DE3928043A1

DE3928043A1 - Flaechige heizvorrichtung

Info

Publication number: DE3928043A1
Application number: DE3928043A
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Uchida; Hiroto Fujiwara
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1990-03-01
Also published as: JPH0261976A; US5006696A

Description

Die Erfindung betrifft eine flächige Heizvorrichtung, insbesondere eine Heizfolie mit einem blatt- oder folienartigen organischen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC).

Eine Schicht, Platte oder Folie eines organischen PTC-Thermistors wird hergestellt, indem man organische Polymermaterialien, beispielsweise Polyolefin, Polyethylen, mit leitfähigen Partikeln, wie etwa Ruß, Graphit oder Metallpulver, gründlich vermischt und zu einer Folie oder einer dünnen Schicht formt. Der elektrische Widerstand dieser Schicht weist einen positiven Temperaturkoeffizienten bei Null-Leistung auf, d. h., der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur annähernd linear zu. Üblicherweise ist eine Heizfolie mit einem organischen PTC-Thermistor so aufgebaut, daß zwei Elektroden auf einer Oberfläche der Thermistorschicht aus organischen Polymermaterialien mit leitfähigen Partikeln angebracht ist, während auf der entgegengesetzten Oberfläche eine Wärmeausgleichsschicht (Platte oder Folie) aufgeklebt oder in sonstiger Weise angebracht ist, die dazu dient, eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen. Derartige Heizfolien haben den Vorteil, daß sie aufgrund der Eigenschaften des Materials des organischen PCT-Thermistors flexibel sind, so daß sie an vielfältige Anwendungszwecke angepaßt werden können.

Wenn die Wärmeausgleichsschicht nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, muß diese Schicht jedoch relativ dick ausgebildet werden. Hierdurch wird der Wärmewirkungsgrad und die Wärmeverteilung beeinträchtigt, und die Flexibilität der Folie wird eingeschränkt, so daß die Eigenschaften des organischen Thermistors nicht voll ausgenutzt werden können.

Wenn die Dicke der Ausgleichsschicht verringert wird, kann man die Flexibilität des organischen Thermistormaterials ausnutzen, doch ergibt sich in diesem Fall keine zufriedenstellende Wärmeverteilung.

Wenn andererseits die Dicke der Ausgleichsschicht erhöht wird, so werden die Wärmeverteilungseigenschaften verbessert, doch kann die Flexibilität des Thermistormaterials nicht ausgenutzt werden. Außerdem nimmt in diesem Fall auch die Wärmekapazität der Ausgleichsschicht selbst zu, so daß mehr Zeit benötigt wird, um die Temperatur der Ausgleichsschicht zu erhöhen. Das heißt, der Wärmewirkungsgrad nimmt ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flächige Heizvorrichtung oder Heizfolie zu schaffen, bei der einerseits die Flexibilität des organischen PTC-Thermistors voll ausgenutzt werden kann und andererseits eine verbesserte, gleichmäßigere Wärmeverteilung erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 angegeben.

Eine erfindungsgemäße flächige Heizvorrichtung, im folgenden als "Heizfolie" bezeichnet, weist einen platten-, folien- oder schichtförmigen organischen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) auf, auf dessen einer Oberfläche wenigstens ein Elektrodenpaar ausgebildet ist, während auf der entgegengesetzten Oberfläche eine Wärmeausgleichsplatte angebracht, beispielsweise angeklebt ist, deren Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm liegt und deren Material eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1,7 W cm⁻¹ K⁻¹ (0,4 cal cm⁻¹ s⁻¹ deg⁻¹) aufweist.

Durch diese Wahl der Dicke und der Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichsschicht werden die Wärmeverteilungseigenschaften der Ausgleichsschicht oder Ausgleichsplatte oder -folie verbessert, ohne daß die Flexibilität der Thermistorschicht und damit der gesamten Heizfolie beeinträchtigt wird.

Darüber hinaus ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Heizfolie keine nennenswerte Erhöhung der Wärmekapazität der Ausgleichsschicht, so daß die zur Erhöhung der Temperatur der Ausgleichsschicht benötigte Zeit verkürzt wird. Dies bedeutet, daß der Wärmewirkungsgrad verbessert wird.

Für die Ausgleichsschicht wird ein Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften, vorzugsweise Aluminium, mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 1,7 und 2,3 W cm⁻¹ K⁻¹ (0,4 und 0,55 cal cm⁻¹ s⁻¹ deg⁻¹) verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Heizfolie in der Draufsicht;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 graphische Darstellungen der Ergebnisse von Temperaturmessungen an den Enden und in der Mitte einer Ausgleichsplatte und der verwendeten Leistung bei verschiedenen Typen von Heizfolien;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der Ausgleichsplatte und dem Zeitpunkt, an dem die Temperatur an den Enden der Ausgleichsplatte 0°C übersteigt.

Eine organische PTC-Thermistorschicht 1 wird hergestellt, indem man Polymermaterialien, wie etwa Polyolefin, Polyethylen, gründlich mit leitfähigen Partikeln, beispielsweise Ruß, Graphit oder Metallpulver, vermischt und in einem Heißpreßvorgang zu einem Blatt oder einer Folie formt. Auf einer der Hauptflächen der Thermistorschicht 1 werden gemäß Fig. 1 zwei kammförmige Elektroden 2 und 3 angebracht. Die Elektroden 2 und 3 werden durch eine hauptsächlich aus Silber, Kupfer oder Nickel bestehende Leitpaste gebildet und werden nach einem bekannten Verfahren zur Bildung von Elektroden, beispielsweise im Siebdruckverfahren, hergestellt. An jeder der Elektroden 2 und 3 ist eine Anschlußklemme 4 bzw. 5 für den elektrischen Anschluß der Elektroden befestigt.

Eine Wärmeausgleichsplatte oder -schicht ist an der gegenüberliegenden Oberfläche der organischen PTC-Thermistorschicht oder -platte 1 angebracht und haftet an dieser an. Die Ausgleichsschicht 6 besteht aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Aluminium. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel dient ein druckempfindliches doppelseitig beschichtetes Klebeband zum Ankleben der Ausgleichsschicht 6 an die Thermistorschicht 1. Die Ausgleichsschicht 6 weist eine größere Fläche als die Thermistorschicht 1 auf.

Nachfolgend sollen die Ergebnisse von Versuchen beschrieben werden, bei denen Heizfolien gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen 1 bis 3 und gemäß Vergleichsbeispielen 1 bis 4 mit dem oben beschriebenen Aufbau hergestellt wurden, wobei Ausgleichsplatten mit verschiedenen Größen und aus verschiedenen Materialien verwendet wurden, wie nachfolgend im einzelnen angegeben wird. Es wurde jeweils eine Gleichspannung von 16 Volt angelegt, und es wurden die Temperaturen in der Mitte und an den Enden der Ausgleichsplatte sowie die Leistungsaufnahme der Heizfolie gemessen.

Beispiel 1

Die Thermistorschicht 1 hatte die Abmessungen 40×100×0,1 mm, und die Ausgleichsschicht 6 wurde durch eine Aluminiumfolie mit den Abmessungen 80×150×0,1 mm gebildet. Die thermische Leitfähigkeit der Aluminiumfolie betrug 2,045 W cm⁻¹ K⁻¹ (0,487 cal cm⁻¹ s⁻¹ deg⁻¹).

Beispiel 2

Die Dicke der Ausgleichsplatte 6 betrug 0,2 mm. Im übrigen stimmte die Heizfolie mit der Folie gemäß Beispiel 1 überein.

Beispiel 3

Bei diesem Ausführungsbeispiel betrug die Dicke der Heizfolie 0,3 mm. Im übrigen stimmte die Heizfolie mit der Folie gemäß Ausführungsbeispiel 1 überein.

Vergleichsbeispiele 1 bis 3

Bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 hatte die Heizfolie die gleichen Abmessungen und bestand aus den gleichen Materialien wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung, mit dem Unterschied, daß die Dicke der Ausgleichsschicht 6 0,05 mm, 0,4 mm bzw. 0,5 mm betrug.

Vergleichsbeispiel 4

Bei dem Vergleichsbeispiel 4 bestand die Ausgleichsschicht 6 nicht aus Aluminium, sondern aus Eisen. Die thermische Leitfähigkeit der Ausgleichsschicht betrug 0,63 W cm⁻¹ K⁻¹ (0,15 cal cm⁻¹ s⁻¹ deg⁻¹). Im übrigen stimmte die Heizfolie gemäß diesem Vergleichsbeispiel mit dem Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung überein.

Die Ergebnisse von Temperaturmessungen in der Mitte und an den Enden der Ausgleichsplatte und die Ergebnisse von Messungen der Leistungsaufnahme sind für die Ausführungsbeispiele 1 bis 3 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 4 in der nachfolgenden Tabelle 1 sowie in Fig. 3 wiedergegeben.

Tabelle 1

Aus der Tabelle 1 lassen sich die folgenden Zusammenhänge entnehmen: Wenn die Dicke der Ausgleichsschicht 6 verringert wird, nimmt die Differenz zwischen den Temperaturen in der Mitte und an den Enden der Ausgleichsschicht zu, so daß sich die Ausgleichseigenschaften verschlechtern. Wenn andererseits die Dicke der Ausgleichsschicht 6 erhöht wird, nimmt die Leistungsaufnahme zu, so daß der Wirkungsgrad oder der Anstieg der Temperatur der Ausgleichsschicht in bezug auf den Anstieg des Energieverbrauchs ungünstiger wird.

Wenn die Ausgleichsschicht 6 aus einem Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit besteht, lassen sich keine zufriedenstellenden Wärmeausgleichseigenschaften erreichen, so daß die Differenz zwischen den Temperaturen in der Mitte und an den Enden der Ausgleichsschicht weiter zunimmt.

In einem weiteren Versuch wurde die Gleichspannung von 16 Volt an die Heizfolien mit den verschiedenen Ausgleichsschichten 6 bei einer Temperatur von -30°C angelegt, um die Geschwindigkeit zu messen, mit der die Temperatur der Ausgleichsschicht zunahm. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt. In der Graphik gemäß Fig. 4 ist die Zeit, bei der die Temperatur an den Enden der Ausgleichsschicht den Wert von 0°C überschritt, gegen die Dicke der Ausgleichsschicht aufgetragen.

In Fig. 4 ist zu erkennen, daß, wenn die Dicke der Ausgleichsschicht zu klein oder zu groß ist, die Temperatur der Ausgleichsschicht nicht wirksam innerhalb einer kurzen Zeit erhöht werden kann.

Die Dicke der Ausgleichsschicht 6 sollte demnach im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm liegen, und die Ausgleichsschicht 6 sollte aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von wenigstens 1,7 W cm⁻¹ K⁻¹ bestehen, um eine Heizfolie mit einer guten Wärmeverteilung und einem schnellen Temperaturanstieg zu erhalten, bei der zugleich die Flexibilität der organischen PTC-Thermistorschicht 1 ausgenutzt werden kann.

Vorzugsweise besteht die Ausgleichsschicht 6 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 1,7 und 2,3 W cm⁻¹ K⁻¹.

Obgleich in den obigen Ausführungsbeispielen eine Heizfolie mit zwei kammförmigen Elektroden 2 und 3 auf einer der Oberflächen der Thermistorschicht 1 betrachtet wurde, können auch Elektroden mit anderer Form, insbesondere solche mit anderen gebräuchlichen Formen, verwendet werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, zur Wärmeerzeugung mehr als zwei Elektrodenpaare zu verwenden.

Claims

1. Flächige Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch

- einen blatt- oder schichtförmigen organischen Thermistor (1) mit positivem Temperaturkoeffizienten,
- wenigstens zwei auf einer Oberfläche des Thermistors (1) ausgebildeten Elektroden (2, 3) und einer auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Thermistors (1) ausgebildeten Wärmeausgleichsschicht (6),
- bei der die Dicke der Ausgleichsschicht (6) zwischen 0,1 mm und 0,3 mm liegt und
- die thermische Leitfähigkeit des die Ausgleichsschicht bildenden Materials wenigstens 1,7 W cm⁻¹ K⁻¹ beträgt.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Leitfähigkeit der Ausgleichsschicht im Bereich von 1,7 bis 2,3 W cm⁻¹ K⁻¹ liegt.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (6) aus Aluminium besteht.

4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Elektrodenpaar durch kammförmig ineinandergreifende Elektroden (2, 3) gebildet wird.

5. Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Ausgleichsschicht (6) größer sind als die der dieser zugewandten Oberfläche des Thermistors (1).