DE3853056T2 - Thermistorheizeinheit mit positivem Temperaturkoeffizienten. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Feld der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizgeräte, die Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten als sich selbst regelnde Heizer verwenden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
• Wie beispielsweise in US-PS 4,072,848 dargestellt, wurden elektrische Heizkabel kommerziell einige Zeit lang verwendet, um Hitze zu Leitungen und Tanks in kalten Umgebungen zu liefern.
• Heizkabel nach US-PS 4,072,848 basierten ihre Temperatursteuerung auf der Verwendung von Heizmaterialien mit veränderlichem Widerstand, die ein Selbstregulierungsmerkmal liefern. Die Heizmaterialien werden üblicherweise in Chips geformt, die aus Bariumtitanat oder festen Lösungen von Barium und Strontiumtitanat bestehen, die durch den Einschluß verschiedener Dotierungsmittel halbleitend gemacht sind. Diese Chips werden als Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten bezeichnet und haben einen relativ niedrigen Widerstandstemperaturkoeffizienten bei niedrigen Temperaturen. Wenn die Temperatur des Thermistors ansteigt, tritt ein scharfer Anstieg in dem Widerstand an einem Punkt auf, der der "Curie-Punkt" bezeichnet wird. Der Übergang von niedrigem Widerstandswert zu hohem Widerstandswert tritt bei einem relativ scharfen Punkt, wie in US-PS 4,072,848 gezeigt. Da diese Chips den Fachleuten bekannt sind, ist keine weitere Diskussion ihrer Konstruktion notwendig.
• Wenn eine Spannung an den Thermistor angelegt wird, erzeugt der Thermistor Hitze aufgrund von Widerstandswirkungen. Diese Hitze wird dann auf die Umgebung übertragen, beispielsweise das Rohr, an dem das Kabel angebracht ist. Wenn die TemPeratur des Thermistors und der umgebenden Umgebung ansteigt, erreicht die Thermistortemperatur den "Curie-Punkt", verringert sich die Wärmeerzeugungsfähigkeit des Thermistors, und der Thermistor kühlt sich ab. Daher stellt sich die Thermistortemperatur im "Curie-Punkt" oder in dessen Nähe ein, wobei die Temperatur der Umgebung auf den thermischen Leitfähigkeiten der verschiedenen Materialien basiert, die mit dem Thermistor in Kontakt stehen.
• Zum Stand der Technik gehörende auf Thermistoren basierende Geräte waren Kabel und andere ähnliche Geräte, die nur kleine seitliche Flächen abdeckten, obwohl sie sich über große Längen erstrecken können. Während die zum Stand der Technik gehörenden Kabel in Serpentinenmustern geformt werden können, um größere seitliche Bereiche abzudecken, führte dies häufig zu einer ungleichförmigen Teinperaturverteilung über den Oberflächenbereich, und ließ sich nur schwer herstellen.
• US-PS 4,330,703 zeigt verschiedene BeisPiele von zum Stand der Technik gehörenden Kabeln, die Wärmeerzeugungsschichten aus Materialien verwenden und aus Metallblechen, Gittern oder Netzen gebildete elektrische Leiter aufweisen. Die Wärmeerzeugungsmaterialien sind über den gesamten Bereich des Kabels angeordnet, nicht in diskreten und getrennten Bereichen, wie dies bei auf Thermistoren basierenden Kabeln Praxis ist. Zusätzlich sind die elektrischen Leiter dünn und werden nur zur Lieferung elektrischen Stroms zu den Wärmeerzeugungsmaterialien verwendet, nicht aber dazu, bemerkbare Wärmemengen zu leiten.
• Es ist bereits ein elektrisches Heizgerät mit den Merkmalen des ersten Teils -des Anspruchs 1 bekannt (FR-A1-2 496 382). Bei dem bekannten Gerät sind die elektrischen Heizchips in einer einzelnen Linie angeordnet, so daß das Gerät die Form eines Heizkabels aufweist.
• Weiterhin ist ein ebenes Wärmeerzeugungsgerät (US-A- 4,401,885) bekannt, bei dem zwischen zwei und drei Heizchips angeordnet sind. Sie sind zwischen starren Metallplatten angeordnet. Die Platten werden mit Hilfe einer isolierenden Abdeckschicht auf Kunstharz aneinander gehalten. Die Abdeckung erstreckt sich durch Löcher in dem Gerät und übt eine Vorspannung auf den Heizchip aus.
• Die Erfindung schlägt eine elektrische Heizeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
• Die Heizeinheit der vorliegenden Erfindung weist im wesentlichen flache, vorzugsweise gewebte, elektrische Leiter auf, die parallel übereinanderliegend angeordnet sind und eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten elektrisch damit verbundenen Thermistoren aufweisen, worin die elektrischen Leiter als das primäre Hitzeübertragungsmittel dienen, indem sie die von den Thermistoren erzeugte Hitze von diesen ableiten. Die Thermistoren sind in einem Gitter oder einem im wesentlichen gleichförmigen Muster über die Fläche der Heizeinheit mit Abstand angeordnet. Eine solche Bauweise führt zu einer wirksamen Hitzeübertragung zwischen den Leitern und den Thermistoren und ermöglicht es auf diese Weise, daß die Hitze von den Thermistoren abgeleitet wird. Darüberhinaus ermöglicht es eine solche Bauweise daß der Thermistor hohe Leistungswerte mit einer gegebenen angelegten Spannung erzeugt, bevor der Thermistor die Selbstbegrenzungstemperatur bzw. den "Curie-Punkt" erreicht.
• Eine derartige Hitzeübertragung unter Verwendung der elektrischen Leiter verbessert die Temperaturverteilung über die Oberfläche der Einheit, da die Hitze in alle Richtungen längs der elektrischen Leiter übertragen wird, die gute thermische Leiter sind, und von den Thermistoren weg, was die Menge an örtlicher Hitze begrenzt und den Hitzeausgleich der Einheit verbessert. Die Konstruktion einer Heizeinheit der vorliegenden Erfindung erlaubt ein leichtes Herstellen, da keine komplexen, serpentinenförmigen Wege benötigt werden.
• Die Verwendung der gewebten elektrischen Leiter verringert signifikant die thermischen oder mechanischen Belastungen, die an den Verbindungen zwischen den Leitern und Thermistoren auftreten, aufgrund der in viele Richtungen verteilten Kräfte, die aufgrund der kleinen und vielen Drahtlitzen in dem Material ausgeübt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruierten Heizeinheit.
• Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die bei gegebenen Temperaturen und gegebenen Spannungen für die Heizeinheit der Fig. 1 erzeugte Einheitsleistung darstellt.
• Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die bei gegebenen Temperaturen und gegebenen Spannungen für eine Heizeinheit nach Fig. 1 erzeugte Einheitsleistung darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• In den Zeichnungen bezeichnet der Buchstabe P allgemein eine Heizeinheit nach der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 1 stellt die bevorzugte Ausführungsform einer nach der Erfindung konstruierten Heizeinheit P dar. Eine Vielzahl von Thermistoren 10 ist in einen trennenden dielektrischen Isolator 12 eingesetzt. Das trennende Dielektrikum 12 enthält eine Reihe von Löchern oder Hohlräumen 14, in denen die Thermistoren 10 installiert werden. Der Abstand zwischen den Löchern 14 variiert in Abhängigkeit von der speziellen Größe der Thermistoren 10 und der für einen gewünschten gegebenen thermischen Ausgang der Heizeinheit benötigten Zahl von Thermistoren 10. Vorzugsweise sind die Löcher 14 etwas kleiner als die Größe der Thermistoren 10, so daß die Thermistoren 10 positiv in dein trennenden Dielektrikum 12 gehalten werden. Die Thermistoren 10 sind kreisförmig im Querschnitt gezeigt, jedoch kann irgendeine beliebige Form verwendet werden, wobei die Löcher 14 entsprechende Formen aufweisen. Das dielektrische Material kann Gummi, thermoplastische Harze wie Polyethylen oder Polytetrafluorethylen, Asbestfaser oder irgendein zufriedenstellendes Material sein, das ein elektrisch isolierendes Material ist und in der Lage ist, den Temperaturen der Thermistoren zu widerstehen, während es ausreichend Hitze wie gewünscht leitet und flexibel ist, um das Biegen der Heizeinheit P je nach Wunsch zu ermöglichen.
• Leitende Bahnen 16, 18 sind parallel zueinander und auf entgegengesetzten Seiten des trennenden Dielektrikums 12 installiert, um die Quelle elektrischer Energie zu liefern, die von den Thermistoren 10 in Hitze umgewandelt wird. Die leitenden Bahnen 16, 18 sind an den Thermistoren 10 durch Löten, Hartlöten, Schweißen oder durch ein sonstiges elektrisches und mechanisches Verbinden der leitenden Bahnen 16, 18 mit den Oberflächen der Thermistoren 10 befestigt. Leiter 17, 19 sind an den leitenden Bahnen 16, 18 und an der nicht dargestellten Spannungsquelle angebracht, um die Heizeinheit P mit elektrischer Energie zu versorgen. Nachdem die leitenden Bahnen 16, 18 mit den Thermistoren 10 verbunden wurden, wird ein Isolierschicht 20 vorgesehen, um die Heizeinheit P vor der Umgebung zu schützen. Auf diese Weise lassen sich Kurzschlüsse und Potentialschockzustände vermeiden. Wenn ein weiterer mechanischer oder korrosionsbeständiger Schutz gewünscht wird, oder wenn eine starrere Oberfläche gewünscht wird, kann eine Metallhülle 22 über der Isolierschicht 20 der Heizeinheit P gebildet werden. Die Metallhülle 22 kann Aluminium, nicht rostender Stahl, Kupfer oder irgendein anderes zufriedenstellendes Metall oder Metallegierung sein, das sich um die Einheit bilden läßt.
• Eine derartige Bauweise, die leitende Bahnen 16, 18 mit einer adäquaten Wärmeübertragungsfähigkeit verwendet, führt dazu, daß die leitenden Bahnen 16, 18 die primären Übertragungsmittel für die Wärme werden. Die Verwendung der leitenden Bahnen 16, 18 als die primären Wärmeübertragungsmittel führt zu einer verbesserten Wärmeabfuhr von den Thermistoren 10 und zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über die Oberfläche der Heizeinheit P. Daher wird aufgrund dieser Erfindung Wärme von den Thermistoren 10 abgezogen und die Wärme über den Bereich der Heizeinheit p gleichförmig verteilt.
• Die leitenden Bahnen 16, 18 werden vorzugsweise aus Kupferdrahtgewebe mit etwa der gleichen Größe und Form wie die Heizeinheit P gebildet. Die leitenden Bahnen 16, 18 können aber auch aus Drahtgeflecht aus Aluminium, nicht rostendem Stahl oder anderen metallischen Leitern gebildet werden. Alternativ können auch Kohle- oder Graphitfasern, leitend beschichtetes Fiberglasgarn oder andere ähnliche Materialien bekannter Konstruktion, wie sie üblicherweise bei Automobilzündkabeln verwendet werden und in US-PS 4,369,423 offenbart sind, verwendet werden. Die Fasern können mit Nickel zur weiteren Verbesserung der Leitfähigkeit der Fasern elektroplattiert werden.
• Ausreichende Zahlen der Fasern werden zur Schaffung einer leitenden Bahn gewebt, die in der Lage ist, die nötigen elektrischen und thermischen Lasten zu tragen. Nach einer nochmals weiteren Alternative könnten die leitenden Bahnen feste Metallbahnen aus Materialien wie Kupfer, Aluminium und anderen geeigneten Materialien sein. Ein als Beispiel genanntes Kupfergewebe besteht aus Kupferdraht mit 0,011 Zoll Durchmesser, das in ein Gewebe geformt ist, das 16 Drähte pro Zoll in beiden Richtungen aufweist. Die einzelnen Kupferfasern können mit einer Zinn-, Silber-, Aluminium- oder Nickelplattierung beschichtet werden.
• Die Konstruktion der leitenden Bahn nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugweise mit einer großen Zahl kleinerer Drähte gebildet, die in Bahnen gewebt sind. Die vergrößerte Zahl von Kontakten des kleineren Drahts und das von den gewebten Leitern entwickelte Geflecht oder gewebtes Muster verringert die thermischen und mechanischen Belastungen, die an der Verbindung zwischen den leitenden Bahnen 16, 18 und dem Thermistor 10 auftreten. Die thermischen Belastungen treten aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten und anderen Gründen auf, und die mechanischen Belastungen treten aufgrund der flexiblen Natur der Heizeinheit P auf. Da die gewebten Drähte klein sind und in mehreren verschiedenen Richtungen angeordnet sind, sind die auf jede Faser oder jeden Draht ausgeübten Kräfte klein, was dadurch die Zuverlässigkeit der Heizeinheit vergrößert.
• Eine Heizeinheit P nach der vorliegenden Erfindung kann in fast jede gewünschte Form geschnitten oder geformt werden. Die als Beispiel in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist in ein Quadrat geformt, jedoch läßt sich die Heizeinheit P in Kreisform, unregelmäßige Formen oder regelmäßige oder unregelmäßige Vierecke, je nach Wunsch, formen. Da die Thermistoren 10 relativ klein sind und die anderen in der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien vorzugsweise flexibel sind, ist die Heizeinheit P derart ausgebildet, daß sie so gebogen werden kann, daß sie einem zu heizenden Gegenstand wie einem Gefäß oder einer Leitung im wesentlichen konform sein kann.
Beispiel
• Eine Heizeinheit P wurde aus Kupferdrahtgewebe entsprechend Fig. 1 konstruiert, mit Thermistoren 10 einer "Curie"-Temperatur von 124 bis 128ºC. Eine trennende dielektrische Schicht 12 aus beschichtetem Fiberglas mit einer Dicke von 0.07 Zoll und einer Quadratform mit einem Fuß Kantenlänge wurde verwendet. Zwölf Thermistoren 10 wurden in Öffnungen 14 eingesetzt, die gleichmäßig über den Bereich der trennenden dielektrischen Schicht 12 verteilt waren. Kupferdrahtgewebe mit einer Maschenzahl von 16 x 16 aus Drähten mit einem Durchmesser von 0.011 Zoll wurde in Bahnen mit quadratischer Form einer Kantenlänge von einem Fuß geformt, die dann an vorher verzinnte Thermistoren 10 angelötet wurden, mit einer silberhaltigen Hochtemperaturlötlegierung. Diese Heizeinheit P wurde dann mit Hochtemperatur RTV Silikon zur Bildung der Isolierschicht 20 isoliert. Die auf diese Weise gebildete vollständige Heizeinheit P hatte einen Widerstand von 90 Ohm bei Raumtemperatur von etwa 77º F.
• Diese Heizeinheit P wurde dann in eine Umgebungskammer eingebracht und bei Gleichgewichtstemperaturen von -35ºF, 0ºF, 50ºF, 100ºF und 200ºF getestet und mit Spannungen von 0 bis 300 Volt versorgt. Der Leistungsverbrauch bei den verschiedenen Spannungen und Temperaturen wurde aufgezeichnet und die Ergebnisse sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. Es kann daher gesehen werden, daß die vorliegende Erfindung eine Konstruktion liefert, die hohe Leistungswerte mit einer gegebenen angelegten Spannung erzeugt, bevor die Thermistoren die Selbstbegrenzungstemperatur erreichen.
• Bei einem anderen Test wurde die gleiche Heizeinheit P mit etwa 120 Volt versorgt, während die Heizeinheit P in einer Freiluftumgebung mit einer Temperatur von 76ºF aufgehängt wurde. Temperaturmessungen wurden an einer Reihe von Stellen an der Oberfläche der Heizeinheit P genommen. Die Maximalund Minimaltemperatur an Positionen direkt über den Thermistoren 10 waren l99ºF und 178ºF. Die Durchschnittstemperatur direkt über den Thermistoren war etwa l83ºF. Die äußeren Kanten der Heizeinheit P hatten Temperaturen von 111ºF, 116ºF, 112ºF und 102ºF. Die durchschnittliche Temperatur an der Oberfläche an Stellen zwischen den Thermistoren 10 war etwa 121ºF, mit einem Maximum von l34ºF und einem Minimum von 108ºF. Solche Ergebnisse zeigen die wirksame Wärmeübertragung von den Thermistoren 10 zu den leitenden Bahnen 16, 18 und die gute thermische Leitung der leitenden Bahnen 16, 18.
• Es ist zu verstehen, daß aufgrund der Anfangswärmeerzeugung an den Thermistoren die Heizeinheit selektiv in irgendeine gewünschte Form gebildet oder geschnitten werden kann, während im wesentlichen die gleiche Watt-pro-Fläche-Fähigkeit für den ausgewählten Bereich beibehalten wird, unter Annahme eines gleichen Bereichs bleibender Heizeinheit pro Thermistor.
• Die vorgehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung dienen als Beispiel, und verschiedene Änderungen in der Größe, Form und den Materialien sowie in den Einzelheiten der dargestellten Konstruktion können gemacht werden.

Claims (9)

1. Elektrische- Heizeinheit, enthaltend: erste und zweite Leitermittel, die parallel zueinander verlaufen und voneinander einen Abstand aufweisen, zur Leitung elektrischen Stroms und zur Leitung von Wärme; wobei jedes der Leitermittel eine im wesentlichen flache Bahn (16, 18) aus elektrisch und thermisch leitendem Material aufweist; aus Heizmaterial mit veränderbarem Widerstand gebildete Heizmittel, die zwischen den ersten und zweiten Leitermitteln zur Erzeugung von Hitze, wenn Strom durch sie fließt, elektrisch verbunden sind, wobei das Heizmaterial mit veränderbarem Widerstand in seinem Widerstand im wesentlichen zunimmt, wenn eine Temperaturgrenze erreicht wird- zur Verringerung des durch die Heizmittel fließenden Stroms zur Steuerung der Hitzeabgabe der Heizeinrichtung, wobei die Heizmittel eine Vielzahl von Chips (10) des Heizmaterials mit veränderbarem Widerstand enthalten; zwischen den Leitermitteln angeordnete elektrische Isoliermittel (12) zur Verhinderung des Kontakts zwischen den ersten und zweiten Leitermitteln; und außerhalb der Leitermittel angeordnetes elektrisches Isoliermaterial (20) zur Verhinderung eines Kurzschlußes oder Schocks, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Chips (10) in einem zweidimensionalen Feld (Gitter) angeordnet ist.

2. Heizeinheit nach Anspruch 1, bei der die elektrischen Isoliermittel (12) ein Isoliermaterial mit Öffnungen (14) in mit Abstand versehenen Intervallen enthalten, in denen die Chips (10) mit veränderbarem Widerstand angeordnet sind.

3. Heizeinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Öffnungen (14) gleichförmig voneinander mit Abstand versehen sind, um die Chips (10) gleichförmig über die Fläche der Heizeinheit (P) anzuordnen.

4. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes der Leitermittel gewebtes Drahtgewebe aufweist.

5. Heizeinheit nach Anspruch 4, bei der das Drahtgewebe Kupfer ist.

6. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin enthaltend eine metallische Umhüllung (22), die über dem elektrischen Isoliermaterial (20) gebildet ist.

7. Heizeinheit nach Anspruch 6, bei der die metallische Umhüllung (22) aus nicht rostendem Stahl gebildet ist.

8. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leitermittel eine Vielzahl von in ein Gewebe gewebten elektrisch leitenden Fasern aufweisen.

9. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leitermittel (16, 18), die elektrischen Isoliermittel (12) und das elektrische Isoliermaterial (20) alle flexibel sind, um es zu ermöglichen, daß die Heizeinheit (P) gebogen werden kann, um den verschiedenen von der Heizeinheit (P) zu heizenden Gegenständen in der Form zu entsprechen.