DE2634932C2

DE2634932C2 - Elektrisches PTC-Heizelement

Info

Publication number: DE2634932C2
Application number: DE2634932A
Authority: DE
Inventors: David August Palo Alto Calif. Horsma; Wells Menlo Park Calif. Whitney
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1976-08-04
Publication date: 1986-04-03
Also published as: AU511873B2; AU1655276A; IT1065401B; US4017715A; BE844848A; DE2634932A1; CA1071281A; GB1562085A

Description

das PTC-Widcrstandsclemcnt ein Halbleiter auf Basis enthalten, die eine wesentliche Wärmekapazität auf-Barium-Tilanat-Keramik ist In der US-PS 37 93 716 weist und die sich in thermischem Kontakt mit dem wird ein selbsregelndes Heizelement beschrieben, bei Erhitzer befindet jedoch nicht zwischen der Heizschicht dem zur Verbesserung der Flexibilität und anderer phy- und dem PTC-Element angeordnet ist sikalischer Eigenschaften einschließlich des Wider- 5 Bevorzugte Vorrichtungen sind Laminate, die eine Standsverhaltens bei Raum-und bei einer höheren Tem- Vielzahl von Kontaktschichten,-von denen jede ein peratur gegebenenfalls schichtförmige Heizkörperele- PTC-Element ist eine elektrische Widerstandsheizung, mente aus Poiymermaterial verwendet werden, die mit die in Reihe mit dem PTC-Element geschaltet ist, ein vergleichsweise niedrigen Mengen an Ruß zwecks Er- thermisches Verzögerungselement oder ein Wärmezielung der notwendigen elektrischen Leitfähigkeit ge- ίο Speicherungselement aufweisen. Vorzugsweise stellt jefüllt sind. de dieser Schichten einen elektrischen Leiter bei Tem-Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Heiz- peraturen dar, die wenigstens T_s entsprechen. In solchen vorrichtung, die geschichtete Heizelementkörper aus Laminaten kann jede der Schichten konstante Dicke Poiymermaterial mit Anschlußelektroden aufweist und aufweisen (wobei die Dicke der verschiedenen Schicheinen positiven Temperaturkoeffizienten des Wider- 15 ten gleich oder unterschiedlich sein kann) oder eine oder ;· Standes zeigt, wobei die Heizvorrichtung insgesamt auf mehrere der Schichten weisen eine ungleichförmige eine höhere Temperatur als die Schalttemperatur der Dicke auf.

PTC-Heizschicht erhitzt werden kann. Haben die Schichten konstante Dicke und das Lami-

<_ Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das nat weist Elektroden, z.B. in Fon/*, einer Metallfolie,

h Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst 20 eines Anstrichs oder einer Piatte oder e^:-nes Drahtsiebs

Die Heizschicht aus temperaturunabhängigen Wider- auf, wodurch ein gleichförmiger Stromfluß durch alle S' standsmateriai kann aus einem Material gleichförmigen Teile der PTC-Schicht sichergestellt ist so muß das La-

^ spezifischen Widerstands bestehen, die im wesentlichen minat ein den Wärmeübergang verzögerndes Element

bis zu T₁ und darüber hinaus konstant ist oder aus einem zwischen PTC- und Heizschicht aufweisen. Bevorzugte

^; PTC-Material, dessen Schalttemperatur höher als die 25 Laminate dieses Typs umfassen

Schalttemperatur der PTC-Schicht ist Vorzugsweise

weist die Heizschicht mit temperaturunabhängigen Wi- a) eine erste Elektrodenschicht,

derstand einen Widerstand auf, der um nichi mehr als b) eine Heizschicht konstanter Hek-Leistung, yorden Faktor 6 über jeden Temperaturabschnitt 30⁰C zugsweise eine aus einem PTC-Material einer

zwischen 25° C und T₁ ansteigt Solche Erhitzer werden 30 Schalttemperatur von größer als T₁ aufgebauten nachfolgend als Erhitzer mit konstanter Heizleistung Schicht

bezeichnet c) eine thermische Verzögerungsschicht

Wenn Widerstandsheizungen verwendet werden, ist d) eine Schicht eines PTC-Elements mit einem spezifies natürlich wesentlich, sicherzustellen, daß wenigstens sehen Widerstand des Volumens bei Temperaturen ein Teil der Heizvorrichtung eine Temperatur von grö- 35 unterhalb von T* die kleiner ist als die der Heizßer als T_s erreicht, während wenigstens ein Teil der schicht (b), und

PTC-Schicht noch bei einer Temperatur von unterhalb e) eine zweite Elektrodenschicht Ts ist Weiter muß gewährleistet sein, daß wenigstens ein

Teil der von der Heizschicht abgegebenen Wärme, wäh- Weitere bevorzugte Laminate dieses Typs weisen ! rend diese sich bei einer Temperatur oberhalb von T₃ 40 entweder eine elektrisch leitende Wärmespeicherbefindet entweder der PTC-Schicht mit einer zeitlichen schicht zwischen der ersten Elektrodenschicht (a) und Verzögerung (während welcher der PTC-Schicht die der Heizschicht (b) auf, die einen spezifischen Wider- ;·'; Temperatur T₅ oder darüber erreicht haben kann) züge- stand des Volumens bei Temperaturen unterhalb von T₁ führt wird und/oder einem Teil def PTC-Schicht züge- hat, der niedriger als der Volumenwiderstand der Heizführt wird, welche sich bereits bei der Temperatur T, 45 schicht (b) ist, oder eine Wärmespeichereinheit auf der oder oberhalb davon befindet Eine zeitliche Verzöge- von der Heizschicht (b) entfernteren Seite der ersten rung kann bewirkt werden, indem ein »thermischer Ver- Elektrodenschicht (a).

zögerer«, der eine wesentliche Wärmekapazität auf- Andererseits ist eine Schicht eines thermischen Ver-

weist, zwischen PTC-Schicht und Heizschicht angeord- zögerungselement^ nicht notwendig, wenn eine oder

net wird. Dieser thermische Verzögerer kann ein elek- 50 mehrere der PTC- und Heizschichten ungleichförmige

trischer Isolator, z. B. ein geschäumtes Polymer, oder ein Dicke aufweisen, oder wenn jede der Schichten gleich-

Leiter, ζ B. ein geschäumtes Polymer sein, welches fa- förtuigi; Dicke aufweist jedoch-die Elektroden So ange-

serförmige und/oder feinteilige Metallfüllstoffe enthält ordnet sind, daß ein nicht gleichförmiger Stromfluß

Das den Wärmeübergang verzögernde Element kann durch das PTC-Element stattfindet Bevorzugte Vor-

auch ein Material enthalten, das Wärmeisotherm absor- 55 richtungen dieses Typs weisen eine PTC-Schicht auf, die

biert, z.B. indem das Material einer Phasenänderung Sandwich-artig zwischen zwei Heizschichten angeord-

wie dem Schmelzen unterliegt, vorzugsweise bei einer net ist, vorzugsweise in physikalischem Kontakt mit we-

Temperatur oberhalb von T* Die Zulieferung von War- nigstens einer Heizschicht Wenn jede der Schichten

■,j me zu einem Teil der PTC-Schicht, die sich bereits bei konstante picke hat, liegt vorzugsweise eine Streifen-

der Temperatur T₁ oder oberhalb davon befindet, kann 60 bzw. BandeiektrodeYpr, die jede sJer-Heizsjhiühten be-

durch eine oder eine Kombination verschiedener Maß- rührt, wobei die Elektroden auf dergleichen Seite der

JI nahmen, die nachfolgend im einzelnen beschrieben wer- Vorrichtung oder in diagonal gegegenüberliegenden

% den, erzielt werden, wodurch sichergestellt wird, daß ein Ecken angeordnet }jnd.

nicht gleichförmiger Strom der PTC-Schicht fließt Damit die Laminate flexibel sind, ist häufig jede der

% Die erfindungsgem^ße Vorrichtung kann weiter 65 Schichten aus einem Poiymermaterial aufgebaut.

fi zwecks Vergrößerung der für die Aufheizung der PTC- Schichten mit geeigneten spezifischen Widerständen

I; Schicht, nachdem diese T₁ erreicht hat, zur Verfugung (und gegebenenfalls PTC-Eigenschaften) können (auf H stehende Wärmemen^fc eine Wärmespeicherschicht bekannte Weise) aus Mischungen von Polymeren mit

unterschiedlichen Mengen verschiedener leitfähiger Füllstoffe, z. B. Ruß, hergestellt werden. Das Polymere (oder Polymergemische) kann in den unterschiedlichen Schichten gleich oder verschieden sein. Wenn das Polymer kristallin ist, wie im allgemeinen bevorzugt, ist im s allgemeinen ein vernetztes Polymeres erwünscht Die Gesamtdicke solcher Laminate kann beispielsweise 0,25 cm oder mehr, z. B. von 0,75 bis 1 cm betragen.

Die PTC-Schicht und jede andere PTC-Schicht, die als elektrische Widerstandsheizungen anwesend sind, der thermische Verzögerer oder das Wärmespeicherelement enthalten bevorzugt ein organisches Polymer, insbesondere ein vernetztes thermoplastisches kristallines Polymer, in dem ein feinteiliger elektrisch leitender Füllstoff, vorzugsweise Ruß, dispergiert ist. Die PTC-Schicht zeigt vorzugsweise wenigstens einen 6fachen Anstieg des Widerstandes zwischen T, und 7", + 30⁰C. Geeignete Erhitzer konstanter Heiz-Leistung können aus ähnlichen Dispersionen mit einem größeren Füllstoffgehalt zusammengesetzt sein.

Besonders bevorzugte Vorrichtungen sind wärmerückstellfähige Laminate, die wenigstens eine Polymerschicht, vorzugsweise die PTC-Schicht enthalten, welche sich beim Erhitzen auf eine Temperatur von T₅ oder darüber, etwa T, + 8O⁰C, auf eine andere Konfiguration zurückstellt Techniken zur Herstellung wärmerückstellfähiger Polymergegenstände sind bekannt und werden z. B. in US-PS 30 86 242 beschrieben. Typischerweise wird ein geformter Gegenstand aus einer vernetzten Polymermasse bei einer Temperatur oberhalb sei- nes Kristallschmelzpunkts deformiert und dann im deformierten Zustand abgekühlt. Beim ungehinderten Wiedererhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallschmelzpunkts stellt sich der Gegenstand auf seine ursprüngliche Form zurück. Wärmerückstellfähige Gcgcnsiärnjc können aus Gemischen von Polymeren mit elektrisch leitenden Füllstoffen hergestellt werden, wobei diese Gemische leitfähig sind, jedoch kein PTC-Verhalten zeigen. Solche Gegenstände können sich beim Stromdurchgang zurückstellen. Jedoch ist dieses Verfahren in hohem Maße unzuverlässig, weil zu starkes Erhitzen des Gegenstandes sehr schwer vermieden werden kann. PTC-Gegenstände auf der Basis von vernetzten kristallinen Polymeren können wärmerückstellfähig gemacht werden. Jedoch liegt T_s für solche Gegenstände gerade unterhalb des Kristallschmelzpunkts des Polymeren, so daß ein Erhitzen auf eine Temperatur von wenigstens 10⁰C oberhalb des Kristallschmelzpunkts für die Rückstellung des Artikels erwünscht ist Solche Gegenstände können daher nicht befriedigend zurückgestellt werden, indem man einfach Strom hindurchfließen läßt Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß diese Schwierigkeit überwunden wird, und hierdurch eine Alternative zu den gegenwärtig angewandten Erhitzungsmethoden zur Verfugung gestellt wird, z. B. zur Verwendung einer offenen Ramme, die in gewissen Situationen unerwünscht ist

Andere bevorzugte Laminate, die wärmerückstellfähig sind oder nicht weisen eine äußere Schicht eines wärmeaktivierten Klebstoffs auf.

Die PTC-Schicht wird vorzugsweise auf eine Temperatur von wenigstens 5, insbesondere von wenigstens 10, jedoch nicht mehr als 8O⁰C oberhalb seiner T, erhitzt Wenn die PTC-Schicht mit der Stromquelle bis nach Erreichung von T_s verbunden bleibt und daher der Stromfluß im wesentlichen aufgehört hat, hängt die Variation der Temperatur der PTC-Schicht mit der Zeit von den elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung und ihrer Umgebung ab. Bevorzugt erreicht die Temperatur der PTC-Schicht ein Maximum und fällt dann glatt auf einen konstanten Wert von T, oder nahe davon ab. Es ist jedoch auch möglich, daß die Temperatur ein Maximum erreicht und dann (mit konstanter oder sich verringernder Amplitude) um einen Mittelwert von T_s oder nahe dabei oszilliert

Es kann jede geeignete herkömmliche Energiequelle verwendet werden, z. B. eine Spannung von weniger als 40VoIt z.B. 12 bis 36VoIt von einer Batterie oder 115 Volt Wechselstrom. Wenn die Vorrichtung wärmerückstellfähig ist, müssen Spannungsquelle und die Widerstände der verschiedenen Schichten natürlich so dimensioniert sein, daß die Energieabgabe ausreicht, um Rückstellung zu bewirken.

Die Volumenwiderstände, Dicken und Gestaltungen der unterschiedlichen Schichten und die Anordnung der Elektroden haben einen grundlegenden Einfluß auf den bevorzugten Stromweg durch die Vorrichtung bei verschiedenen Temperaturen und somit auf die erzeugte Wärme an bestimmten Punkten zu bestimmten Zeiten. Die Betriebseigenschaften der Vorrichtung hängen auch von der thermischen Konduktanz und der thermischen Masse der Schichten und den Geschwindigkeiten ab, mit denen sie Wärme an die Umgebung verlieren, und schließlich von der verwendeten Energiequelle.

Die Erfindung wird in den Zeichnungen illustriert in denen die Fig. 1 bis 12 isometrische Ansichten von laminierten Vorrichtungen gemäß der Erfindung darstellen. Wenn bei der Beschreibung der verschiedenen Figuren auf mögliche Modifikationen hingewiesen wird, können diese Modifikationen, wo geeignet auch mit anderen Vorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden. In der Figurenbeschreibung werden eine Heizschicht konstanter Heiz-Leistung als CW-Schicht, das PTC-Eicmcni als PTC-Schichi, eine Schicht eines thermischen Verzögerers als TD-Schichl und eine Schicht eines Wärmespeichers als ^Schicht bezeichnet

In Fig. 1 weist das Laminat 10 Elektroden 14 und 15 aus Metallgeflecht eine CW-Schicht 11, eine TD-Schicht 13 und eine PTC-Schicht 12 auf. Der spezifische Widerstand der CW-Schicht 11 ist größer als der der TD-Schicht 13 und PTC-Schicht IZ Der spezifische Widerstand derTD-Schicht 13 ist vorzugsweise gleich oder kleiner als der der PTC-Schicht 12. Die Elektrode können alternativ aus Metallplatten oder Metallanstrich oder einer Vielzahl von Band- oder Drahtelektroden bestehen. Nach Verbindung der Elektroden 14 und 15 mit einer Kraftquelle 16 fließt ein gleichförmiger Str m zwischen den Elektroden, und Schicht 11 erhitzt sich schneller als Schicht 13 oder Schicht IZ Wenn die Kontaktfläche der Schichten 12 und 13 T_s erreicht haben, wird der Strom abgeschaltet (d. h. auf ein sehr niedriges Maß reduziert), da sich jedoch Schicht 11 bei einer Temperatur oberhalb von T, befindet wird der PTC-Schicht 12 Wärme in einer Geschwindigkeit zugeführt, die ihrerseits von dem Strom abhängt, der in Abhängigkeit von den Eigenschaften der TD-Schichl zu einer etwas früheren Zeit durch das Laminat geflossen war. (Selbstverständlich ist hier der Ausdruck »abhängig« in einem weiten Sinn zu verstehen und bedeutet nicht daß eine direkte oder einfache Beziehung zwischen den voneinander abhängigen Größen besteht) Die Maximaltemperatur, auf die die PTC-Schicht 12 erhitzt wird, liegt zwischen T_s und der Maximaltemperatur der CW-Schichi 11.

In einer Abänderung der Vorrichtung bestehen eine oder beide der CS-Schichten Il und TD-Schicht 13 aus

einem PTC-Material mit einer Schalttemperatur, die größer als 7, der Schicht 12 ist. Bei dieser Modifikation begrenzt die Schalttemperatur der Schicht 11 oder 13 die durch die PTC-Schicht 12 erreichte Maxiimiltcmperatur.

In Fig.2 weist das Laminat 17 eine obere CW-Schiurfri und eine untere PTC-Schicht sowie eine dazwischenliegende TD-Schicht auf, die einen elektrischen Isolator bildet Die Elektroden 21,22,23 und 24 verbinden die CW- und PTC-Schichten in Rethe mit einer Energiequelle 25. Diese Vorrichtung arbeitet auf die gleiche Weise wie in F i g. 1 gezeigt.

In Fig.3 enthält das Laminat 26 Elektroden 30 und 31, eine CW-Schicht 28, eine TD-Schicht 29 und eine PTC-Schicht 28, wie in Fig. 1, sowie zusätzlich eine elektrisch leitende TS-Schicht 32, die eine hohe thermische Leitfähigkeit und thermische Masse hat. Diese

VUrriUIUUtlg ill UCIlCt aiii UIw glWl^nw r» wmw »« «** w«w ·«··

F i g. 1 mit der Ausnahme, daß die TS-Schicht 32 die von der PTC-Schicht 29 erreichte Maximaltemperatur und/ oder die Zeit, während der die PTC-Schicht 29 wesentlich oberhalb von 7, bleibt, vergrößert. Bei einer Abwandlung dieser Vorrichtung besteht die TS-Schicht 32 aus einem Isolator und eine Elektrode 30 ist zwischen den Schichten 27 und 32 angeordnet. Die TS-Schicht 32 kann ein kristallines Polymer sein, dessen Schmelzpunkt zwischen der TS-Schicht 28 und der von Schicht 27 erreichten Maximaltemperatur liegt. Das Schmelzen des Polymeren in Schicht 32 speichert Wärme, die nach dem Abüvhalten des Stroms freigesetzt wird.

In F i g. 4 zeigt das Laminat 33 CW-Schichten 34 und 35. eine TD-Schicht 37 und eine PTC-Schicht 36 sowie Streifen- bzw. Bandelektroden 38 und 39, die mit einer Energiequelle verbunden sind. Der spezifische Widerstand der CW-Schicht 34 ist höher als der der CW-Schicht 35 und beide sind wesentlich niedriger als der der TD-Schicht 37 und der PTC-Schicht 36. Der spezifische Widerstand der TD-Schicht 37 ist vorzugsweise gleich oder kleiner als der der PTC-Schicht 36. Nach der Verbindung der Elektroden mit der Kraftquelle verläuft der Stromweg vorwiegend in der Ebene der Schichten

34 und 35 und senkrecht zu der Ebene der Schichten 36 und 37. Die Schicht 34 erhitzt sich schneller als jede der anderen Schichten. Die PTC-Schicht wird daher auf eine Temperatur von größer als 7, erhitzt, wie das in den Vorrichtungen der F i g. 1 bis 3 der Fall ist

F i g. 5 ist ähnlich F i g. 4 bis auf das Laminat welches eine zweite TD-Schicht 41 enthält und infolgedessen die CW-Schichten 34 und 35 den gleichen spezifischen Widerstand haben können.

In einer Abwandlung des Laminats von F i g. 5 sind die Bandelektroden 38 und 39 durch Elektroden aus Drahtgeflecht über die Stirnseiten der Schichten 34 und

35 ersetzt und der spezifische Widerstand jeder der Schichten 34 und 35 ist größer als der der anderen Schichten, da in allen Schichtea der Strom senkrecht zur Ebene der Schicht verläuft

In F i g. 6 weist das Laminat 42 CW-Schichten 43 und 44, PTC-Schichten 45 und 46 und eine TD-Schicht auf. Die PTC Schicht 45 hat eine 7* die höher als die der PTC-Schicht 46 liegt Elektroden 48 und 49 sind diagonal in den Schichten 43 und 44 angeordnet Nach Stromzufuhr mittels der Quelle 50 erhitzt sich zuerst Schicht 43, bis Schicht 45 ihre T₁ erreicht hat wenn der Strom abgeschaltet wird. Die in den Schichten 43 und 45 gespeicherte Wärme wird auf die PTC-Schichten 46 übertragen, die eine Temperatur zwischen ihrer eigenen T₁ und der T_s von Schicht 45 erreichen, bevor sie einen stationären Zustand bei etwa ihrer eigenen 7, erreichen, in Abwandlungen der Laminate gemäß Fig. 1 bis 6 können eine oder beide der gezeigten monolytischen Elektroden durch eine Vielzahl von Elektroden cisel/.l werden. Jedoch können, wie weiter oben erwähnt und nachstehend beschrieben, die Anordnung, der Abstand und die Zahl der Elektroden die Eigenschaften des Laminats ändern.

In F i g. 7 und 8 weisen die Laminate 51 und 58 CW-Schichten 52 und 53, eine TD-Schicht 54 sowie eine PTC-Schicht 55 auf. Die Volumenwiderstände der CW-Schichten 52 und 53 sind gleich. Streifen- bzw. Bandelektroden 56 sind in die Schichten 52 und 53 eingebettet. Nach Verbindung mit einer Stromquelle erhitzt sich Schicht 52 schneller als die anderen Schichten, in F i g. 7, weil die Elektroden weiter entfernt als in Schicht 53 sind, und in F i g. 8, weil Schicht 52 dünner als Schicht 53 ist.

In F i g. 9 enthält das Laminat 59 CW-Schichten 60 und 61, eine PTC-Schicht 62 und Bandelektroden 63 und 64. Die spezifischen Widerstände der CW-Schichten 60 und 61 sind gleich. Nach Verbindung der Elektroden mit einer Energiequelle 65 fließt ein nicht gleichförmiger Strom zwischen den Elektroden, und die Kantenteile des Laminats erhitzen sich zuerst Wenn die Kantenieile der PTC-Schicht 62 7, erreichen, wird der Strom gezwungen, durch den mittleren Teil der Schicht 62 zu fließen, dessen Breite sich verringert. Während dieses Stromflusses erhitzt die in den Schichten 60 und 61 erzeugte Wärme die sich allmählich verbreiternde Kante der PTC-Schicht 62 auf Temperaturen oberhalb von T₁. In Abwandlungen des Laminats von Fig.9 können eine oder beide CW-Schichten PTC-Schichten mit einer 7j oberhalb der von Schicht 62 sein. Das Laminat kann auch durch eine TD- oder TS-Schicht, wie vorstehend beschrieben, modifiziert sein.

In Fig. 10 enthält das Laminat 66 CW-Schichten 67 und 68, eine PTC-Schicht 60 und Streifenelektroden 70 und 72. Nach Verbindung der Elektroden mit einer Energiequelle 72 fließt der Strom anfänglich direkt zwisehen den Elektroden und erhitzt die linke Seite des Laminats. Wenn jedoch der Bereich der linken Kante der PTC-Schicht 69 T₁ erreicht hat wird der Strom zunehmend in einen Ringsherumweg gezwungen, da mehr und mehr der PTC-Schicht abgeschaltet wird. Die in den Schichten 67 und 68 erzeugte Wärme heizt die abgeschalteten Teile der Schicht 69 auf eine Temperatur oberhalb von T₅ auf.

In Fig. 11 enthält das Laminat 73 CW-Schichten 74 und 75, deren Dicke von links nach rechts ansteigt eine so PTC-Schicht 76 und Drahtgeflechtelektroden 77 und 78, die mit einer Energiequelle 79 verbunden sind. Wegen der geringeren Dicke der Schichten 74 und 75 an der linken Kante erhitzt sich diese rascher, und die PTC-Schicht schaltet sich progressiv von links nach rechts in einer ähnlichen Weise wie das Laminat von F i g. 10 ab.

In F i g. 12 besteht das Laminat 80 aus CW-Schichten 81 und 82, einer PTC-Schicht 83, die in der Mitte dicker als an den Seiten ist und Drahtgeflechtelektroden und 85. Nach Verbindung der Elektroden mit einer Energiequelle 86 erhitzen sich die Kantenbereiche der PTC-Schicht 83 rascher als der Mittelteil. Die Seitenteile erreichen daher 7^ und schalten sich zuerst ab.

In Abwandlungen des Laminats von Fig. 12 ist die PTC-Schicht an den Seiten dicker als in der Mitte oder

keilförmiger oder hat eine Dicke, die sich gleichmäßig

oder ungleichmäßig in der einen oder anderen Weise ändert

In Abwandlungen des Laminats der Fig. 11 und

ändern sich die Dicken der CW-Schichten im gleichen oder unterschiedlichen Ausmaß, gleichförmig oder ungleichförmig.

In Abwandlungen der Laminate der Fig. 10 bis 12 sind eine oder beide der CW-Schichten PTC-Schichten mit einer T, größer als die der dazwischenliegenden PTC-Schicht

Die in den Figuren dargestellten Laminate haben eine ebene Konfiguration zur Erleichterung der Darstellung, sie können jedoch selbstverständlich auch eine nicht planare Konfiguration, z. B. Rohrform, aufweisen, die regelmäßig oder unregelmäßig ist.

Wie bereits erwähnt, sind die Laminate gemäß der Erfindung besonders nützlich, wenn sie wärmerückstellfähige Gegenstände darstellen und die durch das PTC-Element erreichten Temperaturen Rückstellung bewirken. Die niedrigere stationäre Temperatur kann beispielsweise nützlich sein, um den Fluß eines Klebstoffüberzugs auf dem wärmerückstellfähigen Gegenstand nach dessen Rückstellung zu fördern. Die Vorrichtungen können auch in anderen Situationen angewendet werden, in denen es nützlich ist, eine anfängliche hohe Temperatur zu erzeugen und anschließend eine niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten, z. B. zur Initiierung einer Reaktion, wie der Zersetzung eines Peroxyds, und zu deren anschließender Aufrechterhaltung. Die Vorrichtungen sind besonders wertvoll in Form von wärmerückstellfähigen Gegenständen, wie sie in der Anmeldung P 25 43 338.9 beschrieben sind.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können herkömmliche Elektroden aufweisen, jedoch wird insbesondere bei wärmerückstellfähigen Vorrichtungen bevorzugt für wenigstens eine Elektrode eine rohrförmige Elektrode verwendet Für die Zwecke der Erfindung können herkömmliche PTC-Massen verwendet werden, geeignet sind jedoch auch Massen gemäß Anmeldung P 25 43 346.9.

Weitere Hinweise über PTC-Massen und ihre Verwendung ergeben sich aus der Anmeldung P 25 43 3145. Die Offenbarung der vorstehend genannten Anmeldungen wird hiermit in die vorliegende Anmeldung einbezogen.

Die Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele beschrieben, in denen Prozentangaben sich auf das Gewicht beziehen.

Beispiel 1 Beispiel 2

Hergestellt wird das allgemein in F i g. 9 gezeigte Laminat in einer Breite von 2,54 cm. Die CW-Schichten 60 und 61 sind jeweils 0,1 cm dick und bestehen aus einem leitenden Silikonkautschuk (Union Carbide K1516). Die PTC-Schicht 62 hat eine T₁ von etwa 120⁰C, ist 0,025 cm dick und besteht aus einem Gemisch aus 40% Ruß (Sterling SRF-NS) und 60% Polyäthylen hoher Dichte (Marlex 6003). Das Laminat wird ohne Isolierung auf einen Tisch gelegt, worauf die Elektroden mit einer 36 Volt-Gleichstromquelle verbunden werden. Jede Oberfläche erreicht eine Maximaltemperatur von etwa 132°C nach etwa 12 Sekunden. Nach etwa 30 Sekunden fällt die Temperatur auf etwa 100⁰C ab und bleibt konstant. Dann werden auf beide Oberflächen des Laminats eine Isolierung aufgebracht und die Elektroden nacheinander mit Gleichstromquellen von 12, 24 und 36 Volt verbunden. Die Oberflächen des Laminats erreichen Maximaltemperaturen von 138,169 und 202⁰C und fallen auf eine Stationärtemperatur von etwa 11O⁰C ab.

Beispiel 3

Hergestellt wird ein Laminat, wie es allgemein in Fig. 1 beschrieben wurde, unter Verwendung einer Kupferfolie für die Elektroden 14 und 15. Jede der Schichten ist 0,15 cm dick. Die CW-Schicht 11 besteht aus einer Mischung von 25% Ruß, 37,5% eines Äthylen-Propylen-Dien-modfizierten Kautschuks (EPDM; »Nordel« 1440) und 37,5% eines leitfähigen Silikonkautschuks (»Silastic« 350). Die TD-Schicht 13 setzt sich aus einer Mischung aus 35% Ruß und 65% des gleichen EPDM-Kautschuks zusammen. Die PTC-Schicht 12 besteht aus einer Mischung aus 45% Ruß (Sterling SRF-NS) und 55% Polyäthylen hoher Dichte (Mariex 6003) und hat eine T₅ von etwa 120° C. Die Elektroden werden an eine Wechselstromquelle von 25 Volt angeschlossen. Die Bodenfläche des Laminats erreicht in etwa 4 Minuten eine Temperatur von etwa 140⁰C, die dann auf eine Stationärtemperatur von etwa 115° C abfällt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Es wird ein Laminat hergestellt das in allgemeiner Form in Fig.7 beschrieben ist Die CW-Schichten 52 und 53 sind jeweils 0,12 cm dick und bestehen aus einem Gemisch von 40% Ruß und 60% Äthylen/Vinylacetat-Copolymer (Elvax 260). Die TD-Schicht 54 ist 0,24 cm dick und besteht aus einer Mischung aus 20% Ruß und 80% eines Gemischs aus annähernd gleichen Teilen kristallinem Polypropylen und einem Äthylenpropylenkautschuk (Uniroyal TPR-2000). Die PTC-Schicht 55 hat eine T₅ von etwa 120⁰C eine Dicke von 0,12 cm und ist aus einem Gemisch aus 40% Ruß (Sterling SRF-NS) und 60% Polyäthylen hoher Dichte (Mariex 6003) zusammengesetzt Die Elektroden stehen in einem Abstand von 244 cm in Schicht 52 und von 1,27 cm in Schicht 53. Die Elektroden werden an eine 36 Voh-Gieichstromquelie angeschlossen. Nach etwa 60 Sekunden fällt der Strom scharf ab und die Temperaturen der äußeren Oberfläche der Schichten 52 und 53 betragen etwa 150 bzw. 110⁰C Nach 120 Sekunden haben beide Oberflächen etwa eine Temperatur von 120° C

Claims

1 2

lymermaterial sowie Anschlußelektroden bestehen.

Patentansprüche: Der Ausdruck »PTC-EIement« wird hier in der im

Stand der Technik gebräuchlichen Weise zur Bezeich-

1. Elektrisches Heizelement mit positivem Tempe- nung eines Elements benutzt, das einen, raschen Anstieg raturkoeffizienten, bestehend aus einem geschichte- 5 des elektrischen Widerstands bei einer besonderen tem polymeren Heizelementkörper mit Anschluß- Temperatur oder über einen besonderen Temperaturelektroden, gekennzeichnet dadurch, daß bereich aufweist Gut bekannte PTC-Materialier, d.h. es Materialien mit positiven Temperaturkoeffizienten des

Widerstandes, umfassen mit Bariumtitanat dotierte Ke-

a) mindestens eine PTC-Schicht 10 ramik (die selbstverständlich starr ist) und vernetzte

b) mindestens eine Heizschicht aus einem tempe- thermoplastische kristalline Polymere, in denen ein raturunabhängigen Widerstand in einem Tem- elektrisch leitender feinteüiger Füllstoff, z. B. Ruß oder peraturbereich, dessen obere Grenze über der tvJetallteilchen, dispergiert ist Der Ausdruck »Schalt-Schalttemperatur Ti der PTC-Schicht liegt und temperatur« gewöhnlich abgekürzt »Ti«) wird zur Be-

c) mindestens eine wärmespeichernde Schicht auf- 15 zeichnung der Temperatur verwendet bei der ein steiler weist, durch die die Heizschicht thermisch an Anstieg des Widerstandes stattfindet und oberhalb der die PTC-Schicht angekoppelt ist und, daß die Materialien effektiv elektrische Isolatoren für viele

d) die PTC-Schicht und die Heizschicht elektrisch Zwecke werden. Wenn die Änderung von vergleichsin Reihe geschaltet sind. weise niedrigem zu vergleichsweise hohem Widerstand

20 über einen Temperaturbereich (wie das oft der Fall ist)

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- stattfindet, kann Ti passenderweise als die Temperatur

zeichnet, daß jede der Schichten eine konstante Dik- bezeichnet werden, bei der sich die Verlängerungen der

ke aufweist wobei die Dicke der einzelnen Schich- im wesentlichen geraden Teile der Widerstands/Tempe-

ten gleich oder verschieden sein kann. raturkurve (oberhalb und unterhalb des Bereichs)

3. Vorrichtung nach einem det Ansprüche 1 bis 2, 25 schneiden. Polymere PTC-Materialien, deren T_s der Krigekennzeichnet durch wenigstens ein den Wärme- Stallschmelzpunkt des Polymeren ist oder nahe daran übergang verzögerndes Element und Elektroden, liegt haben weite Anwendung in selbsregulierenden fledie so plaziert sind, daß nach Verbindung mit einer xiblen Heizbändern gefunden, die sich automatisch bei Stromquelle alle Teile der. PTC-Schicht mit der glei- Temperaturen oberhalb T₅ abschalten und daher selbstchen Geschwindigkeit aufgeheizt werden. 30 tätig eine Temperatur Ts oder nahe davon aufrechter-

4. Vorrichtung nach daern dti Ansprüche 1 bis 3, halten. Starre PTC-Elemente sind für die Verwendung gekennzeichnet durch als temperaturempfindliche Schalter und Hilfsheizun-

gen in Vorrichtungen, wie Kaffeekesseln (siehe z. B.

a) eine erste Elektrodenschicht US-PS 35 51 644 und 33 75 774), vorgeschlagen worden.

b) eine Heizschicht konstanter Heiz-Leistung, 35 In diesen Vorrichtungen ist das PTC-EIement in Serie

c) eine den Wärmeübergang verzögernde Schicht, mit einer herkömmlichen elektrischen Widerstandshei-

d) eine PTC-Schicht mit einem Widerstand bei zung geschaltet und in thermischem Kontakt mit einem Temperaturen unterhalb von Ti, der kleiner ist' durch die herkömmliche Heizeinrichtung und das PTC-als der Widerstand der Heizschicht (b) und Element aufzuheizenden Körper (z. B. eine Flüssigkeit)

e) eine zweite Elektrodenschicht 40 angeordnet Das PTC-EIement schaltet den durch das

Element und die herkömmliche Heizeinrichtung gehen-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, den Strom ab, wenn es seine Schalttemperatur T_s erdadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der reicht, und steuert so die Maximaltemperatur des zu Schichten eine ungleichmäßige Dicke aufweist erhitzenden Körpers. Die Temperatur des zu erhitzen-

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 45 den Körpers steigt auf oder nahe T_s und stabilisiert sich gekennzeichnet, daß getrennte Elektroden derart dann in Abhängigkeit von den thermischen und elektriangeordnet sind, daß nach Verbindung mit einer sehen Eigenschaften der Vorrichtung bei einer Tempe-Stromquelle verschiedene Teile des PTC-Elements Satur unterhalb von T, oder schwingt (mit konstanter unterschiedlich erhitzt werden. oder abnehmender Amplitude) um eine durchschnittli-

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 50 ehe Temperatur unterhalb Ti, wobei die Maximaltempedadurch gekennzeichnet, daß eine PTC-Schicht ratur ebenfalls unterhalb Ti liegt. Die starren PTC-EIesandwichartig zwischen zwei Heizschichten ange- mente, die in diesen Vorrichtungen verwendet werden, ordnet ist können zwei oder mehr PTC-Komponenten aufweisen,

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die parallel geschaltet sind und die unterschiedliche dadurch gekennzeichnet, daß jede der elektrisch lei- 55 Schalttemperaturen haben und daher eine stufenweise tenden Schichten ein organisches Polymeres mit ei- Modifikation der elektrischen Eigenschaften der Vornem darin feinverteiltcn elektrisch leitenden Füll- richtung bewirken, wenn die Temperatur des zu erhitstoff enthält. zenden Körpers ansteigt. Die PTC-Komponente mit der

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, höchsten T, steuert die Maximaltemperatur des zu erhitdadurch gekennzeichnet, daß sie wärmerückstellfä- to zenden Körpers. In all diesen Vorrichtungen ist die higist. durch das PTC-EIement erreichte Maximaltemperatur

dessen Schalttemperatur Ti oder, wo das PTC-EIement

parallel geschaltete PTC-Komponenten mit unterschiedlichen Sciialttemperaturen enthält, die höchste 65 dieser Schalttemperaturen.

Die Erfindung betrifft elektrische Heizelemente mit Zu dem vorstehend geschilderten Stand der Technik

positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstands, gehört auch die DE-AS 17 65 508, die einen automatisch die aus einem geschichteten Heizelementkörper aus Po- wirkenden elektrischen Reiskocher beschreibt, bei dem