DE2506262A1 - Elektrische heizvorrichtung mit laminiertem aufbau - Google Patents

Elektrische heizvorrichtung mit laminiertem aufbau

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conductor wires
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Henry Joseph Stinger
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Description

Patentanwälte
Dr. Ing. Walter Äbitz
Dr. Dioter F. iviorf . · ■
Dr. Haris-Ä. Brauns 14. Februar 1975
8 Müfichan üo, r.~u^o<iauöfsir. 28 LC-
E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY
10th and Market Streets, Wilmington, Delaware 19898, V.St.A,
Elektrische Heizvorrichtung mit laminiertem Aufbau
Die vorliegende Erfindung betrifft einen laminierten Aufbau, welcher sich zum Einsatz als elektrisches Heizelement eignet. Gemäss den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht· der Aufbau aus einer biegsamen Folie oder einem Streifen, welcher (a) sehr dünn und beständig ist, (b) einen hohen Wirkungsgrad als Heizelement aufweist, (c) auf einfache Weise in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden kann und sich auf einer Spule aufwickeln lässt und (d) leichter und wirtschaftlicher als elektrisches Heizelement an der Decke von Wohnräumen oder Wohnwagen und dgl. montiert werden kann als einige der besten bekannten Erzeugnisse.
Die vorliegende Erfindung stellt einen laminierten Aufbau zur Verfügung, welcher sich als Heizelement eignet und welcher folgende Teile aufweist:(A) eine Bodenschicht, die aus einer
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Folie aus elektrisch, isolierendem polymerem Material besteht, (B) eine diskontinuierliche Schicht aus elektrisch leitendem elastomerem Material, welche als Schicht an der Bodenschicht A anliegt und welche elektrisch leitenden Russ feinverteilt in einem wärmebeständigen Elastomeren enthält, wobei die diskontinuierliche Schicht im wesentlichen die gesamte Bodenschicht
(A) abdeckt mit Ausnahme von Zwischenräumen, die in vorgegebenen Abständen längs der Länge der Bodenschicht (A) vorhanden sind und sich die Zwischenräume über die Breite der Bodenschicht (A) erstrecken, so dass die Schicht (B) in eine Reihe von beschichteten Bereichen mit bestimmter Länge unterteilt ist, (C) mindestens zwei im Abstand voneinander liegende Leiterdrähte, die eng an der Schicht (B) anliegen und die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des laminierten Aufbaues erstrecken und
(D) eine Deckschicht, die aus einem Film aus elektrisch isolierendem polymerem Material besteht und die an der Schicht
(B) und den genannten Zwischenräumen der Bodenschicht (A) anliegt.
In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 in vergrö'sserter Darstellung einen Heil querschnitt längs der Linie 1-1 der Fig. 2 einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Heizelements,
Fig. 2 eine Draufsicht des in Fig. 1 dargestellten Heizelements von unten und
Fig. 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemässen Heizelements von unten, welches sich gegenüber jenem der Fig. 2 hauptsächlich darin unterscheidet, dass es erheblich breiter ist und anstelle von zwei Leitern vier Leiter aufweist.
Es wird anschliessend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Bodenschicht A, welche in Fig. 1 mit
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10 bezeichnet ist, besteht aus elektrisch isolierendem polymerem Material. Diese Bodenschicht liegt an einer leitenden elastomeren Schicht 11 an, die vorausgehend unter B genannt wurde. Die Deckschicht 15, welcher vorausgehend mit D bezeichnet wurde, besteht aus elektrisch isolierendem polymerem Material. Die Deckschicht liegt vorzugsweise an der leitenden elastomeren Schicht (B) und den Abschnitten der Bodenschicht an, die nicht von der leitenden elastomeren Schicht überzogen sind, einschliesslich der Zwischenräume (Fig. 2 und 3)> welche sich über die Breite der Bodenschicht zwischen den "beschichteten Bereichen" 13 (Fig. 2 und 3) erstrecken.
Als brauchbarste Ausführungsformen .der Anordnung haben sich solche erwiesen, bei welchen die beschichteten Bereiche 13 eine Ausdehnung von etwa 27»9 bis 38 >1 cm (11 bis 15 Zoll) in einer parallel mit den Leiterdrähten liegenden Richtung aufweisen, wobei die Zwischenräume 12 etwa Abmessungen von 2,5 bis 12,7 cm (1 bis 5 Zoll) in tier gleichen Richtung aufweisen.
Die Komponente (C) der Vorrichtung besteht aus mindestens zwei Leiterdrähten, die in den Zeichnungen mit 14 bezeichnet sind. Diese Leiterdrähte liegen zwischen den isolierenden Folien (A und D) und sind in enger Anlage mit der leitenden elastomeren Schicht (B); vorzugsweise sind sie in haftender Anlage mit · der leitenden elastomeren Schicht und/oder zumindestens einer der isolierenden Folien, welche die Boden- und Deckschichten (A und. D) bilden. Die Drähte sind vorzugsweise innerhalb der Anordnung zwischen den isolierenden Folien gebunden. Die Drähte können aus beliebigem gut leitendem Material bestehen, beispielsweise aus Kupfer, Messing oder Aluminium. Die Leiterdrähte ermöglichen es, die Anordnung an eine äussere Stromquelle anzuschiiessen. Es ist häufig erwünscht, Leiterdrähte zu verwenden, welche mindestens an einer Seite mit einem Klebstoff beschichtet sind, beispielsweise mit einer leitenden Polyesterklebstoffmasse, welche durch Mischen eines linearen
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Copolyesters mit Russ und einem flüchtigen Lösungs- oder Verdünnungsmittel erhalten wird. Der Fachmann wird die richtige Grosse, Anzahl und den Abstand der Drähte derart auswählen, wie dies für die Bedürfnisse des beabsichtigten Einsatzes erforderlich ist. In vielen Fällen ist es zweckmässig, Leiterdrähte mit einer Dicke von etwa 0,01 bis 0,1 mm (0,5 bis 4 mils) zu verwenden und vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,025 bis 0,05 mm (1 bis 2 mils) sowie mit einer Breite von etwa 3,17 bis 25,4 mm (1/8 bis 1 Zoll), wobei die bevorzugte Abmessung etwa 12,7 bis 19 mm (1/2 bis 3/4 Zoll) beträgt.
Für bestimmte Anwendungen der erfindungsgemassen Vorrichtung ist es zweckmässig, die gesamte Breite zwischen etwa 127 bis 152 cm (50 bis 60 Zoll) zu wählen, so dass sie vier im wesentlichen im gleichen Abstand voneinander liegende parallele Leiterdrähte aufweist, wobei der Abstand zwischen benachbarten Drähten etwa 40,6 bis 50,8 cm (16 bis 20 Zoll) beträgt. Eine derartige Anordnung hat beträchtliche Vorteile, beispielsweise bei der Verwendung als Einstreifen-Heizelement an der Decke eines Wohnwagens.
Jede der isolierenden Folien (A und D) kann aus bekannten polymeren Stoffen bestehen, welche die für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschten Isoliereigenschaften aufweisen und welche bei der Herstellung und Anwendung des laminierten Einsatzes nicht schmelzen oder in anderer Weise geschädigt werden. Jede Folie besteht vorzugsweise aus einem sehr biegsamen nicht-elastomeren dauerhaften Kunststoff, welcher gegenüber der leitenden Elastomermasse während der Herstellung der Anordnung undurchlässig ist. Für viele Fälle wird eine biegsame Polyesterfolie bevorzugt, wobei insbesondere an mindestens einer Seite und vorzugsweise an beiden Seiten der leitenden elastomeren Schicht eine Polyäthylenterephthalatfolie angeordnet wird. Als isolierende Folie an einer oder an beiden Seiten der leitenden elastomeren Schicht werden vorzugsweise biegsame Isolierfolien aus beispielsweise Polyimiden, Fluorkohlenstoff-
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kunststoffen (beispielsweise Polyvinylfluorid), Polyäthylen, Polypropylen und anderen bekannten polymeren Isoliermaterialien verwendet.
Die Folie kann selbst aus einer Schicht des isolierenden Polymeren bestehen oder aber aus einer Schicht eines Polymeren, welche an einem anderen Material haftet, beispielsweise an einem Stoff - oder einem anderen Fasermaterial. Die Polymerfolie kann verschiedene Zusätze enthalten, welche sich bei Isolierfolien aus polymeren Materialien als nützlich erwiesen haben.
Das bei der Herstellung der leitenden elastomeren Schicht (B) verwendete Elastomere kann aus bekannten Elastomeren ausgewählt werden, welche die erforderliche Värmebeständigkeit und andere im jeweiligen Anwendungsfall erwünschte Eigenschaften besitzen. Das Elastomere kann mit verschiedenen Zusätzen vermischt werden, welche sich bei leitenden elastomeren Stoffmischungen zusätzlich zu Euss als nützlich erwiesen haben. Für viele Anwendungen wird ein Fluorkohlenstoff-Elastomer bevorzugt. Ein bevorzugtes Fluorkohlenstoff-Elastomeres besteht aus einem elastomeren Copolymeren von Vinylidenfluorid und mindestens einem anderen Fluor enthaltenden Monomeren. Das "andere Fluor enthaltende Monomere" wird gewöhnlich durch ein äthylenisch ungesättigtes Monomeres gebildet, welches mindestens ein Fluoratom an jedem doppel-gebundenen Kohlenstoffatom aufweist. Das Copolymere besteht vorzugsweise aus mindestens einem der nachstehend genannten Stoffe: Copolymere aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen oder Pentafluorpropylen; Copolymere aus Vinylidenfluorid, Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen oder Pentafluorpropylen; und Copolymere aus Vinylidenfluorid, einem Perfluoralkyl- ' perfluorvinyläther und Tetrafluoräthylen. Besonders bevorzugt sind Copolymere aus Vinylidenfluorid/Hexafluorpropylen, in welchen die Monomere in einem Molverhältnis von etwa 85 : 15 bis 50 : 50 vereinigt sind. Sehr brauchbar ist ferner ein Copolymeres mit etwa 30 bis 80 Mol Vinylidenfluorid, 15 bis
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40 Mol Hexafluorpropylen und 5 bis 30 Mol Tetrafluoräthylen.
Copolymere aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen sind in der US-PS 3 051 677 beschrieben. Copolymere aus Vinylidenfluorid, Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen sind in der US-PS 2 968 649 beschrieben. Copolymere aus Vinylidenfluorid und Pentafluorpropylen sind in der US-PS 3 331 823 beschrieben, während Copolymere aus diesen beiden Komponenten mit Tetrafluoräthylen in der US-PS 3 335 106 beschrieben werden. Copolymere aus Vinylidenfluorid, einem Perfluoralkylperfluorvinyläther (mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe) und Tetrafluoräthylen werden in der US-PS 3 235 537 beschrieben.
Andere Elastomere, welche für einige Anwendungsfälle zur Herstellung der Komponente (B) geeignet sind, sind Siliconelastomere, EPDM-EIastomere und Polychloroprenelastomere.
In einigen der am besten geeigneten Ausführungsformen der Erfindung besitzt jede der Isolierfolien (A) und (D) eine Dicke von etwa 0,01 bis 0,38 mm (0,5 bis 15 mils) und die leitende elastomere Schicht (B) weist eine Dicke von etwa. 0,001 bis 0,01 mm (0,05 bis 0,45 mil) auf. Es kann eine dünne Schicht des leitenden Elastomeren in Anlage mit einer Seite oder mit beiden Seiten der nächstgelegenen Isolierfolie vorgesehen sein.
Der erfindungsgemässe laminierte Aufbau kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, welches die folgenden Schritte umfasst: *
(1) Anordnung von im Abstand liegenden Leiterdrähten 14 an der Oberfläche der isolierenden Bodenschicht 10,
(2) Anordnung einer diskontinuierlichen leitenden Elastomerschicht 11 an der Oberseite der beim Schritt (1) erhaltenen Anordnung (beispielsweise unter Verwendung einer bekannten Rollendruckvorrichtung), so dass die Elastomerschicht durch die unbeschichteten Zwischenräume 12 in beschichtete Bereiche 13 gewünschter Länge unterteilt wird, wobei vorzugsweise an
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beiden Enden der Anordnung ein schmaler nicht-beschichteter Bereich verbleibt, um die spätere Ausbildung eines gebundenen Randes 16 zu erleichtern,
(3) Anordnung der isolierenden Deckfolie 15 an der Oberseite der im Schritt (2) erhaltenen Anordnung und
(4) Verpressen der erhaltenen Schichtanordnung bei einer Temperatur, mit einem Druck und einer Zyklusdauer, welche ausreichen, damit die Einzelteile der Anordnung zu dem in Fig. 1 dargestellten zusammengesetzten Aufbau verbunden werden.
Bei dem vorausgehend genannten Schritt (4) wird die Schichtanordnung vorzugsweise während einer Zeitdauer zwischen 0,1 Sekunden bis $0 Minuten verpresst, während die Anordnung auf einerTemperatur zwischen etwa 100 bis 250° C gehalten wird. Das Erhitzen der zu verbindenden Schichten kann vor oder während des Verpressens erfolgen. Das Verpressen erfolgt vorzugsweise, indem die Anordnung zwischen mindestens einem Paar erhitzter Druckrollen durchgeführt wird, wobei eine Presszeit zwischen etwa 0,1 bis 3 Sekunden verwendet wird und an der Anordnung eine Presskraft von etwa 268 bis 35 720 kg/ linearem Meter der Anordnung wirksam wird. Hervorragende Ergebnisse werden häufig mit einer Presszeit zwischen etwa 0,1 bis 1 Sekunde erhalten. Dies zeigt die überraschende Fertigungsgeschwindigkeit, mit welcher sich die Anordnung herstellen lässt. Die Einzelteile können kontinuierlich von grossen Vorratswalzen abgezogen und einer kontinuierlich arbeitenden Pressvorrichtung zugeführt werden, wobei die Anordnung kontinuierlich aus der Presse entnommen, durch eine Kühlzone geleitet und an einer Vorratsspule aufgewickelt wird. Vorzugsweise werden ferner häufig beim Verpressen Temperaturen verwendet, die nahe an der höchsten Temperatur liegen, bei welcher keine Komponente der Anordnung beschädigt wird, beispielsweise gerade unterhalb der Zersetzungstemperatur der leitenden elastomeren Schicht oder der Isolierfolie,' abhängig davon, welche Temperatur niedriger ist. Auf diese Weise wird die beste Adhäsion zwischen Folie und Elastomerem erhalten* und die
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•Sl·
besten Leitfähigkeitswerte der. elastomeren Schicht im Endprodukt; darüberhinaus ist auf diese Weise ein hoher Ausstoss möglich. Es ist offensichtlich, dass mindestens eine der Druckrollen mit einem nicht-haftenden Material, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, beschichtet sein kann, beispielsweise wenn zeitweilig eine Anordnung verpresst wird, die eine Isolierfolie nur an einer Seite der leitenden Elastomerschicht aufweist.
Es kann eine Abänderung des vorausgehend beschriebenen Verfahrens verwendet werden, obwohl diese nicht bevorzugt wird, bei welcher die Verfahrensschritte (1 bis 3) wiederholt werden, worauf Befestigungsmittel verwendet v/erden, um die Deckschicht mit dem verbleibenden Teil der Anordnung zu verbinden. Beispielsweise kann die nach dem Verfahrensschritt (3) erhaltene Anordnung in Anlage mit den Tragelementen der Decke eines Wohnwagens gebracht werden und Klammern oder Stifte können verwendet werden, um den laminierten Aufbau an den Tragelementen in engen Abständen im Bereich der Zwischenräume 12 und längs beider nicht beschichteter Ränder zu befestigen. Jedoch ist es gewöhnlich empfehlenswert, einen Pressvorgang , wie den vorausgehend genannten Verfahrensschritt (4-) durchzuführen, bevor die Anordnung in dem Bereich befestigt wird, wo sie als Heizelement dienen soll.
Bei der Herstellung der leitenden Elastomerschicht wird das Elastomere mit genügend Russ vermischt, damit die gewünschte Leitfähigkeit erhalten wird, während Festigkeit und andere erforderliche Eigenschaften beibehalten werden. Das Elastomere wird gewöhnlich mit etwa 10 bis 100 Teilen Russ pro 100 Teile Elastomeres vermischt; bevorzugt werden häufig etwa 35 bis 100 Teile Russ verwendet. Acetylenruss wird in vielen der günstigsten Ausführungsformen der Erfindung verwendet. Die meisten anderen Russarten verursachen leicht Schwierigkeiten bei der Herstellung der Elastomerschicht oder machen es leicht schwierig oder unmöglich, die gewünschten Produkteigenschaften zu erhalten. Jedoch können auch bei Verwendung anderer Russe
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mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise mit Ofenruss, Ergebnisse erhalten werden, die für einige Anwendungen befriedigen.
Die leitende Elastomerschicht (B) kann erhalten werden, indem eine elastomere Zusammensetzung auf einer der Isolierfolien oder auf beide in dem vorausgehend beschriebenen, nicht kontinuierlichen Muster aufgebracht wird. Bei Verwendung einer Druckrolle zum Aufbringen der elastomeren Zusammensetzung kann diese aus einer flüssigen Beschichtung bestehen, in welcher das Elastomere gelöst oder in einem organischen Lösungsmittel dispergiert ist, welches die Isolierfolie nicht beschädigt, oder aber in Wasser zur Bildung von Latex. Ein Lösungsbeschichtungsverfahren ist besonders bevorzugt, wobei eine Gravierdruckrolle einen sehr brauchbaren Bauteil einer Beschichtungsvorrichtung darstellt. Die leitende Elastomerschicht kann ferner durch einen Seidensiebauftrag, durch Sprühbeschichtung in Verbindung mit einer geeigneten Maske, durch Bürstenauftrag mit Hilfe einer Schablone und durch andere bekannte Verfahren zur Herstellung gemusterter Überzüge und Folien aus polymeren Zusammensetzungen erfolgen.
Die Komponente (B) kann als Klebstoff dienen, welcher die Anordnung zusammenhält. Die isolierenden Folien können mittels bekannter Verfahren zur Erhöhung der Klebwirkung behandelt sein. Die Folien können in den Zwischenräumen und Eandbereichen durch Heissiegelung während des Verpressens miteinander verbunden werden, und zwar vorzugsweise mit Hilfe eines sehr dünnen, die Klebwirkung erhöhenden Überzugs, welcher auf mindestens einer der Folien aufgebracht wird.
Eine Isolierfolie oder beide Isolierfolien können einen klebenden Überzug, beispielsweise an der Aussenf lache ,* eines wärmere flektier enden oder wärmeab.sorbierenden Materials aufweisen.
Die dem erfindungsgemässen laminierten Aufbau bei dessen Verwendung als Heizkörper zugeführte Spannung hängt im allgemeinen
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von der am Verwendungsort verfügbaren Spannung ab. Besonders geeignet sind 6 VoIt1 12 Volt, 115 Volt, 230 Volt und 480 Volt. Üblicherweise werden Netzspannungen von 115 Volt und 230 Volt bevorzugt.
Die Betriebstemperatur des laminierten Aufbaus bei Verwendung als Heizelement hängt von Paktoren, wie der Varmebeständigkeit der für die Isolierschichten verwendeten Folien und der Art des in der leitenden Schicht verwendeten Elastomeren ab. Bei Verwendung einer Polyesterfolie und einer bevorzugten elektrischleitenden Fluorelastomerenschicht wurden häufig Temperaturen bis zumindestens 150 G erreicht.
Bei einem Laminat aus Polyesterfolie und leitendem Fluorelastomeren wurden bei einer Breite von 45,7 cm (1,5 Fuss) etwa
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215i3 W/m (20 Watt/ft. ) bei einer Betriebsspannung von 23O Volt als übliche Wärmeleistung erreicht. Die Temperatur des Laminats hängt von den Wärmeverlusten derselben ab. Maximale Temperaturwerte, die bei Laminaten erreicht werden, die hinter einer 12,7 mm dicken Gipswand angeordnet sind, liegen bei etwa 50 bis 70° C. Andere Leistungs- und Temperaturwerte können durch eine unterschiedliche Elektrodenanordnung, sowie Dicke und Zusammensetzung der elastomeren Folie erzielt werden.
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Es wurden Leistungswerte von mehr als IO76 W/m (100 Watt/fr. ) bei Temperaturen oberhalb 100° C mit erfindungsgemässen Laminaten aus Polyesterfolie und leitendem Fluorelastomerem erreicht.
Durch die vorliegende Erfindung werden laminierte Anordnungen erhalten, welche sich sehr gut als elektrische Heizelemente eignen. Das Laminat kann mit hoher Fertigungsgeschwindigkeit und wirtschaftlichen Fertigungsverfahren, beispielsweise durch rasches Durchziehen der zusammengelegten Schichten zwischen erhitzten Walzen, hergestellt werden. Die bevorzugten Ausführungsformen des Laminats können ohne Schwierigkeit mit einer gewünschten Kombination von Kennwerten einschliesslich geringer Dicke, fehlender oder geringer Brennbarkeit, hoher
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Biegsamkeit, hoher Beständigkeit und hoher Heizkraft erhalten werden, wobei die Beständigkeit der elektrischen Eigenschaften einschliesslich eines geringen Widerstands während der Lagerhaltung und des Einsatzes in hohem Masse gewahrt ist.
Durch die vorliegende Erfindung werden elektrische Heizelemente geschaffen, die äusserst einfach und wirtschaftlich an Decken oder anderen Bereichen von Wohnwagen, Häusern und dgl. befestigt werden können. Die Montage kann üblicherweise derart durchgeführt werden, dass (1) ein langer Streifen des Laminats von einer Vorratsrolle abgewickelt wird, (2) ein langer Abschnitt des Streifens auf die gewünschte Länge im Bereich des Zwischenraums 12 an jedem Ende des Streifens zugeschnitten · wird und (3) der laminierte Streifen an den Deckenträgern mittels Klammern befestigt wird, wobei diese an den Zwischenräumen neben jedem der beschichteten Bereiche 13 anliegen. Jeder Zwischenraum 12 bestimmt die Lage eines Deckenträgers und nimmt eine Klammerreihe auf. Nach dem Zuschneiden des Verfahrensschrittes (2) befindet sich mindestens ein Teil eines Zwischenraums 12 an jedem Streifenende. Da der Zwischenraumbereich aus den miteinander verbundenen Isolierfolien 10 und 15 besteht, ist es nicht notwendig, ein Isolierband am ganzen abgeschnittenen Ende des Streifens anzubringen, wie dies bei bekannten laminierten Heizelementen der EaIl ist, die von einem langen Streifen abgeschnitten sind, welcher eine kontinuierliche Zwischenschicht aus leitendem polymerem Material aufweist. Das endseitige Bewickeln, welches bei bekannten Anordnungen notwendig ist, ist kostspielig und schwierig, da nur ein teures Band hoher Qualität, beispielsweise ein Polyimidband., verwendet werden kann, damit die üblichen Sicherheitsbestimnungen eingehalten werden und das Band im allgemeinen mühevoll zu handhaben und aufzubringen ist.
Da ferner die vorliegende Anordnung Zwischenräume aufweist, welche durch die miteinander verbundenen Isolierfolien an zahlreichen Stellen längs der Länge des Streifens, gebildet werden, so dass ein Zwischenraumbereich in Anlage mit jedem
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Deckenträger steht, wenn die Anordnung an einer Decke installiert wird, besteht keine Notwendigkeit, Klammern durch Bereiche des Laminats zu treiben, welche eine leitende elastomere Schicht enthalten, wie dies häufig bei bekannten laminierten Heizelementen notwendig ist, damit eine ausreichende Befestigung über einen breiten Streifen (beispielsweise 142,2 cm) des laminierten Materials gewährleistet ist. Damit kann die erfindungsgemässe Anordnung in vielen Anwendungen verwendet werden, wo bisher bekannte laminierte Heizelemente nicht einge-'setzt werden konnten, weil eine Klammeranbringung durch Leiterschichten aufweisende Bereiche aus Sicherheitsgründen bei verschiedenen Anwendungen, wie etwa beim Bau von Wohnwagen, nicht gestattet ist.
Die vorliegende Erfindung erleichtert ferner die Herstellung eines laminierten. Heizelementes mit einem bestimmten Leistungswert innerhalb eines gegebenen Bereichs. Dies wird mühelos durch die Auswahl eines geeigneten Verhältnisses zwischen der Grosse der Zwischenräume und der Grosse der beschichteten Bereiche erzielt.
Die erfindungsgemässe Anordnung weist ferner den Vorteil auf, dass bei einer zufälligen Beschädigung derselben ein Riss oder Sprung im Laminat innerhalb des beschichteten Bereiches sich nicht auf weitere Bereiche der Anordnung ausdehnt und das gesamte Heizelement unbrauchbar macht, wie dies bei bekannten laminierten Heizelementen möglich ist.
Die Brauchbarkeit der bevorzugten erfindungsgemässen Anordnungen ergibt sich wie folgt: Sie behalten ihre nutzbare Leitfähigkeit für eine überraschende Zeitspanne, erfordern keine kostspieligen Aushärtevorgänge, wie gewisse bekannte Erzeugnisse, gestatten die Verwendung sehr dünner und biegsamer Elastomerschichten und Isolierschichten, wobei nach der Befestigung der Anordnungen an einer Decke oder Wand einzelne Bereiche mühelos ausgeschnitten und entfernt werden können,
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um die Anordnung von Beleuchtungskörpern und dgl. zu ermöglichen; sie besitzen ferner eine minimale Stossgefahrdung in solchen Bereichen, in denen Nägel und dgl. durch sie geschlagen werden. Folien oder Streifen der Anordnung können an Wänden, Böden oder in Decken von Räumen zur Raumheizung eingesetzt werden oder aber für andere Heizzwecke, beispielsweise als Kontakterhitzer für Rohrleitungen, Behälter und weitere Vorrichtungen. Die bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung sind sehr widerstandsfähig gegenüber physikalischen und chemischen Einwirkungen während der Montage und des Betriebs; die Anordnung erfordert keine besonderen Träger oder Verstärkungselemente (beispielsweise Glasfasern), welche bei gewissen bekannten Anordnungen notwendig sind und welche die Anordnung sehr leicht zu kostspielig, zu dick oder in gewissen Fällen zu hoch bezüglich des elektrischen Widersbands machen. Jedoch ist es möglich, Glasfasern oder dgl. in der vorliegenden Anordnung für gewisse Anwendungen vorzusehen.
In den folgenden Beispielen werden unter den "Teilen" Gewiehtsteile verstanden, falls nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
Eine laminierte Anordnung, welche sich als elektrisches Heizelement eignet und welche einen Aufbau gemäss den Fig. 1 und 3 aufweist, wird mittels folgender Schritte hergestellt:
(1) Herstellung eines Fluorelastomeren, welches aus einem Copolymeren besteht, welches in 100 Teilen 60 Teile Vinylidenfluorid und 40 Teile Hexafluorpropylen aufweist;
(2) Herstellung einer leitenden Fluorelastomeren-Zusammensetzung durch gründliche Mischung folgender Teile in eine Kugelmühle: 100 Teile des in Schritt (1) aufgeführten Fluorelastomeren, 35 Teile Acetylenruss, 15 Teile Magnesiumoxid, 350 Teile Methyläthylketon und 350 Teile Butylacetat. Die Teilchen des Fluorelastomeren werden zusammen mit den Lösungsmitteln zur Herstellung einer fluorelastomeren Lösung in einer Kugelmühle behandelt, wobei die anderen zwei Zusätze hinzugefügt werden
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/ν
und die Behandlung in der Kugelmühle fortgesetzt wird, bis die Zusammensetzung im wesentlichen keine groben Teilchen mehr aufweist;
(3) Verdünnung der im Schritt (2) erhaltenen Zusammensetzung bis diese eine für die Anwendung mittels einer Gravier-Druck— vorrichtung geeignete Viscosität erhält; dies geschieht durch Zugabe von Methyläthylketon unter Rühren, bis die Zusammensetzung eine Viscosität (Brookfield) von 475 Centipoise aufweist, wobei eine Rührspindel Nr, 2 bei 50 Umdrehungen/Minute verwendet wird;
(4) Verwendung einer Rolle Poly-(äthylenterephthalat)^S1olie als Deckschicht 15 der laminierten Anordnung, wobei die Rolle 3017 m (3300 yards) Folie mit einer Dicke von 0,023 mm (0,92 mil) und einer Breite von 142,2 cm (56 Zoll) aufweist;
(5) Auftrag der im Schritt (3) erhaltenen fluorelasttniieren Zusammensetzung an einer Seite der im Schritt (4) erhaltenen Folie zur Herstellung einer diskontinuierlichen -leitenden Elastomerschicht 11; dies erfolgt, indem die "Falle :mxt einer Geschwindigkeit von 9,14 m/Hinute (30 feet per minute) .durch eine Gravier-Druckbesehichtimgsvorrichtung .gezogen wird, so dass eine gedruckte Schicht der fluorelastOmeren Zusammensetzung mit einer Dicke von 0,006 mm (0,25 mil) im -trockenen Zustand erhalten wird und das Druckmuster derart ausgebildet ist, dass die fluorelastomere Schicht in beschicJitete Bereiche.13 mit einer Grosse von 33 x 137 cm (13 inch by 54 inch) unterteilt wird, und zwar mittels der unbeschichte~ten Zwischenräume 12 mit einer Grosse von 7>6 x 137 cm (3 inch by 54 inch), wobei ein unbeschichteter Streifen mit einer Breite von 2,54 cm durch einen- mit Luftumwälzung arbeitenden Tunneltrockner gefördert wird, dessen Lufttemperatur zur Trocknung der leitenden Elastomerschicht etwa 110 C beträgt, worauf die beschichtete Folie auf einer Vorratsrolle aufgewickelt wird;
(6) Verwendung einer Rolle Poly-(äthylenterephthalat)-Folie als Bodenschicht 10 der laminierten Anordnung, wobei diese Rolle ebenfalls 3017 m Folie (3300 yards) mit einer Dicke von 0,023 mm (0,92 mil) und einer Breite von 142,2 cm (56 inch)
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aufweist; -tö"
(7) Herstellung einer Polyester-Klebstoffzusammensetzung durch Mischen von 20 Teilen eines linearen Copolyesterharzes mit 80 Teilen eines Harzlösungsmittels, welches zu 50 % aus Toluol und zu 50 % aus Dioxan besteht, wobei das Harz gemäss der in der US-PS 2 892 747, Beispiel 1, beschriebenen Verfahrensweise durch Schmelzpolymerisation einer Mischung von Bis-(äthylenglykol)-estern von vier Säuren hergestellt wird, in denen der Terephthalsäureanteil 4Ό Mo 1% beträgt, der Isophthalsäureanteil ebenfalls A-O Mol%, der Adipinsäureanteil 10 Mol% und der Sebacinsäureanteil 10 Mol%;
(8) Auftragen einer Beschichtung des gemäss Schritt (7) erhaltenen Polyesterklebstoffs auf die gesamte Oberfläche an einer Seite der im Schritt (6) erhaltenen Folie; dies erfolgt, indem die Folie mit einer Geschwindigkeit von 9,14- m pro Minute (30 feet per minute) durch eine Gravier-Besehichtungsvorrichtung geführt wird, um eine kontinuierliche Klebstoffschicht aufzubringen, welche im trockenen Zustand eine Dicke von 0,001 mm (0,05 mil) aufweist, worauf die mit Klebstoff beschichtete Folie in einem Tunneltrockner bei 110° C getrocknet und anschliessend auf einer"Vorratsrolle aufgewickelt wird;
(9) Herstellung von klebstoffbeschichteten Aluminium-Leiterdrähten; dies erfolgt, indem eine Aluminiumfolie mit einer Stärke von 0,025 nim (1 mil) von einer Vorratsrolle abgezogen wird, welche 3017 m aufnehmen kann und durch eine Gravier-BeSchichtungsvorrichtung geführt wird, um einen kontinuierlichen Klebstoffüberzug an der gesamten Oberfläche der einen Seite der Aluminiumfolie aufzubringen, wobei der Überzug im trockenen Zustand eine Dicke von 0,001 mm (.0,05 mil) aufweist, worauf die mit Klebstoff beschichtete Folie in einem Tunneltrockner bei 110° C getrocknet wird, wonach die Folie in einer üblichen Rollenschneidmaschine auf Streifen mit einer Breite von 1,9 cm (three-fourth inch) zugeschnitten wird und die erhaltenen mit Klebstoff beschichteten Drähte an einer Vorratsrolle aufgewickelt werden; der verwendete Klebstoff besteht aus einem leitenden Polyesterklebstoff, welcher durch
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Behandlung von 300 Teilen im Schritt (7) erhaltenen Klebstoffs zusammen mit 100 Teilen Tetrahydrofuran und 133 Teilen Acetylenruss in einer Kugelmühle erhalten wird, bis die Zusammensetzung im wesentlichen frei von groben Teilchen ist;
(10) das laminierte Heizelement wird kontinuierlich hergestellt, indem von den Vorratsrollen die im Schritt (5) hergestellte mit leitendem mit Elastomer beschichtete Deckfolie, die im Schritt (8) hergestellte mit Polyesterklebstoff beschichtete Bodenfolie, und vier der im Schritt (9) erhaltenen,
.mit Polyesterklebstoff beschichteten Leiterdrähte gleichzeitig abgezogen werden, (b) diese drei Komponenten mit einer Geschwindigkeit von 9*14- m pro Minute (30 feet per minute) in den Spalt zwischen glatten Metallwalzen einer Zwei-Walzenpresse geführt werden, wobei die Walzen einen Durchmesser von 20,32 cm (8 inch) und eine Länge von 1,5 m (5 foot) aufweisen und eine Gesamtkraft von etwa 3175 kg (7000 pounds) ausüben, wobei ferner nur die obere Walze beheizt ist (175°C). Die Anordnung der in den Walzenspalt eintretenden Komponenten ist derart, dass das den Walzenspalt verlassende Laminat den in den Fig. 1 und 3 dargestellten und anschliessend näher beschriebenen Aufbau aufweist;
(11) Führung des aus dem Walzenspalt gemäss Schritt (10) austretenden Laminats über zwei wassergekühlte Walzen und Aufwickeln des Laminats auf einer Vorratsrolle.
Das erhaltene Laminat besitzt folgenden Aufbau: Die mit leitendem Elastomeren beschichtete Seite der Deckfolie 15 ist an die mit Polyesterklebstoff beschichtete Seite der Bodenfolie 10 gebunden. Beide Ränder der Anordnung sind miteinander versiegelt, wie dies in Fig. 1 an der Kante 16 der Anordnung ersichtlich ist. In den Zwischenräumen 12, in denen keine leitende Elastomerschicht vorhanden ist, ist die Deckfolie 15 an die Bodenfolie 10 gebunden. Die vier mit Klebstoff beschichteten Leiterdrähte 14 haben jeweils ihre Bodenfläche an die Bodenfolie 10 mittels einer an der Folie 10 vorhandenen Klebstoffbeschichtung gebunden; jeder Leiterdraht ist an
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seiner oberen Seite an die leitende elastomere Schicht 11 in den elastomerbeschichteten Bereichen 13 und an die Deckfolie 15 in den Zwischenräumen gebunden, und zwar mittels der Klebstoffbeschichtung an der Oberseite der Leiterdrähte. Die Leiterdrähte liegen parallel und weisen gleichen Abstand voneinander auf. An beiden Seiten der Anordnung liegt der äussere Rand der beschichteten Bereiche 13 bündig mit dem äusseren Band des anliegenden Drahts 14.
Das gemäss Beispiel 1 erhaltene laminierte Heizelement ist aus den vorausgehend genannten Gründen ausserordentlich einfach und wirtschaftlich in der genannten Weise zu.installieren. Das Heizelement besitzt weitere vorausgehend genannte Vorteile einschliesslich hoher Beständigkeit gegen Abnützung, eines guten Heizwirkungsgrads und flexiblen Einsatzes, einer erwünscht niedrigen Dicke und einer raschen Herstellung mittels kontinuierliches Verfahren. Das Heizelement eignet sich besonders als Deckenheizelement, welches während des Aufbaus von Fertighäusern installiert werden kann. Das Heizelement weist einen spezifischen Widerstand von 0,78 Ohm-cm bei 21° C auf. Die Wärmeleistung beträgt 215,3 W/m2 (20 watts per square foot), bezogen auf den beschichteten Bereich, wenn zwischen benachbarten Elektroden eine Gleich- oder Wechselspannung von 230 Volt angelegt wird. Bei einer Montage hinter der Decke, bei welcher das laminierte Heizelement zwischen den Deckenträgern und einem der verfügbaren Deckenmaterialien angeordnet ist, arbeitet das Heizelement bei Temperaturen bis zu etwa 49 bis 71° C, abhängig von der thermischen Leitfähigkeit des Deckenmaterials.
Beispiel 2
Ein brauchbares laminiertes Heizelement gemäss Fig. 2 wird durch Wiederholung des Verfahrensschritte gemäss Beispiel 1 hergestellt mit der Massgabe, dass
(a) die Folien 10 und I5 0,53 m (21 Zoll) breit sind;
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(b) die beschichteten Bereiche 13 nicht 137 cm (54- inches) breit sind, sondern vielmehr 48,3 cm (19 inches), gemessen senkrecht zu den Drähten 14; wobei
(c) nur zwei Leiterdrähte verwendet werden.
Diese Anordnung eignet sich ebenfalls hervorragend als leicht zu installierendes, dauerhaftes, biegsames, dünnes und einen hohen Wirkungsgrad besitzendes Heizelement.
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Claims (1)

  1. LC-1759
    Patentansprüche
    1.J Laminierter Aufbau zum Gebrauch als elektrisches Heizelement, gekennzeichnet durch
    (A) eine aus einer Folie aus elektrisch-isolierendem polymerem Materials bestehende Bodenschicht (10),
    (B) eine in Anlage an die Bodenschicht (10) angeordnete nicht kontinuierliche Schicht (11) aus einem elektrischleitendem elastomerem Material, welches elektrisch-leitenden Russ verteilt in einem wärmebeständigen Elastomeren aufweist, wobei die nicht-kontinuierliche Schicht
    (11) im wesentlichen die gesamte Fläche der Schicht (1Θ) bedeckt mit Ausnahme von Zwischenräumen (12), welche in vorgegebenen Abständen längs der Längserstreckung der Schicht (10) angeordnet sind, und sich die Zwischenräume (12) über die Breite der Schicht (10) erstrecken, so dass die Schicht (11) in eine Reihe von beschichteten Bereichen (13) von vorgegebener Länge unterteilt ist,
    (C) mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Leiterdrähte (14), welche in enger Anlage mit der Schicht (11) stehen und sich im wesentlichen über die gesamte Länge des laminierten Aufbaus erstrecken, und
    (D) eine Deckschicht (15), welche aus einer Folie aus elektrisch isolierendem polymerem Material besteht, welche in Anlage mit der Schicht (11) und den Zwischenräumen
    (12) der Schicht (10) steht.
    2. Laminierter Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (15) aus einer Polyesterfolie besteht, welche in Anlage mit. der leitenden Schicht (11) und den genannten Zwischenräumen (12) steht.
    3- Laminierter Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenschicht (10) aus einer Polyesterfolie besteht und dass das Elastomere der leitenden Schicht (11) ein Fluorkohlenstoffelastomeres ist.
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    M-. Laminierter Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der iOlienschichten eine Dicke von etwa 0,01 bis 0,38 mm (0,5 bis 15 mils) aufweist und dass die Leiterdrähte innerhalb des Aufbaus zwischen den Schichten (10) und (15) gebunden sind.
    5· Laminierter Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (10) eine Dicke von etwa 0,001 bis 0,01 mm (0,05 bis 0,45 mil) aufweist.
    6. Laminierter Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Bereiche eine Abmessung von etwa
    " 27j9 bis 38,1 cm (11 bis 15 inches) aufweisen, während die Zwischenräume in einer Richtung parallel zu den Leiterdrähten Abmessungen zwischen 2,5 bis 12,7 cm O bis 5 inches) besitzen.
    7. Laminierter Aufbau nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Breite von etwa 1,27 bis 1,52 m (50 bis 60 inches), wobei die Leiterdrähte (14·) aus vier im wesentlichen im gleichen Abstand parallel zueinander liegenden Leiterdrähten bestehen und der Abstand zwischen benachbarten Drähten etwas 0,4 bis 0,5 m (16 bis 20 inches) beträgt.
    8. Laminierter Aufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienlagen (10, 15) Jeweils aus einer PoIyäthylenterephthalatfolie bestehen.
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