DE3115242A1

DE3115242A1 - Heizkabel, insbesondere fuer elektrische heizdecken

Info

Publication number: DE3115242A1
Application number: DE19813115242
Authority: DE
Inventors: George C. 60093 Winnetka Ill. Crowley
Original assignee: Sunbeam Corp
Current assignee: Sunbeam Corp
Priority date: 1980-06-24
Filing date: 1981-04-15
Publication date: 1982-05-13
Also published as: GB2079569A; US4309596A; JPH0219598B2; GB2079569B; BE889256A; AU6950381A; AU536954B2; FR2485859A1; MX149877A; BR8103960A; CA1125828A; NZ196936A; AR227549A1; ZA813910B; NL8103034A; FR2485859B1; JPS5740891A

Description

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D I PL.-I NG. J. RICHTER DIPL.-ING. F. WERDERMANN

PATENTANWÄLTE

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TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURe

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PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT:

24. Juni I98O (entspr. U.S. Serial No. 162 457)

BEZEICHNUNG: Heizkabel, insbesondere für elektrische Heizdecken.

L¹.UNBIiAM CORPORATION 5400 West Roosevelt Road Chicago, 111. 6O65O V.St.A.

ERFINDER:

George C. Crowley

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizkabel/ insbesondere für elektrische Heizdecken, das zwei mit Abstand voneinander von einem Strang aus Heizwiderstandsmaterial mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Material) getragene elektrische Leiter aufweist. Das PTC-Material zwischen den beiden Leitern bildet einen Strompfad relativ niedrigen Widerstandes von'dem einen Leiter zum anderen. Die Wärmeentwicklung erfolgt in dem PTC-Material, das als eine Vielzahl paralleler von dem einen zu dem anderen Leiter verlaufender Heizdrähte angesehen werden kann.

Das PTC-Material besteht üblicherweise aus Polyäthylen, dem eine Dispersion aus elektrisch leitenden Rußteilchen zugesetzt ist. In der US-Pateritschrift 3 858 144 sind die Zusammensetzungen geeigneter PTC-Materialien für Heizkabel und die Art ihrer Verarbeitung einschließlich der Glühstufe beschrieben. Dabei sind die Probleme, die sich aus dem niedrigen Übergangswiderstand zwischen dem. PTC-Material und den als Stromzuleitungeri dienenden elektrischen Leitern ergeben, ebenfalls erwähnt .

In der genannten US-Patentschrift wird ausgeführt, daß eine bessere Stabilität und ein beständigerer übergangswiderstand zwischen den Leitungsdrähten und dem PTC-Material dadurch erreicht werden könne, daß die Elektroden zunächst mit einem Überzug aus einer Zusammensetzung, wel

ehe leitenden Ruß enthält, überzogen werden, bevor die polymere Rußmatrix durch Strangpreßen auf die Elektroden aufgebracht wird. Dies führt dazu, daß die polymere Matrix an der Grenzfläche bedeutend mehr Ruß als sonstwo enthält. Die Art des in der genannten US-Patentschrift gezeigten Leiters wäre jedoch zur Verwendung beispielsweise in elektrischen Heizdecken in ähnlichen Zusammenhängen, wo wiederholto Biege- und Faltvorgänge erforderlich sind und der Strang leicht gebogen werden können muß, ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dünnes, biegsames Heizkabel mit PTC-Material als Heizwiderstand zu schaffen, das gleichmäßige Widerstandseigenschaften und Stabilität aufweist und eine selbsttätige Begrenzung der Wärmeentwicklung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung eines solchen Heizkabels sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Vorzugsweise enthält ein solches Heizkabel zwei elektrische Leiter, die aus wendelförmig gewickelten Streifen eines hoch leitfähigen Materials wie Kupfer bestehen. Ein solcher Streifen kann auf einen isolierenden flexiblen Kern gewickelt sein, der aus feinen Fäden wie Rayon oder Glas besteht, die in ihrer einen kreisförmigen Querschnitt

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aufweisenden Form mittels des wendelförmig gewickelten Bandes oder Drahtes zusammengehalten werden. Der Kern aus Isoliermaterial wird mit einer Lösung oder Suspension leitender Kohlenstoffteilchen überzogen, die auf dem Kern niedergeschlagen werden und wegen dessen Struktur aus zahlreichen feinen Fäden in die Zwischenräume zwischen diesen eindringen. Der in dem Kern niedergeschlagene Kohlenstoff verändert die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften des Kernes, indem er eine weitere Strombahn niedrigen Widerstandes von dem PTC-Material zu den. auf den Kern gewickelten elektrischen Leitern bildet. Wenn das PTC-Material auf die Leiter mit ihren mit Kohlenstoff überzogenen bzw. durchtränkten Kernen im Strangpreßverfahren aufgebracht wird, wird etwas von dem an der Oberfläche befindlichen Kohlenstoff von der Oberflächenschicht des PTC-Materials absorbiert oder in diese dispergiert, so daß ein besserer Grenzflächenkontakt zwischen dem PTC-Material und dem mit Kohlenstoff imprägnierten Kern und damit ein .Stromweg niedrigen Widerstandes zu den Innenflächen der Leiterdrähte geschaffen wird.

Auf diese Weise wird ein füoxiblos Heizkabel von geringer Dicke geschaffen, das gut zum Gebrauch in einer elektrischen Heizdecke geeignet ist, wobei das PTC-Material a If selbsttätig die Temperatur bzw. Wärmeentwicklung begrenzender Heizleiter wirkt.

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Tin folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung bei spielswei«e näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische fragmentarische Ansicht eines Heizkabels gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in einem größeren Maßstab eine Schnittansicht durch den Gegenstand von Fig. 1 mit Blickrichtung auf die dort angedeutete Schnittebene 2-2,

Fig. 3 eine Schnittansicht desselben Gegenstandes mit Blickrichtung auf die Schnittebene 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 die Ansicht eines Querschnitts einer abgewandelten Ausführungsform eines Heizkabels gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte mit 12 bezeichnete Heizkabel enthält zwei in einem Abstand voneinander befindliche Leiter 14 und 16, die von einem im Strangpreßverfahren Ihm yostel 1 ten Profilkörpor aus PTC-Material getragen woicien. Das 1"J¹C-MaI er i al kann au:; Polyäthylen, belciden mit leitenden Rußteilchen bestehen, durch die es die erwünschten Widerstandseigenschaften erhält.

Jeder Leiter 14 und 16 enthält einen Kern l4a bzw. 16a und einen wendelförmig darauf gewickelten Leiter l4b bzw. l6b. Die Leiter I¹Ib und 16b können aus Kupfer bestehen und einen Querschnitt von etwa 0,0635 nun χ O_s254 nun aufweisen. Die Durchmesser der Kerne l4a und l6a können

etwa 0,457 mm betragen und aus einer Vielzahl von Glasoder Rayonfäden mit einer Denier-Feinheit von 1650 gebildet sein, die zu einem etwa zylindrischen Strang wie in Fig. 1 dargestellt gebündelt und zwischen den wendelförmig gewickelten Leitern 14b und 16b zusammengehalten sind.

Die Kerne 14a und 16a werden gemäß der Erfindung in eine Lösung getaucht, die dispergierte, leitende Kohlenstoffteilchen enthält. Diese Lösung kann entweder eine wäßrige oder alkoholische Lösung sein, die genügend flüssig ist, um zu ermöglichen, daß die Kohlenstoffteilchen in die Ausnehmungen und Hohlräume zwischen den Fäden bzw. Fasern aus Glas oder Rayon eindringen und sich dort niederschlagen. Die Aufbringung des Kohlenstoffs auf bzw. in die Kerne 14a und 16a kann vor oder nach dem Aufwickeln der Leiter 14b und 16b auf den Kern durchgeführt werden. Eine vollständigere Durchdringung mit dem Kohlenstoff ist aber erreichbar, wenn die Kerne vor dem Bewickeln mit den Leitern mit dem Kohlenstoff behandelt werden.

Wenn das PTC-Material 18 auf die Leiter 14 und 16 im Strangpreßverfahren aufgebracht wird, wird der Oberflächenanteil des leitenden Kohlenstoffs,der auf den Kernen 14a und 16a niedergeschlagen ist, zu einem Teil der Außenfläche des PTC-Materials, da sich dieses während der Durchführung des Strangpreßverfahrens in einem flüssigen oder

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geschmolzenen Zustand befindet. Das hat zur Folge, daß ein hoch leitfähiger Teil von PTC-Material an der Grenzfläche zwischen diesem und den Kernen 14 und 16 entsteht. Der zwischen den Leitern 14b und 16b in das PTC-Material übergehende Strom kann entweder über die Oberfläche der Leiterdrähte in direktem Kontakt mit dem PTC-Katerial fließen oder in Längsrichtung durch die niedergeschlagene Kohlenstoffschicht in den Kern und in die Bereiche des PTC-Materials zwischen den Windungen der wendelförmig gewickelten Leiter 14b und 16b geleitet werden. Dadurch, daß dem Strom verschiedene mögliche Bahnen geboten werden, werden die Eigenschaften des Heizkabels" verbessert und eine gleichmäßigere Leitung des Stroms zwischen den beiden Leitern erreicht.

Bei Betrachtung der Querschnittsansicht von Fig. 3 ist die Vergrößerung des Leiterquerschnitts, die durch den Belag der isolierenden Stränge 14a und 16a mit dem leitenden Kohlenstoff oder Ruß geschaffen wird, leicht zu erkennen. Der Belag 17 zwischen den Kernen 14a, 14b und der PTC-Schicht 18 ist etwas übertrieben dargestellt und soll möglichst deutlich die Rußschicht veranschaulichen, welche tatsächlich wie oben erläutert in das Innere der Kerne hineinreicht. Ohne den leitenden Belag werden die wendelförmig angeordneten Leiter 14b und 16b nebeneinander auf den benachbarten Seiten der Leiter 14 und 16 in einer etwas zufälligen Art angebracht, wenn

die Windungen den ordnungsgemäßen Richtungsverlauf haben. In anderen Fällen ist ein großer Teil des Leitermaterials auf der dem Nachbarleiter abgewandten Seite des isolierten Kerns angebracht, wodurch der Stromfluß zu diesem Teil des Leiters begrenzt wird. Wenn jedoch die gesamte Länge der Leiter 14 und 16 entweder einen Teil dor Leiter 14b und 16b dem Nachbarleiter zugewandt trägt oder einen leitenden Teil 17 auf den Kernen 14a und 14b frei exponiert aufweist, hat der Stromfluß zwischen den beiden Leitern 14 und 16 die Tendenz, gleichmäßig und direkt zwischen den beiden Leitern zu verlaufen und dadurch eine möglichst starke und möglichst gleichmäßige Heizwirkung in dem PTC-Material 18 zustandezubringen.

Die feinen Glas- oder Rayonfasern in den Kernen 14a und 16a bewirken eine hohe Festigkeit und Flexibilität des Heizkabels. Die leitende Kohlenstoffbeschichtung des Kerns hat keine Verminderung von dessen Flexibilität zur Folge, verbessert aber die elektrischen Eigenschaften der Leiter 14 und 16 wie vorstehend beschrieben. Dadurch, daß aus Kupfer bestehende Leiter 14b und 16b wendelförmig auf die flexiblen Kerne 14a und 16a aufgewickelt werden, wird die Flexibilität des Heizkabels auch durch das Vorhandensein der Leiter nicht vermindert. Außerdem weiden die Auswirkungen dor Biegung auf das Heizkabel auf die Leiter durch deren wendelfcrmige Anbringung auf den Kernen sehr klein gehalten. Das Heizkabel kann daher häufig Biegungen ausgesetzt werden, ohne daß dadurch eine Gefahr

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des Bruchs der Leiter 14b und 16b auftritt.

Um die elektrischen Parameter zu stabilisieren, wird der mit dem PTC-F.aterial beschichtete Leiterstrang bei einer Temperatur am oder über dem Schmelzpunkt des Polyäthyleniraterialsgeglüht bzw. erhitzt. Um die rcumliche Form des PTC-Materials 18 während des Glühens beizubehalten, ist eine Beschichtung 20 mit thermoplastischem Katerial vorgesehen, das im Strangpreßverfahren auf das PTC-Material 18 aufgebracht wird, bevor dieses geglüht bzw. erhitzt wird. Nach Vollendung des Glühvorgangs kann die Beschichtung mit thermoplastischem Kautschuk 20 entweder entfernt oder an Ort und Stelle belassen werden. Danach wird eine weitere Beschichtung 20 mit Polyvinylchlorid im Strangpreßverfahren aufgebracht, um eine Isolierschicht zu bilden, die an den Übergangs- und Leitungsverbindungsstellen des Heizkabels 12 in geeigneter Weise abgedichtet werden kann.

Je nach Art des PTC-Materials und der Erhitzung, welcher dieses-ausgesetzt wird, kann die thermoplastische Schicht 20 vorgesehen oder fortgelassen werden.

Der Aufbau eines Heizkabels gemäß der Erfindung ist von hoher Festigkeit, biegsam und haltbar, wie es für elektrische Heizdecken, Unterdecken, Bezüge u. dgl. vorteilhaft ist. Das Heizkabel kann so klein gemacht werden, daß es kaum ■innerhalb einer Decke üblicher Art wahrgenommen wird, und es kann genügend flexibel sein, um eine Faltung der Decke

und deren Biegung zu ermöglichen, ohne daß das Heizkabel einen merklichen mechanischen Widerstand gegenüber dem Falten und Biegen verursacht. Außerdem hat das Heizkabel den dem PTC-Material anhaftenden Vorteil, daß es in Bereichen, an denen eine Überhitzung auftreten kennte, selbsttätig die Wärme bzw. die lemperatur begrenzt. Bei Anwendung in einer elektrischen Heizdecke verleiht ein solches Heizkabel dieser eine sehr hohe Sicherheit gegen lokale Überhitzung und zugleich bewirkt es eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung auf der ganzen Decke.

In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Heizkörpers gemäß der Erfindung dargestellt, wobei nur ein einziger Kern 14a vorgesehen ist, auf den ein Leiter 14b direkt aufgewickelt ist. Auch hier kann der Kern mit einem Belag aus Kohlenstoff bzw. Ruß versehen sein. Ein zweiter elektrischer Leiter 15 ist wendelförmig auf eine Beschichtung 18' aus PTC-Material gewickelt, die auf den ersten Leiter 14 im Strangpreßverfahren aufgebracht ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Leiter 14b und 15 konzentrisch zu dem Kern 14a angeordnet, und die zylindrische Schicht aus PTC-Material 18' befindet sich, ebenfalls konzentrisch, zwischen den wendelförmig gewickelten Leitern 14b und 15. Der äußere Leiter ist von einem thermoplastischen Belag 20' und einem Belag 22' aus Polyvinylchlorid eingeschlossen, wie er in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1-3 beschrieben wurde. Der Kohlenstoffbe lag 17' auf dem Kern 14a

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bei der Ausführungsform nach Fig. 4 entspricht dem Belag 17 der vorher beschriebenen Ausführungsform hinsichtlich der Art seiner Aufbringung und seiner Wirkung.

Claims

Patentansprüche

Heizkabel, insbesondere für elektrische Heizdecken, das zwei von einem Strang aus Heizwiderstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Material) in einem Abstand voneinander getragene elektrische Leiter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Leiter einen Kern aus elektrisch nicht leitenden, biegsamen Fäden und ein wendelförmig auf diesen gewickeltes Band aus einem Material niedrigen elektrischen Widerstandes aufweist, daß der aus den Fäden bestehende Kern mit elektrisch leitendem Kohlenstoff imprägniert ist, der eine Bahn niedrigen Widerstandes längs des Leiters auf der Innenseite des wendelförmig gewickelten Bandes bildet, und daß das PTC-naterial im Strancjprnßver fahren ;πι Γ fk-n Ι·γμ-ter aufgebracht und mindestens eine isolierende Be-

schichtung auf das PTC-Material und die beiden Leiter im Strangpreßverfahren aufgebracht ist.
2. Heizkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Material eine zylindrische Umhüllung
des einen, mit einem Kern versehenen Leiters bildet und daß der andere der beiden Leiter wendelförmig auf das PTC-Material gewickelt und die isolierende Beschichtung darüber im Strangpreßverfahren aufgebracht ist.
3. Heizkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt nur des einen beide von dem Strang aus
PTC-Material getragenen Leiter in gleicher Weise
einen Kern aus nicht leitenden Fäden und eine wendeiförmige Bewicklung mit einem Band aus einem Material niedrigen Widerstandes aufweisen, wobei der aus den Fäden bestehende Kern mit leitendem Kohlenstoff imprägniert ist, der eine Bahn niedrigen Widerstandes längs der beiden Leiter auf der Innenseite des wendelförmig gewickelten Bandmaterials bildet und über dem PTC-Material mindestens eine isolierende Beschichtung angebracht ist.
4. Heizkabel nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Material einen Überzug aus thermoplastischem Kautschuk aufweist, der dazu dient, die

Form des PTC-Materials während des Glühens aufrecht zu erhalten, und daß ein Überzug aus Polyvinylchlorid über der Beschichtung aus thermoplastischem Kautschuk angebracht ist.
5. Heizkabel nach einem der Ansjjrüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne der Leiter mit dem leitenden Kohlenstoff durch Eintauchen in eine flüssige Dispersion leitenden Kohlenstoffs imprägniert sind, so daß der Kohlenstoff sich auf der Oberfläche der Kerne sowie in den Zwischenräumen der Fasern der Kerne niederschlägt.
6. Heizkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandmaterial aus hoch leitfähigem Kupfer mit einer Querschnittfläche von 0,7 bis

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1 mm , vorzugsweise 0,8065 mm besteht.