DE2057017C

DE2057017C - Elektrische Flachenheizeinnch tung

Info

Publication number: DE2057017C
Application number: DE19702057017
Authority: DE
Inventors: Kensuke Yoshida Tadaaki Tokio Sugita Minoru Hino Tokio Yamada Minoru Urawa Saitama Okuda, (Japan)
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1969-11-21
Filing date: 1970-11-20
Publication date: 1973-08-02

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Flächenheizeinrichtung mit einem Heizelement aus einer papierartigen Folie, die unver»'ebte Kohlefasern aufweist, mit einem isolierenden Überzug, der die gesamte Oberfläche des Heize! ments bedeckt, and mit an dem Heizelement angeschlossenen Anschlußdrähten.

Bislang enthalten flache elektrische Heizeinrichtungen im allgemeinen Metalle als Heizelement. Am häufigsten ist ein derartiges Heizelement aus einem Nickel-Chrom-Draht hergestellt, der auf einer flachen Unterlage zur Bildung einer flachen Heizeinrichtung angeordnet ist. Bei dieser Art von Heizeinrichtung ist jedoch der Abstand zwischen den benachbarten Drähten, die in einer vorbestimmten Weise angeordnet sind, verhältnismäßig gnß, so daß die Wärme nicht gleichförmig verteilt wird und demzufolge die Heizwirkung insgesamt nicht gleichförmig ist, sofern die Wärmeerzeugung bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur nicht in einem vorbestimmten, begrenzten Bereich des Heizelements erfolgt. In den meisten Fällen wird als Heizelement eine isolierende Platte oder eine Anordnung aus übereinandergeschichteten, isolierenden Folien verwendet. Als Isolator werden häufig Kunstharze verwendet. Kunstharze haben im allgemeinen jedoch eine schlechte Wärmewiderstandsfähigkeit oder Wärmefestigkeit, so daß das Isolierharz an der Stelle, an der es das Heizelement berührt, zerfällt und mithin keine lange Lebensdauer aufweist. Da auch die Biegefähigkeit oder Biegefestigkeit von Metallfäden schlecht ist, sind sie nicht zur Herstellung einer flachen Heizeinrichtung geeignet, die biegsam sein muß. Zwar weist ein dünner Draht aus Wolfram die erforderliche Biegsamkeit auf, doch ist dieses Metall verhältnismäßig kostspielig.

Es wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitenden Papiers vorgeschlagen, bei dem feine Kohlefasern mit einer Lösung aus Pulpe gemischt und dann zu Papier verarbeitet werden. Dieses Papier läßt sich als Heizelement für verhältnismäßig niedrige Temperaturen verwenden. Die das Papier bildende Zellulosefaser hat jedoch eine geringe Wärmewiderstandsfähigkeit und wird leicht dehydriert, so daß jene erforderliche Fähigkeit verlorengeht. Ferner ist es möglich, daß an den Berührungsstellen zwischen den Zellulosefasern und Kohlefasern durch eine Funkenbildung u. dgl. teilweise eine starke Wärmeentwicklung stattfindet, du. einen Zer-

fall 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.

is so daß sich die Heizeinrichtung nicht für längere Zeit verwenden läßt. Dieses Heizelement ist daher nicht für hohe Temperaturen, sondern nur zur Erwärmung eines Gegenstandes auf eine verhältnismäßig niedrige Temperatur geeignet. Selbst in diesem Falle ist eine

Einschränkung der Verwendbarkeit unvermeidlich.

Ferner ist eine Flächenheizeinrichtung bekannt (schweizerische Patentschrift 277 570), die aus einer mit leitenden Substanzen (Kohlenstoff) versetzten Kunststoffschicht besteht, die wiederum in zwei Isolierschichten aus Kunststoff eingebracht ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine biegsame Flächenheizeinrichtung der erwähnten Art zu schaffen, die zur Erzeugung höherer Temperaturen geeignet ist und keiner Einschränkung hinsichtlich der Anwendung unterliegt.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Heizelement ausschließlich aus kurzen Kohlefasern besteht, die zu einer mittleren Länge von etwa 10 mm geschnitten und durch ein karbonisierbares Bindemittel gebunden sind, das der Gesamtmenge kurzer Kohlefasern in einem Verhältnis von 0,5 bis 30 Gewichtsprozent zugesetzt ist und dem Heizelement die gewünschte Folienform mit einem scheinbaren Volumenwiderstand von 10-' bis

10² Ohm · cm gibt.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden im folgenden an Hand der Zeichnung und Beispielen ausführlicher beschrieben.

Fig. 1 stellt eine bekannte Flächenheizeinrichtung dar, die einen Nickel-Chrom-Draht als Heizelement enthält, und

Fig. 2 stellt eine nach der Erfindung ausgebildete Flächenheizeinrichtung mit papierblattartig oder folienartig ausgebildeten Kohlefasern als Heizöl element dar.

Eine papierartige Folie oder ein papierartiges Blatt aus Kohlefasern (im folgenden zur Vereinfachung »Kohlefaserpapier« genannt) wird nach einem Ausführungsbeispiel dadurch hergestellt, daß zunächst dünne, weiche Kohlefasern mit geringerem Durchmesser als 30 μτη zu kürzeren Kohlefasern mit einer mittleren Länge von 10 mm geschnitten, dann die kurzen Kohlefasern in einem organischen Lösungsmittel dispergiert und suspendiert werden und aus der Suspension Papier hergestellt wird. Während der Papierherstellung wird der Kohlefasersuspension 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 kurzen Kohlefasern, zugesetzt. Dieses Bindemittel kann mit dem Isoliermaterial imprägniert oder auf diesem Isoliermaterial aufgeschichtet werden, und zwar

während des Zustands, in dem es am Kohlefaser- Beispiel 1
papier klebt, oder es kann einmal zur Karbonisation

wärinebehandelt werden, nachdem die Kohlefaser- Dn Kohlefaserpapier, das sich wie in Japan von suspension zu Papier verarbeitet wurde, d. h. nach- Hand hergestelltes Papier (sogenanntes »washi«) dem das fertige Papier vollständig kohleartig ist. 5 anfühlt, wurde auf folgende Weise hergestellt. Zu-Durch Änderung der Konzentration der kurzen erst wurden Kohlefasern mit einem Durchmesser von Kohlefasern in der Suspendierungslösung läßt sich 13 bis 15 um zu kurzen Kohlefasern mit einer mittdas Schüttgewicht (die scheinbare Dichte) des leren Länge von 3 mm geschnitten. Diese kurzen fertigen Papiers in einem Bereich von einigen Gramm Kohlefasern wurden in Wasser dispergiert, und pro Quadratmeter (dünnes Papier) bis zu einigen io daraus wurde ein Blatt Papier mit einem Schüttzehn Gramm pro Quadratmeter (dickes Papier) gewicht (bzw. einer scheinbaren Dichte) von 20 g/m² wählen. _uncj einer Dicke von etwa 0,2 mm hergestellt. Auf

Als Bindemittel können verwendet werden: ein dieses Papier wurde eine Kopolymeremulsion mit Kunstharz, wie ein Polymer aus Vinylidenchlorid, 80 Gewichtsteilen Vinylidenchlorid und 2ü Gewichts-Vinylidenfluorid, Vinylchlorid oder Acrylnitril, 15 teilen Vinylchlorid in einer Konzentration von 5 GeKopolymere, die diese Polymere als Hauptbestand- wichtsprozent aufgesprüht, und dann wurde das Patei! enthalten, thermoplastische Harze, z. B. Poly- pier getrocknet.

vinylalkohol oder dessen Derivate, oder durch Das Papier wurde in Teile mit einer Größe von

Wärme härtbare Harze, z. B. Phenolharz, Epoxy- 175 mm Länge und 140 mm Breite zerschnitten und

harz, ugesättigtes Polyesterharz, Furanharz (auch 20 dann in einer Stickstoffgar ^mosphäre bei 500 C zur

Furfuranharz genannt) oder Polydivirylbeni-ol. vollständigen Karbonisation wärmebehandelt. An

Die so hergestellte Heizeinrichtung ist sehr bieg- beiden Enden dieses kohleartigen Papiers wurden sam und erzeugt die Wärme äußerst gleichmäßig Anschlüsse befestigt, wonach es mit Siliconkautschuk nahezu über die gesamte Oberfläche verteilt, da die »RIV-1091«, hergestellt von der Shinetsu Kagaku kurzen Kohlefasern, die das Heizelement bilden, 25 Kogyo Kabushiki Kaisha. Japan, überzogen bzw. innig verflochten bzw. verfilzt sind, wie es in F i g. 2 imprägniert wurde, so daß sich schließlich eine dargestellt ist. Daher erfolgt kein Verfall des Kunst- Heizeinrichtung in Form einer weichen, biegsamen harzes, das als isolierender Überzug verwendet wird. Folie mit einer Dicke von 1 mm ergab,
so daß die Heizeinrichtung eine verhältnismäßig Außerdem wurden 70 Gewichtsteile kurze Kohlelange Lebensdauer aufweist. 30 fasern, die in der obenerwähnten Weise hergestellt

Für den isolierenden Überzug können dazu fol- wurden, und 30 Gewichtsteile Pulpe gemischt, und

gende Kunstharze verwendet werden: Thermo- aus dem Gemisch wurde Papier aus gemischten

plastische Harze, wie Polyvinylidenfluorid, Poly- Fasermaterialien mit einer Dicke und einem Schiitt-

äthylentherephthalat, Nylon, Polyäthylen, Poly- gewicht, die bzw. das weitgehend gleich der bzw.

propylen, Polyvinylchlorid usw. und durch Wärme 35 dem des erwähnten Kohlefaserpapiers ist, hergestellt,

härtbare Harze, wie Epoxyharz, Phenolharz, unge- Das Papier wurde ebenfalls mit Siliconkautschuk

sättigtes Polyesterharz, Siliconharz, Polyimidharz. imprägniert, so daß sich schließlich eine flache

Polybonzoimidazol usw. Diese Harze können je Heizeinrichtung ergab.

nach Anwendungsfall der Heizeinrichtung gewählt Bei einem Anschluß dieser beiden Papierarten an

werden. 40 einer Haushaltsstromquelle zeigte sich, daß sie sofort

Da das Heizelement nach der Erfindung lediglich Wärme erzeugen konnten. Die Temperaturanstiegsaus kurzen Kohlefasern besteht und keine Zellulose- geschwindigkeit des allein aus Kohlefasern hergefasern enthält, ist die Dichte des Heizelements pro stellten Heizelements erwies sich jedoch als größer Flächeneinheit verhältnismäßig groß, so daß eine als die eines aus gemischten Fasern hergestellten größere Wärmemenge als bei einer bekannten Heiz- 45 Heizelements. Darüber hinaus hat sich nach einer einrichtung erzeugt werden kann, selbst bei gleicher Betriebszeit von einer Stunde gezeigt, daß bei der elektrischer Spannung, wie sich aus der bekannten Heizeinrichtung mit dem aus gemischten Fasern Gleichung U-IR — W, ergibt, die den Zusammenhang hergestellten Heizelement in dem Heizelement zahlzwischen der erzeugten Wärmemenge W, der elek- reiche Gasblasen infolge einer durch die Wärme triscnen Spannung U und dem ohmschen Wider- 5° bewirkten Zersetzung der Zellulosefasen. der Pulpe stand R darstellt. erzeugt wurden, daß die Oberflächentemperatur bei-

Nach der Erfindung ist es also möglich, eine der Heizelemente einen konstanten Wert von etwa flache Heizeinrichtung hoher Haltbarkeit durch 150° C aufwies und daß in ihrem äußeren Erschei-Überziehen des Kohlefaserpapiers mit einer isolie- nungsbild keine Veränderung erfolgt ist.
renden Kunstfaser herzustellen. Diese flache Heiz- 55 .
einrichtung ist nicht nur neu im Aufbau, sondern Beispiel
weist auch eine ausgezeichnete Haltbarkeit, Biegsam- Ein Kohlefaserpapier mit einem Schüttgcwichl keit und Wärmeerzeugungsfähigkeit auf, §0 daß sie (bzw. einer scheinbaren Dichte) von etwa 10 g/m-' für viele Anwendungsfülle besonders vorteilhaft ver- wurde dadurch hergestellt, daß Kohlefascrn mit wendet werden kann, z. B. zum Heizen von Räumen, ^6o einem Durchmesser von etwa 8 μΐη zu kurzen Kohleals Frostschutzmittel für Wasser- und Ölleitungen, fasern mit einer Länge von 5 mm zerschnitten wur-Schienen u. dgl., die Frost ausgesetzt sind, zum den, zu d^;;sen kurzen Kohlefaser^ Polyvinylalkohol-Schmelzen von Schnee, zum Warmhalten oder Er- fasern mit einer Länge von 3 mm in einem Gewichtswärmen von Eßgeschirr, Küchengeschirr, der Einlaß- verhältnis von 10 : 2 zugegeben wurden, das Gemisch öffnung eines Sirahltriebwerkes oder den Flügel- ⁶5 in Wasser suspendiert wurde, aus den suspendierten spitzen eines Flugzeugs usw. Fasern ein Blatt Papier nach einem herkömmlichen

Im folgenden werden spezielle Beispiele für die Papierherstellungsverfahren hergestellt wurde, danach

Herstellung der Heizeinrichtung angegeben. das Papier erwärmt wurde, um die Polyvinylalkohol-

fasern zu schmelzen, und schließlich das Papier getrocknet wurde, um aus dem Polyvinylalkohol ein Bindemittel für die Kohlefascrn zu erzeugen.

Dann wurde das Papier auf beiden Oberflächen mit Polyvinylidenfluoridschichten mit einer Dicke von 0,2 mm und Anschlußdrühten verschen, so daß sich eine biegsame, flache Heizeinrichtung mit einer Breite von 140 mm und einer Länge von 175 mm ergab.

An die flache Heizeinrichtung wurde eine Spannung von 30 Volt angelegt, und die Oberflächentemperatur der Heizeinrichtung wurde 24 Stunden lang auf 120° C gehalten. Dabei konnte keine Veränderung an dem Heizelement festgestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektrische Flächenheizeinrichtung mit einem Heizelement aus einer papierartigen Folie, die unverwebte Kohlefasern aufweist, mit einem isolierenden überzug, der die gesamte Oberfläche des Heizelements bedeckt, und mit an dem Heizelement angeschlossenen Anschlußdrähten, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ausschließen aus kurzen Kohlefasern besteht, die zu einer mittleren Länge von etwa 10 mm geschnitten und durch ein karbonisierbares Bindemittel gebunden sind, das der Gesamtmenge kurzer Kohlefasern in einem Verhältnis von 0,5 bis 30 Gewichtsprozent zugesetzt ist und dem Heizelement die gewünschte Folienform mit einem scheinbaren Volumenwiderstand von lO-i Ms 102 Ohm · cm gibt.