EP0590347A1 - Widerstand mit PTC-Verhalten - Google Patents

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EP0590347A1
EP0590347A1 EP93114118A EP93114118A EP0590347A1 EP 0590347 A1 EP0590347 A1 EP 0590347A1 EP 93114118 A EP93114118 A EP 93114118A EP 93114118 A EP93114118 A EP 93114118A EP 0590347 A1 EP0590347 A1 EP 0590347A1
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EP
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resistance element
element according
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resistance
conductive material
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EP93114118A
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Anton Dr. Demarmels
Felix Dr. Greuter
Ralf Dr. Strümpler
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ABB Research Ltd Sweden
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/027—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient consisting of conducting or semi-conducting material dispersed in a non-conductive organic material

Definitions

  • the invention is based on an electrical resistance element with a resistance body which is arranged between two contact connections and exhibits PTC behavior and consists of at least one polymer matrix and at least one filler component made of electrically conductive particles embedded in the polymer matrix.
  • Resistors with PTC behavior have long been state of the art and are described for example in DE 2 948 350 C2 or US 4 534 889 A.
  • such resistors preferably contain resistance bodies made of a semicrystalline polymer filled with carbon black, which exhibits PTC behavior. This polymer is in a low-resistance state below a material-specific transition temperature. Above the transition temperature, the polymer changes into a high-resistance state. When the transition temperature is exceeded, the specific resistance of the PTC resistor suddenly increases by many orders of magnitude, and an undesired short-circuit current becomes effective limited. PTC resistors can therefore be used as overload protection for circuits.
  • the invention has for its object to provide an electrical resistance element with PTC behavior, which despite simple and inexpensive construction by high electrical conductivity in the low-resistance state and by a low response time for the PTC transition from low to high impedance.
  • the electrical resistance element according to the invention can be produced in a simple and inexpensive manner from commercially available components, such as a polymer matrix and a suitable filler. In the low-resistance state, it has a specific electrical resistance of less than 30 m ⁇ ⁇ cm and can therefore be easily used as a current-limiting element in electrical circuits which are designed for large operating currents and large operating voltages.
  • the response time required for the transition from the low to the high-resistance state is very short. This is primarily a result of the suitable selection of the materials required for producing the resistance element according to the invention.
  • the Joule heat that is released in the PTC resistance element within a time ⁇ t that is required for the transition from the low to the high-resistance state must be at least as large as the energy that is required to heating the material of the resistance body from a nominal temperature T to the temperature T c in which the transition takes place, the following relation results for the behavior of the resistance element: r ⁇ (l / A) ⁇ I2 (t) ⁇ ⁇ t ⁇ A ⁇ l ⁇ c p ⁇ D ⁇ (T c -T), in which r the specific electrical resistance, A the cross-sectional area, l the length, d the specific density and c p is the specific heat capacity of the resistance body of the resistance element through which a time-variable current I (t
  • the response time is short if, according to the resistance element according to the invention, the specific heat and / or the specific heat capacity of its resistance body are kept as low as possible.
  • a low specific heat and / or a low specific heat capacity are achieved in that the electrically conductive particles of the Polymer matrix embedded filler are each spherical, fibrous or plate-shaped, and are preferably each in the form of a composite body.
  • Such a composite body predominantly has in each case a support body made of a material that is surface-coated with a layer of conductive material, preferably hollow or porous, but possibly also solid, and has a lower specific density and / or lower specific heat capacity than the conductive material.
  • a further significant reduction in the response time can be achieved if at least part of the polymer matrix is formed by polymer foam.
  • the resistance element shown in FIG. 1 contains a resistance body 3 with PTC behavior arranged between two contact connections 1, 2. Below a transition temperature T c , this resistance element has a low specific cold resistance and, after installation in an electrical network to be protected by current limitation, forms at least one path which runs between the two contact connections 1, 2 and preferably carries a nominal current. Above the transition temperature T c , the resistance element has a high specific resistance compared to its specific cold resistance.
  • the resistance body 3 is formed by a polymer matrix 4 which preferably contains a thermoset or thermoplastic or an elastomer. Fillers formed by electrically conductive particles 5 are embedded in this matrix 4.
  • the particles 5 are at least partially each formed as a composite body with an electrically conductive surface and / or as a hollow or porous body made of electrically conductive material. Compared to solid particles of conductive material, the particles 5 each have a lower specific density and / or a lower specific heat capacity.
  • FIGS. 2 and 3 The structure and structure of particularly preferred particles 5 can be seen from FIGS. 2 and 3. As can be seen, these particles are designed as composite bodies and each have a support body 7 coated with a layer 6 of conductive material made of a material with a lower specific density and / or lower specific heat capacity than the conductive material.
  • a resistance element which contains particles 5 formed in this way, has practically the same electrical conductivity in the low-resistance state as a similarly dimensioned resistance element, which in contrast contains solid particles. However, since it has a lower specific density and / or a lower specific heat capacity than a resistance element filled with solidly formed particles of conductive material, the response time for such a resistance element is significantly reduced in the transition from the low to the high-resistance state.
  • the support bodies 7 of the particles 5 are designed as solid spheres or, as can be seen from FIG. 3, as hollow spheres, as can be seen from FIG. 2.
  • a resistance element containing solid balls has a somewhat higher heat conduction and thus also a somewhat larger nominal current carrying capacity than a resistance element containing hollow balls.
  • a resistance element containing hollow spheres is characterized by a smaller mass, a lower specific density, a lower specific heat capacity and thus by a shorter response time. In the case of pulse times that are shorter than the time for the heat to spread through the particles, the somewhat lower heat conduction in a resistance element containing hollow spheres also has no effect.
  • the conductive material forming the layers 6 can predominantly carbon and / or a metal, such as Ag, Au, Ni, Pd and / or Pt, and / or at least one boride, silicide, oxide and / or carbide, such as SiC, TiC, TiB2, MoSi2, WSi2, RuO2 or V2O3, each in undoped or doped form.
  • a metal such as Ag, Au, Ni, Pd and / or Pt
  • boride, silicide, oxide and / or carbide such as SiC, TiC, TiB2, MoSi2, WSi2, RuO2 or V2O3, each in undoped or doped form.
  • the support body is formed from a polymer, from glass or from a ceramic.
  • a polymer can be used here Thermoset - for example based on epoxy or phenol -, a thermoplastic or an elastomer can be used.
  • Suitable glass-containing or ceramic carriers are commercially available spheres based on amorphous quartz or another glass as well as Al2O3, ZnO, mica, mullite or porcelain.
  • Support bodies made of ZnO are produced in the manufacture of varistors by spray drying powder suspensions and subsequent sintering.
  • the supporting bodies can also have a fiber or platelet shape. They can not only be solid or hollow, but can also have a porous, sponge-like structure.
  • Sponge-like bodies can be formed from metal, which are to be used as conductive particles 5 without coating.
  • the coating of the support body 7 can be achieved by known methods, such as chemical vapor deposition, sol-gel technology, precipitation and / or electrolytic coating.
  • the thicknesses of the layers 6 of the particles 5 produced thereby are preferably between 0.05 and 5 ⁇ m, whereas the diameters of the particles 5 are typically between 1 and 200 ⁇ m.
  • a filler component containing the particles 5 is mixed with a shear mixer or with an extruder into a polymer containing, for example, an epoxy or a thermoplastic.
  • a polymer containing, for example, an epoxy or a thermoplastic Typically, the proportion of filler in the composite formed is approximately 40 percent by volume.
  • This composite is used for thermoplastics by hot pressing and Epoxides formed by casting and then curing at elevated temperature to the resistance body 3.
  • the contact connections 1, 2 are attached by pressing or casting in during the shaping or by means of a low-melting solder after the shaping.
  • the dimensions of the resistance element produced in this way depend on the respective application and can be, for example, plate-tube or rod-shaped with typical diameters in the millimeter to centimeter range.
  • the support bodies 7 can also each be designed as hollow spheres made of conductive material and the polymer matrix 4 embedding the particles 5 can be at least partially formed by polymer foam.
  • the fillers provided in the resistance body 3 of the resistance element form low-resistance current paths through the resistance body 3. Due to an overcurrent, the resistance element heats up considerably and, above the transition temperature T c, changes into a high-resistance state in which the overcurrent is limited.
  • the response times of resistance elements according to the invention are in some cases considerably shortened in the case of large overload currents compared to the response times of resistance elements of the same size according to the prior art.

Abstract

Das elektrische Widerstandselement enthält einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen (1, 2) angeordneten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper (3) aus einer Polymermatrix (4) und einer in die Polymermatrix (4) eingebetteten Füllstoffkomponente aus elektrisch leitenden Teilchen (5). Dieses Widerstandselement soll sich trotz einfachen und kostengünstigen Aufbaus durch gute elektrische Leitfähigkeit im niederohmigen Zustand und durch eine geringe Ansprechzeit für den PTC-Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand auszeichnen. Dies wird dadurch erreicht, dass die elektrisch leitenden Teilchen (5) zumindest teilweise jeweils als Verbundstoffkörper mit elektrisch leitender Oberfläche und/oder als hohler oder poröser Körper aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sind und gegenüber massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material jeweils eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere spezifische Wärmekapazität aufweisen. <IMAGE>

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper aus mindestens einer Polymermatrix und mindestens einer in die Polymermatrix eingebetteten Füllstoffkomponente aus elektrisch leitenden Teilchen.
    • STAND DER TECHNIK
  • Widerstände mit PTC-Verhalten sind schon seit langem Stand der Technik und sind beispielsweise in DE 2 948 350 C2 oder US 4 534 889 A beschrieben. In kommerziell erhältlichen Ausführungen enthalten solche Widerstände vorzugsweise Widerstandskörper aus einem mit Russ gefüllten semikristallinen Polymer, welches PTC-Verhalten aufweist. Unterhalb einer materialspezifischen Übergangstemperatur befindet sich dieses Polymer in einem niederohmigen Zustand. Oberhalb der Übergangstemperatur geht das Polymer in einen hochohmigen Zustand über. Beim Überschreiten der Übergangstemperatur erhöht sich der spezifische Widerstand des PTC-Widerstandes sprungartig um viele Grössenordnungen und wird so ein unerwünschter Kurzschlussstrom wirkungsvoll begrenzt. PTC-Widerstände können daher als Überlastschutz von Schaltkreisen eingesetzt werden. In einem für grosse Betriebsströme und grosse Betriebsspannungen ausgelegten elektrischen Schaltkreis kann während des Übergangs vom nieder- in den hochohmigen Zustand im PTC-Widerstand beträchtliche Energie umgesetzt werden, welche zu einer Zerstörung des PTC-Widerstandes führt. Um die umgesetzte Energie möglichst gering zu halten, ist es für die Verwendung eines PTC-Widerstandes als strombegrenzendes Element in einem für grosse Betriebsströme und grosse Betriebsspannungen ausgelegten elektrischen Schaltkreis daher von entscheidender Bedeutung, dass der PTC-Widerstand bei Überlast in kürzester Zeit seinen hochohmigen Zustand erreicht.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstandselement mit PTC-Verhalten zu schaffen, welches sich trotz einfachen und kostengünstigen Aufbaus durch hohe elektrische Leitfähigkeit im niederohmigen Zustand und durch eine geringe Ansprechzeit für den PTC-Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand auszeichnet.
  • Das elektrische Widerstandselement nach der Erfindung kann aus kommerziell erhältlichen Komponenten, wie einer Polymermatrix und einem geeigneten Füllstoff in einfacher und kostengünstiger Weise hergestellt werden. Es weist im niederohmigen Zustand einen spezifischen elektrischen Widerstand kleiner 30 mΩ·cm auf und kann daher ohne weiteres als strombegrenzendes Element in elektrischen Schaltkreisen eingesetzt werden, die für grosse Betriebsströme und grosse Betriebsspannungen ausgelegt sind.
  • Von besonderem Vorteil ist es hierbei, dass die zum Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand benötigte Ansprechzeit sehr gering ist. Dies ist vor allem eine Folge der geeigneten Auswahl der zur Herstellung des erfindungsgemässen Widerstandelementes benötigten Materialien. Ausgehend von der Forderung, dass die Joulesche Wärme, die im PTC-Widerstandselement innerhalb einer Zeit δt, die zum Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand benötigt wird, freigesetzt wird, mindestens so gross sein muss wie die Energie, die nötig ist, um das Material des Widerstandskörpers von einer Nominaltemperatur T auf die Temperatur Tc aufzuheizen, in der der Übergang stattfindet, ergibt sich folgende Relation für das Verhalten des Widerstandselementes:

    r·(l/A)·I²(t)·δt ≧ A·l·c p ·d·(T c -T),
    Figure imgb0001

    wobei
    r den spezifischen elektrischen Widerstand,
    A die Querschnittsfläche,
    l die Länge,
    d die spezifische Dichte und
    cp die spezifische Wärmekapazität
    des Widerstandskörpers des von einem zeitvariablen Strom I(t) durchflossenen Widerstandelementes bedeuten. Hieraus ist zu ersehen, dass bei Randbedingungen, die durch den spezifischen Widerstand und die geometrischen Abmessungen des Widerstandskörpers festgelegt sind, die Ansprechzeit dann klein ist, wenn entsprechend dem erfindungsgemässen Widerstandselement die spezifische Wärme und/oder die spezifische Wärmekapazität seines Widerstandskörpers möglichst gering gehalten werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Widerstandselementes werden eine geringe spezifische Wärme und/oder eine geringe spezifische Wärmekapazität dadurch erreicht, dass die elektrisch leitenden Teilchen des in die Polymermatrix eingebetteten Füllstoffs jeweils kugel-, faser- oder plättchenförmig ausgebildet sind, und vorzugsweise jeweils in Form eines Verbundstoffkörpers vorliegen. Ein solcher Verbundstoffkörper weist überwiegend jeweils einen mit einer Schicht aus leitfähigem Material oberflächenbeschichteten, vorzugsweise hohl oder porös, gegebenenfalls aber auch massiv, ausgebildeten Tragkörper aus einem Material auf mit einer gegenüber dem leitfähigen Material geringeren spezifischen Dichte und/oder geringeren spezifischen Wärmekapazität.
  • Eine weitere erhebliche Verringerung der Ansprechzeit lässt sich dann erreichen, wenn zumindest ein Teil der Polymermatrix von Polymerschaum gebildet ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    eine Aufsicht durch einen Schnitt durch eine typische Ausführungsform des elektrischen Widerstandelementes nach der Erfindung,
    Fig. 2
    eine Aufsicht auf einen zentral geführten Schnitt durch ein als Kugel ausgeführtes Teilchen eines im Widerstandselement gemäss Fig. 1 vorgesehenen Füllstoffs, und
    Fig. 3
    eine Aufsicht auf einen zentral geführten Schnitt durch ein als Hohlkugel ausgeführtes Teilchen eines im Widerstandselement gemäss Fig. 1 vorgesehenen Füllstoffs.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Das in Fig. 1 dargestellte Widerstandselement enthält einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen 1, 2 angeordneten Widerstandskörper 3 mit PTC-Verhalten. Unterhalb einer Übergangstemperatur Tc weist dieses Widerstandselement einen geringen spezifischen Kaltwiderstand auf und bildet nach Einbau in ein durch Strombegrenzung zu schützendes elektrisches Netz mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen 1, 2 verlaufenden und vorzugsweise Nennstrom führenden Pfad. Oberhalb der Übergangstemperatur Tc weist das Widerstandselement einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand auf.
  • Der Widerstandskörper 3 ist gebildet von einer vorzugsweise ein Duro- oder Thermoplast oder ein Elastomer enthaltenden Polymermatrix 4. In diese Matrix 4 sind von elektrisch leitenden Teilchen 5 gebildete Füllstoffe eingebettet. Die Teilchen 5 sind zumindest teilweise jeweils als Verbundstoffkörper mit elektrisch leitender Oberfläche und/oder als hohler oder poröser Körper aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Die Teilchen 5 weisen gegenüber massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material jeweils eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere spezifische Wärmekapazität auf.
  • Aus den Figuren 2 und 3 sind der Aufbau und die Struktur besonders zu bevorzugender Teilchen 5 zu erkennen. Ersichtlich sind diese Teilchen als Verbundstoffkörper ausgebildet und weisen jeweils einen mit einer Schicht 6 aus leitfähigem Material oberflächenbeschichteten Tragkörper 7 aus einem Material auf mit einer gegenüber dem leitfähigen Material geringeren spezifischen Dichte und/oder geringeren spezifischen Wärmekapazität. Ein Widerstandselement, welches derart ausgebildete Teilchen 5 enthält, weist praktisch die gleiche elektrische Leitfähigkeit im niederohmigen Zustand auf wie ein gleichartig bemessenes Widerstandselement, welches im Unterschied dazu massiv ausgebildete Teilchen enthält. Da es jedoch eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere spezifische Wärmekapazität besitzt als ein mit massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material gefülltes Widerstandselement ist bei einem solchen Widerstandselement die Ansprechzeit beim Übergang vom niederin den hochohmigen Zustand wesentlich herabgesetzt.
  • In besonders leicht herzustellenden Ausführungsformen der Erfindung sind - wie aus Fig. 2 ersichtlich ist - die Tragkörper 7 der Teilchen 5 als massive Kugeln oder - wie aus Fig. 3 ersichtlich ist - als Hohlkugeln ausgebildet. Ein massive Kugeln enthaltendes Widerstandselement weist eine etwas höhere Wärmeleitung und damit auch eine etwas grössere Nennstromtragfähigkeit auf als ein Hohlkugeln enthaltendes Widerstandselement. Hingegen zeichnet sich ein Hohlkugeln enthaltendes Widerstandselement durch eine kleinere Masse, eine geringere spezifische Dichte, eine geringere spezifische Wärmekapazität und damit durch eine kürzere Ansprechzeit aus. Bei Pulszeiten, die kleiner sind als die Zeit für die Wärmeausbreitung über die Teilchen, wirkt sich zudem die etwas geringere Wärmeleitung in einem Hohlkugeln enthaltenden Widerstandselement nicht aus.
  • Das die Schichten 6 bildende leitfähige Material kann vorwiegend Kohlenstoff und/oder ein Metall, wie Ag, Au, Ni, Pd und/oder Pt, und/oder mindestens ein Borid, Silizid, Oxid und/oder Carbid, wie etwa SiC, TiC, TiB₂, MoSi₂, WSi₂, RuO₂ oder V₂O₃, jeweils in undotierter oder dotierter Form, enthalten.
  • Hingegen ist der Tragkörper von einem Polymer, von Glas oder von einer Keramik gebildet. Als Polymer können hierbei ein Duroplast - etwa auf der Basis von Epoxid oder Phenol - , ein Thermoplast oder aber auch ein Elastomer Verwendung finden.
  • Gut bewährt als polymere Tragkörper 7 haben sich kommerziell erhältliche und mit Silber beschichtete Phenolharzkugeln mit Durchmessern von 1 bis 50 µm. Geeignete glashaltige oder keramische Tragkörper sind kommerziell erhältliche Kugeln auf der Basis von amorphem Quarz oder einem anderen Glas sowie von Al₂O₃, ZnO, Glimmer, Mullit oder Porzellan. Tragkörper aus ZnO fallen bei der Fertigung von Varistoren durch Sprühtrocknen von Pulversuspensionen und anschliessendes Sintern an. Die Tragkörper können neben Kugelform auch Faser- oder Plättchenform aufweisen. Sie können zudem nicht nur massiv oder hohl ausgebildet sein, sondern können auch poröse, schwammartige Struktur aufweisen. Zu bevorzugen ist ein keramischen oder glasartiger Schaumstoff, etwa auf der Basis von TiC oder TiB₂, dessen Oberfläche mit einem metallischen Werkstoff imprägniert worden ist. Aus Metall können schwammartige Körper gebildet werden, welche ohne Beschichtung als leitfähige Teilchen 5 zu verwenden sind.
  • Die Beschichtung der Tragkörper 7 kann durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Chemical Vapor Deposition, Sol-Gel-Technik, Fällung und/oder elektrolytische Beschichtung, erreicht werden. Die Dicken der Schichten 6 der dabei hergestellten Teilchen 5 liegen vorzugsweise zwischen 0,05 und 5 µm, wohingegen die Durchmesser der Teilchen 5 typischerweise zwischen 1 und 200 µm liegen.
  • Zur Herstellung eines Widerstandselementes nach der Erfindung werden mit einem Schermischer oder mit einem Extruder in ein beispielsweise ein Epoxy oder ein Thermoplast enthaltendes Polymer eine die Teilchen 5 enthaltenden Füllstoffkomponente eingemischt. Typischerweise beträgt der Füllstoffanteil ca. 40 Volumenprozent am hierbei gebildete Komposit. Dieses Komposit wird bei Thermoplasten durch Heisspressen und bei Epoxiden durch Giessen und anschliessendes Aushärten bei erhöhter Temperatur zum Widerstandskörper 3 geformt. Die Kontaktanschlüsse 1, 2 werden durch Einpressen oder Eingiessen während der Formgebung oder mittels eines niedrigschmelzenden Lotes nach der Formgebung angebracht. Die Abmessungen des solchermassen hergestellten Widerstandselementes richten sich nach der jeweiligen Anwendung und können beispielsweise platten- rohr- oder stabförmig sein mit typischen Durchmessern im Millimeter- bis Zentimeterbereich.
  • In einer weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemässen Widerstandselementes können die Tragkörper 7 jeweils auch als Hohlkugeln aus leitfähigem Material ausgebildet sein und kann die die Teilchen 5 einbettende Polymermatrix 4 zumindest teilweise von Polymerschaum gebildet sein.
  • Im Normalbetrieb bilden die im Widerstandskörper 3 des Widerstandselementes vorgesehenen Füllstoffe durch den Widerstandskörper 3 hindurchgehende niederohmige Strompfade. Durch einen Überstrom erwärmt sich das Widerstandselement stark und geht oberhalb der Übergangstemperatur Tc in einen hochohmigen Zustand über, in dem der Überstrom begrenzt wird. Die Ansprechzeiten von Widerstandselementen nach der Erfindung sind bei grossen Überlastströmen gegenüber den Ansprechzeiten von gleich gross bemessenen Widerstandselementen nach dem Stand der Technik zum Teil ganz erheblich verkürzt. Bei gleichen geometrischen Abmessung der Widerstandselemente und der Teilchen 5, einem Füllstoffanteil von jeweils 40 Volumenprozent, gleichen Überlastströmen und mit jeweils TiB₂ als elektrisch leitendem Material ergeben sich gegenüber einem Widerstandselement nach dem Stand der Technik mit Füllstoffteilchen aus massivem TiB₂ und einer Polymermatrix aus Epoxy die aus der nachfolgend angegebenen Zusammenstellung ersichtlichen erheblichen Verkürzungen der Ansprechzeiten:
    Füllstoff Polymermatrix Verkürzung der Ansprechzeit in %
    TiB₂, massiv Epoxy ---
    TiB₂, massiv Epoxyschaum 12
    Quarzkugeln/TiB₂ Epoxy 9
    Quarzkugeln/TiB₂ Epoxyschaum 25
    Quarzhohlkugeln/TiB₂ Epoxy 15
    Quarzhohlkugeln/TiB₂ Epoxyschaum 33
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1, 2
    Kontaktanschlüsse
    3
    Widerstandskörper
    4
    Polymermatrix
    5
    Teilchen
    6
    Schicht
    7
    Tragkörper

Claims (11)

  1. Elektrisches Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen (1, 2) angeordneten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper (3) aus mindestens einer Polymermatrix und mindestens einer in die Polymermatrix (4) eingebetteten Füllstoffkomponente aus elektrisch leitenden Teilchen (5), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Teilchen (5) zumindest teilweise jeweils als Verbundstoffkörper mit elektrisch leitender Oberfläche und/oder als hohler oder poröser Körper aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sind und gegenüber massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material jeweils eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere Spezifische Wärmekapazität aufweisen.
  2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstoffkörper und/oder hohlen oder porösen Körper jeweils kugel-, faser- oder plättchenförmig ausgebildet sind.
  3. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verbundstoffkörper ausgebildeten Teilchen (5) überwiegend jeweils einen mit einer Schicht (6) aus leitfähigem Material oberflächenbeschichteten Tragkörper (7) aus einem Material aufweisen mit einer gegenüber dem leitfähigen Material geringeren Spezifischen Dichte und/oder geringeren spezifischen Wärmekapazität.
  4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (7) poröse Struktur aufweist.
  5. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (7) als massive Kugel ausgebildet ist (Fig.2).
  6. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (7) als Hohlkugel ausgebildet ist (Fig.3).
  7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material Kohlenstoff und/oder ein Metall, wie Ag, Au, Ni, Pd, und/oder Pt, und/oder mindestens ein Borid, Silizid, Oxid und/oder Carbid, wie etwa SiC, TiC, TiB₂, MoSi₂, WSi₂, RuO₂ oder V₂O₃, jeweils in undotierter oder dotierter Form, enthält.
  8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper von einem Polymer, wie insbesondere einem auf der Basis eines Phenolharzes, von Glas, wie insbesondere Quarzglas, oder von einer Keramik, wie insbesondere einer auf der Basis von Al₂O₃, ZnO₂, Glimmer, Mullit oder Porzellan, gebildet ist.
  9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (5) Durchmesser zwischen 1 und 200 µm aufweisen.
  10. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der auf den Tragkörper (7) aufgebrachten Oberflächenbeschichtung (6) zwischen 0,05 bis 5 µm liegt.
  11. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Polymermatrix von Polymerschaum gebildet ist.
EP93114118A 1992-10-01 1993-09-03 Widerstand mit PTC-Verhalten Expired - Lifetime EP0590347B1 (de)

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DE4232969 1992-10-01

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JP (1) JPH06215903A (de)
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