DE3030799A1 - ARRANGEMENT WITH COLD-CONDUCTING RADIATOR - Google Patents
ARRANGEMENT WITH COLD-CONDUCTING RADIATORInfo
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Description
DR.-ING. WALTER ABITZ DR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER PatentanwälteDR.-ING. WALTER ABITZ DR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER Patent attorneys
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14. August 1980August 14, 1980
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MPO300MPO300
RAYCHEM CORPORATIONRAYCHEM CORPORATION
Menlo Park, Calif. 94025, V.St.A.Menlo Park, Calif. 94025, V.St.A.
Anordnung mit kaltleitendem HeizkörperArrangement with cold conductive radiator
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Die Erfindung bezieht sich auf selbstregulierende Heizkörper mit einem langgestreckten Streifen aus einem kaltleitenden Polymer, mindestens zwei parallellaufenden Elektroden in elektrischem (und wahlweise auch in körperlichem) Kontakt mit dem Streifen und einer elektrisch isolierenden Ummantelung. Derartige Heizkörper sind bekannt und sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 793 716, 3 823 217, 3 861 029, 4 177 376 und 4 188 276 sowie in dem Thermal Design Guide der Abteilung Chemelex der Raychem Corporation (H 5O19O 5O5 B5 1/78) beschrieben.The invention relates to self-regulating heating elements with an elongated strip made of a thermoconductive polymer, at least two parallel electrodes in electrical (and optionally also in physical) contact with the strip and an electrically insulating Sheathing. Such radiators are known and are, for example, in US Pat. Nos. 3,793,716, 3,823,217, 3,861,029; 4,177,376; and 4,188,276; and in the Thermal Design Guide from the Chemelex division of Raychem Corporation (H 5O19O 5O5 B5 1/78).
Bei der Beschreibung derartiger Heizkörper wird häufig von ihrer "passiven Leistungsabgabe" und ihrer "aktiven Leistungsabgabe" gesprochen. Die "passive Leistungsabgabe" eines Heizkörpers ist der Wert des Ausdrucks V2/RQ, worin RQ den Widerstand der Längeneinheit (im allgemeinen 1 Foot oder 1 Meter) des Heizkörpers bei 21° C und V die Spannung der Stromquelle bedeutet, an die der Heizkörper angeschlossen ist, gewöhnlich also 120 oder 240 V Wechselspannung. Die "aktive Leistungsabgabe" eines Heizkörpers ist die gemessene Leistungsabgabe einer Längeneinheit des Heizkörpers (im allgemeinen 1 Foot oder 1 Meter), wenn dieser an die Stromquelle angeschlossen ist und eine Hauptfläche des Heizkörpers ein Metallsubstrat berührt, das auf einer Temperatur im Bereich der vorgesehenen Verwendungstemperatur des Heizkörpers gehalten wird, z.B. zwischen 7 und 65° C, etwa 1O° C bei Heizkörpern, die das Einfrieren von Rohrleitungen verhindern sollen, übliche Heizbänder enthalten mindestens zwei Elektroden in Gestalt von Drähten, die in ein kaltleitendes Polymerelement eingebettet sind, und weisen bei der vorgesehenen Betriebsspannung eine passive Leistungsabgabe von deutlich unterl65 W/m (50 W/ft) auf;When describing such radiators, one often speaks of their "passive power output" and their "active power output". The "passive power output" of a radiator is the value of the expression V 2 / R Q , where R Q is the resistance of the unit length (generally 1 foot or 1 meter) of the radiator at 21 ° C and V is the voltage of the power source to which the radiator is connected, usually 120 or 240 VAC. The "active power output" of a radiator is the measured power output of one unit of length of the radiator (generally 1 foot or 1 meter) when connected to a power source and a major surface of the radiator is in contact with a metal substrate that is at a temperature in the range of its intended use temperature of the radiator is kept, e.g. between 7 and 65 ° C, about 10 ° C for radiators that are to prevent the freezing of pipes, conventional heating tapes contain at least two electrodes in the form of wires that are embedded in a cold-conducting polymer element, and have at the intended operating voltage has a passive power output of well below 65 W / m (50 W / ft);
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die Anwendung derartiger Heizkörper mit einer höheren passiven Leistungsabgabe wurde bislang nicht in Betracht gezogen, weil sich dabei höchstens ein geringer verwertbarer Anstieg der aktiven Leistungsabgabe einstellte und erhebliche Nachteile, insbesondere eine kürzere Nutzungsdauer, damit verbunden waren.the use of such radiators with a higher passive power output has not yet been considered, because there was at most a small usable increase in active power output and a considerable one Disadvantages, in particular a shorter useful life, were associated with it.
Es hat sich nun gezeigt, daß man, wenn ein Heizkörper mit kaltleitendem Polymer mit einer Umhüllung aus Metall oder einem anderen gut wärmeleitenden Material umgeben wird, den Heizkörper mit Spannungen verwenden kann, bei denen die passive Leistungsabgabe über 165 W/m liegt, ohne daß die sonst dabei zu erwartenden Nachteile einträten, und daß damit eine wertvolle Zunahme der aktiven Leistungsabgabe erzielt werden kann. Beispielsweise ist es überraschenderweise möglich, durch Hinzufügen einer solchen -umhüllung an einer Spannung von 240 V einen kaltleitenden Heizkörper arbeiten zu lassen, dessen passive Leistungsabgabe bei 120 V weniger als 165 W/m und bei 240 V mehr als 165 W/m beträgt, und zwar obwohl ein derartiger Heizkörper ohne eine solche Umhüllung bei 240 V nur eine ganz unzulängliche Nutzungsdauer aufweisen würde.It has now been shown that if a radiator with cold-conductive polymer with a sheath made of metal or another material with good thermal conductivity is surrounded by the radiator with voltages at which the passive power output is above 165 W / m without the disadvantages that would otherwise be expected occurring, and that so that a valuable increase in active power output can be achieved. For example, it is surprisingly possible by adding such a cover to a voltage of 240 V a thermoconductive radiator to let work whose passive power output at 120 V is less than 165 W / m and at 240 V more than 165 W / m, and although such a radiator without such a cover at 240 V only has a very inadequate service life would exhibit.
Die Erfindung stellt somit in einer Hinsicht ein Verfahren zum Beheizen dar, bei dem Strom durch eine selbstregulierende Heizkörperanordnung gesandt wird, die sich zusammensetzt ausThe invention thus represents, in one respect, a method of heating in which the current is self-regulating Radiator assembly is sent, which is composed the end
(a) einem kaltleitenden Heizkörper der sich zusammensetzt aus(a) a thermoconductive radiator that is composed the end
(I) einem langgestreckten Streifen eines elektrisch leitenden Polymeransatzes, der das Verhalten eines Kaltleiters zeigt,(I) an elongated strip of an electrically conductive polymer approach that exhibits the behavior of a PTC resistor shows
(II) zwei langgestreckten, parallellaufenden Elektroden, die elektrischen Kontakt mit dem genannten Streifen haben, und(II) two elongated, parallel electrodes that make electrical contact with said strip have and
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(III) einer elektrisch isolierenden Ummantelung, die den genannten Streifen und die genannten Elektroden umgibt, und(III) an electrically insulating jacket which surrounds said strip and said electrodes, and
(b) einer Umhüllung, die den genannten kaltleitenden Heizkörper umgibt und die aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,1 Cal/cm°C see, vorzugsweise mindestens 0,3 Cal/cm°C see beträgt; der zugeführte Strom stammt aus einer Stromquelle mit einer Spannung V, und die passive Leistungsabgabe des Heizkörpers beträgt bei der genannten Spannung V mindestens 165 W/m (50 W/ft),, vorzugsweise mindestens 230 W/m (70 W/ft).(B) an envelope which surrounds the said cold conductive heating element and which is made from a material is whose thermal conductivity is at least 0.1 Cal / cm ° C see, preferably at least 0.3 Cal / cm ° C see; the supplied current comes from a current source with a voltage V, and the passive power output of the radiator at the stated voltage V is at least 165 W / m (50 W / ft), preferably at least 230 W / m (70 W / ft).
Die Heizkörperanordnung läßt sich zum Erwärmen eines festen Körpers verwenden, wobei die Umhüllung vorzugsweise so geformt ist, daß sie sich an den festen Körper anlegen läßt; man kann die Anordnung auch für die Raumheizung einsetzen, in welchem Falle die Anordnung vorzugsweise Spulenform hat, wobei in dem Raum zwischen den Windungen Luft oder eine Flüssigkeit umlaufen kann.The radiator assembly can be used to heat a solid body, the envelope preferably being so shaped is that it can be applied to the solid body; you can also use the arrangement for space heating, in which If the arrangement is preferably in the form of a coil, air or a liquid in the space between the windings can circulate.
In anderer Hinsicht stellt die Erfindung eine selbstregulierende Heizkörperanordnung mit einem kaltleitenden Heizkörper und einer Umhüllung der oben angegebenen Art dar, wobei der Heizkörper bei 120 V eine passive Leistungsabgabe von mindestens 165 W/m aufweist.In another aspect, the invention provides a self-regulating radiator assembly with a thermally conductive radiator and an enclosure of the type specified above, wherein the radiator at 120 V has a passive power output of at least 165 W / m.
Der kaltleitende Heizkörper umfaßt vorzugsweise mindestens zwei Elektroden in Form vori Drähten, die in den kaltleitenden Streifen eingebettet sind und körperlichen Kontakt mit ihm haben. Jedoch umfaßt die Erfindung auch andere Arten von kaltleitenden Heizkörpern, beispielsweise Heizkörper, bei denen mindestens eine der Elektroden von dem kaltleitenden Streifen durch eine Schicht eines anderen leitenden Materials getrennt ist, beispielsweise durch einen leitendenThe cold-conductive heating element preferably comprises at least two electrodes in the form of wires, which are in the cold-conductive Strips are embedded and have physical contact with it. However, the invention also encompasses other types of cold-conducting radiators, for example radiators, in which at least one of the electrodes of the cold-conducting Strip is separated by a layer of another conductive material, for example a conductive one
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Polymer-Ansatz mit ZTC-Verhalten, oder Heizkörper, bei denen ein flächenförmiges kaltleitendes Element und mindestens zwei flächenförmige Elektroden vorgesehen sind.Polymer approach with ZTC behavior, or radiators, at which are provided with a sheet-like cold-conducting element and at least two sheet-like electrodes.
Die passive Leistungsabgabe eines Heizkörpers hängt natürlich von dem spezifischen Widerstand des kaltleitenden Ansatzes und der Größe und Form der Elektroden und des kaltleitenden Elements ab. Bei einem üblichen Heizband, wie es beispielsweise in dem untenstehenden Beispiel beschrieben ist, beträgt die passive Leistungsabgabe vorzugsweise 165 bis 655 W/m (50 bis 200 W/ft), vorzugsweise 230 bis 655 W/m (70 bis 200 W/ft). Für den größten Teil der im Rahmen dieser Erfindung zu betrachtenden Heizkörper läßt sich der bevorzugte Bereich der passiven Leistungsabgabewerte besser durch einen Begriff ausdrücken, der die Breite des kaltleitenden Elements, in der die Wärme erzeugt wird, enthält. Die passive Leistungsabgabe der im Rahmen dieser Erfindung betrachteten Heizkörper beträgt danach vorzugsweise 217 d bis 862 d, insbesondere 302 d bis 862 d W/m, worin d die größte Querschnittsabmessung (in Zentimetern) des kaltleitenden Streifens zwischen den Elektroden angibt.The passive power output of a radiator naturally depends on the specific resistance of the cold-conducting approach and the size and shape of the electrodes and the PTC element. In the case of a conventional heating tape, such as this, for example In the example below, the passive power output is preferably 165 to 655 W / m (50 to 200 W / ft), preferably 230 to 655 W / m (70 to 200 W / ft). For the most part under this Invention to be considered radiator, the preferred range of passive power output values can be better passed through Express a term that includes the width of the thermoconductive element in which the heat is generated. The passive one The power output of the radiators considered in the context of this invention is then preferably 217 d to 862 d, in particular 302 d to 862 d W / m, where d is the largest cross-sectional dimension (in centimeters) of the cold-conducting strip between the electrodes.
Die aktive Leistungsabgabe des kaltleitenden Heizkörpers wird durch die Anbringung der Umhüllung wesentlich erhöht, und bevorzugte Heizkörperanordnungen haben bei 10° C eine aktive Leistungsabgabe, die mindestens dem 1,5-fachen der aktiven Leistungsabgabe des kaltleitenden Heizkörpers ohne eine solche Umhüllung, ebenfalls bei 10° C, entspricht.The active power output of the thermoconductive radiator is significantly increased by attaching the cover, and preferred radiator assemblies have an active power output at 10 ° C that is at least 1.5 times that of the active one Power output of the cold conductive radiator without such a cover, also at 10 ° C, corresponds.
Die Umhüllung besteht vorzugsweise aus zwei langgestreckten dünnen Platten, zwischen die der Heizkörper geschichtet ist, wobei die dünnen Platten einander auf beiden Seiten des Heizkörpers berühren. Die dünnen Platten sind vorzugsweise zwischen 0,025 und 1,3 mm, z.B. 0,075 bis 0,2 mm stark und bestehen aus einem Werkstoff mit einer WärmeleitfähigkeitThe envelope preferably consists of two elongated thin plates, between which the heating element is layered, the thin plates touching each other on both sides of the radiator. The thin plates are preferably between 0.025 and 1.3 mm, e.g. 0.075 to 0.2 mm thick and consist of a material with thermal conductivity
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von mindestens 0,3, beispielsweise Aluminium. Sie können untereinander und/oder mit dem Heizkörper mittels eines Klebers, z.B. eines Epoxyklebers, verbunden sein.of at least 0.3, for example aluminum. You can be connected to each other and / or to the radiator by means of an adhesive, e.g. an epoxy adhesive.
Es ist wichtig, daß die Umhüllung und der kaltleitende Heizkörper in innigem Wärmekontakt miteinander stehen, und die Umhüllung berührt vorzugsweise (unmittelbar oder durch Vermittlung eines Klebers) zumindest die Bereiche der Isolierummantelung neben denjenigen Teilen des Heizkörpers, in denen Wärme erzeugt wird. Vorzugsweise gibt es keine freien Räume zwischen der Umhüllung und dem Heizkörper. Vorzugsweise erstreckt sich die Umhüllung von dem kaltleitenden Heizkörper aus auswärts in Gestalt von Leitflächen, so daß die freiliegende Flächengröße der Umhüllung mindestens das 1,5-fache, z.B. mindestens das 2-fache der Flächengröße des Isoliermantels des kaltleitenden Heizkörpers, am besten mindestens das 2-fache, ausmacht. Die Umhüllung kann gleichzeitig als Schutz gegen das Eindringen von Sauerstoff in die Kaltleiterverbindung dienen, wie in der US-Patentanmeldung Ser. Nr. 965 345 beschrieben.It is important that the casing and the thermoconductive radiator are in intimate thermal contact with one another, and that the Sheath preferably touches (directly or through the use of an adhesive) at least the areas of the insulating sheath next to those parts of the radiator in which heat is generated. Preferably there are none free spaces between the casing and the radiator. The sheath preferably extends from the thermoconductive one Radiators from outwards in the form of baffles, so that the exposed area size of the envelope at least 1.5 times, e.g. at least 2 times the surface area of the insulating jacket of the cold conductive radiator, is best at least twice as much. The envelope can also act as protection against the ingress of oxygen the PTC thermistor connection serve as in US patent application Ser. No. 965,345.
Die Heizkörperanordnungen können zwei oder auch mehr als zwei kaltleitende Heizkörper enthalten. Die Heizkörper können Abstand voneinander haben und können durch eine Umhüllung verbunden sein, die jeden einzelnen umgibt, z.B. eine Anzahl parallellaufender Heizbänder, die zwischen zwei dünne Metallplatten geschichtet sind.The radiator arrangements can contain two or more than two thermoconductive radiators. The radiators can Be spaced from each other and can be connected by an envelope surrounding each one, e.g. a number parallel running heating tapes, which are layered between two thin metal plates.
Die Erfindung wird in den zugehörigen Zeichnungen erläutert, die folgendes darstellen:The invention is illustrated in the accompanying drawings, which show:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Heizkörperanordnung, teilweise im Schnitt;Fig. 1 is an isometric view of a radiator assembly, partially in section;
Fig. 2 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem elek-Fig. 2 is a diagram of the relationship between the electrical
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trischen Strom und der Substrattemperatur bei den in dem Beispiel beschriebenen Versuchen.tric current and the substrate temperature in the experiments described in the example.
Fig. 1 gibt einen kaltleitenden Heizkörper-wieder, der Elektroden 1 und 2 aufweist, die in einen Streifen 3 aus einem kaltleitenden Polymer eingebettet sind, den seinerseits eine isolierende Ummantelung 4 umgibt. Der Heizkörper ist zwischen zwei dünne Aluminiumplatten 5 und 6 geschichtet, die miteinander und mit dem Heizkörper durch ein (nicht gezeichnetes) Klebmittel verklebt sind.Fig. 1 shows a thermoconductive radiator-again, the Has electrodes 1 and 2, which are embedded in a strip 3 made of a thermoconductive polymer, which in turn an insulating sheath 4 surrounds. The radiator is sandwiched between two thin aluminum plates 5 and 6, which are glued to each other and to the radiator by an adhesive (not shown).
Die Erfindung wird weiter durch das nachstehende Beispiel erläutert.The invention is further illustrated by the following example.
Der benutzte kaltleitende Heizkörper bestand aus einem 61 cm langen kaltleitenden Heizband gemäß Fig. 1. Als Elektroden dienten Kupferdrähte von 1,3 mm Durchmesser, deren Mittenabstand 7,6 mm betrug. Das kaltleitende Element war 10 mm breit und 1,8 mm stark und war zusammengesetzt aus einer Dispersion von Ruß in einem Gemisch aus Polyäthylen und einem Äthylen/Äthylacrylat-Mischpolymerisat. Der Isoliermantel bestand aus etwa 0,25 mm starkem Polyurethan. Der Heizkörper wies eine passive Leistungsabgabe von etwa 250 bis 275 W/m auf. Die aktive Leistungsabgabe dieses Heizkörpers für sich oder als Teil einer Heizkörperanordnung wurde gemessen, indem der Heizkörper oder die Heizkörperanordnung an einer Aluminiumplatte 1,25 χ 15,25 χ 61 cm befestigt/ ein Anschluß an eine 120 V Wechselstromquelle hergestellt und der Gleichgewichtszustand des Systems abgewartet wurde, während die Platte auf einer gewünschten Temperatur gehalten wurde. Bei den Versuchen wurde der Heizkörper allein (Fall A) benutzt oder der Heizkörper wurde zwischen zwei gleichartige Aluminiumbahnen von 61 cm Länge und 0,003 cmThe cold conductive heating element used consisted of a 61 cm long cold conductive heating tape according to FIG. 1. As electrodes copper wires with a diameter of 1.3 mm and a center-to-center spacing of 7.6 mm were used. The cold conductive element was 10 mm wide and 1.8 mm thick and was composed of a dispersion of carbon black in a mixture of polyethylene and an ethylene / ethyl acrylate copolymer. The insulating jacket consisted of about 0.25 mm thick polyurethane. The radiator had a passive power output of about 250 to 275 W / m. The active power output of this radiator on its own or as part of a radiator arrangement was measured by placing the radiator or radiator assembly on an aluminum plate 1.25 15.25 χ 61 cm attached / connected to a 120 VAC source and awaited equilibrium of the system while maintaining the plate at a desired temperature. During the tests, the radiator was used alone (case A) or the radiator was placed between two similar aluminum sheets 61 cm long and 0.003 cm
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Stärke geschichtet, wobei die Breiten 11,4 bzw. 6,3 bzw. 3,8 bzw. 1,9 cm (Fälle' B bzw- C bzw. D bzw. E) betrugen. Fig. 2 zeigt die Beziehungen zwischen der Plattentemperatur und dem durch den Heizkörper fließenden Strom. Die untenstehende Tabelle führt die errechnete aktive Leistungsabgabe (Produkt aus Strom und angelegter Spannung) des Heizkörpers bei einer Plattentemperatur von 50° F (10° C) auf.Layered thickness, the widths being 11.4, 6.3, 3.8 and 1.9 cm (cases B and C and D and E). Fig. 2 shows the relationships between the plate temperature and the current flowing through the radiator. The one below The table shows the calculated active power output (product of current and applied voltage) of the radiator at a plate temperature of 50 ° F (10 ° C).
Metallumhüllung (cm)Width of
Metal cladding (cm)
bei 10° C (W/m)Active performance
at 10 ° C (W / m)
Ende der Beschreibung.End of description.
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