DE2057017A1 - Warmegenerator und Verfahren zur Herstellung des Generators - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reiche! iipMnff; Wolfgang ßeichel

6 Frankfurt a. M. 1 6509

Parkstraße 13

KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokio, Japan

Wärmegenerator und Verfahren zur Herstellung des Gene rators

Die Erfindung betrifft einen flachen oder ebenen Wärmegenerator.

Bislang enthalten ebene Wärmegeneratoren im allgemeinen Metalle als Wärmeerzeugungselement. Am häufigsten ist ein derartiges Wärmeerzeugungselement aus einem Nickel-Chrom-Draht, der auf einer flachen Unterlage zur Bildung eines flachen bzw. ebenen Wärmegenerators angeordnet ist, hergestellt. Diese Art von Wärmegenerator ist jedoch inso- Jj fern nachteilig, als der Abstand zwischen den benachbarten Drähten, die in einer vorbestimmten Weise angeordnet sind, verhältnismäßig groß ist, so daß die Wärme nicht gleichförmig-verteilt wird und demzufolge die Wärmeerzeugungswirkung insgesamt nicht gleichförmig ist, sofern die Wärmeerzeugung bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur nicht in einem vorbestimmten, begrenzten Bereich des Wärmeerzeugungselementes erfolgt. In den meisten Fällen wird als Wärmeerzeugungselement eine isolierende Platte oder eine Anordnung aus übereinandergeschichteten, isolie-

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renden Folien verwendet. Als Isolator werden am häufigsten Kunstharze verwendet. Kunstharze haben im allgemeinen jedoch eine schlechte Y/ärmewiderstandsfähigkeit oder Wärmefestigkeit, so daß das Isolierharz an der Stelle, an der es das Wärmeerzeugungselement berührt, zerfällt und mithin keine lange Lebensdauer aufweist. Da auch die Biegefähigkeit oder Biegefestigkeit von Metallfibern, -fäden oder -fasern schlecht ist, sind sie nicht zur Herstellung eines flachen Wärmegenerators geeignet, der biegsam sein muß. Zwar weist ein dünner Draht aus Wolfram die erforderliche Biegsamkeit auf,,doch ist dieses Metall verhältnismäßig kostspielig.

Nach einem kürzlich entwickelten Verfahren zur Herstellung elektrisch leitenden Papiers werden feine Kohlefasern mit einer geschlagenen Lösung aus Pulpe gemischt und dann zu Papier verarbeitet. Dieses Papier läßt sich als Wärmeerzeugungselement für verhältnismäßig niedrige Temperaturen verwenden. Die das Papier bildende Zellulosefaser hat jedoch eine geringe Wärmewiderstandsfähigkeit und wird leicht dehydriert, so daß diese erforderliche Eigenschaft verloren geht. Ferner ist es möglich, daß an den Berührungsstellen zwischen den Zellulosefasern und Kohlefasern durch eine Funkenbildung und dergleichen teilweise eine starke Wärmeentwicklung stattfindet, die einen Zerfall der Zellulosefasern sowie ein Schmelzen und Zersetzen des für das Übereinanderschichten verwendeten Kunstharzes bewirkt. Außerdem bewirkt das bei der Zersetzung der Zellulose erzeugte Gas, daß sich der isolierende Überzug löst und abblättert, so daß sich der Y/ärmegenerator nicht für längere Zeit verwenden läßt. Dieses Wärmeerzeugungselement ist daher nicht für hohe Temperaturen, sondern nur zur Erwärmung eines Gegenstands auf eine verhältnismäßig niedrige

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Temperatur geeignet. Selbst in diesem Falle ist eine Einschränkung der Verwendbarkeit unvermeidlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen flachen bzw. ebenen Wärmegenerator zu schaffen, der die erwähnten Nachteile nicht aufweist und keinerEinschränkung hinsichtlich der Anwendung unterliegt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Danach ist es möglich, einen papierblattartigen Wärmeerzeugungskörper allein aus Kohlefasern herzustellen, der dann mit isolierendem Kunstharz in flacher oder blattartiger Form imprägniert oder zwischen einem derartigen Isoliermaterial eingebettet wird, und dann mehrere dieser flachen Wärmeerzeugungselemente übereinanderzuschichten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung und Beispielen ausführlicher beschrieben.

Fig. 1 stellt einen an sich bekannten flachen Y/ärmegene- ,

rator dar, der einen Nickel-Chrom-Draht als Heizelement enthält, und

Fig. 2 stellt einen nach der Erfindung ausgebildeten flachen oder ebenen Wärmegenerator mit papierblattartig oder folienartig ausgebildeten Kohlefasern als Wärmeerzeugungselement dar.

Eine papierartige Folie oder ein papierartiges Blatt aus Kohlefasern (im folgenden zur Vereinfachung "Kohlefaserpapier" genannt) wird nach der Erfindung dadurch herge-

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stellt, daß zunächst dünne, weiche Kohlefasern mit geringerem Durchmesser als 30 Mikron zu Fibrillen mit einer mittleren Länge von 10 mm geschnitten, dann die Fibrillen in einem organischen Lösungsmittel dispergiert und suspendiert werden und aus der Suspension Papier hergestellt wird. Während der Papierherstellung wird der Kohlenfibrillensuspension ein in dem organischen Lösungsmittel lösliches Kunstharz oder dessen Emulsion als Bindemittel in einem Verhältnis von 0,5 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge der Kohlefibrillen, zugesetzt. Dieses Bindemittel kann mit dem Isoliermaterial imprägniert oder auf diesem Isoliermaterial aufgeschichtet werden, und zwar v/ährend des Zustands, in dem es am Kohlefaserpapier klebt, oder es kann einmal zur Karbonisation wärmebehandelt werden, nachdem die Kohlefasersuspension zu Papier verarbeitet wurde, d.h. nachdem das fertige Papier vollständig kohlenartig ist. Durch Änderung der Konzentration der Kohlefibrillen in der Suspendierungslösung läßt sich das Schüttgewicht (die scheinbare Dichte) des fertigen Papiers in einem Bereich von einigen Gramm pro Quadratmeter (dünnes Papier) bis zu einigen zehn Gramm pro Quadratmeter (dickes Papier) wählen.

Als Bindemittel können verwendet werden ein Kunstharz, wie ein Polymer aus Vinylidenchlorid, Vinylidenfluorid, Vinylchlorid oder Acrylonitril, Kopolymere, die diese Polymere als Hauptbestandteil enthalten, thermoplastische Harze, z.B. Polyvinylalkohol oder dessen Derivate, oder durch Wärme härtbare Harze, z.B. Phenolharz, Epoxyharz, ungesättigtes Polyesterharz, Furanharz (auch Furfuranharz genannt) oder Polydivinylbenzol.

Der so hergestellte Wärmegenerator ist sehr biegsam und erzeugt die Wärme äußerst gleichmäßig nahezu über die gesamte Oberfläche verteilt, da die Kohlefibrillen, die

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das Wärmeerzeugungselement bilden, innig verflochten und verwachsen sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Daher erfolgt kein Verfall des Kunstharzes, das als isolierender Überzug verwendet wird, so daß der Heizkörper eine verhältnismäßig lange Lebensdauer aufweist.

Für den isolierenden Überzug können folgende Kunstharze verwendet werden: Thermoplastische Harze, v/ie Polyvinylidenfluorid, Polyäthylentherephthalat, Nylon, Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid usw. und durch Wärme hart- | bare Harze, wie Epoxyharz, Phenolharz, ungesättigtes Polyesterharz, Siliconharz, Polyimidharz, Polybenzoimidazol usw. Diese Harze können je nach Anwendungsfall des Wärmegenerators gewählt werden.

Da das Wärmeerzeugungselement nach der Erfindung lediglich aus Kohlefibrillen besteht und keine Zellulosefasern enthält, ist die Dichte des Wärmeerzeugungselementes pro Flächeneinheit verhältnismäßig groß, so daß eine größere Wärmemenge als bei dem bekannten Wärmegenerator erzeugt werden kann, selbst bei gleicher elektrischer Spannung,

ο wie sich aus der bekannten Gleichung U /R^-T/, ergibt, die den Zusammenhang zwischen der erzeugten Wärmemenge W, der elektrischen Spannung U und dem ohmschen Widerstand R darstellt.

Nach der Erfindung ist es also möglich, einen flachen Wärmegenerator hoher Haltbarkeit durch Überziehen des Kohlefaserpapiers mit einer isolierenden Kunstfaser herzustellen. Dieser flache Wärmegenerator ist nicht nur neu im Aufbau, sondern weist auch eine ausgezeichnete Haltbarkeit, Biegsamkeit und Wärmeerzeugungsfähigkeit auf, so daß er für viele Anwendungsfälle besonders vor-

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teilhaft verwendet werden kann. z.B. zum Heizen von Räumen, als Frostschutzmittel für Wasser- und Ölleitungen, Schienen und dergleichen, die Frost ausgesetzt sind, zum Schmelzen von Schnee, zum V/armhalten oder Erwärmen von Eßgeschirr, Küchengeschirr, der Einlaßöffnung eines Strahltriebwerkes oder den Flügelspitzen eines Flugzeugs usw.

Im folgenden werden Beispiele für die Herstellung des Wärmegenerators angegeben.

Beispiel 1

Ein Kohlefaserpapier, das sich wie in Japan von Hand hergestelltes Papier (sogenanntes "washi") anfühlt, wurde auf folgende Weise hergestellt. Zuerst wurden Kohlefasern mit einem Durchmesser von 13 bis 15 Mikron zu Fibrillen mit einer mittleren Länge von 3 mm geschnitten. Diese Fibrillen wurden in Wasser dispergiert, und daraus wurde ein Blatt Papier mit einem Schüttgewicht (bzw. einer schein-

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baren Dichte) von 20g/m und einer Dicke ν ölt etwa 0,2 mm hergestellt. Auf dieses Papier wurde eine Kopolymeremulsion.mit 80 Gewichtsteilen Vinylidenchlorid*und 20 Gewichtsteilen Vinylchlorid in einer Konzentration von fünf Gewichtsprozent aufgesprüht, und dann wurde das Papier getrocknet.

Das Papier wurde in Teile mit einer Größe von 175 mm Länge und 140 mm Breite zerschnitten und dann in einer Stickstof fgasatmosphäre bei 500° C zur vollständigen Karbonisation wärmebehandelt. An beiden Enden dieses kohleartigen Papiers wurden Anschlüsse befestigt, wonach es mit

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Siliconkautschuk "RIV-1091", hergestellt von der Shinetsu Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha, Japan, überzogen bzw. imprägniert wurde, so daß sich schließlich ein Wärmegenerator in Form einer weichen, biegsamen Folie mit einer Dicke von 1 mm ergab.

Außer dem Obigen wurden 70 Gewichtsteile Kohlefibrillen, die in der oben erwähnten V/eise hergestellt wurden, und 30 Gewichtsteile Pulpe gemischt, und aus dem Gemisch wurde Papier aus gemischten Fasermaterialien mit einer Dicke und einem Schüttgewicht, die bzw. das weitgehend d

gleich der bzw. dem des erwähnten Kohlefaserpapiers ist, hergestellt. Das Papier wurde ebenfalls mit Siliconkautschuk imprägniert, so daß sich schließlich ein flacher Wärmegenerator ergab.

Bei einer Verbindung dieser beiden Papierarten zu einer Wärmequelle .^r den Haushalt zeigte sich, daß sie sofort Wärme erzeugen kann. Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit des allein aus Kohlefibrillen hergestellten Wärmegenerators erwies sich jedoch als größer als die eines aus gemischten Fasern hergestellten Wärmegenerators. Darüberhinaus hat sich nach einer Betriebszeit von einer Stunde bei beiden Wärmegeneratoren gezeigt, daß der aus ' gemischten Fasern hergestellte Wärmegenerator in dem Wärmeerzeugungselement zahlreiche Gasblasen infolge einer durch die Wärme bewirkten Zersetzung der Zellulosefasern der Pulpe erzeugte, daß die Oberflächentemperatur beider Heizkörper einen konstanten Wert von etwa 150° C aufwies und daß in ihrem äußeren Erscheinungsbild keine Veränderung erfolgt ist.

Beispiel 2

Ein Kohlefaserpapier mit einem Schüttgewicht (bzw. einer scheinbaren Dichte) von etwa lOg/m wurde dadurch hergestellt, daß Kohlefasern mit einem Durchmesser von etwa 8 Mikron zu Fibrillen mit einer Länge von 5 mm zerschnitten wurden, zu diesen Fibrillen Polyvinylalkoholfibrillen mit einer Länge von 3 mm in einem Gewichtsverhältnis von 10 : 2 zugegeben wurden, das Gemisch in Wasser suspendiert wurde, aus den suspendierten Fasern ein Blatt Papier nach einem herkömmlichen Papierherstellungsverfahren hergestellt ψ wurde, danach das Papier erwärmt wurde, um die Polyvinylalkoholf ibrillen zu schmelzen, und schließlich das Papier getrocknet wurde, um aus dem Polyvinylalkohol ein Bindemittel für die Kohlefibrillen zu erzeugen.

Dann wurde das Papier auf beiden Oberflächen mit PoIyvinylidenfluoridschichten mit einer Dicke von 0,2 mm und Anschlußdrähten versehen, so daß sich ein biegsamer, flacher Wärmegenerator mit einer Breite von 140 mm und einer Länge von 175 mm ergab.

An den flachen Wärmegenerator wurde eine Spannung von 30 fe Volt angelegt, und die Oberflächentemperatur des Wärmegenerators wurde 24 Stunden lang auf 120°£gehalten. Dabei konnte keine Veränderung an dem Wärmeerzeugungselement festgestellt werden.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   Iy Flacher Wärmegenerator, dadurch gekennzeichnet, daß er ein aus Kohlefibrillen hergestelltes Wärmeerzeugungselement in Form eines Blatt Papiers mit einem scheinbaren spezifischen Volumenwider-

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   stand von 10 bis 10 Ohm/cm, ein Bindemittel in einem Verhältnis von 30 Gewichtsprozent in bezug auf die Gesamtmenge der Kohlefibrillen, um die Kohlefibrillen in der gewünschten Lage festzuhalten, einen isolierenden Überzug zur Abdeckung der gesamten Oberfläche des Wärmeerzeugungselementes und mit dem Y/ärmeerzeugungselement verbundene Anschlußdrähte aufweist.
2. 2. Verfahren zum Herstellen eines flachen Wärmegenerators, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefasern zu Fibrillen erforderlicher Länge zerschnitten, die Kohlefibrillen in einem Suspensionsmittel dispergiert und suspendiert werden, aus der Fibrillensuspension ein Blatt Papier hergestellt wird, dem Kohlefibrillenpapier ein Bindemittel zugesetzt wird, das Papier zur Karbonisation des zugesetzten Bindemittels wärmebehandelt wird und das karbonisierte Papier mit Isoliermaterial überzogen wird.

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