieben worden, bei der aufgrund des positiven Widerstandskoeffizienten eines PTC Elements die Tendenz zu einer ungleichmäßigen Wärmeentwicklung entlang einer Linie besteht, die mitten zwischen den beiden Elektroden liegt. Dies trifft vor allem zu, wo höhere Leistungsdichten auftreten, oder speziell dort, wo ein ungenügender Wärmeverlust auftritt, so daß sich ein Teil des PTC Films überhitzt. Ein anderes Ergebnis der heiße-Linien-Wirkung besteht darin, daß der Spannungsgradient in dem Gebiet der heißen Linie sehr groß wird, und daß ein Ausfall tatsächlich wegen eines dielektrischen Durchbrucheffekts auftreten kann. Jedenfalls muß der Spannungsgradient bei Regeltemperatur, wenn die Widerstände gleich sind, ebenfalls gleich sein, sowohl als Ergebnis gleicher Geometrie als auch eines 100-prozentigen elektrischen und thermischen Kontakts, um die Stabilität zu fördern.
Der PTC Teil eines Reihen PTC-ZTC Elements kann nicht die Leistung des gesamten Elements abschalten, bis sein Widerstand gleich dem Widerstand des ZTC Teils bei dieser Temperatur und dann dessen Widerstand überschreitet. Die Temperatur, welche jede der Komponenten des Elements erreicht, ist eine Funktion der bei dessen individuellem Betrieb eigenen Leistungsdichte, und wenn die Leistungsdichte in dem PTC Bestandteil sehr hoch ist, wenn die Abschaltung erfolgt, kann dessen örtliche Temperatur sehr hoch sein.
Polymere PTC Materialien sind bekanntermaßen nahe bei oder über dem Schmelzpunkt des Kunststoffs instabil, der seinerseits mit der Ts Temperatur verknüpft ist.
Deswegen ist ein kritischer Faktor der Erfindung, Reihen PTC-ZTC Elemente zustellen, bei denen der PTC Bestandteil seine begrenzenden Wirkung bei Temperatruren ausübt, die nennenswert unter dem Schmelzpunkt des Kunststoffs liegen oder etwas unter dessen Ts Temperatur liegen. Um dies zu erreichen, ist es deswegen wesentlich, daß die Wärmeentwicklung oder die Leistungsdichte des PTC Bestandteils die Leistungsdichte des ZTC Bestandteils bei Regeltemperatur nicht überschreiten darf.
Wenn die gleiche Terminologie wie in den erwähnten älteren Patenten benutzt wird, ist der PTC Bestandteil des Typs 3 oder 4 gegenüber den scharfen Abschaltungen, die für Typen 1 und 2 abgebildet sind, zu bevorzugen. Mit einem solchen PTC Bestandteil und unter der Annahme, daß das Abschalten des Reihenelements auftritt, wenn R(PTC) = R(ZTC) ist, kann die Abschalttemperatur über einen großen Bereich und sicher unter dem Schmelzpunkt des Kunststoffs oder dessen Typ 1 Ts geregelt werden. Tatsächlich wäre die Verwendung eines nicht-kristallinen Polymers mit genügenden Ausdehnungskoeffizient, aber keinem wirklichen Schmelzpunkt wünschenswerter. Wegen der den PTC Bestandteilen innewohnenden Instabilität und besonders nahe dem Schmelzpunkt (z.B. Ts) des kristallinen Polymers ist deswegen wichtig, begrenzende Temperaturen zu entwickeln, die genügend unter dem Schmelzpunkt des Polymers im PTC Bestanteil liegen, oder ein geeignetes nicht-kristallines Polymer zu verwenden. Dies steht im Gegensatz zu den Ausbildungen, welche durch frühere Bearbeiter des einschlägigen Gebiets entwickelt wurden, wo das Abschalten so dicht wie möglich bei der Ts Temperatur des Matrixpolymers gewünscht war.
Das Verhältnis zwischen den Leistungsdichten bei der Abschalttemperatur, d.h. wo die Widerstände der beiden Bestandteile gleich sind, stellt ein beachtliches Resultat der Erfindung dar. Beispielsweise gilt das gleiche Prinzip für eine Serienkonstruktion zwischen parallel einander gegenüberstehenden Elektroden. Hier ist wiederum die PTC Regellage vor überschüssigen Spannungsgradienten und Leistungsdichten durch die übereinstimmenden Lagen der ZTC oder NTC Materialien geschützt.

Claims

1. Selbstbegrenzendes elektrisches Heizelement mit zwei äußeren Halbleiterlagen (1,2;11,12), deren Temperaturkoeffizient (ZTC) Null ist, die voneinander durch eine Lage (3;13) mit kontinuierlich positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) getrennt sind und die mittels zwei parallelen Elektroden (4,5;14,15) mit Strom beaufschlagt werden, von denen eine mit einem Ende der ZTC Lagen in Kontakt steht und die andere parallele Elektrode mit der anderen ZTC Lage an deren entferntestem Ende in Kontakt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Widerstände der PTC und ZTC Bestandteile die folgenden Charakteristiken aufweisen:

bei Raumtemperatur:

RPTC1 « RZTC « RPTC2

und bei Regeltemperatur

RPTC1 = RZTC,

worin RPTC1 der elektrische Widerstand ist, der über der PTC Lage gemessen wird,

worin RZTC der Widerstand der beiden ZTC Lagen ist, die parallel geschaltet sind, von denen jede einen Widerstand von 2 RZTC hat,

worin RPTC2 der zwischen den Elektroden (4,5;14,15) entlang der PTC-Bahn gemessene Widerstand ist, so daß bei der Regeltemperatur die pro Zeit- und Flächeneinheit erzeugte Temperatur, d.h. die Leistungsdichte, der PTC Lage und die Leistungsdichte der beiden ZTC Lagen im wesentlichen gleich sind.

2. Heizelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß bei Raumtemperatur in einem Element mit Seiten d l wobei l = d, eine Dicke t(PTC) der PTC Lage und eine kombinierte Dicke t(ZTC) der beiden ZTC Lagen sind, das Verhältnis des spezifischen Widerstandes der PTC Lage zu demjenigen der ZTC Lagen beträgt: d²/(t(PTC) t(ZTC).

3. Verfahren zum Herstellen eines Heizelements nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die PTC Lage (3;13) aus 20 bis 50 Teilen eines Kohlenrußes aus großen Teilchen wie "Elftex" (Wz) Ruß in 100 Teilen eines thermoplastischen Kunststoffs wie PE oder EVA besteht und daß der Verbund in einem 0,025 bis 0,20 cm dicken Film mit einem geforderten spezifischen Widerstand geformt ist.

4 Verfahren zum Herstellen eines Heizelements nach Anspruch 1, 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die ZTC Lagen (1,2;11,12) aus einem Glasstoff hergestellt sind, der mit einer wässrigen Dispersion hoch leitfähigen Kohlenrußes, z.B. "Ketchen Ruß" (Wz) getränkt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß der ZTC Kohlenruß durch eine Fluid-Energie-Maschine zusammen mit 5 bis 30 Gewichts% einer etwa 40%igen wässrigen kolloiden Kieselsäure, z.B. DuPont "Ludox HS- 40" (Wz) geleitet wird und daß diese Mischung zusammen mit Polyäthylenimine in Wasser dispergiert ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß das ZTC Kohlenrußgemisch mit einem Binder modifiziert ist, der aus einem Acryllatex, Ton und wässriger kolloider Kieselsäure und außerdem Polyäthylenimine besteht, wobei der Binder in einem Verhältnis vorliegt, welches die gewünschte Widerstandsgröße des beschichteten Stoffes erzeugt.