DE2103268A1 - Heizvorrichtung - Google Patents

Description

OR-IIM3. DIF'L.-IM.i.M. SC. D 1 PL.- PHYS. .1 Γ-t. DIPL-PMYS.

HOGER-STELLRECHT-GRiESSBACH-HAXECKER

£ \U.O /ΌΌ

PATENTANWÄLTE IN STUTTGAFiT

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25.1.1971

U.S.Ser.i-To. 0OC, Oc

Texas Instruments Incorporated, Dallas,Texas U.S.A.

Heizvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Heisvorrichtung mit einem elektrische Anschlüsse aufweisenden Heizelement,

In den letzten Jahren haben elektrisch beheizte Lockenwickler immer mehr Anklang gefunden. Diese Lockenwickler haben im allgemeinen einen äußeren zylindrischen Mantel aus einen geeigneten Polymer, von dessen Umfangsflache aus sich zum Erfassen des Haares eine Vielzahl von Fingern erstreckt. Die Lockenwickler worden auf die gewünschte Temperatur gebracht und von der betreffenden Person übernommen, die Haar um den Umfang J wickelt. Im allgemeinen wird der Lockenwickler eine kurze Zeit in Berührung mit dem Haar gehalten, um eine Lockenbilduug zu erzielen. Es sind nun verschiedene Ileizvsifahren bei·;ιι:~.λτ., die jedoch alle gewisse Nachteile haben. Ein bekannter Lockenwickler verwendet ein im Mantel angeordnetes Gehäuse, das ein schmelzbares Wachs enthält. Der Lockenwickler v/ird in Wärmetauscheranordnung zu einer Heizvorrichtung so lange gebracht, bis das Wachs schmilzt, worauf er von der Heizvorrichtung entfernt wird und nun gebrauchsfertig ist.

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Da das Wachs flüssig wird, müssen besondere Vorsichtsinaimai :.-.?. zum sicheren Abdichten cje troffen werden. Ferner ist die ;r..:n Anwärmen erforderliche Zeit infolge der niedrigen Wärmelext:fähig— keit vor." vrr-.rhs !"r.g^r als erwünscht. Dio vrachsi'üllur.g f_r„-r:iV~ jedoch den ^v~>rte.il einer ausgezeichneten Wärniei-peicherur.a infolge der latenten Wärme, die während der PhasonUnderung d^s Wachses vein flüssigen in den festen Zustand Lein Abkühle:; abgegeben wird. Versuche wurden nun bereits gemacht, den erst- . genannten Nachteil dadurch zu vermeiden, daß im Lockenwickler ein Widerstandselement sowohl für die Aufheizur.g als auch die Wärmespeieherung verwendet wurde. Hierdurch werden bei der Abdichtung auftretenden Schwierigkeiten vermieden, doch ist die Aufwärmzeit immer noch übermäßig groß, da ein relativ massiges Wxderstandselement benützt v/erden muß, um genügend Wärrae für die Zeit nach dem Abschalten zu speichern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß beide Ausführungsfomen Steuervorrichtungen, beispielsweise Thermostaten, zur Steuerung des Strcr.es benötigen. Außerdem ist die Wärmeverteilung auf der Oberfläche der beiden Arten von Lockenwicklern verhältnismäßig ungleichmäßig, so daß heiße und kalte Stellen auf dem Umfang entstehen, wodurch sich eine ungleichmäßige Lockenbildung in verschiedenen Teilen des Ilaares ergibt. Bei beiden Arten von Lockenwicklern ist die Wärmeverteilung auf der Oberfläche nicht gleichmäßig, so daß sich eine ungleiche Lockenbildung an verschiedenen Haarteilen ergibt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine vorzugsweise in einem Lockenwickler verwendbare Heizvorrichtung zu · schaffen, bei der eine rasche Aufwärmung und eine langsame Abkühlung vorhanden ist, bei der keine Abdichtprcbleme auftreten und bei der die Stromsteuerung einfach ist. Diese

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Aufgabe wird bei der eingangs erwähnten Heizvorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Heizelement einen länglichen, aus leitendem Polymer gebildeten Hohlzylinder hat, dessen Innen- und Außenflächen mindestens zum Teil mit einer elektrisch leitenden Innenschicht bzw. Außenschicht überzogen sind, daß gegen die Innencchicht ein im Hohlraum angeordneter, elektrisch leitender und die Innenschicht stützender Inncnhalter und gegen die Außenschicht ein elektrisch leitender, die Außenschicht stützender Außenhalter anliegt. Hierdurch ist eine einfache, kräftige und zuverlässige Heizvorrichtung geschaffen worden, die unter Ver- μ meidung heißer und kalter Stellen eine gleichmäßige Erwärmung zeigt. Die Aufwärmzeit ist außerordentlich kurz, und die Wärme wird längere Zeit gespeichert. Ferner sind keine Thermostaten oder andere Steuervorrichtungen für den Strom notwendig.

Das Heizelement ist aus mit leitenden Teilchen, insbesondere Ruß, beladenem Polymer, gebildet und hat einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten mit dem sogenannten PTC-Effekt. Die langsame Abkühlung hängt mit der Phasenänderung des amorphen Polymers in den kristallinen Zustand zusammen. Ein Schmelzen des Polymers tritt infolge des scharfen Widerstandsanstiegs bei Temperaturen oberhalb der Anomalietemperatur nicht Λ ein, so daß die Wärmeerzeugung bei erhöhten Temperaturen begrenzt ist. Da das Polymer seine Gestalt behält, sind keine Abdichtmittel wie bei den schmelzbares Wachs verwendenden Vorrichtungen erforderlich. Auf dem Polymerhohlzylinder sind innere und äußere Leiterschichten aufgebracht, gegen die rohr- oder hülsenförmige Glieder aus elektrisch leitendem Material anliegen, die ihrerseits mit Anschlüssen verbunden sind. Vorzugsweise wird die Heizvorrichtung in einem Lockenwickler ver-

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wendet und befindet sich dann in dessen Gehäuse, wobei die Anschlüsse vorteilhaft über die Stirnwände dieses Gehäuses nach außen ragen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung , die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Lockenwickler gemäß

der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1.

Die Dimensionen bestimmter Teile in der Zeichnung sind abgewandelt und/oder übertrieben dargestellt, um das Verständnis zu erleichtern.

Das Heizelement gemäß der Erfindung ist aus einem leitenden, Füller enthaltenden Polymer hergestellt, der einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten oberhalb einer Ancmalietemperatur oder eines Schwellwertes hat. Das Heizelement wird an die Netzspannung so angeschlossen, daß der Strom hindurch-■fließt und dadurch eine Ohm'sche Erwärmung entsprechend I^R erzeugt wird. Wenn die Temperatur bis über den Anoir.aliepunkt -ansteigt, ergibt sich -eine plötzliche und markante Erhöhung des Widerstandes, so daß nun der Strom durch das Heizelement in wirksamer Weise abgeschaltet oder gedrosselt wird. Durch diese Selbstbegrenzung des Stromes kann nun die Notwendigkeit des Einbaus eines Thermostaten oder einer ähnlichen bekannten Steuervorrichtung in Wegfall kommen. Die vorliegende Erfindung ergibt neben anderen Vorteilen eine außerordentlich schnelle Aufwärmzeit, wobei die Wärme für eine längere Zeitdauer gespeichert wird, da das Polymer als Heizelement, als Wärmetauscher und Wärmevorratsmittel wirkt. Die PTC-Merkmale dienen nicht nur dazu, den Strom zu begrenzen, sondern ergeben auch einen weiteren überraschenden Vorteil.

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Es wurde allgemein angenommen, daß die PTC-Merkmale in leitende: Polymeren durch einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwisohs dem Polymermaterial· und dem leitenden Füller verursacht werden, cLh. es wurde angenommen, daß das Polymer einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die leitenden Füllerteilchen habe und daß dies zu dem PTC-Effekt führe. Wenn die Temperatur ansteigt, dehnt sich das Polymer mehr als aus die leitenden Teilchen, so daß die leitenden Teilchen erweitert werden. Vergleiche in diesem Zusammenhang die USA-Patentschriften 2 978 665 und 3 243 753. Dies ist jedoch keine befriedigende Erklärung, da viele Materialien, beispielsweise Polyvinylchlorid und Polystyrol, keinen markanten PTC-Effekt haben,, obgleich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Polymers größer als der der leitenden Teilchen ist.

Der PTC-Effekt scheint eher von der Phasenänderung oder Zustandsänderung der Polymere von kristallinem Aufbau und nicht in erster Linie von der Höhe der thermischen Ausdehnung abzuhängen. Wenn ein _kristallines Polymer, beispielsweise Polyäthylen, mit Kohlenstoffteilchen, beispielsweise Ruß, beladen wird, so ist der Ruß auch nach einer intensiven Mischung ungleich im Polymer verteilt. Ein derartiges Material weist amorphe Bereiche auf, und es ergibt sich nun, daß die meisten der Kohlenstoffteilchen in diesen amorphen Bereichen vornander. sind. Die Kohlenstoffteilchen bilden große Aggregate, die durch kristalline Bereiche getrennt sind, wobei die Trennung von der Größenordnung von mehreren hundert A ist. Damit enthält das Polymer einige wenige Ketten von Kohlenstoffteilchen, die eine ununterbrochene Kette durch das Material bilden, jedoch ist die Hauptmenge solcher Ketten durch die kristallinen

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Bereiche des Polyäthylens unterbrochen. Es kann nun ein Flektronentunneleffekt ohne weiteres durch diese dünnen Fil^r.e aus kristallinem Polymer hindurch so eintreten, daß die durch die kristallinen Bereiche unterbrochenen Kohienstoffketten Leitfähigkeiten annehmen, die mit denen von ununterbrochenen Kohienstoffketten verglichen werden können und sich diesen nähern. Wenn die Temperatur ansteigt/ so trennen sich die Kohienstoffrußmassen infolge der größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Polymers, so daß die Schwierigkeit einer Elektronentunnelbildung zwischen den Kohlenstoffmassen erhöht wird, wodurch die infolge der Temperaturerhöhung erhöhte Elektronentunnelwirkung kompensiert wird, während die kristallinen Bereiche intakt verbleiben. Bei Temperaturen unter etwa 90 C ist der Widerstandspegel verhältnismäßig waagrecht. Steigt die Temperatur bis zum Kristallschmelzpunkt an, so werden die Kohienstoffmassen durch amorphe Bereichs voneinander getrennt, in welchen der Elektronentunneleffei^t sehr begrenzt ist, was einen hohen Widerstand des Materials mit sich bringt, wie dies in dem ungefähren Temperaturbereich von 90 - 130 C der Fig. 3 dargestellt ist. Ein weiterer Temperaturanstieg bewirkt, daß das Polymer halbgeschmolsen wird, was nun den auseinandergedrückten Kohlenstoff massen gestattet, sich in das Polymer hinein auszudehnen und das Material mit einem Teilnetzwerk zu durchziehen, wodurch die Leitfähigkeit erhöht wird, wie dies aus Fig. 3 bei Temperaturen von etwa 130 C an hervorgeht.

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Damit gestattet die Vervendung von PTC-Polymeren nicht nur eine Kombination mehrerer Funktionen,. wie oben erwähnt, sondern es wird auch eine zusätzliche V7ärmespeicherfähigkeit im Zusammenhang n:it der Phasenänderung ausgenutzt. Durch eine Änderung des kristallinen Polymergebildes in eine amorphe Phase bei Erwärmung wird damit im Zusammenhang mit der Phasenänderung latente Wärme gespeichert, die beim Abkühlen freigegeben wird, so daß hierdurch eine sehr günstige Wärmespeichervorrichtung entsteht.

In dem Ausf ührungsbsispiel .- -

ist mit 10 als Ganzes ein Lockenwickler gemäß der Erfindung bezeichnet. Dieser hat einen äußeren, iia wesentlichen zylindrischen Mantel 12 aus "Irgendeinem geeigneten synthetischen Kunstharz, der eine Vielzahl von Fingern 14 hat, die sich vom Mantel aus radial erstrecken, um dadurch das Haar zu halten. Der Mantel 12 hat ein geschlossenes Ende 16 und ein offenes Ende 18, so daß dort eine Heizvorrichtung 20 eingesteckt werden kann« Die Heizvorrichtung 20 hat ein längliches, hohlzylindrisches Heizelement 22 aus einem leitenden, ir.it Füller beladenen Polymer, das einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten oberhalb eines Anomaliepuriktes oder einer Schwellwertteiuperatur hat. Um nun einen optimaler, ur.ä zuverlässigen elektrischen Kontakt mit diesem Polymerisaterial zu schaffen, sind die inneren und äußeren Umfangsflachen des Heizelements 22 mit einem leitenden Material beschichtet, beispielsweise chemoplattiertem (electroless) Nickel cder elektroplattieren! Zinn, die mit Hülsen eine satte körperliche Verbindung haben. Eine Hülse 24, die aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt ist und eine entsprechende Größe und Stärke hat, liegt nach dem Einpressen in die Bohrung des Heizelementes 22 gegen

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die Innenfläche unter Spannung an. Hierdurch ergibt sich nicht nur ein elektrischer Kontakt mit dem leitenden Überzug, sondern auch eine Halte-wirkung für diesen letzteren, so daß er sich bei einem häufigen Energiewechsel nicht abschälen kann. An der Hülse 24 ist an einem Ende durch übliche Mittel eine Kappe befestigt, beispielsweise durch Löten, und von der Kappe erstreckt sich ein Stift 28 weg, der ebenfalls angelötet sein kann. Die Kappe 26 kann mit der Hülse 24 gegebenenfalls auch einstückig sein. Der Stift 28 erstreckt sich durch eine Öffnung einer Kappe 30, die das offene Ende des Mantels 12 schließt. Ferner ist eine Hülse 32 aus einem elektrisch gut leitenden Material am Außenumfang des Heizelements 22 in fester Berührung mit demselben angebracht und ist bei 34 durch Umbördeln so befestigt, daß dort ein Kopfstück 36 befestigt ist. Das Kopfstück 36 hat einen Außenrand 38 aus irgendeinem geeigneten Material, beispielsweise Aluminium, der einen Ring 40 aus dielektrischem Material, beispielsweise Polymer, umgibt, der seinerseits eine Scheibe 42 hält. Von der Scheibe 42 erstreckt sich axial ein Stift 44, der dort.. beisdeJ.; weise durch Schweißen, befestigt ist. Um die elektrische Verbindung zwischen dem Stift 44 und der Hülse 32 zu verbessern, kann auf die Oberfläche 34 um den Stift herum ein Lötmittel aufgebracht werden, oder es kann die Scheibe 42 in nicht dargestellter Weise elektrisch mit dem Außenrand 38 verbunden sein.

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Das Heizelement 22 ist aus einem Polymermaterial gebildet, das mit leitenden Teilchen gefüllt ist und einen PTC-Effekt hat. Das Polymer ist ein solches mit kristallinem Aufbau, beispielsweise ein Polyolefin, bei dem die PTC-Merkmale deutlich vorhanden sind und das außerdem Wärmespeichereigenschaften hat, die im Zusammenhang mit der Phasenänderung, nämlich der Ande- ' rung der kristallinen Phase·in die amorphe Phase, zusammenhängen. Der besondere Vorteil dieses Materials besteht darin, daß der Strom und damit auch die Wärmeerzeugung durch die scharfe Änderung des Widerstandes begrenzt wird, bevor das Material

22 schmilzt. Dies bedeutet, daß der Hohlzylinder seine Gestalt beibehält, so daß keine Notwendigkeit für umständliche Abdichtmittel vorhanden ist, wie dies beispielsweise.bei Vorrichtungen ™ unter Verwendung von schmelzbaren Wachsen notwendig ist. Trotzdem sind die Vorteile vorhanden, wie sie mit der Phasenänderung zusammenhängen. Das Material wird in der Weise ausgewählt/ daß t Anlegen der Netzspannung der Widerstand die Höhe erreicht, die in Fig. 3 gestriclElt dargestellt ist. Bei dieser Höhe kcrrrvt die Wärmeerzeugung der Wärmeabgabe bei geringer Änderung der Temperatur gleich. In diesem Zusammenhang wird auf die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung derselben Anmelderin (meine Akte: A 38 595 h) hingewiesen, wo nähere Angaben über die Zusammensetzung des Polymer-Materials und seine Herstellung gemacht werden.

Die Kombination der Aufwärm- und Wärmespeicherfunktionen mit Hilfe des PTC-Polymer-Elements ergibt eine sehr schnelle Aufwärmzeit und außerdem die langsame Abkühlung, wie sie bei den mit Wachs gefüllten Vorrichtungen vorhanden ist.

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Die Verwendung eines Polymer-Heizelements für Lockenwickler
ergibt damit eine sehr schnelle Aufwärmzeit und trotzdem eine
sehr günstige Abkühlzeit. Ferner wird die Notwendigkeit zusätzlicher Therrr.ostaten beseitigt, um den Strom so begrenzen, da
die PTC-Kennlinie wirksam den Stromfluß begrenzt, wenn die Arbeitstemperatur erreicht ist. Zusätzlich ist Polymer sehr kräftig, wird beim Fallenlassen nicht beschädigt, ist außerordentlich gleichmäßig in seiner Heizwirkung entlang der Oberfläche
und kann durch übliche Verfahren ohne weiteres in die gemanschte Form gebracht werden. Die Erfindung ermöglicht auch die
elektrische Verbindung mit einem länglichen Polymer-Hohlzylinder, dessen Überzüge in günstiger Weise gehalten werden
können.

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Claims (13)

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   Patentansprüche

   l.i Heizvorrichtung mit einem elektrische Anschlüsse aufwei- ^*—- senden Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement einen länglichen, aus leitendem Polymer gebildeten Hohlzylinder (22) hat, dessen Innen- und Außenflächen mindestens zum Teil mit einer elektrisch leitenden Innenschicht bzw. Außenschicht überzogen sind, daß gegen die Innenschicht ein im Hohlraum angeordneter, elektrisch leitender und die Innenschicht stützender Innenhalter (24'· und gegen die Außenschicht ein elektrisch leitender, die Außenschicht stützender Außenhalter (32) anliegt.
2. 2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenhalter eine Innehülse (24) oder ein Rohrstück ist.
3. 3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenhalter eine Außenhülse (32) ist.
4. 4. Heizvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (24, 32) satt, vorzugsweise unter Druck, gegen die Leiterschichten anliegen.
5. 5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschichten und die Hülsen (24, 32) sich über die ganze Länge des Hohlzylinders (22) erstrecken. ™
6. 6. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlüsse (26. 28; 42, 44) zum Anschluß an eine Stromquelle angebracht sind.
7. 7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse einen ersten (28) und einen zweiten (44) Anschlußstift aufweisen, die ungefähr axial von den Stirnenden des Hohlzylinders (22) nach außen ragen. _

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8. 8. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschlußstift auf einer elektrisch leitenden Scheibe (26) sitzt, die das eine Ende des Hohlzylinders verschließt und gegen die Innenhülse (24) anliegt.
9. 9. Heizvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Ende des Hohlzyl'inders (22) ein Kopfstück (36) angeordnet ist, das den zweiten Anschlußstift (44) trägt.
10. 10. Heizvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück (36) einen Ring aus dielektrischem Material hat, der durch Umbö'rdeln der Außenhülse (32) befestigt ist.
11. 11. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlußstift (44) durch eine Auflage, beispielsweise eine Lötauflage, mit der Außenhülse (32) elektrisch verbunden ist.
12. 12. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung in einem geschlossenen Gehäuse (12, 30, 16) untergebracht ist, über deren Stirnwände (30, 16) die Anschlußstifte (28, 44) vorstehen.
13. 13. Heizvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, . daß das Gehäuse (12, 30, 16) ein Lockenwicklergehäuse mit einem zylindrischen Mantel (12) und darauf radial angebrachten Fingern (14) ist.

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