DE3030799A1

DE3030799A1 - Anordnung mit kaltleitendem heizkoerper

Info

Publication number: DE3030799A1
Application number: DE19803030799
Authority: DE
Inventors: Alan Sunnyvale Calif. Brigham; David Frederick Woodside Calif. Leary
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1979-08-17
Filing date: 1980-08-14
Publication date: 1981-03-26
Also published as: GB2059155B; FR2464006A1; FR2464006B1; GB2059155A; JPS5659493A

Description

DR.-ING. WALTER ABITZ DR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER Patentanwälte

München.

14. August 1980

Postanschrift / F⁵OsIaI Address Postfach 800 109. BOOO München Hfl

l'ienzenauerslraöe 28

Telefon 98 3222

Telegramme: Chemindus München Telex :(0) 5 23992

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RAYCHEM CORPORATION

Menlo Park, Calif. 94025, V.St.A.

Anordnung mit kaltleitendem Heizkörper

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Die Erfindung bezieht sich auf selbstregulierende Heizkörper mit einem langgestreckten Streifen aus einem kaltleitenden Polymer, mindestens zwei parallellaufenden Elektroden in elektrischem (und wahlweise auch in körperlichem) Kontakt mit dem Streifen und einer elektrisch isolierenden Ummantelung. Derartige Heizkörper sind bekannt und sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 793 716, 3 823 217, 3 861 029, 4 177 376 und 4 188 276 sowie in dem Thermal Design Guide der Abteilung Chemelex der Raychem Corporation (H 5O19O 5O5 B5 1/78) beschrieben.

Bei der Beschreibung derartiger Heizkörper wird häufig von ihrer "passiven Leistungsabgabe" und ihrer "aktiven Leistungsabgabe" gesprochen. Die "passive Leistungsabgabe" eines Heizkörpers ist der Wert des Ausdrucks V²/R_Q, worin R_Q den Widerstand der Längeneinheit (im allgemeinen 1 Foot oder 1 Meter) des Heizkörpers bei 21° C und V die Spannung der Stromquelle bedeutet, an die der Heizkörper angeschlossen ist, gewöhnlich also 120 oder 240 V Wechselspannung. Die "aktive Leistungsabgabe" eines Heizkörpers ist die gemessene Leistungsabgabe einer Längeneinheit des Heizkörpers (im allgemeinen 1 Foot oder 1 Meter), wenn dieser an die Stromquelle angeschlossen ist und eine Hauptfläche des Heizkörpers ein Metallsubstrat berührt, das auf einer Temperatur im Bereich der vorgesehenen Verwendungstemperatur des Heizkörpers gehalten wird, z.B. zwischen 7 und 65° C, etwa 1O° C bei Heizkörpern, die das Einfrieren von Rohrleitungen verhindern sollen, übliche Heizbänder enthalten mindestens zwei Elektroden in Gestalt von Drähten, die in ein kaltleitendes Polymerelement eingebettet sind, und weisen bei der vorgesehenen Betriebsspannung eine passive Leistungsabgabe von deutlich unterl65 W/m (50 W/ft) auf;

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die Anwendung derartiger Heizkörper mit einer höheren passiven Leistungsabgabe wurde bislang nicht in Betracht gezogen, weil sich dabei höchstens ein geringer verwertbarer Anstieg der aktiven Leistungsabgabe einstellte und erhebliche Nachteile, insbesondere eine kürzere Nutzungsdauer, damit verbunden waren.

Es hat sich nun gezeigt, daß man, wenn ein Heizkörper mit kaltleitendem Polymer mit einer Umhüllung aus Metall oder einem anderen gut wärmeleitenden Material umgeben wird, den Heizkörper mit Spannungen verwenden kann, bei denen die passive Leistungsabgabe über 165 W/m liegt, ohne daß die sonst dabei zu erwartenden Nachteile einträten, und daß damit eine wertvolle Zunahme der aktiven Leistungsabgabe erzielt werden kann. Beispielsweise ist es überraschenderweise möglich, durch Hinzufügen einer solchen -umhüllung an einer Spannung von 240 V einen kaltleitenden Heizkörper arbeiten zu lassen, dessen passive Leistungsabgabe bei 120 V weniger als 165 W/m und bei 240 V mehr als 165 W/m beträgt, und zwar obwohl ein derartiger Heizkörper ohne eine solche Umhüllung bei 240 V nur eine ganz unzulängliche Nutzungsdauer aufweisen würde.

Die Erfindung stellt somit in einer Hinsicht ein Verfahren zum Beheizen dar, bei dem Strom durch eine selbstregulierende Heizkörperanordnung gesandt wird, die sich zusammensetzt aus

(a) einem kaltleitenden Heizkörper der sich zusammensetzt aus

(I) einem langgestreckten Streifen eines elektrisch leitenden Polymeransatzes, der das Verhalten eines Kaltleiters zeigt,

(II) zwei langgestreckten, parallellaufenden Elektroden, die elektrischen Kontakt mit dem genannten Streifen haben, und

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(III) einer elektrisch isolierenden Ummantelung, die den genannten Streifen und die genannten Elektroden umgibt, und

(b) einer Umhüllung, die den genannten kaltleitenden Heizkörper umgibt und die aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,1 Cal/cm°C see, vorzugsweise mindestens 0,3 Cal/cm°C see beträgt; der zugeführte Strom stammt aus einer Stromquelle mit einer Spannung V, und die passive Leistungsabgabe des Heizkörpers beträgt bei der genannten Spannung V mindestens 165 W/m (50 W/ft),, vorzugsweise mindestens 230 W/m (70 W/ft).

Die Heizkörperanordnung läßt sich zum Erwärmen eines festen Körpers verwenden, wobei die Umhüllung vorzugsweise so geformt ist, daß sie sich an den festen Körper anlegen läßt; man kann die Anordnung auch für die Raumheizung einsetzen, in welchem Falle die Anordnung vorzugsweise Spulenform hat, wobei in dem Raum zwischen den Windungen Luft oder eine Flüssigkeit umlaufen kann.

In anderer Hinsicht stellt die Erfindung eine selbstregulierende Heizkörperanordnung mit einem kaltleitenden Heizkörper und einer Umhüllung der oben angegebenen Art dar, wobei der Heizkörper bei 120 V eine passive Leistungsabgabe von mindestens 165 W/m aufweist.

Der kaltleitende Heizkörper umfaßt vorzugsweise mindestens zwei Elektroden in Form vori Drähten, die in den kaltleitenden Streifen eingebettet sind und körperlichen Kontakt mit ihm haben. Jedoch umfaßt die Erfindung auch andere Arten von kaltleitenden Heizkörpern, beispielsweise Heizkörper, bei denen mindestens eine der Elektroden von dem kaltleitenden Streifen durch eine Schicht eines anderen leitenden Materials getrennt ist, beispielsweise durch einen leitenden

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Polymer-Ansatz mit ZTC-Verhalten, oder Heizkörper, bei denen ein flächenförmiges kaltleitendes Element und mindestens zwei flächenförmige Elektroden vorgesehen sind.

Die passive Leistungsabgabe eines Heizkörpers hängt natürlich von dem spezifischen Widerstand des kaltleitenden Ansatzes und der Größe und Form der Elektroden und des kaltleitenden Elements ab. Bei einem üblichen Heizband, wie es beispielsweise in dem untenstehenden Beispiel beschrieben ist, beträgt die passive Leistungsabgabe vorzugsweise 165 bis 655 W/m (50 bis 200 W/ft), vorzugsweise 230 bis 655 W/m (70 bis 200 W/ft). Für den größten Teil der im Rahmen dieser Erfindung zu betrachtenden Heizkörper läßt sich der bevorzugte Bereich der passiven Leistungsabgabewerte besser durch einen Begriff ausdrücken, der die Breite des kaltleitenden Elements, in der die Wärme erzeugt wird, enthält. Die passive Leistungsabgabe der im Rahmen dieser Erfindung betrachteten Heizkörper beträgt danach vorzugsweise 217 d bis 862 d, insbesondere 302 d bis 862 d W/m, worin d die größte Querschnittsabmessung (in Zentimetern) des kaltleitenden Streifens zwischen den Elektroden angibt.

Die aktive Leistungsabgabe des kaltleitenden Heizkörpers wird durch die Anbringung der Umhüllung wesentlich erhöht, und bevorzugte Heizkörperanordnungen haben bei 10° C eine aktive Leistungsabgabe, die mindestens dem 1,5-fachen der aktiven Leistungsabgabe des kaltleitenden Heizkörpers ohne eine solche Umhüllung, ebenfalls bei 10° C, entspricht.

Die Umhüllung besteht vorzugsweise aus zwei langgestreckten dünnen Platten, zwischen die der Heizkörper geschichtet ist, wobei die dünnen Platten einander auf beiden Seiten des Heizkörpers berühren. Die dünnen Platten sind vorzugsweise zwischen 0,025 und 1,3 mm, z.B. 0,075 bis 0,2 mm stark und bestehen aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit

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von mindestens 0,3, beispielsweise Aluminium. Sie können untereinander und/oder mit dem Heizkörper mittels eines Klebers, z.B. eines Epoxyklebers, verbunden sein.

Es ist wichtig, daß die Umhüllung und der kaltleitende Heizkörper in innigem Wärmekontakt miteinander stehen, und die Umhüllung berührt vorzugsweise (unmittelbar oder durch Vermittlung eines Klebers) zumindest die Bereiche der Isolierummantelung neben denjenigen Teilen des Heizkörpers, in denen Wärme erzeugt wird. Vorzugsweise gibt es keine freien Räume zwischen der Umhüllung und dem Heizkörper. Vorzugsweise erstreckt sich die Umhüllung von dem kaltleitenden Heizkörper aus auswärts in Gestalt von Leitflächen, so daß die freiliegende Flächengröße der Umhüllung mindestens das 1,5-fache, z.B. mindestens das 2-fache der Flächengröße des Isoliermantels des kaltleitenden Heizkörpers, am besten mindestens das 2-fache, ausmacht. Die Umhüllung kann gleichzeitig als Schutz gegen das Eindringen von Sauerstoff in die Kaltleiterverbindung dienen, wie in der US-Patentanmeldung Ser. Nr. 965 345 beschrieben.

Die Heizkörperanordnungen können zwei oder auch mehr als zwei kaltleitende Heizkörper enthalten. Die Heizkörper können Abstand voneinander haben und können durch eine Umhüllung verbunden sein, die jeden einzelnen umgibt, z.B. eine Anzahl parallellaufender Heizbänder, die zwischen zwei dünne Metallplatten geschichtet sind.

Die Erfindung wird in den zugehörigen Zeichnungen erläutert, die folgendes darstellen:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Heizkörperanordnung, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem elek-

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trischen Strom und der Substrattemperatur bei den in dem Beispiel beschriebenen Versuchen.

Fig. 1 gibt einen kaltleitenden Heizkörper-wieder, der Elektroden 1 und 2 aufweist, die in einen Streifen 3 aus einem kaltleitenden Polymer eingebettet sind, den seinerseits eine isolierende Ummantelung 4 umgibt. Der Heizkörper ist zwischen zwei dünne Aluminiumplatten 5 und 6 geschichtet, die miteinander und mit dem Heizkörper durch ein (nicht gezeichnetes) Klebmittel verklebt sind.

Die Erfindung wird weiter durch das nachstehende Beispiel erläutert.

BEISPIEL

Der benutzte kaltleitende Heizkörper bestand aus einem 61 cm langen kaltleitenden Heizband gemäß Fig. 1. Als Elektroden dienten Kupferdrähte von 1,3 mm Durchmesser, deren Mittenabstand 7,6 mm betrug. Das kaltleitende Element war 10 mm breit und 1,8 mm stark und war zusammengesetzt aus einer Dispersion von Ruß in einem Gemisch aus Polyäthylen und einem Äthylen/Äthylacrylat-Mischpolymerisat. Der Isoliermantel bestand aus etwa 0,25 mm starkem Polyurethan. Der Heizkörper wies eine passive Leistungsabgabe von etwa 250 bis 275 W/m auf. Die aktive Leistungsabgabe dieses Heizkörpers für sich oder als Teil einer Heizkörperanordnung wurde gemessen, indem der Heizkörper oder die Heizkörperanordnung an einer Aluminiumplatte 1,25 χ 15,25 χ 61 cm befestigt/ ein Anschluß an eine 120 V Wechselstromquelle hergestellt und der Gleichgewichtszustand des Systems abgewartet wurde, während die Platte auf einer gewünschten Temperatur gehalten wurde. Bei den Versuchen wurde der Heizkörper allein (Fall A) benutzt oder der Heizkörper wurde zwischen zwei gleichartige Aluminiumbahnen von 61 cm Länge und 0,003 cm

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Stärke geschichtet, wobei die Breiten 11,4 bzw. 6,3 bzw. 3,8 bzw. 1,9 cm (Fälle' B bzw- C bzw. D bzw. E) betrugen. Fig. 2 zeigt die Beziehungen zwischen der Plattentemperatur und dem durch den Heizkörper fließenden Strom. Die untenstehende Tabelle führt die errechnete aktive Leistungsabgabe (Produkt aus Strom und angelegter Spannung) des Heizkörpers bei einer Plattentemperatur von 50° F (10° C) auf.

Tabelle

Fall	Breite der Metallumhüllung (cm)	Aktive Leistung bei 10° C (W/m)
A	keine	70
B	11,4	140' "
C	6,3	145
D	3,8	150
E	1,9	140

Ende der Beschreibung.

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Claims

1.) Verfahren zum Beheizen, bei dem Strom durch eine selbstregulierende Heizkörperanordnung geleitet wird, die einen kaltleitenden Heizkörper aufweist, der sich zusammensetzt aus

(II) zwei langgestreckten, parallellaufenden Elektroden, die elektrischen Kontakt mit dem Streifen haben, und

(III) einer elektrisch isolierenden Ummantelung, die

den genannten Streifen und die genannten Elektroden

umgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (a) mit einer Umhüllung (3) umgeben wird, die aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,1 Cal/cm°C see beträgt, und (b) bei Betriebsspannung eine passive Leistungsabgabe von mindestens 165 W/m aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kaltleitende Heizkörper eine passive Lei-

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stungsabgabe von 217 d bis 862 d W/m aufweist, wobei d die größte Querschnittsabmessung (in Zentimetern) des kaltleitenden Streifens zwischen den Elektroden angibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kaltleitende Heizkörper zwischen zwei langgestreckten dünnen Platten (5, 6) geschichtet wird, die einander auf beiden Heizkörperseiten berühren und die aus einem Werkstoff bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3 Cal/cm°C see beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Fläche der genannten dünnen Platten (5, 6) mindestens das 1,5-fache der Fläche des Isoliermantels (4) des kaltleitenden Heizkörpers ausmacht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper bei 10° C ein aktive Leistungsabgabe aufweist, die mindestens der 1,5-fachen aktiven Leistungsabgabe be körpers ohne die Umhüllung entspricht

1,5-fachen aktiven Leistungsabgabe bei 10° C eines Heiz-

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß' die Speisespannung .120 oder 240 V Wechselspannung beträgt.

7. Selbstregulierende Heizkörperanordnung mit einem kaltleitenden Heizkörper, der sich zusammensetzt aus

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(III) einer elektrisch isolierenden Ummantelung, die den genannten Streifen und die genannten Elektroden umgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kaltleitende Heizkörper

(a) bei 120 V eine passive Leistungsabgabe von mindestens 165 W/m aufweist, und

(b) von einer Umhüllung umgeben ist, die aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,1 Cal/cm°C see beträgt.

Heizkörperanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kaltleitende Heizkörper zwischen zwei langgestreckte dünne Platten (5, 6) geschichtet ist, die einander auf einer der beiden Heizkörperseiten berühren und die aus einem Werkstoff bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3 Cal/cm°C see beträgt.

9. Heizkörperanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende -Fläche der genannten dünnen Platten (5, 6) mindestens das 1,5-fach der Fläche des Isoliermantels (4) des kaltleitenden Heizkörpers ausmacht.

10. Heizkörperanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper bei 10° C eine aktive Leistungsabgabe aufweist, die mindestens der 1,5-fachen aktiven Leistungsabgabe entspricht, die sich an dem kaltleitenden Heizkörper ohne die Umhüllung bei 10° C einstellt.

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