DE2420098A1 - Verfahren zur herstellung eines heizelementes mit verteiltem parametrischem widerstand - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines heizelementes mit verteiltem parametrischem widerstand

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DE2420098A1 DE19742420098 DE2420098A DE2420098A1 DE 2420098 A1 DE2420098 A1 DE 2420098A1 DE 19742420098 DE19742420098 DE 19742420098 DE 2420098 A DE2420098 A DE 2420098A DE 2420098 A1 DE2420098 A1 DE 2420098A1
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    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Description

Dipi.-ing. Walter Meissner Dipi.-ing. Herbert Tischer BERLIN-GRUNEWALD MÜNCHEN
8 München 2, den 25. Aprü 1974
Tal 71 st
Fmrnapr. 221298
HAJDUSAGI IPAEMÜVEK Debrecen/ Ungarn
Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes mit verteiltem parametrischem Widerstand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes mit verteiltem parametrischem Widerstand.
Die Umwandlung des elektrischen Stromes mittels chemischer Stoffe in Wärme ist seit langem bekannt. Allerdings wurde die bedeutende Wärmebildung dabei in der Elektroindustrie als nachteilige Begleiterscheinung bei den verschiedenen Kohlen- und Graphitwideiibänden angesehen.
Mit den auf diesem Fachgebiet bekannten Verfahren sind jedoch die für elektrische Heizung verwendbaren chemischen Heizelemente nur aus einem Grundstoff auf organischer Basis· aus Kunststoffen hergestellt worden.
I. Litant erörtert in seiner Publikation: "Leitfähige Kunststoffe" (Conductive plastics = Electronic, Engineer's Design Magazin, Band 11, Nr. 13» November 1966, Seiten 66-69) die Möglichkeiten, die verschiedenen Kunststoffe leitfähig zu machen.
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J. P. Jordan gibt in der U. S. Patentschrift Nr. 3 513 297 (1967) die Herstellung von heizbaren Teppichboden durch die Verwendung von mit Graphit leitfähig gemachten verschiedenen Kunststoffen bekannt.
L. I. Lifsic und L. V. Kefrov veröffentlichten schon im Jahue 1967 (Kozsevenno, - obivinnaja Promüslennoszty) die Herstellung eines Heizkörpers mit einer Mischung von Polyäthylen, Polyisobutylen und Azetylen. Sie erwähnen, daß durch die Änderung der Verhältnisse der Bestandteile der Widerstand und die Leistungsfähigkeit des Körpers geregelt werden können.
Die DT-PS 191 1099 (Farbwerke Hoechst A.G., Frankfurt, 1970) macht einen aus Polytetrafluorethylen und Graphit oder Ruß herstellbaren leitfähigen Stoff bekannt.
Die 1971 in der Elektro-Zeitschrift (Band 4-5. Nr. 8, Seiten 7-8» 1971) erschienene Publikation beschreibt einen elektrischen Kunststoffheiitkörper, der auf-mit Glasfasern verstärkten Kunststoffoberflächen hergestellt werden kann.
Das gemeinsame Kennzeichen der bisher erörterten Verfahren ist, daß in dem leitfähigen Stoff die Graphitkörnchen, durch organische Kettenmoleküle festgehalten,·orientiert werden. In Ermanglung theoretischer Literatur ist anzunehmen, daß die organischen Kettenmoleküle (Kunststoff, z. B. Polyester) die Graphitkörnchen aufgrund des Gesetzes der Gravitation durch Adhäsion an sich binden. Die Kettenmoleküle befinden sich in Längsrichtung in perlenkettenartiger Anordnung. Die Graphitkörnchen sind so orientiert, daß sie, miteinander in loser Berührung stehend, den elektrischen Strom in Abhängigkeit von der Kontakthäufigkeit in verschiedenem Maße leiten.
Die lose Berührung hat den unterschiedlichen Widerstand
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zur Folge, der durch die Konzentration des Graphits nach Belieben geregelt werden kann. In diesem Falle ist die lose Berührung günstig, da der elektrische Strom infolge der Entstehung von Volta-Bogen mittels solcher chemischer Stoffmischungen einen Jouleeffekt erzeugt.
Es wurde festgestellt, daß die aufgrund des oben· ange führten Standes der Technik hergestellten Heizkörper auf Kunststoffgrundlage und Graphitgrundlage mehrere Nachteile haben können:
Der größte Nachteil des Bindemittels auf organischer Grundlage liegt darin, daß die Oberflächenwärme den Erweichungsgrad und Zersetzungsgrad der organischen Stoffe nicht übersteigen darf5 d. h. daß in Abhängigkeit von dem verwendeten Bindemittel eine ΘΡ bis 1200C übersteigende Oberflächentemperatur selbst für kurze Zeit nicht erzeugt werden kann, wenn eine Beschädigung der Wärmeerzeugungsfläche vermieden werden soll.
Es wurde ferner festgestellt, daß von dem in Abhängigkeit verwendeten Bindemittel eire Oberflächentemperatur in Höhe von 40 bis 80 C sowie die iJmgebungseinwirkungen (Aus- und Einschalten, Stromstärkefluktuation, Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt der Luft) bei Heizflächen auf Kunststoffgrundlage jeder Art eine langsame Zersetzung verursachen. Von dem Kunststoffkettenmoiekülen werden Monomere abgespalten, die von der Oberfläche verdampfen und dadurch eine stufenweise Anreicherung des Graphits zur Folge haben.
Bei Verwendung von Polyester-Bindemittel ist die Ampereaufnahme eines 242 Watt-Heizkörpers (220 Volt; 1,1 Ampere; Oberflächenwärme 50 bis 600C) in 600 Stunden auf 2 Ampere (440 Watt) gestiegen.
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In Anbetracht dessen, daß der Temperaturkoeffizient des Graphitwiderstandes bis ca. 5000C negativ ist, ist die infolge der Anreicherung des Graphits auftretende Leistungszunahme bzw. Oberflächentemperaturerhöhung besonders schädlich, da mit der Temperaturerhöhung der Widerstand abnimmt und die Leistungsfähigkeit wieder steigt. Versuche haben erwiesen, daß durch diesen Vorgang ein lawinenartiger Selbstzerstörungsprozeß hervorgerufen wird.
Aus dem vorhergehenden ergibt sich, daß ein Heizkörper aus einem Grundstoff auf organischer Grundlage mit annehmbarer Lebensdauer nur bei sehr niedriger spezifischer Leistung (0,02-0,03 W/cm2) so
erzeugt werden kann.
(0,02-0,03 W/cm ) sowie bei sehr niedriger Heiztemperatur
Ein weiterer Nachteil der organischen Heizkörper liegt darin, daß der obige Zersetzungsprozeß einen intensiven öhemikaliengeruch zur Folge hat, wodurch der Benützung des Heizkörpers viäLerorts , z. B. in Wohnungen, Grenzen gesetzt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, aufgrund der beim Herstellen und Prüfen der Heizkörper auf organischer Grundlage gewonnenen Erfahrungen und Annahmen solche chemische Heizelemente bzw. Heizkörper anorganischen, chemischen Ursprungs zu schaffen, die die im vorhergehenden angeführten Nachteile nicht aufweisen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine anorganische Lösung, insbesondere die wässrige Lösung von Natriummetasilikat, mit verschiedenen Modifikationen des elementaren Kohlenstoffes, insbesondere mit Graphitpulver vermischt wird, aus dieser Mischung dann eine Oberfläche gebildet und das Metasilikat zu hochmolekularer Polykieselsäure mit Kettenstruktur umgesetzt wird.
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Es wird also, wie "bei der Beschreibung der Heizkörper auf organischer Grundlage erörtert, Graphitorientierung mit Ketten durchgeführt, die aus sonst nichtleitenden anorganischen Molekülen bestehen, und zwar so, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes mit verteiltem parametrischem Widerstand eine anorganische Lösung, insbesondere die wäßrige Lösung von Natriummetasilikat, mit verschiedenen Modifikationen des elementaren Kohlenstoffes, insbesondere mit Graphitpulver, vermischt wird, und aus dieser Mischung eine Oberfläche gebildet wird, wobei eine hochmolekulare Polykieselsäure mit Kettenstruktur entsteht.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Oberfläche auf einem elektrisch isolierten, wärmeteständigen Träger auszubilden.Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Heizelement, nach der Bildung einer Oberfläche mit anorganischer. Säure, z. B. mit Salzsäure, behandelt wird.
Zweckmäßig wird die Heizleistung des Heizelementes durch Änderung des Verhältnisses der Miseirangskomponenten und durch Änderung der Größe der Oberfläche auf eine gegebene Spannung eingesteuert.
Der Vorteil des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Heizelementes liegt darin, daß es infolge des aus organischen Molekülen bestehenden Bindemittels längere Zeit auch eine hohe Temperatur aushält, was bedeutet, daß die Temperatur ohne Zersetzung des anorganischen Bindemittels bis auf 400 bis 5000O erhöht werden kann. Ferner ändern sich seine Stromaufnahme und Leistungsfähigkeit als ■ Funktion der Zeit gerade deshalb nicht, weil in den Bindemittel keine Zersetzung stattfindet. Dadurch, daß das Bindemittel auf den Träger äußerst einfach aufgetragen werden kann oder selbst in einfacher Weise formbarfLst, kann die Heisfläche nach Belieben ausgestaltet werden, und auch die erzeugte Wärme kann ohne jede Zwischeneehie&t (s. Be Öl, Schamotte)
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nach. Belieben verteilt werden. Diese vorteilhaft Eigenschaft ermöglicht, daß in den meisten Fällen auf ein Thermometer und eine Wärmesteuerungsvorrichtung - im Gegensatz zur Gekasheizung - verzichtet werden kann. Mit den Heizdrahtlieizer verglichen, ist die Lebensdauer der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, hergestellten Heizelemente länger-. Sie sind außerdem korrosionsbeständig und ihre Herstellung ist äußerst einfach und billig.
Ein weiterer Herstellungsvorteil ergibt sich daraus, daß das Heizlement auf jeder beliebigen elektrisch isolierten Oberfläche ausgebildet werden kann, wodurch auch eine Bingform technisch, einfach ausführbar ist. Bei einem Grill z. B. können die Eetätigungselemente und die beweglichen Bestandteile infolge der ringförmigen Heizung weggelassen werdenο
Gemäß dem Verfahren nach der ErfincUiag wird die Matriumsilikatlösung mit Graphitpulver vermischt und die erhaltene Mischung entweder auf eine elektrisch isolierte Oberfläche aufgetragen oder zu einer Fläche geformt und danach gegebenenfalls mit Säure behandelt9 wodurch sie infolge einer chemisches Umsetzung ihre Eignung als elektrisch© Heizung erhält=
Der sich vollziehende chemisch® Proseß ist der folgende: Bi© wässrige Löeung αβε -MatMiaasilikats vlmL unter Einwirkung von ßäur®9 ι, B. der in der Luft "befindlich©!! Kohlensäure, ©eier der ¥€>£ esAen aufgetragenen Salzsäure, und d©£ vorhandenen Wasser^ in Metakieselsäure und Orthokieselsäure umgesetzt« Biese Verbindungen setzen eic& an^oh Wasserverlust im hochm©l©lralare Polykieselsäiare" mit Eei?ternstnifctur um. Biese ausgebildete Struktur Ist - den osgaBisefiien hochmolekularen Kettenstrukturen gleich - geeignet, die Graphitkristalle festzuhalten uad einsubetten.
Ber Strom wird mit !©itfähigen Stoffen, z„ B. Metall=· platten-, lietsen9 Draht, usw. ia die Heizelemente geleitet.
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Die Elektroden können von vornherein aber auch nachträglich in den Heizkörper bzw. das Heizelement eingebaut werden. Aus Kontaktgründen ist es vorteilhafter, die Elektroden von vornherein einzubauen.
Zur Herstellung der Heizstoffmischung (Heizmasse) können konzentrierte Wasserglaslösungen verwendet werden, Die Qualität der Mischung wird vorteilhaft beeinflußt, wenn der Metakieselsauregehalt vorher durch die Zuführung von CO2 (daraus entsteht H2CO7) angereichert wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist auch Graphitpulver geeignet. Vorteilhaft ist eine möglichst geringe Korngröße.
Die Vereinigung der beiden Stoffe, die Ausbildung ihrer Stoffmischung kann durch Vermischen und Einreiben vorgenommen werden. Das Einreibeverfahren ist zweckdienlicher.
Die benützte Graphitkonzentration kann in Abhängigkeit von Ziel und Möglichkeiten zwischen 5 und 90 % liegen.
Die erfindungsgemäße chemische Stoffmischung wird, wie bereits erwähnt, entweder selbständig geformt und daraus eine Oberfläche gebildet, oder sie wird auf irgendeine beliebige bekannte Weise, z. B. mit Pinsel, durch Dispersion, Gießen, auf einen elektrisch isolierten, wärmebeständigen Träger aufgetragen. Die untere Grenze der aufgetragenen Schichtdicke wird durch die Korngroße des Graphits bestimmt. Die Schichtdicke kann im allgemeinen zwischen 10 Mikron und mehreren Zentimetern liegen. Die Breiten- und Längenabmessungen des Heizelementes werden nur durch das Anwendungsgebiet bestimmt. Das Auftragen kann in einer Schicht und in mehreren Schichten erfolgen, wobei jedoch aus Gründen, die mit den elektrischen Eigenschaften in Zusammenhang stehen, das Auftragen in einer Schicht vorteilhafter ist.
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Auf dem elektrisch isolierten, wärmebeständigen Träger ist die Leitfähigkeit der aufgetragenen Masse am Anfang minimal. In 1 bis 4- Stunden bildet sich die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Schichtdicke sowie von der Graphitkonzentration stufenweise aus, und zwar gemäß der im vorhergehenden erwähnten Polykieselsäurestruktur. Dieser Vorgang kann übrigens mit einem Ohmmeter verfolgt werden.
Das Verhalten der erwähnten Heizelemente entspricht dem Ohmschen Gesetz. Der Widerstand des Heizelementes ist
Dementsprechend kann die gewünschte Leistung aufgrund der
ρ
SOrmel n _ U $e nach Wunsche im voraus festgelegt
ΰ ~ R
werden.
Die erfindungsgemäßen Heizelemente können für beliebige Spannung (IT) ausgelegt und für Gleich- und Wechselspannung (50 Hz) gleichermaßen verwendet werden. Durch die Menge des verwendeten Graphits ist die spezifische Leitfähigkeit der zur Bildung einer Oberfläche benutzten chemischen Stoffmischung praktisch nach Belieben einstellbar. Die spezifische Leitfähigkeit kann auch dadurch beeinfluß werden, daß das ausgestaltete Heizelement mit irgendeiner Säure behandelt wird.
Die spezifische Leistung der Wärmeerzeugungsfläche kann,
von der Ausführungsweise abhängig, den .W Wert erreichen.
cm
Bei der Konstruktion einer konkreten Vorrichtung wird mit einer Leistungsdichte von Q 25-0 5 — gerechnet.
Bei der Herstellung eines Grills z. B. werden o,4- W/cm ,
bei der Herstellung eines 2,5 kW-Eadiators 0,25 W/cm veranschlagt. Die auf der Heizfläche der mit solchen Para-
en metern hergestellten wärmetechnischen Vorrichtung/gemessene
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Durchschnittstemperatur ändert sich zwischen 150 und 30O0O. Selbstverständlich können die erfindungsgemäß hergestellten Heizelemente auch für niedrigere Heizleistungen und niedrigere Oberflächentempaaturwerte hergestellt werden.
Die hergestellten Heizelemente und Heizkörper können bei den verschiedenartigsten Industrieprodukten statt Oekas verwendet werden. Sie können zum Wärmen von Flüssigkeiten (Bailer), für wärmeerzeugende Vorrichtungen (Radiatoren), Wärmeapparate der Landwirtschaft (Brutmaschine, Stallheizvorrichtung), bei Vorrichtungen der Bauindustrie zum unmittelbaren Heizen (Boden, Wand, Fußsteig, Weg, usw.) für Bratvorrichtungen (Grill, elektrischer Bratofen, Toastes>9 selbsterwärmende Küchengeräte) ferner in der Landwirtschaft und Industrie zum Erhitzen von Behältern, zum Herstellen von öfen und Trocknern, zum Verfertigen von heizbaren Produkten des Gesundheitswesens, der Möbelindustrie, der Glasindustrie, usw. benutzt werden.
Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrene dienen die folgenden Beispiel©:
Beispiel 1
Herstellung der Heizplatte eines 1000 Watt-Radiators !Träger: 5mo. dicke technische Asbestpappe
Abmessung: 980 mm χ 250 mm Heizfläche: (auf zwei Seiten) 2 χ 920 mm χ 200 mm
2x 1840 cm2 » 3680 cm2
Auftragen der Heizmasse: durch maschinelle Dispersion
(in einer Schicht)
Auf/cragene Menge: 200 g/j3eite
Aufgetragene Menge nach Dispersionsverlust: 0,1 g/cm Schichtdicke : <^ 100 /U
Graphit-Gewichtsprozent: 13 %
Fixierung der ausgebildeten Heizfläche: Durch einmaliges Durchnässen mit 50 %iger Η,ΡΟ^
Schaltungsmethode: Schaltung der Heizfläche auf beiden Seiten des Asbests: Reihenschaltung
Elektroden: 10 mm dicke perforierte Kupferplatten
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Befestigung der Elektroden0 Mit der Heizmasse verklebt und mit porzellanisolierten Schrauben befestigt. Elektrische Kennwerte der auf diese Weise hergestellten Heizplatte:
R = 46 Ohm Oberflächentemperatur: 80-90° C P = 1050 W/220 V
I = 4,8 A/220 V
Beispiel 2
Herstellung der Heizplatte eines 2000 Watt-Radiators Träger: 5inm dicke technische Asbestpappe
Abmessung: 980 χ 250 mm Heizfläche: (auf zwei Seiten) 2 χ 920 mm χ 200 mm
2 r 1840 cm2 = 3680 cm2 Auftragen der Heizmasse: durch maschinelle Dispersion
(in einer Schicht) Aufgetragene Menge: 200 g/Seite Aufgetragene Menge nach Dispersionsverlust: 0,1 g/cm Schichtdicke: ^- 100/U Graphit-Gewichtsprozent: 19,3 % Fixierung der ausgebildeten Heizfläche: Durch einmaliges Durchnässen mit 50%iger H3PO4
Schaltungsmethode: Schaltung der Heizfläche auf beiden Seiten des Asbests: Reihenschaltimg Elektroden: 10 mm dicke perforierte Kupferplattei Befestigung der Elektroden: Mit der Heizmasse verklebt und mit porxellanisolierten Schrauben befestigt.
Elektrische Kennwerte der &u£ diese Weise hergestellten Heizplatte:
E - 24,4 Ohm Oberflächentemperatur: 140-1500C ¥ =1980 W/220 V
I = 9,0 A/220 V
Beispiel 3
Herstellung der Heizplatte eines 1500 Watt-Radiators Träger: 5mm dicke technische Asbestpappe
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Abmessung: 980 mm χ 250 mm Heizfläche: (auf zwei Seiten) 2 χ 920 mm χ 200 mm
2 χ 184-0 cm2= 3680 cm2
Auftragen der Heizmasse: durch maschinelle Dispersion (in einer Schicht) .
Aufgetragene Stoffmenge: 150 g/Seite Aufgetragene Menge nach Dispersionsverlust: 0,075 g/cm Schichtdicke: ^ 75 ./U
Graphit-Gewichtsprozent: 19»3 %
Fixierung der ausgebildeten Heizfläche: Durch einmaliges Durchnässen mit 50 %iger H-JPO.
Schaltungsmethode: Schaltung der Heizfläche auf beiden Seiten des Asbests: Reihenschaltung
Elektroden: 10 mm dicke perforierte Kupferplatten Befestigung der Elektroden: Mit der Heizmasse verklebt und mit porzellanisolierten Schrauben befestigt. Elektrische Kennwerte der auf diese Weise hergestellten Heizplatte:
R = 33,3 0hm Oberflächentemperatur: 110-1200C I = 6ß k/220 V
W = 1452 W/22O V
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Claims (4)

  1. - 12 Patentanspruch
    erfahren zur Herstellung eines Heizelementes mit verteiltem parametrischem Widestand, da durch gekenn zeichnet, daß eine anorganische Lösung, insbesondere die wässrige Lösung von Ifatriummetasilikat, mit verschiedenen Modifikationen des elementaren Kohlenstoffes, insbesondere mit Graphitpulver vermischt wird, aus dieser Mischung dann eine Oberfläche gebildet und das Metasilikat zu hochmolekularer Polykieselsäure mit Kettenstruktur umgesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche auf einem elektrisch isolierten wärmebeständigen Träger gebildet wird.
  3. J. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizelement nach der Bildung einer Oberfläche mit anorganischer Säure behandelt wird.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung des Heizelementes durch .Änderung des Verhältnisses der Mischungskomponenten und durch Änderung der Größe der Oberfläche auf eine gegebene Spannung eingesteuert wird.
    509807/0677
DE19742420098 1973-05-17 1974-04-25 Verfahren zur herstellung eines heizelementes mit verteiltem parametrischem widerstand Ceased DE2420098A1 (de)

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