DE2513362C3

DE2513362C3 - Verfahren zur Herstellung eines flachen Heizelementes

Info

Publication number: DE2513362C3
Application number: DE2513362A
Authority: DE
Inventors: Shin Misato Saitama Kiyokawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1975-03-26
Publication date: 1981-06-04
Also published as: FR2266418A1; SE406850B; FR2266418B1; SE7503608L; US4055526A; DE2513362A1; DE2513362B2; GB1496956A; CA1031405A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flachen Heizelementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Verfahren ist durch die DE-OS 15 65 751 bekannt. Das Leitpigment ist bei dem nach diesem Verfahren hergestellten Heizelement in dem Harz gleichmäßig verteilt.

Das bekannte Heizelement besitzt eine gute Verarbeitungsfähigkeit, es ist jedoch eine große Menge Kohlepulver erforderlich, um einen geeigneten Wider-Itandswert für ein Widerstandselement zu erhalten, das unter niedriger Spannung, z. B. um 100 V oder weniger, arbeitet. In einigen Fällen muß man 50 bis 60 Gew.°/o Kohlepulver zusetzen. Wenn man aber dem thermoplastischen Harz eine so große Menge Kohlepulver tusetzt. ist es ziemlich schwierig, die Mischung zu verformen, und der erhaltene Erhitzer hat dann eine geringe Biegungsfähigkeit, so daß er sich nur in ziemlich Beschränktem Rahmen verwenden läßt. Außerdem besitzt das bekannte flache Heizelement eine Eigenart, nämlich daß sein Widerstandswert im Falle seiner Verwendung bei erhöhter Temperatur oder über längere Zeit entsprechend dem negativen Temperaturkoeffizient des Widerstandes von Kohlenstoff selbst abfällt. Bei erhöhter Temperatur fließt demnach ein höherer elektrischer Strom als bei niedrigerer Temperatur, so daß schließlich die Erhitzer durch Überhitzung zerstört werden. Infolgedessen erfordern bekannte Heizelemente Einrichtungen zur Temperaturtrmittlung und -steuerung. Es ist auch ein sich selbst regelndes elektrisches Heizelement aus in Kunststoff eingelager- -, tem Graphit bekannt, wobei die Graphitkörner von einer weiteren, einen sehr großen Ausdehnungskoeffizienten besitzenden Isoliermasse umhüllt sind, wodurch bei steigender Temperatur ein Auseinanderrücken der Graphitkörner und damit eine Erhöhung des elektrisehen Widerstandes bewirkt wird (DE-OS 14 65 4 54).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines sich selbst regelnden flachen Heizelementes für niedrige Spannungen, das eine hohe Biegefestigkeit besitzt. Ein derartiges flaches Heizelement eignet sich für verschiedene Anwendungsgebiete, wie Industriewerke, Verkehrsbetriebe, Konstruktionen, Landwirtschaft und Viehhaltungen.

Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Formkörper nach, vor oder

jo während des Streckvorganges rasch abgekühlt wird, wobei die Streckung und die Abkühlung unter der Bedingung durchgeführt werden, daß sich das thermoplastische Harz noch in einem geschmolzenen oder erweichten Zustand befindet.

>5 Durch das erfindungsgemäße Verfahren (die rasche Abkühlung des Formkörpers) wird Kohlepulver nur an der Oberfläche des Formkörpers angelagert, so daß nur dieser Teil aes Formkörpers von Strom durchflossen ist. Deshalb ist keine große Menge Kohlenstoffpulver

«ι erforderlich. Das Heizelement nach der Erfindung unterscheidet sich wesentlich von Zweischichtenhei/-elementen, die aus tiner Kohlenstoffschicht. gpbunden an eine Isolierschicht mit einem Klebemittel, aufgebaut sind. Das Zweischichtenelement, das durch Verbindung

)5 von zwei Schichten hergestellt ist, neigt zu einer Ablösung der Schichten durch Druck oder Biegung und zur allmählichen Veränderung der Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Schicht durch Einwirkung des darin enthaltenen Klebemittels. Das Heizelement nach der Erfindung ist dagegen im wesentlichen als ein Körper aufgebaut und zeigt gute Eigenschaften, selbst unter einem Druck von 200 kg/cm^J oder mehr.

Durch den Streckvorgang des thermoplastischen Harzes im geschmolzenen oder im Erweichungszustand

4"i wird dem Heizelement eine Kontraktionsenergie vermittelt, die bei Betrieb des Heizelementes eine Schrumpfung des I leizelementes senkrecht zum Stromdurchfluß bewirkt. Infolgedessen weitet sich be' steigender Temperatur der Abstand zwischen den im

so Heizelement einliegenden Leitungsdrähten, wodurch die Kohlenstoffteilchen auseinandergerückt werden und der elektrische Widerstand zwischen den Leitungsdrähten erhöht wird.
In den Unteransprüchen ist die Erfindung vorteilhaft

M weitergebildet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung nähe beschrieben.

Fig 1 zeigt schematisch einen Teil eines flachen Erhitzers.

F i g 2 ist ein TeilquerschniK durch den flachen Erhitzer.

Fig.j ist eine Teilansicht eines anderen flachen Heizelementes,
Fig.4 ist eine Teilansicht des flachen Heizelementes

6") zur Erläuterung seiner selbststeuernden Funktion,

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Formungsverfahrens des flachen Heizelementes,
F i g. 6 zeigt in einem Diagramm die Kennzeichen des

flachen Heizelementes,

F i g. 7 ist eine Seitenansicht und zeigt einen Hauptteil des Formungsverfahrens des flachen Heizelementes,

F i g. 8 erläutert in einer Seitenansicht einen anderen Teil des Formungsverfahrens,

F i g. 9 ist eine Stirnansicht der Vorrichtung nach F i g. 8.

Was den Aufbau des in Fig. 1 und 2 dargestellten flachen Heizelementes betrifft, so ist die Oberfläche des Heizelementes t mit einer isolierenden Abdeckung 2 beschichtet Die Kontaktstifte S und 6 und die Leitungsdrähte 3 und 4 sind miteinander verbunden. Zwischen den Leitungsdrähten 3 und 4 ist auf der Oberfläche des Heizelementes Kohlepulver oder sonstiges elektrisch leitfähiges feines Pulver zur Bildung der elektrisch leitfähigen Schicht 7 ungleichmäßig verteilt, und zwischen den Leitungsdrähten 3 und 4 findet sich ein spezifischer Widerstandswert Vorzugsweise hat das Heizelement die Form eines Bandes, und die Leitungsdrähte 3 und 4 sind parallel mit dem Band angeordnet In Fig.3 ist das Heizelement Γ mit einer Anzahl von Leitungsdrähten 3', 4' verbunden, um die Heizfläche zu vergröUern.

Die Temperdturselbststeuerungsfunktion des flachen Heizelementes ist in Fig.4 erläutert. Weiiu eine elektrische Spannung an die Drähte 3 und 4 angelegt wird, fließt ein Strom durch die elektrisch leitfähige Schicht 7 unter Erzeugung von louleWärme. Diese |oule-Wärme erhitzt allmählich das Heizelement, und dieses neigt dazu, in der Richtung A-A der F i g. 4, d. h. in der Richtung des Heizelementes, durch die Wirkung der Kontraktionsenergie zu schrumpfen, die im Molekül durch die Streckung des Formkörpers enthalten und durch die Temperaturerhöhung freigegeben wird. Wenn die Kontraktionsspannung in dein Heizelement erzeugt wird, so dehnt es sich schwach in Richtung quer zu der Kontraktionsspannung, d. h. in Richtung B B'. Infolgedessen weitet sich der Abstand zwischen den Leitungsdrähten 3 und 4, und demgemäß wird der Widerstandswert der elektrisch leitfähigen Schicht angehoben, und der elektrische Stromwert fällt in umgekehrter Proportion zum Widerstandswert. Diese Erscheinung wird durch die Streck- oder Ziehwirkung im Verformungsprozeß hervorgerufen. Deshalb sind die Bedingungen beim Streckvorgang wichtig für die Herstellung des Heizelementes.

Beispiel 1

Gewichtsmäßig wurden 18% Polyäthylen. 46% Äthylen-Vinylacetatmischpulymer. 18% Polyvinylchlorid und 18% Kohlepulver (bezogen auf das Gesamtgewicht der thermoplastiscnen Harze) vermischt. Die Mischung wurde aus dei Strangpresse 20 (Fig.5) in geschmolzenem Zustand durch die zylindrische Preßform 21 im Ende der Strangpresse 20 mit einer Geschwindigkeit von 23 m/min ausgepreßt. Die zwei Leitungsdrähte 3 und 4 wurden dabei in den Zylinder 21 eingeführt. Der austretende zylindrische Formling 22 Wurde zwischen den Quetschwalzen 23 zu einem flachen Körper gepreßt, der durch Eintauchen in Abschreckflüstigkeit 25 im Wasserbehälter 24 auf 18⁰C abgekühlt wurde. Das erzeugte flache Heizelement la wurde durch die Lenkrollen 25,26 und 27 geführt. Es hatte eine Breite von 200 mm und eine Dicke von 13 mm. Die Eigenschaften des flachen Heizelementes sind als Kurve ßin F i g. 6 aufgetragen.

An das Heizelement wurde unter einem Druck von 180 kg/cm² ein elekirischer Strom angelegt, aber das Verhältnis von Widersund zu Temperatur wurde durch den Druck überhaupt nicht beeinflußt. Obgleich der Oberflächenanteil des Heizelementes einen Widerstand von 240 Ω/m zeigte, war der Widerstandswert der

·> inneren Schicht (nach Abschneiden der Oberflächenschicht) nahezu gleich einer Isolierschicht Diese Tatsache zeigt, daß das Kohlenstoffpulver innerhalb des Elementes ungleichmäßig verteilt ist Wenn die Oberfläche des Heizelementes mit einem Tuch gerieben wurde, war keine Veränderung im Widerstandswert erkennbar. Demnach war offensichtlich das Kohlenstoffpulver innerhalb des thermoplastischen Harzes fest gebunden. Gelegentlich wurde der in diesem Beispiel hergestellte geschmolzene Körper unter einer ionisie-

r> renden Strahlung von 10 M Rad von einem Van-de-Graaff-Beschleuniger bei 60°C gesetzt. Der Körper hatte eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit.

Beispiel 2

Polyäthylen, enthaltend 25% Kohlenstoffpulver, wurde unter ScKmelzen durchgemischt, einer Strangpresse zugeführt und geschmolzen durch ein V Mundstück mit einem flachen Schlitz zu einem Formkörper verpreßt. Der erzeugte flache Körper wurde durch Besprühen mit

2Ί Wasser von 20⁰C rasch abgekühlt und zu einem flachen Heizelement von 1 mm Dicke und 250 mm Breite gewalzt. Oas flache Heizelement besaß die durch Kurve A in F i g. 6 gezeigte Charakteristik. Kohlenstoffpulver war im Oberflächenanteil ungleichmäßig verteilt

Beispiel 3

Ein flaches Heizelement von 200 mm Breite wurde unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt, abgesehen davon, daß es mit einer

η Geschwindigkeit von 2.5 m/min gewalzt wurde. Die Charakteristik des hergestellten Elementes ist durch die Kurven C und D in F i g. 6 erläutert. In diesem Diagramm gibt die Abszisse die Oberflächeraemperatur des Heizelementes in ⁰C und die Ordinate den Widerstandswert in Ω/m und den verbrauchen S; rom in W/m an. Die Kurve A zeigt einen Stromverbrauch von 30 W/m bei 20⁰C und einen Widerstand von 300 *tlm in dieser Zeit. Die Kurve B zeigt einen Stromverbrauch von 40 W/m bei 20⁰C und einen Widerstand von etwa 240 Ω/m. Die Kurve C zeigt einen Stromverbrauch von 50 W/m bei 20"C und einen Widerstand von etwa 210 Ω/m in diesem Zeitpunkt. Die Kurve D zeigt einen Stromverbrauch von 60 W/m bei 20° C und einen Widerstand von etwa 170 Ω/m zu diesem Zeitpunkt.

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die Möglichkeit einer selbsttätigen Temperaturkontrolle. Gemäß der Erfindung ist die Streckung oder Ziehung im geschmolzenen oder erweichten Zustand wichtig und wird wie folgt d'iri hgeführt. Gemäß F i g. 7 wird ein zylindrischer Formkörper 30 gebildet mit Quetschrollen 31, 32 zu einem Bogen verfount Das Zylindermundstü?k 21 ist mit einem Schlitz und dem Loch 23 zur Führung der Leitungsdrähte 3 und 4 ausgerüstet. Der geschmolzene Körper 22 wird ais dem Mundstück 21 ausgepreßt und unmittelbar anschließend zwischen den Quetschrollen 31 und 32 zu einem Bogen verformt. Das Mundstück 21 ist mit den Düsen 33 und 34 ausgerüstet, aus denen Kühlflüssigkeit oder Kühlgas zur Kühlung tier Oberflä-

M ehe des Formkörpers 22 aufgebracht wird, unmittelbar bevor er mit der Quetschrolle 31 zusammengedrückt wird. Erforderlichenfalls enthalten die Quetschrollen 31 und 32 KUhlflüssigkeiten. Die Drehgeschwindigkeit der

Quctschrollen 31 und 32 kann entsprechend veränderbar sein, so daß es möglich ist. durch Regelung ihrer Drehgeschwindigkeit Streckung oder Ziehung auf einem gewünschten MaOe zu halten.

F-" i g. H und 9 zeigen ein Cierät /ur Herstellung des Heizelementes unter Benutzung eines TMundstiickes. Das Mundstück ist am Finde der Strangpresse 20 angesetzt, und die Leitungsdrähte J und 4 werden von einer Schulter des TMundstiickes 40 zugeführt. Der aus dem Mundstück austretende geschmolzene Körper erhält eine gewünschte Streckung durch die Quetschwalzen 42 und wird rasch durch Kühlflüssigkeit oder Kühlgas gekühlt, das aus den Düsen 43 und 44 aufgebracht wird. Das hergestellte Heizelement wird auf die sich aus dem Verwendungszweck ergebende gewünschte Länge geschnitten und mit der in Fig. I gezeigten Abdeckung 2 versehen.

H c i s ρ i e I 4

Firne Mischung aus 18% Polyäthylen. 4b% Äthylen Vinylacetatniischpolymer und IK¹VSi Polyvinylchlorid wurde nut 18% des Gesamtgewichtes des thermoplastischen Harzes an Kohlepiilvcr versetzt. gleichmäßig durchgemischt und hei IHO C" geschmolzen Die geschmolzene Mischung wurde nut 2.^r> m/min unter Benutzung des in I i g. 7 gezeigten Gerätes zu dem l'ormkörper 22 verpreüt. Diametral gegenüberliegend wurden in ilen erzeugten z.ylindcrförniigen Formling die Leitungsdrähte 3 und 4 eingeführt, und das Ganze wurde mit den Quetsdirollcn 31 /ti einem Dogen verprellt. Die Oberfläche des lormlings 22 wurde durch Aufsprühen von Kühlwasser von IH"C aus den Düsen 33 und 34 rasch gekühlt. Das erzeugte flache Heizelement hatte eine Breite von 220 mm und eine Dicke von 1.3 mm im Heizungstcil.

Die l.igcnschaflen des flachen Heizelementes wlinien durch Änderung der Drehgeschwindigkeit der Quetschwalzen 31 und 32 vcränden. Wenn diese Drehgeschwin digkeii auf 50% gegenüber der AtispreUgcschwindigkeil gesteigert wurde, wurden Heizelemente mit unterschiedlicher Charakteristik erhallen Die Kurven der F ι g. b wurden erhalten, indem man die Streckung Verhältnisse veränderte. Die Kurve I) entspricht einem Vergrölleriingsverh.ilmis von 20%. die Kurse ( einem Vergrößerungsvcrhaliii¹"· von 30"'". die Kurve /' von 40"/,, und die Kurve A von ¹JO⁰O.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines flachen Heizelementes, bei dem ein isolierendes thermoplastisches Harz mit elektrisch leitfähigem Kohlenstoffpulver vermischt und verschmolzen wird, danach zu einem Formkörper extrudiert, dann gestreckt und anschließend in den einzelnen Heizelementen entsprechende Stücke geschnitten wird, wobei in den Formkörper beim Extrudiervorgang oder nach dem Extrudiervorgang in Richtung der Streckung verlaufende Leitungsdrähte eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach, vor oder während des Streckvorganges rasch abgekühlt wird, wobei die Streckung und die Abkühlung unter der Bedingung durchgeführt werden, daß sich das thermoplastische Harz noch in einem geschmolzenen oder erweichten Zustand befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch einen Zusatz von weniger als 40 Gew.-%, vorzugsweise von 15 bis 20 Gew.-%, elektrisch leitfähigen Pulvers zu dem thermoplastischen Harz.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Kühltemperatur unterhalb 110°C, vorzugsweise unterhalb 20³C, liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leitungsdrähte in den Formkörper eingebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach der raschen Abkühlung einer ionisierenden Bestrahlung von hohe. Energie unterzogen wird.

6. Verfah sn nach A nspruc¹- 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Polyäthylen. Polypropylen. Äthylen-Vinyla-Matmischpolymer, Polyvinylchlorid, Polyamid oder einer Mischung hiervon als isolierendes thermoplastisches Harz.