DE3586331T2

DE3586331T2 - Geschlitztes selbstregelndes heizelement.

Info

Publication number: DE3586331T2
Application number: DE8585301500T
Authority: DE
Inventors: John F Krumme
Original assignee: Metcal Inc
Current assignee: Metcal Inc
Priority date: 1984-03-06
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2005-03-06
Also published as: EP0158434A2; CA1253187A; JPH039594B2; EP0158434B1; JPS61501354A; EP0158434A3; WO1985004068A1; ATE78384T1; US4717814A; DE3586331D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf selbstregulierende Curie-Temperaturheizer und genauer auf selbstregulierende Curie-Temperaturheizer, bei denen eine Regelung von Zonen von Heizung und wenigstens eine Teilregelung des Widerstandes vorgesehen ist.
In US-A-4 256 945 von Carter und Krumme ist ein selbstregulierender elektrischer Heizer beschrieben, der einen Schichtaufbau hat; eine Schicht davon hat eine hohe magnetische Permeabilität und hohen Widerstand, und eine andere Schicht davons ist nicht magnetisch und hat einen niedrigen Widerstand (wie beispielsweise Kupfer) und befindet sich in elektrischem Kontakt und damit auch in thermischem mit der ersten Schicht. Das Gebilde ist an eine konstante Wechselstromquelle anschließbar, derart, daß die Schichten gewissermaßen parallel an der Quelle liegen.
Aufgrund von Hauteffekt ist der Strom anfänglich auf die Schicht hoher magnetischer Permeabilität und hohen Widerstandes begrenzt, so daß P = KR&sub1; ist, worin P die Leistung, K gleich I² eine Konstante und R der effektive Widerstand des permeablen Materials bei hohen Stromkonzentrationen ist. Die Abgabe von Leistung heizt die Schicht auf, bis sie ihre Curie-Temperatur erreicht. Die Permeabilität der Schicht fällt auf das Niveau der zweiten Schicht, Kupfer zum Beispiel, bei ihrer Curie-Temperatur ab. Der Strom ist durch die magnetischen Eigenschaften der ersten Schicht nicht länger auf die erste Schicht hohen spezifischen Widerstandes begrenzt und breitet sich in die Kupferschicht aus; der Widerstand gegenüber dem Strom fällt materiell ab, die verbrauchte Leistung P = KR&sub2;, worin R&sub2; « R&sub1; wird in hohem Maße verringert, und der Heizeffekt wird auf ein Niveau verringert, das die Einrichtung auf oder in der Nähe der Curie-Temperatur hält. Die Einrichtung reguliert sich normalerweise somit selbst über einen engen Temperaturbereich um die Curie-Temperatur.
Die in dem zuvor genannten Patent verwendete Stromquelle ist typischerweise eine Hochfrequenzstromquelle, beispielsweise 8 bis 20 MHz, um sicherzustellen, daß der Strom auf die dünne magnetische Schicht hohen spezifischen Widerstandes begrenzt ist, bis die Curie-Temperatur des magnetischen Materials erreicht ist. Die maximale Selbstregulierung wird erreicht, wenn die Dicke der magnetischen Schicht in der Größenordnung von einer Hauttiefe bei der Arbeitsfrequenz liegt. Unter diesen Umständen wird die maximale Änderung des effektiven Widerstandes des Gebildes bei oder in der Nähe der Curie-Temperatur erzielt. Diese Tatsache kann unter Hinweis auf die Gleichung für die Hauttiefe in einem monolithischen, d.h. nichtlaminaren magnetischen Gebilde demonstriert werden:
darin ist der spezifische Widerstand des Materials in Ohm-cm, u ist die relative magnetische Permeabilität und ist die Frequenz des Stromes. Das Feld fällt in Abhängigkeit von e-x ab, worin x die Dicke/Hauttiefe ist. Entsprechend ist in einem monolithischen Gebilde durch Rechnung 63,2 % des Stromes auf eine Hauttiefe in dem Material mit hohem mu gefangen. Im Bereich der Curie-Temperatur, wo u = 1 ist, breitet sich der Strom in einen Bereich
aus. War mu ursprünglich gleich 200 (200-1000 ist üblich), so steigt die Hauttiefe im Bereich bei Curie-Temperatur mit der Quadratwurzel von 200 an; d.h. die Hauttiefe in dem monolithischen Gebilde ist jetzt 14,14 mal größer als bei u~=~200.
Eine gleiche Überlegung betreffend den Hauteffekt kann bei dem Zweischichtengebilde in dem zuvor genannten Patent angewendet werden. Unterhalb der Curie-Temperatur fließt der größte Teil des Stromes in der magnetischen Schicht, wenn die Dicke dieser Schicht nominell eine Hauttiefe ist. Im Bereich der Curie-Temperatur fließt der größte Teil des Stromes jetzt in dem Kupfer, und der Widerstand fällt dramatisch ab. Würde die Dicke des Materials mit hohem mu größer als zwei Hauttiefen sein, so würde die prozentuale Veränderung des in dem Kupfer mit hoher Leitfähigkeit fließenden Stromes geringer sein, und die Änderung des spezifischen Widerstandes würde nicht so dramatisch sein. In gleicher Weise gilt, daß dann, wenn die Dicke des Materials mit hohem mu materiell geringer sein würde als eine Hauttiefe, der Prozentsatz des in dem Material mit hohem spezifischen Widerstand fließenden Stromes bei einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur geringer sein würde, so daß die Änderung des Widerstandes bei der Curie- Temperatur wieder nicht so dramatisch sein würde. Der Bereich von 1,0 bis vielleicht 1,8 Hauttiefen des Materials mit hohem mu ist besonders zweckmäßig.
Eine exakte Beziehung für den Zweischichtenfall ist sehr komplex. Die grundlegenden mathematischen Formeln für Oberflächenimpedanz, von denen Ausdrücke gewonnen werden können für das Verhältnis des maximalen Widerstandes Rmax unterhalb der Curie-Temperatur zu dem geringsten Widerstand Rmin oberhalb der Curie-Temperatur sind angegeben in Abschnitt 5.19, S. 298-303 des Standardwerkes "Fields and Waves in Communications Electronics", 3. Aufl., von S. Ramo, J.R.~Winnery und T.VanDuzer, veröffentlicht von John Wiley and Sons, New York, 1965. Obwohl die in dem oben genannten Werk beschriebene Theorie nur für den Fall flacher Schichten genau ist, ist sie doch noch genau genug für alle praktischen Anwendungsfälle, bei denen die Hauttiefe wesentlich geringer ist als der Radius der Krümmung.
Schwierigkeiten können bei solchen Einrichtungen auftreten, bei denen die Curie-Temperatur aufgrund einer Ausbreitung des Stromes und/oder magnetischen Flusses in benachbarte Bereiche außerhalb der Einrichtung erzielt wird, insbesondere wenn die Einrichtung dicht an empfindlichen elektrischen Bauteilen angeordnet ist.
In US-A-4 701 587 ist ein Mechanismus beschrieben, um ein in der erwärmten Einrichtung erzeugtes Hochfrequenzfeld in einer Abstrahlung in Bereiche benachbart zu der Einrichtung zu hindern. Dieser Effekt wird dadurch erzielt, daß sichergestellt wird, daß das Kupfer oder andere Material hoher Leitfähigkeit ausreichend dick ist, mehrere Hauttiefen bei der Frequenz der Quelle, um solche Strahlung und elektrische Feldaktivität zu verhindern. Dieses Merkmal ist bei vielen Anwendungsfällen der Einrichtung wichtig, beispielsweise bei einem Lötkolben, wo elektromagnetische Felder relativ große Ströme in empfindlichen Schaltkreisbauteilen induzieren können, welche solche Bauteile zerstören können.
Wie bereits oben angegeben, fällt das magnetische Feld in einem einfachen einschichtigen, d.h. monolithischen Gebilde mit e-x ab, so daß bei drei Hauttiefen das Feld 4,9~% des Maximums, bei fünf Hauttiefen 0,67 % und zehn Hauttiefen das Feld 0,005 % seines Maximums hat. Für einige Anwendungsfälle sind Dicken von drei Hauttiefen ausreichend, obwohl wenigstens fünf besonders zweckmäßig sind, und in einigen Fällen können zehn oder mehr erforderlich sein bei einigen hochempfindlichen Einrichtungen in der Nähe von großen Heizströmen.
Die Einrichtungen der zuvor genannten Patentbeschreibungen arbeiten für ihre beabsichtigten Zwecke bei Anschluß an eine passende Versorgung, jedoch besteht ein Nachteil in den Kosten der Hochfrequenzstromversorgung. Wo nur ein sehr niedriges Feld von der Einrichtung abstrahlen darf, wird die Frequenz der Quelle vorzugsweise ganz hoch gehalten, beispielsweise im Megahertz-Bereich, um in der Lage zu sein, Kupfer oder anderes nicht magnetisches Material zu verwenden, das vernünftige Dicken hat.
In Übereinstimmung mit der Erfindung der US-A-4 695 713 kann eine relativ niederfrequente Konstantstromquelle verwendet werden als Ergebnis der Herstellung der normalerweise nicht magnetischen Schicht niedrigen spezifischen Widerstandes aus einem Material hoher Permeabilität und hoher Curie-Temperatur. Somit besteht die Einrichtung aus einer ersten Schicht hoher Permeabilität und hohen spezifischen Widerstandes benachbart zu dem Stromrückkehrpfad und einer zweiten Schicht hoher Permeabilität und vorzugsweise niedrigen spezifischen Widerstandes entfernt von dem Rückkehrpfad; die zweite Schicht hat eine höhere Curie- Temperatur als die zuerst genannte Schicht.
Hier wird der Begriff "hohe magnetische Permeabilität" in bezug auf ein Material verwendet, das Permeabilitäten größer als paramagnetische Materialien hat, d.h. ferromagnetische Materialien, obwohl Permeabilitäten von 100 oder mehr für die meisten Anwendungsfälle zweckmäßiger sind. Die Theorie der Arbeitsweise, die der Erfindung der zuvor genannten US-A-4 695 713 zugrundeliegt, besteht darin, ein Material hoher Permeabilität und hoher Curie-Temperatur für die Schicht niedrigen spezifischen Widerstandes zu verwenden, wobei die Hauttiefe des Stromes in jeder zweiten Schicht so ist, daß sie den Strom auf eine ganz dünne Schicht selbst bei niedrigen Frequenzen begrenzt und dadurch im wesentlichen die äußeren Flächen elektrisch und magnetisch jedoch nicht thermisch mit einer Schicht handhabbarer Dicke niedrigen spezifischen Widerstandes isoliert. Die zweite Schicht ist vorzugsweise aus einem Material niedrigen spezifischen Widerstandes hergestellt, jedoch ist dies nicht wesentlich.
Ein Beispiel einer Einrichtung mit zwei Schichten mit hohem mu verwendet eine Schicht aus Alloy 42, die einen niedrigen spezifischen Widerstand von ungefähr 70-80 Mikroohm-cm, eine Permeabilität bei 200 und eine Curie-Temperatur von ungefähr 300º C hat. Eine zweite Schicht ist aus Kohlenstoffstahl gebildet und hat einen spezifischen Widerstand von ungefähr 10 Mikroohm-cm, eine Permeabilität von 1000 und eine Curie-Temperatur von ungefähr 760º C. Die Hauttiefen bei einer 60 Hz-Versorgung sind 0,1" (2,5 mm) für Alloy 42 und 0,025" (0,63 mm) für Kohlenstoffstahl. Ein Beispiel eines praktischen 60 Hz-Heizers, basierend auf dem Obigen, möge einen koaxialen Heizer verwenden, der aus einem zylindrischen oder rohrförmigen Kupferleiter (dem "Rückflußleiter") mit einem Durchmesser von 0,25" (6,3 mm), einer dünnen Schicht (vielleicht 0,002" (0,05 mm) Dicke) von Isolation, gefolgt von einer temperaturempfindlichen magnetischen Legierung mit einer Permeabilität von 400 und einer Dicke von 0,1" (2,5 mm) und schließlich einer äußeren Hülle aus Stahl mit einer Permeabilität von 1000 und einer Dicke von 0,1" (2,5 mm) besteht. Der Gesamtdurchmesser des Heizers würde 0,65" (16,5 mm) betragen. Wenn der Heizer in einer Situation verwendet wird, die 5 Watt pro Fuß (16,4 W/m) der Heizerlänge für beispielsweise den Schutz einer Flüssigkeit gegen Einfrieren erfordert, so ist die Gesamtlänge des Heizers 1000 Fuß (305 m), der Widerstand des Heizers wird 1,96 Ohm sein. Der Strom wird 50 Ampere sein, und die Spannung an dem Generator wird 140 Volt bei Temperaturen etwas unterhalb der Curie-Temperatur der temperaturempfindlichen magnetischen Legierung auf der Innenseite des äußeren Rohres sein. Würden wesentliche Änderungen in dem elektrischen Widerstand aufgrund von Änderungen der thermischen Last vorkommen, muß die erforderliche Spannung variieren, um den konstanten Strom aufrechtzuerhalten. Eine solche Versorgung liefert einen Strom bei Kosten, die beträchtlich geringer sind als eine Konstantstromversorgung bei 8-20 MHz.
Die Leistungsregelverhältnisse (AR) in einer solchen Einrichtung, 2:1 bis 4:1, sind nicht so hoch wie bei der Einrichtung nach US-A-4 256 945 mit einer Differenz des spezifischen Widerstandes von ungefähr 10:1, jedoch kann die AR-Differenz verringert werden durch Verwendung von Materialien mit höheren und niedrigeren spezifischen Widerständen jeweils für die Materialien niedriger Curie- Temperatur und hoher Curie-Temperatur. Es kann auch ein Material mit hohem mu, relativ niedrigen spezifischen Widerstandes beispielsweise Stahl oder Stahl mit niedrigem Kohlenstoffanteil verwendet werden, um das Leistungsregelverhältnis weiter zu erhöhen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung EP-A-0 110 692 werden Selbstregulierungsverhältnisse von 6:1 bis 7:1 erzielt, während weiterhin die Möglichkeit besteht, niederfrequente Stromversorgungen zu verwenden, ohne daß unannehmbare Pegel von Feldstrahlung erzeugt werden.
Die Vorteile der Erfindung werden dadurch erzielt, daß ein Bereich hoher Leitfähigkeit zwischen den beiden Teilen mit hoher Permeabilität vorgesehen wird, wie das in US-A- 4~695~713 angegeben ist.
Das Material in dem Zwischenbereich kann beispielsweise Kupfer sein oder ein anderes hoch leitendes Material. Das Material kann als getrennte Schicht erscheinen, als Schichtung aus magnetischem, nicht magnetischem und magnetischem Material oder kann an die ferromagnetischen Schichten mit hoher und/oder niedriger Curie-Temperatur an der Zwischenfläche angeklebt werden, um den Zwischenbereich niedrigen spezifischen Widerstandes zu schaffen.
Typische Dicken der Schichtenkonstruktion bei 1 KHz sind 0,03" (0,76 mm) jeweils sowohl für die magnetischen Materialien niedriger und hoher Curie-Temperatur und 0,010" (0,25 mm) für die Kupferschicht.
Wird bei Betrieb die Curie-Temperatur der ersten Schicht angenähert und fällt ihre Permeabilität rapide ab, so breitet sich der Strom in die Kupferschicht und in die zweite magnetische Schicht aus. Der Gesamtwiderstand des Gebildes fällt aufgrund der Anwesenheit des Kupfers dramatisch ab, wodurch sich das hohe Selbstregulierungsverhältnis ergibt. Darüber hinaus ist der meiste Strom in der Kupferschicht gefangen, und nur ein geringer Prozentsatz dringt in die zweite magnetische Schicht ein. Als Folge davon braucht die zuletzt genannte Schicht nur 3 bis 5 Hauttiefen dick zu sein, um eine scheinbar vollständige Abschirmung der Einrichtung zu bewirken. Somit wird der Vorteil eines großen Leistungsselbstregulierverhältnisses in einer relativ kleinen Einrichtung bei Verwendung einer niederfrequenten Stromquelle erzielt. Unter Niederfrequenz wird eine Quelle im Bereich von 5 Hz bis 10.000 Hz verstanden, obwohl 50 Hz -8.000 voll und ganz passend ist.
Bei Selbstregulierverhältnissen von 6:1 und 7:1 sind die Heizänderungen unterhalb und oberhalb der Curie-Temperatur ganz groß, so daß die Einrichtung sehr schnell auf thermische Laständerungen reagieren kann, um die genaue Temperaturregulierung in einer kleinen Einrichtung bei niedriger Arbeitsfrequenz aufrechtzuerhalten.
Die oben genannten Einrichtungen sind als Ganzes relativ steif, und eine Heizung erfolgt gleichmäßig über die Einrichtung. Da der äußere Leiter von niedrigem oder relativ niedrigem Widerstand ist, ist sie darüber hinaus oft teuer und bedingt gewöhnlich die Verwendung von unangenehmen Anpassungsbauteilen, um den Heizer an die Stromquelle anzupassen.
In unserer WO 85/00263 ist ein selbstregulierender Heizer in Form eines Mehrschichtstreifens beschrieben, der einen Stromrückführleiter aufweist, der von einer Schicht aus Isolation mit einem Material mit hohem mu umgeben ist, das entlang nur einer Oberfläche der Isolierschicht angeordnet ist. Das Gebilde ist von einer äußeren Schicht aus elektrisch leitendem Material umgeben, die quer geschlitzt ist, um den Stromfluß auf die ungeschlitzten Bereiche zu begrenzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Curie- Temperatur selbstregulierender Heizer in Form eines mehrschichtigen, flexiblen, langgestreckten Streifens vorgesehen, der äußerste Schichten von elektrisch leitendem Material aufweist, von denen wenigstens eine quer geschlitzt ist, einen inneren elektrischen Leiter zwischen den genannten äußersten Schichten, um einen Stromrückkehrpfad zu schaffen, isolierende Schichten zwischen dem genannten inneren Rückkehrleiter und den genannten äußersten Schichten, und einen Abschnitt von magnetischem Material zwischen einer der genannten isolierenden Schichten und der jeweiligen äußersten Schicht, wobei der ferromagnetische Abschnitt und der inner Rückführleiter elektrisch in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch die Anordnung wenigstens einer weiteren Schicht oder Länge von ferromagnetischem oder elektrisch leitendem Material in Angrenzung an die innere Fläche einer der äußersten Schichten.
Bei einer Form mag ko-planar mit dem ferromagnetischen Abschnitt einer oder mehrere ferromagnetische Abschnitte unterschiedlicher Curie-Temperatur vorgesehen sein, um unterschiedlicher Heizzonen zu definieren.
Diese Technik führt ohne weiteres selbst zur Definition von Zonen von unterschiedlichen Temperaturen durch Verwendung flacher Streifen aus Material mit hohem mu, die Ende zu Ende entlang dem Heizer gelegt sind, wobei verschiedene der Streifen unterschiedliche Curie-Temperaturen haben.
Die Bereiche und das Maß der Heizung können durch verschiedene Methoden kontrolliert werden. Als erstes können, wie gerade erwähnt, flache Teile mit hohem mu unterschiedlicher Curie-Temperatur an unterschiedlichen Orten entlang der Einrichtung angeordnet werden, um so unterschiedliche selbstregulierende Temperaturen in diesen Zonen zu schaffen.
Darüberhinaus kann die geschlitzte Oberfläche in einigen Bereichen ungeschlitzt sein, wodurch der Strom in der Lage ist, sich wenigstens zum Teil aus dem ferromagnetischen Material in solchen Bereichen herauszubewegen, so daß dadurch die Einrichtung daran gehindert wird, die Curie-Temperatur in einem solchen Bereich zu erreichen oder ganz einfach in diesem Bereich den Widerstand zu verringern. Eine teilweise Verringerung der Schlitzung (kürzere Schlitze) kann dazu verwendet werden, den Strom ausreichend zu verteilen, um die Zeit zum Erreichen der Selbstreguliertemperaturen zu erhöhen.
Der Heizer kann so gemacht sein, daß er zur Selbstregulierung abhängt ganz einfach von einem Anstieg des Querschnittsbereichs des ferromagnetischen Materials, in dem Strom fließt. Diese Lösung kann erreicht werden durch Verwendung von Material mit hohem mu von einer Dicke von drei oder mehr (abhängig von der Art des Heizers) Hauttiefen bei Curie-Temperatur. Die äußere Schicht kann nichtrostender Stahl oder ein anderes Material hoher Rostbeständigkeit und/oder guter thermischer Leitfähigkeit sein.
Die Schlitze in der Oberfläche des äußeren Leiters können außerdem dazu verwendet werden, um passende Biegebereiche zu schaffen, wo ein Streifen um scharfe Ecken führen muß.
Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun, beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Form des Heizers in Übereinstimmung mit unserer WO 85/00263.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht 2-2 in Figur 1.
Figur 3 zeigt im Querschnitt eine Abwandlung des Heizers gemäß Figur 2 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt eines Mehrtemperatur- Heizers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Heizers, der verschiedene Anordnungen von Schlitzen zur Definition unterschiedlicher Heizmuster verwendet.
Figur 6 ist ein Querschnitt 6-6 durch Figur 5.
Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht und verdeutlicht die Verwendung eines Schlitzes zur Verbesserung der Biegsamkeit eines Heizers.
Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Es sei nun besonders auf die Figuren 1 und 2 der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, wo eine Ausführungsform einer Einrichtung illustriert ist, wie sie allgemein in unserer WO 85/00263 beschrieben ist. Ein Stromrückkehrpfad ist durch einen inneren, flachen, langgestreckten Leiter 22, gewöhnlich Kupfer, gebildet. Der Leiter 2 ist von einer Isolierschicht 4 umgeben, und eine Schicht 6 aus ferromagnetischem Material ist entlang dem Boden des Gebildes angeordnet. Eine äußere Abdeckung 8 dient zur Abschirmung des Gebildes, das Material der äußeren Abdeckung ist in gewissem Maße durch die beabsichtigte Verwendung der Einrichtung bestimmt, wie das nachfolgend diskutiert wird.
Die äußere Abdeckung 8 ist mit einer Anzahl von eng benachbarten Querschlitzen 10 versehen, die sich in der gezeigten Form quer zur Oberseite der Einrichtung erstrecken, wie das in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, und zu beiden Seiten herab davon, so daß ein ununterbrochener Streifen 12 aus Material entlang dem Boden der Einrichtung gegenüber der ferromagnetischen Schicht 6 verbleibt.
Bei Betrieb kann der Strom, wenn er angelegt ist, nur in dem Bodenbereich der äußeren Schicht 8 fließen, wie man ihn in Figuren 1 und 2 sieht. Unterhalb Curie-Temperatur ist der Strom zunächst in der Schicht 6 des ferromagnetischen Materials gefangen. Wenn die Temperatur des Heizers und genauer der Schicht 6 Curie-Temperatur erreicht, breitet sich der Strom in Schicht 6 aus, und der Widerstand des Heizers fällt ab.
Der Heizer gemäß Figur 2 möge in einer von zwei möglichen Arten arbeiten, je nach der Dicke der Schicht 6. Ist die Schicht 6 wenigstens 5 Hauttiefen dick oberhalb Curie- Temperatur, so bleibt scheinbar der gesamte Strom in der Schicht 6, jedoch ist er nicht eingegrenzt auf eine Hauttiefe von 1 bis 1,8 unterhalb Curie-Temperatur. Das Ergebnis ist ein Abfall des Widerstandes aufgrund einer materiellen Änderung in der Stromdichte. Fällt das mu des ferromagnetischen Materials von 400 unterhalb Curie-Temperatur auf 1 oberhalb Curie-Temperatur ab, so ändert sich die Hauttiefe um einen Faktor 20 (Quadratwurzel) von 400. Der Widerstand bleibt jedoch relativ hoch, da der typische spezifische Widerstand von ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Alloy 42, ungefähr 75 x 10&supmin;&sup6; Ohm-cm ist, während der von Kupfer ungefähr 2 x 10&supmin;&sup6; Ohm-cm ist.
Ist der Heizer von der in US-A-4256945 beschriebenen Art, so würde die ferromagnetische Schicht 6 bei 1 bis 1,8 Hauttiefendicke unterhalb Curie-Temperatur liegen. Nach Annäherung der Temperatur an die Curie-Temperatur würde sich der Strom aus der Schicht 6 in die untere Wandung 12 der äußeren Umhüllung 8 ausbreiten. Ist die äußere Umhüllung Kupfer, so tritt eine wesentliche Änderung des Widerstandes auf, jedoch ist der Widerstand noch wesentlich, da Strom nur im Bereich 12 fließt; die Schlitze 10 blockieren einen Fluß in allen anderen Bereichen.
Ist in der dargestellten Einrichtung die Schicht 6 wenigstens 5 Hauttiefen dick oberhalb Curie-Temperatur, so werden die Widerstandscharakteristika der äußeren Schicht weniger bedeutsam, und die verschiedensten Materialien, wie beispielsweise rostfreier Stahl und Aluminium, können verwendet werden. Eine äußere Schicht irgendeines beschriebenen Materials kann ebenfalls bei der Einrichtung gemäß Figur 3 verwendet werden. Es sei besonders auf Figur 3 der beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wo eine Einrichtung dargestellt ist, die eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung der Einrichtung gemäß Figur 2 darstellt. In Figur 3 mit Strichen versehene Bezugsziffern bezeichnen Teile, die Teilen in Figur 2 entsprechen. Der Unterschied bei dem Heizer gemäß Figur 3 besteht in der Tatsache, daß die ferromagnetische Schicht 6' eine Schicht eines Schichtengebildes ist, die eine zweite Schicht 14' einschließt, die Kupfer sein möge. Alternativ kann die zweite Schicht auch ferromagnetisches Material wie in US- A-4695713 oder eine zweite Schicht von ferromagnetischem Material in Verbindung mit einer Kupferschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten wie in EP-A-0110692 sein.
Es sei bemerkt, daß, obwohl in Figur 1 nur zwei Schlitze 10 gezeigt sind, bei einer Standardeinheit die gesamte Länge des Heizers in Abständen geschlitzt ist.
Die Verwendung einer dicken ferromagnetischen Schicht im Gegensatz zu anderen Anordnungen ist eine Frage zwischen gewünschtem Widerstand, Flexibilität, gewünschter äußerer Schicht und Selbstregulierverhältnis, jedoch ist in allen Fällen der Widerstand hoch, und der Streifen ist sehr flexibel.
Bei einer typischen Einrichtung von 200 Watt wird ein konstanter Strom von ungefähr 7 Ampère von einer bei 13,56 MHz arbeitenden Quelle bereitgestellt, und die Abmessungen der Teile sind wie folgt:
Effektiver H.F. Widerstand bei Raumtemperatur = 4 Ohm
Ferromagnetische Schicht (dick) = 0,7 Millizoll (0,018 mm).
Ferromagnetische Schicht (Länge) -6,2 Zoll (15,7 cm)
Breite der ferromagnetischen Schicht = 160 Millizoll (4 mm)
Zu Figur 3 sei bemerkt, daß die äußere Schicht 8' aus einer Materialbreite hergestellt ist, die um den Heizer herumgefaltet ist, wobei ihre langgestreckten Kanten 16 und 18 in scheinbare Anlage gebracht sind. Ist Feuchtigkeitsdichtigkeit erforderlich, so kann der Spalt zwischen den Kanten 16 und 18 mit einem passenden leitenden oder nichtleitenden Dichtmaterial gefüllt werden.
Es sei nun speziell auf Figur 4 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wo ein Heizer mit verschiedenen Temperaturzonen dargestellt ist. Der Heizer weist äußere Schichten 20 aus leitendem Material und einem inneren oder stromrückführenden Leiter 22 zwischen Isolationsschichten 24 auf. Zwischen der unteren Schicht des Isolationsmaterials 24 und der unteren äußeren Schicht 20, alles betrachtet in Figur 4, befinden sich drei sich in Längsrichtung erstreckende, im Abstand befindliche Streifen 26, 28 und 30 aus ferromagnetischen Materialien. Jeder der Streifen hat eine unterschiedliche Curie-Temperatur, und somit definiert jeder Streifen eine Zone von in Bezug zu einer anderen Zone unterschiedlicher Temperatur, oder die Streifen 26 und 30 können alternativ die gleichen sein, wobei Streifen 28 eine unterschiedliche Temperatur definiert. Die Streifen 26, 28 und 30 können auch Seite an Seite angeordnet sein.
Es sei nun besonders auf Figur 5 der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, wo ein Heizer der in Figur 3 oder Figur 4 gezeigten Art dargestellt ist, jedoch mit einem Schlitzmuster, das verschiedene unterschiedliche Wärmeverteilungen und/oder Widerstandseffekte liefert.
Der Heizer, der allgemein mit der Bezugsziffer 24 versehen ist, hat verschiedene Schlitze zur Steuerung der Geschwindigkeit der Erwärmung auf Curie-Temperatur. Die Erwärmungsgeschwindigkeit irgendeines Heizers ist bestimmt durch die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Zuführung von Leistung und der Geschwindigkeit der Abführung von Wärme durch all die drei Arten von Wärmeableitung von einer Oberfläche, Konvektion, Leitung und Strahlung. Die Erwärmung auf Curie-Temperatur ist bestimmt durch die Stromdichte in dem ferromagnetischen Leiter. Wenn im vorliegenden Fall das ferromagnetische Material nur benachbart zu der unteren Oberfläche des Heizers vorhanden ist, dann verringert irgendein Strompfad, der nicht benachbart zu dem ferromagnetischen Material ist, die Stromdichte darin und verringert die Geschwindigkeit der Aufheizung. Als Beispiel gestattet der Schlitz 34 nur einen Stromfluß in wenigstens einem Teil der rechten Seite, betrachtet in Figur 5, der äußeren Hülle oder Schicht des Heizers. Somit wird etwas Strom aus dem ferromagnetischen Material abgeleitet und die Geschwindigkeit der Erwärmung auf Curie- Temperatur wird verringert. Fortschreitend mögen kürzere Schlitze 38, 37 und 36 genügend Strom aus der ferromagnetischen Schicht ableiten, so daß der Heizer niemals Curie- Temperatur erreicht, wodurch eine kühle und genauer genommen eine kühlere Zone gebildet wird als benachbart zu Schlitz 34.
Schlitze 40 und 42 definieren einen zentralen Stromflußbereich 44, der dazu verwendet werden kann, Stromfluß benachbart zu der ferromagnetischen Schicht weiter zu verringern. Als Alternative kann jedoch ferromagnetisches Material unter dem Bereich 44 angeordnet sein, so daß die Heizung in diesem Bereich auftritt.
Bei einer weiteren alternativen Anordnung kann ferromagnetisches Material den Heizer unter der äußeren Schicht umschließen, wodurch eine Heizung an allen Orten auftritt, ausgenommen dort, wo sich solche Schlitze befinden. Eine solche Anordnung ist in Figur 6 der beigefügten Zeichnungen gezeigt, die ein Schnitt 6-6 durch Figur 5 ist. Ein Rückführleiter 46 ist durch Isolation 48 umschlossen, die wiederum umschlossen ist durch eine ferromagnetische Schicht 50 mit einer äußeren leitenden Hülle 52. Wie oben angegeben, tritt Erwärmung an allen Orten auf, ausgenommen dort, wo sich solche Schlitze befinden.
Es sei bemerkt, daß in allen soweit erläuterten Heizern der Stromrückführleiter und der äußere Leiter, ferromagnetische Schicht oder Kupfersubstrat, abhängig von der Art des verwendeten Heizers, in Reihe miteinander an der Stromquelle angeschlossen sind. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß Strom an die mittleren und äußeren Leiter an einem Ende der Einrichtung angelegt und diese Leiter an dem anderen Ende der Einrichtung miteinander verbunden werden.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Schlitze können außerdem dazu dienen, einen Heizer um eine scharfe Ecke herum biegsam zu machen. Es sei besonders auf Figur 7 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wo ein rechteckiges Werkstück 54 gezeigt ist, das durch einen Heizer 56 erwärmt werden soll. Der Heizer 56 ist mit einem Schlitz 58 versehen, so daß der Heizer sich über die Oberseite des Werkstückes 54 legen, über die obere rechte Ecke 60 des Werkstückes 54 biegen und mit vertikaler Fläche 62 in Kontakt bleiben kann, wie das in Figur 7 gezeigt ist. Der Heizer ist somit einfach an dem Schlitz biegsam, während der Rest relativ steif bleibt, so daß ein guter Kontakt zwischen dem Heizer und dem Werkstück an allen Orten aufrecht erhalten bleibt.
Es sei nun besonders auf Figur 8 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wo ein Heizer gezeigt ist, der einen 45º Schlitz verwendet, um eine rechtwinklige Faltung eines Streifens zu gestatten.
Ein Bereich 64 von Streifen 66 ist auf seiner Oberfläche bei 68 geschlitzt, um eine Erwärmung entlang der unteren Fläche zu bewirken. Die untere Fläche ist mit einem 45º Schlitz versehen, der eine rechtwinklige Faltung 70 des Streifens ermöglicht. Die oberen und unteren Flächen der gefalteten Länge 72 des Streifens können geschlitzt sein, um eine Erwärmung der unteren und der oberen Fläche zu gestatten, wobei der Streifen flexibel genug ist, so daß die untere Oberflächenstrecke 72 in der Lage ist, die gleiche Oberfläche wie Bereich 64 zu berühren.
Die Schlitze im Bereich 72 können entlang der oberen und nicht entlang der unteren Oberfläche des Streifens angeordnet sein, wie das in Figur 8 gezeigt ist, so daß die Erwärmung entlang der oberen Oberfläche bleibt.
Es ist offensichtlich, daß die Faltung 70 anders als 90º sein kann, indem der Schlitzwinkel auf der unteren Oberfläche von 45º auf irgendeinen anderen gewünschten Winkel geändert wird. Ein Schlitz von 30º zu der Längsachse erzeugt eine Faltung von 60º, während ein Schlitz von 60º eine Faltung von 120º erzeugt.
Bezüglich der Schlitze 68 sei bemerkt, daß sie in allen Figuren senkrecht zu der Längsachse des Streifens gezeigt sind. Diese Schlitze können auch geneigt sein, so daß eine Wendel und nicht ein Ring entsteht. Der Winkel kann so gewählt werden, daß eine gewünschte Steigung erzeugt wird, wenn der Streifen um ein Rohr beispielsweise gewickelt wird, um dieses vor dem Einfrieren zu schützen. Die Steigung verhindert in gewünschter Weise eine Überlappung benachbarter Windungen der Wände und kann in der Tat groß genug sein, um einen zulässigen Abstand zwischen Windungen zu definieren, wie er durch die geforderte Innentemperatur in dem Rohr und die Umgebungstemperatur bestimmt ist.

Claims

1. Curie-Temperatur-Selbstregulierungsheizer in der Form eines mehrschichtigen, flexiblen, langgestreckten Streifens, der äußerste Schichten (8', 20, 52) aus elektrisch leitendem Material aufweist, von denen wenigstens eine quer geschlitzt ist, ferner einen inneren elektrischen Leiter (2', 22, 46) zwischen den genannten äußersten Schichten zur Bildung eines Stromrückkehrpfades, Isolierschichten (4', 24, 48) zwischen dem genannten inneren Rückführleiter und den genannten äußersten Schichten und eine ferromagnetische Materiallänge (6', 28, 50) zwischen einer der genannten isolierenden Schichten und der jeweiligen äußersten Schicht, wobei die ferromagnetische Materiallänge und der innere Rückführleiter elektrisch in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch wenigstens eine weitere an der inneren Fläche einer der äußersten Schichten anliegende Schicht oder Länge (14'; 26, 30; 50) aus ferromagnetischem oder elektrisch leitendem Material.

2. Heizer nach Anspruch 1, worin die genannte weitere Schicht eine Schicht (14') aus elektrisch leitendem Material ist, die zwischen der ferromagnetischen Länge (6') und der benachbarten äußersten Schicht liegt.

3. Heizer nach Anspruch 1, worin die weitere Schicht eine zweite ferromagnetische Länge (50) ist, die zwischen der isolierenden Schicht und der äußersten Schicht an der gegenüberliegenden Seite des inneren Rückführleiters zu der genannten ersten ferromagnetischen Länge liegt.

4. Heizer nach Anspruch 3, worin die erste und die zweite ferromagnetische Länge integrale Teile einer ferromagnetischen Schicht ist, die vollständig den inneren Leiter und die isolierenden Schichten umgibt.

5. Heizer nach Anspruch 1, worin ko-planar mit der ferromagnetischen Länge (28) eine oder mehrere weitere ferromagnetische Längen (26, 30) von unterschiedlicher Curie-Temperatur vorgesehen sind, die unterschiedliche Zonen der Erwärmung bilden.

6. Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Querschlitze (4) in Abständen entlang der Länge in der äußersten Schicht vorgesehen sind, die am weitesten entfernt von der ferromagnetischen Schicht ist.

7. Heizer nach Anspruch 6, worin die äußersten Schichten integrale Teile einer umschließenden äußeren Hülle von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt sind, der im wesentlichen vollständig den Streifen umgibt, wobei wenigstens einige der Schlitze sich über eine breite Stirnfläche der äußeren Hülle herab zu den zwei Schmalseiten erstrecken.

8. Heizer nach Ansprüchen 6 oder 7, worin die Schlitze an unterschiedlichen Stellen entlang dem Streifen sich über unterschiedliche Entfernungen quer zur Breite des Streifens erstrecken, um einen Pfad für Stromfluß mit unterschiedlichen Querschnitten zu bilden.

9. Heizer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, worin die genannten Schlitze in einem Winkel von 90º zur Richtung des Streifenabschnittes liegen.

10. Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin wenigstens ein Querschlitz (58) in einer äußersten Schicht an einer Stelle entlang dem Streifen vorgesehen ist, wo der Streifen biegsam sein soll.