DE3879755T2

DE3879755T2 - Elektrische Heizvorrichtung.

Info

Publication number: DE3879755T2
Application number: DE88304034T
Authority: DE
Inventors: Robert George Hill
Original assignee: Acrilyte Technology Ltd
Current assignee: CV Buchan Ltd
Priority date: 1987-05-05
Filing date: 1988-05-04
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2008-05-05
Also published as: IE62383B1; DK242188D0; DK168908B1; IE881252L; DK242188A; EP0290240B1; EP0290240A3; EP0290240B2; DE3879755T3; DE3879755D1; ZA883175B; NZ224496A; US5237155A; AU1559288A; GB8710634D0; FI882090A0; CA1285977C; NO881950L; EP0290240A2; ATE87788T1

Description

Diese Erfindung betrifft ein elektrisches Heizgerät.
Es gibt so viele Ausgestaltungen von elektrischen Heizgeräten wie es Verwendungen dafür gibt, aber sie bestehen unveränderlich aus Geräten, die entweder bei Rotglut arbeiten oder infolge einer zugehörigen Thermostatsteuerung bei niedrigerer Oberflächentemperatur betrieben werden.
Wegen der kühlenden Wirkung von durchgehenden Luftströmen können Heizlüfter oder Konvektionsheizungen Widerstandselemente enthalten, die zwischen 400ºC und 500ºC arbeiten. Jedoch muß darin für den Fall eines Ausfalls des Ventilators oder einer Behinderung des freien Luftdurchflusses eine thermische Abschalteinrichtung eingebaut sein.
Ein elektrischer Heizkörper kann die Form eines ölgefüllten Gerätes annehmen, das thermostatisch geregelt werden muß, damit die Temperatur an der Oberfläche des Heizkörpers nicht bei einem Wert betrieben wird, der in der Heizkörperkammer Verkohlung des Wärmeübertragungsöls bewirken könnte.
Elektrische Trockenheizkörper brauchen nicht thermostatisch geregelt zu werden, tendieren aber zu leichtgewichtigen Stahlrohrgeräten, die ein sehr heißes Element einschließen, das durch einen Luftraum mit einem Radius von ca. 2 cm von der Oberfläche des rohrförmigen Gehäuses getrennt ist.
Schließlich liegt im Fall einer elektrischen Decke ein Gerät vor, das thermostatisch oder durch einen Verhältniswiderstand so gesteuert wird, daß der sehr feine Kupferdraht, der das Widerstandselement bildet, nicht bei einer Oberflächentemperatur arbeiten kann, welche über der Zersetzungstemperatur des Deckengewebes liegt.
In all diesen Geräten ist eine gewisse Art des Schutzes notwendig, um die Temperatur zu kontrollieren, und in jedem Fall arbeiten die verwendeten Widerstandselemente entweder bei hohen Temperaturen oder würden bei hohen Temperaturen betrieben, wenn die Thermostatregelung durch Defekt verloren geht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Probleme zu überwinden.
Nach der Erfindung ist ein elektrisches Heizgerät vorgesehen, das einen elektrischen Leiter oder ein elektrisches Widerstandselement aufweist, der bzw. das in einen Polymerzementblock eingeschlossen ist, der zwischen 75 Gew.-% und 95 Gew.-% eines anorganischen oder mineralischen Materials mit einer Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 20 mm und zwischen 5% und 25% eines abgebundenen Polymer- oder Kunststoffmaterials enthält; und Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu dem Element außerhalb des Blocks.
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Heizgerätes zur Verfügung, und das Verfahren umfaßt die folgende Reihe von Schritten:
(a) Bereitstellen einer Form in einer Ausbildung oder Ausgestaltung, die für die beabsichtigte Verwendung des Gerätes geeignet ist;
(b) im wesentlichen mittiges Abstützen eines elektrischen Leiters oder Widerstandselementes in der Form; 30
(c) Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Element und außerhalb der Form;
(d) Hinzufügen einer Zementmischung zu der Form derart, daß diese die Form im wesentlichen füllt, welche Zementmischung enthält:
(i) zwischen 75 Gew.-% und 95 Gew.-% eines anorganischen oder mineralischen Materials mit einer Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 20 mm; und
(ii) zwischen 5 Gew.-% und 25 Gew.-% eines Monomers, das unter Verwendung eines geeigneten Katalysators polymerisierbar ist;
(e) Polymerisierenlassen des Monomers und Härtenlassen der erhaltenen Mischung; und
(f) Entnehmen des Gerätes aus der Form.
Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Heizgerätes zur Verfügung, welches Verfahren die folgende Reihe von Schritten umfaßt:
(a) Bereitstellen einer Form in einer Ausbildung oder Ausgestaltung, die für die beabsichtigte Verwendung des Gerätes geeignet ist;
(b) im wesentlichen mittiges Abstützen eines elektrischen Leiters oder Widerstandselementes in der Form;
(c) Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Element und außerhalb der Form;
(d) Hinzufügen einer Zementmischung zu der Form derart, daß diese die Form im wesentlichen füllt, welche Zementmischung enthält:
(i) zwischen 75 Gew.-% und 95 Gew.-% eines anorganischen oder mineralischen Materials mit einer Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 20 mm; und
(ii) zwischen 5 Gew.-% und 25 Gew.-% eines Kunststoffmaterials mit einer Teilchengröße, die das Kunststoffmaterial befähigt, das anorganische oder mineralische Material zu belegen;
(e) Anlegen von Wärme und/oder Druck zum Abbinden der erhaltenen Mischung; und
(f) Entnehmen des Gerätes aus der Form.
Die Teilchengröße des anorganischen oder mineralischen Materials liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 3 mm. Am meisten bevorzugt haben bis zu 25 Gew.-% des anorganischen oder mineralischen Materials eine Teichengröße zwischen 0,05 und 0,3 mm. Das anorganische oder mineralische Material kann irgendein fein verteilter Stoff aus dem Bereich von Sand über Glaspulver zu irgendeiner Art von pulerisiertem Stein sein. Vorzugsweise kann der anorganische oder mineralische Stoff ausgewählt sein aus der Gruppe Natriumbicarbonat, Trinatriumpolyphosphat, Calciumphosphat, Bariumsulfat, Schwerspat, Bismuthoxichlorid, Bariumthiosulfat, Quarz, Kalkstein, Schiefer, Marmor, Sandstein oder Glas.
Das abgebundene Polymer kann von einem flüssigen Monomer abgeleitet sein, das mit dem mineralischen oder anorganischen Material chemisch verträglich ist und das unter Verwendung eines geeigneten Katalysators gehärtet, abgebunden oder polymerisiert werden kann. Das Monomer kann ausgewählt sein aus der Gruppe Acryl-, Acrylat-, Methacryl-, Methacrylat-, Polyester- oder Epoxisysteme. Der verwendete Katalysator hängt von der Art des Systems ab, das polymerisiert oder abgebunden werden soll. Solche Katalysatoren schließen Benzoylperoxid, Methylethylketonperoxid, ein Amin, Ultraviolettstrahlung oder Gammastrahlung ein.
Das Kunststoffmaterial umfaßt vorzugsweise ein pulverförmiges Polymermaterial mit einer Teilchengröße, die das Polymermaterial befähigt, den anorganischen oder mineralischen Stoff zu überziehen, und bildet nach der Anwendung von Wärme und Druck zusammen mit dem anorganischen Material oder mineralischen Stoff einen verfestigten Polymerzementblock.
Der Polymerzementblock enthält zwischen 5 und 25 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% bis 15 Gew.-% des Kunststoffmaterials. Das Kunststoffmaterial kann Polyethylen hoher Dichte oder Polypropylen oder Nylon sein, das in Teilchengrößen zwischen 150 und 200 B.S. mesh im Handel erhältlich ist. Das Kunststoffmaterial kann rein (farblos) sein oder eine oder mehrere eines weiten Bereiches von Grundfarben und Pastellfarben haben.
Einfaches Mischen des anorganischen oder mineralischen Materials mit dem Kunststoffmaterial unter Verwendung einer Schaufel oder eines Bandmischers reicht für eine gute Belegung des anorganischen oder mineralischen Materials mit dem Kunststoffmaterial aus. Das ausgewählte anorganische oder mineralische Material muß bei der Temperatur der Wärmebehandlung und beim Druck, die während des Abbindens verwendet werden, beständig sein. Rütteln und Evakuieren der Mischung ist vor Anlegen der Wärme normalerweise nicht erforderlich.
Ein Druck von ca. 15,4 mN/m² (1 Tonne oder weniger pro Quadratzoll) ist alles, was unter Wärmebehandlung erforderlich ist, um zu bewirken, daß das Kunststoffmaterial fließt und dem fertigen Gerät ein fertiges milchiges Aussehen zu geben. Die erforderliche Temperatur muß auf ca. 5ºC oberhalb des Erweichungspunktes des Kunststoffmaterials eingeregelt werden.
Ein Beispiel einer Keramik/Kalkmarmormischung ist wie folgt: -
Calciumcarbonat 0,005 - 0,3 mm 17 Gew.teile
Keramik, Teilchenbereich 0,25 - 0,5 mm 24 Gew.teile
Keramik, Teilchenbereich 0,3 - 0,8 mm 27 Gew.teile
Keramik, Teilchenbereich 1,0 - 1,8 mm 32 Gew.teile
Benzoylperoxid 2%
Methacrylharz 10,5%
und Pigmente (anorganisch).
Die Mischungszeit betrug ca. 180 s und die Vibrationsverdichtungszeit betrug 240 s bei 150 Hz. Die Polymerisationszeit war ca. 2 Stunden.
Der elektrische Leiter oder das Widerstandselement kann eine Legierung aus Chrom und Nickel oder Eisen und Aluminium oder ein faserförmiges Filamentmaterial wie Kohlenstoffaser enthalten.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Heizgerätes kann die Form zur Entfernung von Luft aus der härtbaren Mischung im Fall des Monomers oder aus der erhaltenen Mischung im Fall des Kunststoffmaterials gerüttelt oder evakuiert werden. Zur Unterstützung kann ein Additiv verwendet werden, das aus der Gruppe N,N-Dimethyl-p-toluidin, N,N-Dimethylanilin, Diphenylmethan-4,4-diisocyanat oder Triethylenglycoldimethacrylat ausgewählt ist.
Ausführungen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen: -
Figur 1 eine Querschnittansicht einer ersten Ausführung eines Heizgerätes nach der Erfindung ist;
Figur 2 eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführung eines Heizgerätes nach der Erfindung ist; und
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Rahmenhalterung und eines Widerstandselementes zur Verwendung bei der Herstellung des Heizgerätes nach der Erfindung ist.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen und insbesondere auf deren Figur 1 ist darin ein Heizgerät 10 nach der Erfindung gezeigt, das einen Nickel/Chrom-Widerstandsdraht 2 enthält, der schraubenförmig auf einen Keramikträger 1 aufgewickelt ist, wobei die Drahtenden in Stromschienen 4 enden. Der Keramikträger 1 ist unter Berücksichtigung der elektrischen Verbindung zu den Stromschienen 4 in einen Polymerzementblock 11 eingeschlossen.
Das Heizgerät 10 wurde dadurch hergestellt, daß zuerst der Keramikträger 1 im wesentlichen mittig in eine geeignet gestaltete Form eingebracht wurde, wobei die elektrische Verbindung zu den Stromschienen 4 berücksichtigt wurde. In die Form wurde eine Zementmischung eingebracht, die ungefähr 87 Gew.-% Sandstein und ungefähr 13 Gew.-% Methylmethacrylatmonomer enthielt. Unmittelbar vor dem Einbringen der Mischung in die Form wurde der Zementmischung eine für die Polymerisation des Monomers ausreichende Menge Benzoylperoxid zugefügt. Die erforderliche Katalysatormenge ändert sich unter Beachtung der Umgebungstemperatur und der geforderten Härtungsgeschwindigkeit. Nach der Eingabe der Zementmischung mit dem Katalysator in die Form wird diese gerüttelt, um eine gleichförmige Verteilung der Mischung in der Form sicherzustellen und die Entfernung von Luft daraus zu unterstützen. Falls gewünscht, könnte die Form evakuiert werden, um die Entfernung eingeschlossener Luft zu unterstützen.
Nach der Polymerisation und Härtung wurde das erhaltene Gerät 10 der Form entnommen.
Die Querschnittsfläche des Blocks beträgt ca. 7 cm². Das Gerät wurde mit Wechselstrom von 50 V betrieben und lief viele Tage lang im Gleichgewicht bei einer ständigen Oberflächentemperatur von 90ºC. Das Gerät enthielt keine Thermostaten, und als der Block 10 in zwei Teile zersägt wurde, fand man, daß der Polymerzementblock am Übergang zwischen dem Nickel/Chromdraht 2 und dem Zementblock nicht beschädigt, abgebaut oder verfärbt war.
Bezugnehmend nun auf Figur 2 der Zeichnungen ist dort ein Gerät 20 nach der Erfindung gezeigt, das einen Widerstandsdraht oder ein Element 5 eines (nicht gezeigten) Heizungsstabes, der bzw. das abgewickelt und gleichmäßig durch einen großen, dünnen Block 6 eines Polymerzements hindurch verlegt wurde, sodaß die Drahtenden sauber in einer bündigen Fassung 7 enden, die eine sichere Verbindung zum Netz ermöglicht. Die Dicke des Blocks oder Heizkörpers beträgt ca. 15 mm. Der Widerstandsdraht 5 aus Eisen/Aluminiumlegierung ist so eingerichtet, daß er bei der Spannung des Netzanschlusses (110 bis 120 V oder 220 bis 240 V) arbeitet und doch ohne Thermostatregelung im Gleichgewicht bei einer Oberflächentemperatur von ca. 65ºC arbeitet. Die Zusammensetzung des Zementblocks ist ähnlich der des Zementblocks nach Figur 1 der Zeichnungen. Das Gerät 20 war freistehend gebaut aber könnte in gleicher Weise als wandbefestigte Raumheizung oder Heizkörper arbeiten.
Bei der Herstellung von Heizgeräten nach der Erfindung ist es wichtig, jedoch nicht wesentlich, daß der elektrische Leiter oder das Widerstandselement straff gehalten ist, wenn es in den Block eingeschlossen wird. Ferner ist es üblicherweise unabhängig von der Form des Heizgerätes aber insbesondere dann, wenn das Heizgerät eine andere als eine einfache geometrische Form hat, notwendig, den metallischen Leiter oder Widerstandsdraht in dem Heizblock straff und unter Widerspiegelung der Form des Heizblocks zu halten. Dies wird am besten dadurch erreicht, daß eine Kabelbaumhalterung vorgesehen wird.
Bezugnehmend nun auf Figur 3 der Zeichnungen umfaßt die Kabelbaumhalterung einen geeignet geformten Rahmen 21, der aus Polypropylen hergestellt ist, in dem ein elektrischer Leiter oder ein Widerstandselement 23 über Ständer 25 verlegt ist, die im wesentlichen in gleichen Abständen entlang dem Rahmen 21 angeordnet sind. Nicht abgestützte Drahtleitungen 24 sind mit einer geeigneten (nicht gezeigten) Fassung verbunden. Der Rahmen 21 enthält auch daran befestigte Abstandsfüße 22, sodaß die Füße 22 auf dem Boden der Form stehen, wenn der Rahmen 21 in eine geeignet gestaltete Form eingebracht wird, und der Rahmen 21 mit dem daran befindlichen metallischen Leiter oder Widerstandselement 23 im wesentlichen in der Mitte der Tiefe der Form angeordnet ist. Auf die Verwendung der Füße 22 kann verzichtet werden, und der Rahmen 21 kann von oben an geeigneten (nicht gezeigten) Polypropylenfäden so herabhängen, daß er in der Mitte der Tiefe der Form angeordnet ist. Nach dem Härten können die Fäden abgeschnitten werden. Die an der Oberfläche des Gerätes frei liegenden Fäden beeinträchtigen den ästhetischen Gesamteindruck des Heizgerätes wegen des sehr geringen Durchmessers der verwendeten Fäden nicht. Die Fassung wird in einem Stück mit der Halterung geformt.
Da der metallische Leiter oder das Widerstandselement so ausgewählt ist, daß er bzw. es nicht bei Temperaturen über 95ºC arbeitet, ist die Verwendung von einem Polypropylenrahmen und -haltern zulässig.
Jedes Heizgerät kann auf Bestellung angefertigt werden, indem der Widerstandsdraht geeigneten Querschnitts sorgfältig aus einem veränderlichen Wahlbereich ausgewählt wird, der von der Art der Legierung und vom elektrischen Widerstand pro Längenmeter abhängt. Für die meisten Anwendungen ist eine Packungsdichte des Drahtes zur Herstellung von Geräten brauchbar, die ca. 1 kW pro Quadratmeter abgeben können.
In Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit der Mischung sind die Oberflächentemperaturen der Leistungsabgabe direkt proportional. Ein Beispiel für die Oberflächentemperatur bei einem Heizgerät, das 91% einer Mischung aus Quarz und Calciumcarbonat enthält, ist 75ºC bei einem Gerät mit einer Leistungsabgabe von 750 W/m².
Es gibt zahlreiche Arten und Formen von Geräten, die nach der Lehre der Erfindung gebaut werden können. Es wird angenommen, daß die Lebensdauer der Geräte nach der Erfindung im Vergleich zu gewöhnlichen Geräten relativ groß ist, da die Widerstandselemente nicht direkt in Berührung mit Luft stehen, schwingungsfrei sind und nur bei Oberflächentemperaturen gut unter 100ºC betrieben werden. Tatsächlich ist es für die Ausbildung eines Heizgerätes nach der Erfindung notwendig, nicht nur die jeweiligen Sicherheitstemperaturen der Oberfläche beim Betrieb des Heizgerätes zu beachten, wobei daran zu denken ist, daß eine thermische Abschalteinrichtung unnötig ist, sondern es muß auch die thermische Zrsetzungstemperatur des abgebundenen Polymers oder Kunststoffmaterials bekannt sein, das beim Bau des Heizgerätes verwendet wird.
Es können auch die dekorativen Eigenschaften des Polymerzementblocks ausgenutzt werden, der bei der Konstruktion der Heizgeräte nach der Erfindung verwendet wird. Die Heizgeräte können als dekorative Wandplatten oder -tafeln geformt werden. Wandmontierte Heizkörper können dick oder dünn sein und Gelüberzüge tragen, die mit Flittern (oder Schuppen von Folien aus Aluminium, Kupfer, Bronze oder Zinn) metallisiert sind oder mit gleichförmigen, verwirbelten Marmoreffekten pigmentiert sind. Der Notwendigkeit für beheizte Theken in Küchen oder Restaurants kann mit einem Heizgerät nach der Erfindung begegnet werden, und solche Oberflächen können sowohl hygienisch und dekorativ als auch säure- und waschmittelfest sein.
Durch die Verwendung von mineralischen und anorganischen Füllstoffen, als die Zinnpulver, Bariumthiosulfat, Bismuthoxichlorid, Natriumbicarbonat oder Kreide/Lampenrußmischungen eingesetzt werden können, können dekorative Endstrukturen wie PLEASE KEY IN THIS PAGE - ORIGINAL PAGE 11

Claims

1. Elektrisches Heizgerät,

gekennzeichnet durch einen elektrischen Leiter oder ein elektrisches Widerstandselement, der bzw. das in einen Polymerzementblock eingeschlossen ist, der zwischen 75 Gew.-% und 95 Gew.-% eines anorganischen oder mineralischen Materials mit einer Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 20 mm und zwischen 5 % und 25 % eines abgebundenen Polymer- oder Kunststoffmaterials enthält; und Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu dem Leiter oder Element außerhalb des Blockes.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische oder mineralische Material Natriumbicarbonat, Trinatriumpolyphosphat, Calciumphosphat, Bariumsulfat, Baryt, Bismuthoxychlorid, Bariumthiosulfat, Quarz, Kalkstein, Schiefer, Marmor, Sandstein oder Glas ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abgebundene Polymer von einem flüssigen Monomer stammt, das mit dem mineralischen oder anorganischen Material chemisch verträglich ist und durch Verwendung eines Katalysators gehärtet, verfestigt oder polymerisiert werden kann.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Monomer ein Acryl-, Acrylat-, Methacryl-, Methacrylat-, Polyester- oder Epoxysystem ist und der Katalysator Benzoylperoxid, Methylethylketonperoxid, ein Amin, Ultraviolettstrahlung oder Gammastrahlung ist. PLEASE TYPE IN DPA 14

die enthält

(i) zwischen 75 Gew.-% und 95 Gew.-% eines anorganischen oder mineralischen Materials mit einer Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 20 mm; und

(ii) zwischen 5 Gew.-% und 25 Gew.-% eines Monomers, das bei Verwendung eines geeigneten Katalysators zur Polymerisation fähig ist;

(e) Polymerisierenlassen des Monomers und Abbindenlassen der resultierenden Mischung; und

(f) Entnehmen des Gerätes aus der Form.

9. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, gekennzeichnet durch die nachstehende Folge von Schritten:

(a) Bereitstellen einer Form in einer Ausbildung oder Ausgestaltung, die für die beabsichtigte Verwendung des Gerätes geeignet ist;

(b) Abstützen eines elektrischen Leiters oder Widerstandselementes im wesentlichen mittig in der Form;

(c) Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Element und außerhalb der Form;

(d) Hinzufügen einer Zementmischung zu der Form derart, daß diese die Form im wesentlichen füllt, und die enthält

(ii) zwischen 5 Gew.-% und 25 Gew.-% eines Kunststoffmaterials mit einer Teilchengröße, die das Kunststoffmaterial befähigt, das anorganische oder mineralische Material zu belegen;

(e) Anlegen von Wärme und/oder Druck zum Abbinden der resultierenden Mischung; und

(f) Entnehmen des Gerätes aus der Form.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, weiter gekennzeichnet durch den Schritt des Rüttelns oder Evakuierens der Mischung zur Entfernung von Lufteinschlüssen vor dem Schritt des Abbindens der Mischung.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10, ferner gekennzeichnet durch die Zugabe eines chemischen Zusatzes zu der Zementmischung, um die Entfernung von Luft aus der Zementmischung zu unterstützen.