DE2513362B2

DE2513362B2 - Verfahren zur Herstellung eines flachen Heizelementes

Info

Publication number: DE2513362B2
Application number: DE2513362A
Authority: DE
Inventors: Shin Misato Saitama Kiyokawa (Japan)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1975-03-26
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4055526A; FR2266418A1; DE2513362A1; SE406850B; CA1031405A; GB1496956A; SE7503608L; DE2513362C3; FR2266418B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flachen Heizelementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches i. Ein solches Verfahren ist durch die OE-OS 15 65 751 bekannt. Das Leitpigment ist bei dem nach diesem Verfahren hergestellten Heizelement in dem Harz gleichmäßig verteilt.

Das bekannte Heizelement besitzt eine gute Verarbeitungsfähigkeit, es ist jedoch eine große Menge Kohtepulver erforderlich, um einen geeigneten Widerstandswert für ein Widerstandselement zu erhalten, das unter niedriger Spannung, z. B. um 100 V oder weniger, arbeitet. In einigen Fällen muß man 50 bis 60 Gew.-% Kohlepulver zusetzen. Wenn man aber dem thermoplastischen Harz eine so große Menge Kohlepulver zusetzt, ist es ziemlich schwierig, die Mischung zu verformen, und der erhaltene Erhitzer hat dann eine geringe Biegungsfähigkeit, so daß er sich nur in ziemlich beschränktem Rahmen verwenden läßt. Außerdem besitzt das bekannte flache Heizelement eine Higenarl, nämlich daß sein Widerstandswert im Falle seiner Verwendung bei erhöhter Temperatur oder über längere Zeit entsprechend dem negativen Temperaturkoeffizient des Widerstandes von Kohlenstoff selbst abfällt. Bei erhöhter Temperatur fließt demnach ein höherer elektrischer Strom als bei niedrigerer Temperatur, so daß schlieUlich die Erhitze durch Überhitzung zerstört werden, Infolgedessen erfordern bekannte Heizelemente Einrichtungen zur Temperaturermittlung und -steuerung. Es ist auch ein sich selbst regelndes elektrisches Heizelement aus in Kunststoff eingelagertem Graphit bekannt, wobei die Graphitkörner von einer weiteren, einen sehr großen Ausdehnungskoeffizienten besitzenden Isoliermasse umhüllt sind, wodurch bei steigender Temperatur ein Auseinanderrücken der Graphitkörner und damit eine Erhöhung des elektrisehen Widerstandes bewirkt wird (DE-OS 14 65 454).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines sich selbst regelnden flachen Heizelementes für niedrige Spannungen, das eine hohe Biegefestigkeit besitzt Ein derartiges flaches Heizelement eignet sich für verschiedene Anwendungsgebiete, wie Industriewerke, Verkehrsbetriebe, Konstruktionen, Landwirtschaft und Viehhaltungen.

Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Formkörper nach, vor oder während des Streckvorganges rasch abgekühlt wird, wobei die Streckung und die Abkühlung unter der Bedingung durchgeführt werden, daß sich das thermoplastische Harz noch in einem geschmolzenen oder erweichten Zustand befindet

Durch das erfindungsgemäße Verfahren (die rasche Abkühlung des Formkörpers) wird Kohlepulver nur an der Oberfläche des Formkörpers angelagert so daß nur dieser Teil des Fonnkörpers von Strom durchflossen ist Deshalb ist keine große Menge Kohlenstoffpulver erforderlich. Das Heizelement nach der Erfindung unterscheidet sich wesentlich von Zweischichtenheizelementen, die aus einer Kohlenstoffschicht, gebunden an eine Isolierschicht mit einem Klebemittel, aufgebaut sind. Das Zweischichtenelement, das durch Verbindung von zwei Schichten hergestellt ist, neigt zu einer Ablösung der Schichten durch Druck oder Biegung und zur allmählichen Veränderung der Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Schicht durch Einwirkung des darin enthaltenen Klebemittels. D„s Heizelement nach der Erfindung ist dagegen im wesentlichen als ein Körper aufgebaut und zeigt gute Eigenschaften, selbst unter einem Druck von 200 kg/cm² oder mehr.

Durch den Streckvorgang des thermoplastischen Harzes im geschmolzenen oder im Erweichungszustand wird dem Heizelement eine Kontraktionsenergie vermittelt, die bei Betrieb des Heizelementes eine Schrumpfung des Heizelementes senkrecht zum Stromdurchfluß bewirkt Infolgedessen weitet sich bei steigender Temperatur der Abstand zwischen den im Heizelement einliegenden Leitungsdrähten, wodurch die Kohlenstoffteilchen auseinandergerückt werden und ehr elektrische Widerstand zwischen den Leitungsdrähten erhöht wird.
In den Unteransprüchen ist die Erfindung vorteilhaft weitergebildet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil eines flachen Erhitzers,

F i g. 2 ist ein Teilquerschnitt durch den flachen Erhitzer,

Fig. 3 ist eine Teilansicht eines anderen flachen Heizelementes.
F i g. 4 ist eine Tcilansicht des flachen Heizelementes

M zur Erläuterung seiner selbststciiernden Funktion.

l-'ig. 5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung des I ormunpsverfahrens des flachen Heizelementes.
Ι· ι g. b zeigt in einem Diagramm die Kennzeichen des

flachen Heizelementes,

F i g, 7 ist eine Seitenansicht und zeigt einen Hauptteil des Formungsverfahrens des flachen Heizelementes,

F i g, 8 erläutert in einer Seitenansicht einen anderen Teil des Formungsverfahrens,

Fig.9 ist eine Stirnansicht der Vorrichtung nach Fig. 8.

Was den Aufbau des in F i g. 1 und 2 dargestellten flachen Heizelementes betrifft, so ist die Oberfläche des Heizelementes 1 mit einer isolierenden Abdeckung 2 beschichtet Die Kontaktstifte 5 und 6 und die Leitungsdrähte 3 und 4 sind miteinander verbunden. Zwischen den Leitungsdrähten 3 und 4 ist auf der Oberfläche des Heizelementes Kohlepulver oder sonstiges elektrisch leitfähiges feines Pulver zur Bildung der elektrisch leitfähigen Schicht 7 ungleichmäßig verteil^ und zwischen den Leitungsdrähten 3 und 4 findet sich ein spezifischer Widerstandswert. Vorzugsweise hat das Heizelement die Form eines Bandes, und die Leitungsdrähte 3 und 4 sind parallel mit dem Band angeordnet In Fig.3 ist das Heizelement Γ mit einer Anzahl von Leitungsdrähten 3', 4' verbunuen, um die Heizfläche zu vergrößern.

Die Temperaturselbststeuerungsfunktion des flachen Heizelementes ist in Fig.4 erläutert Wenn eine elektrische Spannung an die Drähte 3 und 4 angelegt wird, fließt ein Strom durch die elektrisch leitfähige Schicht 7 unter Erzeugung von Joule-Wärme. Diese Joule-Wärme erhitzt allmählich das Heizelement und dieses neigt dazu, in der Richtung A-A der F i g. 4, d. h. in der Richtung des Heizelementes, durch die Wirkung der Kontraktionsenergie zu schrumpfen, die im Molekül durch die Streckung des Formkörpers enthalten und durch die Temperaturerhöhung freigegeben wird. Wenn die Kontraktionsspannung in dem Heizelement erzeugt wird, so dehnt es sich schwach in Richtung quer zu der Kontraktionsspannung, d. h. in Richtung B-B'. Infolgedessen weitet sich der Abstand zwischen den Leitungsdrähten 3 und 4, und demgemäß wird der Widerstandswert der elektrisch leitfähigen Schicht angehoben, und der elektrische Stromwert fällt in umgekehrter Proportion zum Widerstandswert Diese Erscheinung wird durch die Streck- oder Ziehwirkung im Verformungsprozeß hervorgerufen. Deshalb sind die Bedingungen beim Streckvorgang wichtig für die Herstellung des Heizelementes.

Beispiel 1

Gewichtsmäßig wurden 18% Polyäthylen, 46% Äthylen-Vinylacetatmischpolymer, 18% Polyvinylchlorid und 18% Kohlepulver (bezogen auf das Gesamtgewicht der thermoplastischen Harze) vermischt. Die Mischung wurde aus der Strangpresse 20 (Fig.5) in geschmolzenem Zustand durch die zylindrische Preßform 21 am Ende der Strangpresse 20 mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/min ausgepreßt. Die zwei Leitungsdrähte 3 und 4 wurden dabei in den Zylinder 21 eingeführt. Der austretende zylindrische Formling 22 wurde zwischen den Quetschwalzen 23 zu einem flachen Körper gepreßt, der durch Eintauchen in Abschreckflüssigkeit 25 im Wasserbehälter 24 auf 18°C abgekühlt wurde. Das erzeugte flache Heizelement la wurde durch die Lenkrollen 25,26 und 27 geführt. Es hatte eine Breite von 200 mm und eine Dicke von 1,3 mm. Die Eigenschaften des fLchen Heizelementes sind als Kurve Sm Fi g. 6 aufgetragen.

An das Heizelement wurde unter einem Druck von l80kg/cm^; cm elektrischer Strom angelegt, aber das Verhältnis von Widerstand zu Temperatur wurde durch den Druck überhaupt nicht beeinflußt Obgleich der Oberflächenanteil des Heizelementes einen Widerstand von 240 Ω/m zeigte, war der Widerstandswert der inneren Schicht (nach Abschneiden der Oberflächenschicht) nahezu gleich einer Isolierschicht Diese Tatsache zeigt daß das Kohlenstoffpulver innerhalb des Elementes ungleichmäßig verteilt ist Wenn die Oberfläche des Heizelementes mit einem Tuch gerieben

ίο wurde, war keine Veränderung im Widerstandswert erkennbar. Demnach war offensichtlich das Kohlenstoffpulver innerhalb des thermoplastischen Harzes fest gebunden. Gelegentlich wurde der in diesem Beispiel hergestellte geschmolzene Körper unter einer ionisierenden Strahlung von 1OM Rad von einem Van-de-Graaff-Beschleuniger bei 6O⁰C gesetzt Der Körper hatte eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit

Beispiel 2

Polyäthylen, enthaltend 25% Kcuienstoffpulver, wurde unter Schmelzen durchgemischt ei: .er Strangpresse zugeführt und geschmolzen durch ein T-Mundstück mit einem flachen Schlitz zu einem Formkörper verpreßt Der erzeugte flache Körper wurde durch Besprühen mit Wasser von 20⁰C rasch abgekühlt und zu einem flachen Heizelement von 1 mm Dicke und 250 mm Breite gewalzt Das flache Heizelement besaß die durch Kurve A in F i g. 6 gezeigte Charakteristik. Kohlenstoffpulver war im Oberflächenanteil ungleichmäßig verteilt

Beispiel 3

Ein flaches Heizelement von 200 mm Breite wurde unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt abgesehen davon, daß es mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/min gewalzt wurde. Die Charakteristik des hergestellten Elementes ist durch die Kurven C und D in Fig.6 erläutert In diesem Diagramm gibt die Abszisse die Oberflächentenjperatur des Heizelementes in ⁰C und die Ordinate den Widerstandswert in Ω/m und den verbrauchten Strom in W/m an. Die Kurve A zeigt einen Stromverbrauch von 30 W/m bei 20⁰C und einen Widerstand von 300 Ω/m in dieser Zeit. Die Kurve B zeigt einen Stromverbrauch von 40 W/m bei 20⁰C und einen Widerstand von etwa 240 Ω/m. Die Kurve Czeigt einen Stromverbrauch von 50 W/m bei 20⁰C und einen Widerstand von etwa 210 Ω/m in diesem Zeitpunkt Die Kurve D zeigt einen Stromverbrauch von 60 W/m bei 20⁰C und einen Widerstand von etwa 170 Ω/m zu diesem Zeitpunkt.

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die Möglichkeit einer selbsttätigen Temperaturkontrolle. Gemäß der ^c.rfii.dung ist die Streckung oder Ziehung im geschmolzsnen oder erweichten Zustand wichtig und wird wie folgt durchgeführt Gemäß F i g. 7 wird ein 'zylindrischer Formkörper 30 gebildet mit Quetschrollen 31, 32 zu einem Bogen verformt. Das Zylindermundstück 21 ist mit einem Schlitz und dem Loch 23 zur Führung der Leitungsdrähte 3 und 4 ausgerüstet. Der geschmolzene

N' Körper 22 wird aus dem Mundstück 21 ausgepreßt und unmittelbar anschließend zwischen den Quetschrollen 31 und 32 zu einem Bogen verfoim» Das Mundstück 21 ist mit den Düsen 33 und 34 ausgerüstet, aus denen Kühlflüssigkeit ode- Kühlgas /ur Kühlung der Oberflä-

"'> ehe des Formkörpers 22 aufgebracht wird, unmittelbar bevor er mit der Quetschrolle 31 zusammengedrückt wird Erforderlichenfalls enthalten die Quetschrollen 31 und 32 Kühlflüssigkeiten. Die Drehgeschwindigkeit der

Quetschrollen 31 und )2 kann entsprechend veränderbar sein, so daß es möglich ist, durch Regelung ihrer Drehgeschwindigkeit Streckung oder Ziehung auf einem gewünschten Maße zu halten.

Fig.8 und 9 zeigen ein Gerät zur Herstellung des Heizelementes unter Benutzung eines T-Mundstückes. Das Mundstück ist am Ende der Strangpresse 20 angesetzt, und die Leitungsdrähte 3 und 4 werden von eiier Schulter des T-Mundstückes 40 zugeführt. Der aus dem Mundstück austretende geschmolzene Körper erhält eine gewünschte Streckung durch die Quetschwalzen 42 und wird rasch durch Kühlflüssigkeit oder Kühlgas gekühlt, das aus den Düsen 43 und 44 aufgebracht wird Das hergestellte Heizelement wird auf die sich aus dem Verwendungszweck ergebende gewünschte Länge geschnitten und mit der in F i g. I gezeigten Abdeckung 2 versehen.

Beispiel 4

Eine Mischung aus 18% Polyäthylen. 46% Äthylen-Vinylacetatmischpolymer und 18% Polyvinylchlorid wurde mit 18% des Gesamtgewichtes des thermoplastischen Harzes an Kohlepulver versetzt, gleichmäßig durchgemischt und bei I8O"C geschmolzen. Die geschmolzene Mischung wurde mit 2.5 m/min unter Benutzung des in F" i g. 7 gezeigten Gerätes zu dem Formkörper 22 verpreOt. Diametral gegenüberliegend wurden in den erzeugten /ylinderförmigen Formling die Leitungsdrähte 3 und 4 eingeführt, und das Ganze wurde mit den Quetschrollen 31 zu einem Bogen verpreßt. Die Oberfläche des Formlings 22 wurde durch Aufsprühen von Kühlwasser von I8"C aus den Düsen 33 und 34 rasch gekühlt. Das erzeugte flache Heizelement hatte eine Breite von 220mm und eine Duke von 1.3 mm im Heiziingsleil.

Die FJgen'.chaften des flachen Heizelementes wurden durch Änderung der Drehgeschwindigkeit der Quetsch walzen 31 und 32 verändert. Wenn diese Drehgeschwin digkeit auf 50% gegenüber der Auspreßgeschwindigkeit gesteigert wurde, wurden Heizelemente mit unterschiedlicher Charakteristik erhalten. Die Kurven der F i g 6 wurden erhalten, indem man die Streckungsverhältnisse veränderte. Die Kurve D entspricht einem Vergrößerungsverhältnis von 20%. die Kurve feinem Vergroßerungsverhällnis von 30%, die Kurve B von 40% und die Kurse Λ von 50%.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung eines flachen Heizelementes, bei dem ein isolierendes thermoplastisches Harz mit elektrisch !eitfähigem Kohlenstoffpulver vermischt und verschmolzen wird, danach zu einem Formkörper extrudiert, dann gestreckt und anschließend in den einzelnen Heizelementen entsprechende Stücke geschnitten wird, wobei in den Formkörper beim Extrudiervorgang oder nach dem Extrudiervorgang in Richtung der Streckung verlaufende Leitungsdrähte eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach, vor oder während des Streckvorganges rasch abgekühlt wird, wobei die Streckung und die Abkühlung unter der Bedingung durchgeführt werden, daß sich das thermoplastische Harz noch in einem geschmolzenen oder erweichten Zustand befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einer. Zusatz von weniger als 40Gew.-%, vorzugsweise von 15 bis 20 Gew.-%, elektrisch leitfähigen Pulvers zu dem thermoplastischen Harz.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daB die Kühltemperatur unterhalb 110° C, vorzugsweise unterhalb 20° C, liegt

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leitungsdrähte in den Formkörper eingebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach der raschen Abkühlung einer ionisierenden Bestrahlung von hoher Energie unterzogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Polyäthylen, Polypropylen, Äthylen-Vinylacetatmischpolymer, Polyvinylchlorid, Polyamid oder einer Mischung hiervon als isolierendes thermoplastisches Harz.