DE2641894B2

DE2641894B2 -

Info

Publication number: DE2641894B2
Application number: DE2641894A
Authority: DE
Inventors: Charles Joseph Ghislain Belhomme; Andre Marcel Alfred Van Bokestal
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-09-23
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DK423076A; BE846406A; SE7610375L; GB1562610A; CA1071677A; FR2326103B1; FR2326103A1; US4104509A; JPS5240850A; DE2641894A1; NL7511173A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Heizelement mit mindestens einem mit Stromleitern versehenen Widerstandskörper aus einem keramischen Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, der innerhalb eines Gehäuses liegt und von einer wärmeleitenden elektrisch isolierenden Masse allseitig umgeben ist. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen selbstregelnden Heizelements. Der genannte Widerstandskörper wird nachstehend auch als PTC-Widerstand bezeichnet.

Derartige Widerstände bestehen gewöhnlich aus gesintertem, mit seltenen Erden, Antimon, Niob oder anderen Elementen dotiertem Bariumtitanat oder Gemischen desselben mit Stromtiumtitanat und/oder Bleititanat. Die Wärmeleitfähigkeit eines derartigen Materials ist verhältnismäßig niedrig, wodurch auch die Wärmeabgabe an die Luft niedrig ist. Bei Belastung erreicht der PTC-Widerstand unter diesen Bedingungen bereits bei einer verhältnismäßig niedrigen Leistungsaufnahme die Temperatur (Curietemperatur), bei der der Wideretand schnell zunimmt. Eine verhältnismäßig geringe weitere Temperaturzunahme führt dann zu einer verhältnismäßig großen Zunahme des Widerstandes. Dadurch wird der Leistung, die aufgenommen und in Form von Wärme abgeleitet werden kann, eine Grenze gesetzt.

Die Erfindung bezweckt u. a., bei einem Heizelement mit einem oder mehreren PTC-Widerständen als Wärmequelle die Wärmeableitung zu verbessern. Dabei wird ebenfalls die maximale Leistungsaufnahme vergrößert, weil die PTC-Widerstände die Curietemperatur bei einer verbesserten Wärmeableitung erst bei einer größeren Leistungsaufnahme erreichen. Ein Heizelement mit guter Wärmeableitung ist z. B. aus der britischen Patentschrift 13 06 907 bekannt.

In diesem bekannten Heizelement ist der PTC-Widerstand in einem Metallgehäuse untergebracht, während der Raum im Gehäuse, der nicht von dem PTC Widerstand eingenommen wird, mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit ausgefüllt ist. Obgleich die in dieser Konstruktion anwendbaren Flüssigkeiten im allgemeinen nicht besonders gut wärmeleitend sind, wird durch Konvexionsströmungen in der Flüssigkeit eine als genügend betrachtete Wärmeabgabe erzielt.

In der Praxis weist ein mit Flüssigkeit ausgefülltes Heizelement jedoch einige Nachteile auf. Das Gehäuse muß völlig flüssigkeitsdicht sein und bleiben, auch wenn die Flüssigkeit beim Betrieb des Elements erhitzt wird und sich auszudehnen sucht. Dies ergibt insbesondere bauliche Probleme bei der Herstellung der Durchführungen für die Stromleiter in dem Gehäuse. Außerdem muß möglichst vermieden werden, daß durch unsachverständlichen Gebrauch Leckstellen hervorgerufen werden, durch die eine heiße Flüssigkeit entweichen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein selbstregelndes Heizelement mit einem oder mehreren PTC-Widerständen zu schaffen, dessen Gehäuse und elektrisch isolierende Masse aus festem gut wärmeleitenden, elektrisch isolierendem Material besteht.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem selbstregelnden Heizelement erfüllt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die wärmeleitende elektrisch isolierende Masse und das Gehäuse aus einem Gemisch bestehen, das einen bei der höchsten Betriebstemperatur des Elements beständigen vulkanisierten Kunststoff, eine elektrisch isolierende wärmeleitende Metallverbindung und ein Füllmittel enthält.

Das Gemisch enthält Füllmittel, vorzugsweise feinverteiltes Siliciumdioxid und/oder gemahlenen Quarz, bis maximal 50Gew.% der Gesamimenge.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion im Betrieb der Temperaturunterschied zwischen dem PCT-Widerstand und der Außenseite des Gehäuses verhältnismäßig gering ist und bei einer genügenden elektrischen Isolierung weniger als 25°C betragen kann. Dadurch wird z. B. die Anwendung von PTC-Widerständen mit einer niedrigeren Curietemperatur möglich. Etwaige

Temperaturunterschiede auf der Außenseite des Gehäuses sind darüber hinaus gering. Letzteres wird noch tegünstigt, wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Gehäuse zylindrisch gestaltet ist. Dabei stellt sich heraus, daß es nicht notwendig ist, aber natürlich wohl möglich ist, die PTC-Widerstände ebenfalls zylindrisch auszuführen.

In der Praxis stellt sich heraus, daß als Kunststoff ein vulkanisiertes Silikongummi besonders geeignet ist. Im allgemeinen kann dieser Kunststoff während längerer Zeit bei Temperaturen von etwa 200°C und höher verwendet werden, was für die üblichen Anwendungen des Heizelementes ausreicht. Zum Erhalten einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung über die Außenseite des Gehäuses und eines möglichst geringen Temperaturunterschiedes zwischen dem PTC-Widerstand und der Außenseite des Gehäuses erweist es sich als günstig, die Menge der wärmeleitenden Metallverbindung und des Füllmittels in der Einbettmasse und dem Gehäuse so groß zu wählen wie in bezug auf die Verarbeitungsbedingungen und die mechanischen Eigenschaften nach Vulkanisierung des Kunststoffes der Masse und des Gehäuses höchstzulässig ist. Die wärmeleitende Metallverbindung kann z. B. aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Bornitrid, Zirkonsilikat, oder Gemischen solcher Stoffe bestehen. Die Anwendung von Magnesiumoxid wird aber, insbesondere in Verbindung mit der Anwendung eines vulkanisierten Silikongummis und feinverteiltem Siliciumoxide bevorzu°t, weil Magnesiumoxid ⁿreiswert ist und sich leicht verarbeiten läßt und günstige elektrisch isolierende und wärmeleitende Eigenschaften aufweist. Eine geeignete Masse zur Anwendung als Material für das Gehäuse enthält 60 bis 75Gew.% MgO 12,5-50 Gew.°/o feinverteiltes SiO₂ und 12,5—20Gew.% Silikongummi. Eine geeigente Einbettmasse besteht aus 15-42,5 Gew.% Silikomgummi, 7,5-70% MgO und 15—50Gew.% feinverteiltes SiO₂. Die anzuwendenden MgO- und Füllmittelmengen sind von der Temperatur abhängig, die auf der Außenwand des Gehäuses bei der Verwendung eines bestimmten PTC-Widerstandes erreicht werden soll. So stellte sich heraus, daß bei einem praktischen Beispiel mit einem PTC-Widerstand, der beim Betrieb eine Temperatur von 190°C erreichte, bei Anwendung einer Einbettmasse mit 65 Gew.% MgO, 17,5 Gew.% feinverteiltem SiO₂ und 17,5 Gew.% Silikongummi die Temperatur auf der Außenwand des Gehäuses etwa 170°C und bei Anwendung von 15 Gew.% MgO, 42,5 Gew. % feinverteiltem SiO₂ und 42,5 Gew.% Silikongummi in der Einbettmasse etwa 15O³C betrug. Ein geeignetes Magnesiumoxyd besteht zumindest für 80 Gew.% aus Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 100 und 400 Mikrometer, ein geeignetes feinverteiltes Siliciumdioxyd besteht zumindest für 80 Gew.% aus Teilchen mit einem Durchmesser bis höchstens 5 Mikrometer.

Das selbstregelnde Heizelement kann nach einem anderen Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren hergestellt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in einem ersten Schritt das Gehäuse aus einem Gemisch von Kunststoff und Füllmittel hergestellt und der Kunststoff vulkanisiert wird, in einem nächsten Schritt das Gehäuse mit der elektrisch isolierenden Masse ausgefüllt wird, die aus einem Gemisch von Kunststoff und Füllmittel besteht, und dann der (die) Widerstandskörper in das Gehäuse eingebracht wird (werden) und der Kunststoff vulkanisiert wird. Als Kunststoff können übliche käuflich erhältliche Produkte, wie kalt- und warmvulkanisierbare Silikongummiarten verwendet werden, die gegebenenfalls Verstärkungsmittel, wie feinverteiltes SiO₂, enthalten können. Sie werden auf übliche Weise mit der wärmeleitenden Metallverbindung und einer etwaigen ergänzenden Menge Füllmittel gemischt.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert, deren Figur teilweise im Schnitt eine Ausführungsform eines selbstregelnden Heizelementes darstellt.

In einem Gehäuse 1 aus einem Gemisch von Kunststoff und Füllmittel befinden sich drei PTC-Widerstände 2, 3 und 4, die über die Stromleiter 7 und 8 parallel miteinander verbunden sind. Die Stromleiter 7 und 8 sind durch Lot 5 und 6 mit den zu beiden Seiten der iTC-Widerstände 2, 3 und 4 vorhandenen Elektroden (nicht dai gestellt) verbunden. Die PTC-Widerstände sind in eine Masse 9 eingebettet, die ebenfalls aus einem Gemisch von Kunststoff, wärmeleitender Metallverbindung und Füllmittel besteht. Die Stromleiter 7 und 8 sind von der Stelle an, an der dies möglich ist, mit einer Isolierschicht 10 bzw. 11 versehen. Die mit Isolierschichten 10 und 11 versehenen Stromleiter 7 bzw. 8 werden beim H eraustreten aus dem Gehäuse I über einen gewissen A.bstand durch einen Isolierschlauch 12 zusammengehalten, der sich auch teilweise im Gehäuse 1 befindet. Die in der Figur gezeigte Ausführungsform eines selbstregelnden Widerstandselementes nach der Erfindung kann z. B. auf folgende Weise hergestellt werden.

Das Gehäuse 1 wird dadurch hergestellt, daß mit einer Spritzgußpresse in eine geeignete Matrize unter Druck eine Paste aus 15 Gew.% warmvulkanisierbarem Silikongummi, 15 Gew.% feinverteiltem SiO₂ und 70 Gew.% Magnesiumoxidpulver gespritzt und dann unter Druck und bei erhöhter Temperatur (160°C) während 15 Sekunden vulkanisiert wird. Im Gehäuse 1 wird danach mittels eines Dosiergerätes eine geeignete Menge einer Masse 9 angebracht, die ebenfalls aus 15 Gew.% warmvulkanisierbarem Silikongummi, 15 Gew.% feinverteiltem SiO₂ und 70 Gew.% Magnesiumoxidpulver besteht. Die Menge der Masse 9 wird vorzugsweise derart berechnet, daß beim Einführen der PTC-Widerstände 2, 3 und 4 keine Masse 9 aus dem Gehäuse herausgedrückt wird und die PTC-Widerstände 2,3 und 4 völlig umhüllt sind. Die PTC-Widerstände 2,3 und 4 werden mit den Anschlußdrähten 7 und 8 und dem Isolierschlauch 12 versehen und dann in das Gehäuse 1 eingeschoben. Die Masse 9 wird danach 5 Minuten lang bei 18O⁰C an der Luft vulkanisiert.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel war das Gehäuse 1 zylindrisch gestaltet und wies einen Durchmesser von 15 mm und eine Länge von 73 mm auf. Die Isolierspannung war mindestens 7 kV. Im Betrieb betrug die Temperatur auf der Außenseite des Gehäuses etwa 200°C ± 5°C. Der Temperaturunterschied zwischen den PCT-Widerständen und der Außenseite des Gehäuses 1 betrug etwa 2O⁰C. Mit einem Heizelement völlig gleicher Bauart, aber mit zwei PTC-Widerständen versehen und im Zusammenhang damit mit einer Länge des Gehäuses von 50 mm, wurden die gleichen Ergebnisse erzielt.

Heizelemente nach der Erfindung können z. B. in Lockenwickeln, Tauchsiedern zur Erhitzung von Flüssigkeiten, Bügeleisen, Kaffeemaschinen, Erhitzungsplatten (Rechauds), usw. verwendet werden. Das Heizelement nach der Erfindung weist eine große Zuverlässigkeit bei einem verhältnismäßig einfachen Aufbau auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstregelndes Heizelement mit mindestens einem mit Stromleitern versehenen Widerstandskörper aus einem keramischen Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, der innerhalb eines Gehäuses liegt und von einer wärmeleitenden elektrisch isolierenden Masse allseitig umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende elektrisch isolierende Masse und das Gehäuse aus einem Gemisch bestehen, das einen bei der höchsten Betriebstemperatur des Elements beständigen vulkanisierten Kunststoff, eine elektrisch isolierende wärmeleitende Metallverbindung und ein Füllmittel enthält.

2. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem vulkanisierten Silikongummi besteht.

3. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Metallverbindung aus Magnesiumoxid besteht.

4. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkende Füllmittel aus feinverteiltem SiO₂ besteht.

5. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zylindrisch gestaltet ist.

6. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im wesentlichen aus 30 bis 75Gew.%MgO, 12,5— 5u Gew.% feinverteiltem SiO₂ und 12,5-20 Gew.% Silikongummi besteht.

7. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im wesentlichen aus 70 Gew.% MgO 15 Gew.% feinverteiltem SiO₂ und 15 Gew.% Silikongummi, besteht.

8. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus 7,5 — 70 Gew.% MgO, 15-50 Gew.% feinverteiltem SiO₂ und 15 —42,5 Gew.% Silikongummi besteht.

9. Verfahren zur Herstellung eines selbstregelnden Heizelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt das Gehäuse aus einem Gemisch von Kunststoff und Füllmittel hergestellt und der Kunststoff vulkanisiert wird, in einem nächsten Schritt das Gehäuse mit der elektrisch isolierenden Masse gefüllt wird, die aus einem Gemisch von Kunststoff und Füllmittel besieht, und dann der (die) Widerstandskörper in das Gehäuse eingeführt wird (werden) und der Kunststoff vulkanisiert wird.