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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Widerstandsheizvorrichtungen
und vor allem eine elektrische Widerstandsheizvorrichtung, die aus
einem oder mehreren Verbundpolymeren geformt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische
Widerstandsheizvorrichtungen sind in der Industrie allgemein üblich und
umfassen üblicherweise
einen Widerstandsdraht, der mit einem elektrischen Strom beaufschlagt
wird, einen keramischen Kern, um den herum besagter Draht angeordnet
ist, eine dielektrische keramische Schicht, die den stromführenden
Kern umgibt, sowie einen Mantel aus einer Metalllegierung, der den
Aufbau vervollständigt.
Eine Form von elektrischen Heizvorrichtungen, die als Patronenheizung
bekannt ist und in einem sehr breiten Anwendungsbereich verwendet wird,
hat einen zylindrischen Mantel, der früher aus korrosionsbeständigen Metalllegierungen
wie Edelstahl oder Nickel-Chrom-Stahl (Incoloy) hergestellt wurde.
Um die thermische Leistungsfähigkeit
des Heizelements zu verbessern, ist der vorbeschriebene Aufbau typischerweise
mit Sicken versehen.
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In
jüngerer
Zeit hat die Industrie nach alternativen Patronenheizungen gesucht,
die weniger wiegen, in der Herstellung weniger kosten, die mit größerer geometrischer
Freiheit gestaltet werden können,
und die kosteneffizient in Massenfertigung hergestellt werden können, wobei
sie gleichzeitig überlegene
thermische und mechanische Leistungen erbringen. Eine Lösung wurde
im U.S. Patent 5.586.214 an Eckman, dessen gemeinsame Inhaber Energy
Converters, Inc. aus Dallas, Pennsylvania, und Rheem Mfg. Co. aus
New York, New York, sind, vorgestellt. Eckman offenbart einen Tauchheizer,
in der Form einigermaßen ähnlich einer
Patronenheizung, der aber hohl ist und Öffnungen in der Hülle aufweist.
Anstelle eines massiven Zylinders, bildet der Kern eine hohle Röhre aus
spritzgegossenem Polymer, auf die ein Mantel durch Spritzgießen aufgebracht
wird. Somit hat die Heizvorrichtung keinen „Kern" im herkömmlichen Sinne. Die Heizvorrichtung nach
Eckman ist in 1 dargestellt.
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Die
Heizvorrichtung nach Eckman hat gewisse Vorteile gegenüber dem
Stand der Technik, wie geringes Gewicht, geringe Herstellungskosten
bei hohem Volumen, sowie ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegen galvanische Korrosion
und Mineralablagerungen. Dennoch hat die Heizvorrichtung nach Eckman
viele Einschränkungen,
die sie für
die meisten Anwendungen außer
für Wasserheiztanks
mit niedriger Temperatur und geringem Wärmestrom als nicht wünschenswert
belässt.
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Dies
wird von der Beschränkung
thermoplastischer Matrizen bei der Aufnahme von Füllmedien unterstützt. In
diesem Zusammenhang offenbart Eckman, dass der Füllungsgrad in diesen Polymermatrizen
40 Gew.% nicht übersteigen
kann, was mit den Untersuchungsergebnissen übereinstimmt, die während der
Entwicklung der vorliegenden Erfindung gewonnen wurden.
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Bei
der Eckman'schen
Heizvorrichtung einen massiven Kern (oder zumindest einen mit wesentlich größerer Wanddicke)
vorzusehen, ist nicht so einfach, wie die Geometrie des Polymers,
um das der Widerstandsdraht gewickelt ist, zu ändern. Wenn ein Kernpolymer
mit der gleichen temperaturabhängigen Wärmeausdehnungsfunktion
wie das äußere Polymer
verwendet wird, wird die Heizvorrichtung zu Sprüngen und zum Versagen neigen,
wenn sie unter Strom gesetzt und auf Betriebstemperatur gebracht wird.
Eckman lehrt, dass die äußere Polymerbeschichtung
weniger als 0,5 Inch (1,3 cm) und idealerweise weniger als 0,1 Inch
(0,3 cm) betragen soll, was zu weiterem Verlust an Strukturstabilität führt. Eckman
erzielt etwas höhere
Wärmeleitfähigkeit
und höhere
mögliche
Wärmeströme als in
einem reinen Polymer, indem er die Verwendung von Kohlenstoff, Graphit
und Metallpulver oder -flocken als Additiv vorschlägt. Allerdings
muss die Menge dieser Zusätze
begrenzt werden, um die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der
Heizvorrichtung zu erhalten. Sogar dann wird die Wärmeleitfähigkeit
nicht wesentlich besser als 1,0 W/(m·K).
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Heizvorrichtung
aus geformtem Verbundpolymer mit einem Gemischfüllungsgrad von wesentlich mehr
als 40% vorzusehen.
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Es
ist ebenso ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Heizvorrichtung
aus geformtem Verbundpolymer mit verbesserter struktureller Integrität vorzusehen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung
aus geformtem Verbundpolymer mit größerer Dicke des Kerns, bis
hin zum Extremfall, in dem der Hohlraum im Zentrum des Elementes
verschwindet, vorzusehen.
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Ein
noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung
aus geformtem Verbundpolymer mit verbesserter thermischer Leistungsfähigkeit,
nämlich
Wärmeleitfähigkeit
und maximalem Wärmestrom,
vorzusehen.
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Andere
Ziele der Erfindung werden aus der untenstehenden Beschreibung deutlich
werden.
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Eine
Heizvorrichtung aus geformtem Verbundpolymer umfassend:
einen
Verbundpolymerkern;
ein um den Kern herum angeordnetes elektrisch
leitfähiges
Heizelement, wobei das Heizelement zwei Enden aufweist, die geeignet
sind, einen elektrischen Strom entgegenzunehmen;
und
einen
Mantel, der das Heizelement umgibt, wobei der Mantel aus Verbundpolymer
besteht, welches mehr als 50 Gew.% eines Füllstoffes enthält, der
die Wärmeleitfähigkeit
des zu Grunde liegenden Polymers verbessert, derart, dass der Mantel
einem kontinuierlichen Wärmestrom
von mindestens 0,93 Watt je Quadratzentimeter (6 W/in2)
standhalten kann;
wobei der Füllstoff aus Kohlenstofffasern,
Magnesiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und Bornitrid ausgewählt wird;
und
wobei das Verbundpolymer mittels eines Formverfahrens geformt
wird, das aus der Gruppe umfassend Spritzpressen und Pressformen
ausgewählt
wird.
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Verglichen
mit dem Stand der Technik, der sich speziell auf Spritzgießen bezieht,
erlaubt die vorliegende Erfindung viel höhere Füllgrade. Die höheren Füllgrade,
die 50 Gew.% übersteigen
und bis 90 Gew.% erreichen können,
stellen Verbundpolymere mit besseren mechanischen Eigenschaften
wie Festigkeit, Schlagzähigkeit,
mit überlegenen
thermische Eigenschaften, wie etwa höhere Gebrauchstemperatur, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit,
ebenso wie mit verbesserten elektrischen Eigenschaften, wie dielektrische
Durchschlagsfestigkeit und Isolierwiderstand, bereit. Der Verbundpolymerkern
der Heizvorrichtung verfügt über eingesetzte
Anschlussdrähte, die
einen darum herum angebrachten elektrischen Widerstandsdraht kontaktieren.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise einen größeren Kern
und eine größere Manteldicke,
bis hin zu und einschließend
einen massiven Kern, was eine größere Menge
geometrischer Variationen erlaubt und die Möglichkeit bietet, zusätzliche
Einrichtungen in die Heizvorrichtung einzubringen. Beispielsweise
können
Sensoren an einer bestimmten Stelle, wo eine Temperaturmessung von besonderer
Bedeutung ist, in der Heizvorrichtung eingeschlossen werden, oder
es können
Mikrochips in der Heizvorrichtung eingebettet werden, die in der Heizvorrichtung
integrierte Regelungsmittel ermöglichen.
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Bevorzugt
werden duroplastische Polymere verwendet, obwohl auch einige ausgewählte Thermoplaste
verwendet werden könnten.
Die Polymere sind mit verstärkenden
Zusätzen
gefüllt,
die die Zähigkeit
des rohen und verarbeitbaren Formverbundwerkstoffes erhöhen. In
den erfindungsgemäßen Heizvorrichtungen übersteigt
der Verstärkungsgrad 50%.
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Die
strukturelle Integrität
von Thermoplasten nimmt schnell ab, wenn die Verstärkungsgrade
40% übersteigen,
daher die Bevorzugung von duroplastischen Polymeren, die einen verstärkungsgrad
von 50% übersteigen.
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Es
können
abhängig
von den spezifischen Anforderungen einer Anwendung verschiedene
Füllstoffe
verwendet werden. Manche Anwendungen werden nicht eine so hohe Wärmeleitfähigkeit
benötigen,
werden aber große
mechanische Beanspruchbarkeit und Schlagzähigkeit erfordern. Andere können hohe
chemische Widerstandsfähigkeit,
geringe Feuchtigkeitsaufnahme etc. erfordern.
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Das
Verstärkungsfüllmedium
kann aus einer großen
Menge von Materialien hergestellt sein, jedoch erfordern viele Anwendungen
eine gute Wärmeleitfähigkeit
des Polymermantels. Für
solche Anwendungen wurde ermittelt, dass Keramikpartikel- oder Keramikwhiskerfüller, wie
Magnesiumoxid oder Bornitrid gut funktionieren, zusätzlich zu
vielen Formen von Kohlenstoff Man muss vorsichtig sein bei der Verwendung
von Kohlenstoffverstärkung,
weil dies die dielektrische Durchschlagsfestigkeit von Mantel und
Kern verringert. Die vorliegende Erfindung bezieht Techniken ein,
die hohe Füllgrade
von mindestens 60% Kohlefasern ohne wesentlichen Verlust an dielektrischer
Durchschlagsfestigkeit erlauben, aber gute Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete
mechanische Beanspruchbarkeit erzielen.
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Der
massive Kern kann aus einem Verbundpolymer wie oben beschrieben
hergestellt sein, das in zwei verzahnte Hälften geformt ist. Die Hälften können in
derselben Form hergestellt sein und selbstverbindende Eigenschaft
haben, was die Herstellungskosten senkt.
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Der
fertige Kern wird Bohrungen für
zwei oder mehr Anschlussstifte haben. Für Energiezufuhranschlussstifte
wird der Kern Abschnitte mit freiliegenden Bohrungen haben, so dass
ein Widerstandsdraht an die Stifte geschweißt werden kann. Vorzugsweise
wird eine freiliegende Stelle der Energiezufuhranschlussstifte zu
einem Ende der Heizvorrichtung hin liegen, das fern von der Stelle,
an der die Anschlussstifte aus der Heizvorrichtung selbst austreten,
ist. Eine weitere freiliegende Stelle sollte nahe dem Ende sein,
an dem die Anschlussstifte aus der Heizvorrichtung austreten. Dies
ermöglicht
einen einfach gewickelten Widerstandsdraht, der gegenüber geschleiften
(doppelt gewickelten) Widerstandsdrähten, die mehr zu Hochspannungskurzschlüssen neigen,
zu bevorzugen ist.
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Über dem
Kern wird ein Polymermantel hinzugefügt. Der Mantel besteht im Wesentlichen
aus demselben Verbundpolymer wie der Kern, obwohl die genaue Zusammensetzung
abweichen kann, insbesondere wenn verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten,
für Hochtemperaturanwendungen (~>300°F (149°C)), erwünscht sind. Der größte Teil des
Mantels wird durch Spritzpressen oder Pressformen aufgebracht. Für Anwendungen,
die eine hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit erfordern, kann jedoch
auch eine zusätzliche
Polymerschicht durch Tauchen, Aufsprühen oder Siebdrucken entweder dem
fertig montierten Kern oder der ummantelten Heizvorrichtung hinzugefügt werden.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Damit
die Art und Weise, in der die obenangeführten Eigenschaften, Vorteile
und Ziele der vorliegenden Erfindung erlangt werden, im Einzelnen verstanden
werden kann, soll eine eingehendere Beschreibung der Erfindung,
die vorstehend kurz zusammengefasst ist, durch Verweis auf die Ausbildungsform
davon, die in den beigefügten
Figuren illustriert ist, stattfinden.
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Es
wird jedoch angemerkt, dass die beigefügten Figuren lediglich eine
typische Ausbildungsform dieser Erfindung illustrieren und demzufolge nicht
als Einschränkung
ihres Umfangs angesehen werden können,
da die Erfindung andere gleichwirkende Ausbildungsformen zulassen
kann. Es wird Bezug genommen auf die Figuren, worin:
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1 eine
isometrische Ansicht einer Polymerheizvorrichtung entsprechend dem
Stand der Technik, wie in Eckmans U.S. Patent 5.586.214 offenbart,
ist.
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2 eine
Ansicht von unten eines geformten Verbundpolymerhalbzylinders zur
Verwendung in der aktuellen Heizvorrichtung ist.
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3 eine
Vorderansicht des Kernhalbzylinders aus 2 ist.
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4 eine
Seitenansicht von rechts des Kernhalbzylinders aus 2 ist.
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5 eine
Seitenansicht von links des Kernhalbzylinders aus 2 ist.
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6 eine
isometrische Ansicht eines zylinderförmigen Kerns aus geformtem
Verbundpolymer mit einem darum herum angebrachten Widerstandsdraht
und darin eingesetzten Energiezufuhranschlussstiften ist.
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7 eine
isometrische Ansicht einer Ausbildungsform der vorliegenden geformten
Verbundpolymerheizvorrichtung als Patronenheizvorrichtung ist.
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8 eine
isometrische Ansicht eines gebogenen, flachen Kerns aus geformtem
Verbundpolymer mit einem darum herum angeordneten Widerstandsdraht
und darin eingesetzten Energiezufuhranschlussstiften ist.
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9 eine
isometrische Ansicht einer Ausbildungsform der vorliegenden Verbundpolymerheizvorrichtung
als Flachelement-Tauchheizer ist.
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Eingehende
Beschreibung der Figuren
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Die
vorliegende Erfindung ist eine elektrische Heizvorrichtung, hergestellt
aus einem Verbundpolymer, das entweder spritzgepresst oder pressgeformt
ist. Frühere
Versuche, Polymerheizvorrichtungen herzustellen, haben stets Spritzgießen verwendet,
wodurch die möglichen
Füllgrade
im Polymer begrenzt wurden, was wiederum kommerzielle Einsätze von
Polymerheizvorrichtungen in allen außer den einfachsten Anwendungen
behindert hat. Die vorliegende Erfindung kann in vielen verschiedenen
Anwendungen verwendet werden, teilweise dank der Steigerungen in
Wärmestrom
und mechanischer Beanspruchbarkeit.
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Die
Verwendung höherer
Füllgrade
ermöglicht
auch einen breiteren Bereich in den physikalischen Eigenschaften
von Verbundpolymeren, was wiederum größere Flexibilität bei der
geometrischen Konfiguration der Heizvorrichtung erlaubt. Zusätzlich zur
Herstellung stärkerer,
haltbarerer und thermisch leistungsfähigerer Heizvorrichtungen ermöglicht dies die
Hinzufügung
von zusätzlichen
Einrichtungen in der Heizvorrichtung selbst.
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Bezugnehmend
auf 1, wird eine Polymerheizvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik dargestellt, wie sie von Eckmans U.S. Patent 5.586.214
gelehrt wird. Die Eckman'sche
Heizvorrichtung verfügt über eine
Vielzahl von Löchern 2 im Mantel
der Heizvorrichtung und eine hohle Bohrung 3 anstelle eines
Kerns. Im Gegensatz dazu ist die bevorzugte Ausbildungsform der
vorliegenden Erfindung als zylindrische Verbundpolymerheizvorrichtung 10 in 7 gezeigt.
Die bevorzugte Ausbildungsform schließt einen Mantel 12,
umfassend ein geformtes Gewinde 14 und einen hexagonalen Flansch 16 (beides
für die
Endmontage benutzt), ein. Vom Ende 18 der Heizvorrichtung 10 nahe
den Montageeinrichtungen 14, 16 treten einige
Energiezufuhranschlussstifte 20 hervor. Der Mantel 12 und
die Montageeinrichtungen 14, 16 bestehen aus Polymer und
sind entweder durch Spritzpressen oder Pressformen geformt.
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Unter
dem Mantel 12 verborgen ist ein vollständiger Kern 22, der
in 6 gezeigt ist. Der vollständige Kern umfasst die Energiezufuhranschlussstifte 20,
einen Widerstandsdraht 24, der an Schweißpunkten 26 an
die Energiezufuhranschlussstifte 20 geschweißt ist,
und kann optional aus zwei Kernteilstücken 28 (siehe auch 2 und 3)
bestehen. Die bevorzugten Kernteilstücke 28 sind identisch
und im Wesentlichen zylindrisch und mit halbkreisförmigem Querschnitt
mit Ausnahme eines Endstücks 30 an
jeder Seite.
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Die 2–5 zeigen
ein bevorzugtes Kernteilstück 28.
Jedes bevorzugte Kernteilstück 28 weist
eine lange Rinne 36 auf, die sich in Längsrichtung über dessen
gesamte Länge
erstreckt, und zwei kurze Rinnen 38 in Längsrichtung,
die parallel zu der langen Rinne 36 verlaufen und die sich
von jedem Endstück 30 über die
gleiche Länge
erstrecken, wobei sich von jedem Endstück 30 eine kurze Rinne
erstreckt. Die Rinnen befinden sich auf der flachen Oberfläche 44 des
Kernteilstücks 28 (das
einen halbkreisfömigen
Querschnitt hat). Daher passen, wenn zwei identische Kernteilstücke 28 so
zusammengefügt
werden, dass sie sich mit ihren flachen Oberflächen 44 gegeneinander
abstützen,
die Rinnen 36, 38 eines Kernteilstücks 28 auf
die Rinnen 36, 38 des anderen Kernteilstücks und
bilden so eine Anzahl Bohrungen parallel zur Achse des Zylinders.
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Der
Kern 22 kann eine selbsverbindende Eigenschaft beinhalten,
wobei ein Endstück 30 des Kernteilstücks 28 einen
oder mehrere darauf ausgeformte Haken 32 aufweist, und
das andere Endstück 30 eine
gleiche Anzahl Nuten 34 darin hat. Die Nuten 34 sind
eingerichtet, um die Haken 32 aufzunehmen, die auf dem
anderen Kernteilstück 28 platziert
sind. Dies erlaubt es, Kernteilstücke 28 mit einer einzigen Gussform
kosteneffizient in Massenfertigung herzustellen. Es ist auch möglich, den
Kern zu formen, indem die Anschlussstifte direkt in einen einteiligen Kern
eingeformt werden. Dies führt
buchstäblich
zum Formen des Kerns um die Anschlussstifte herum und würde eine
weniger komplizierte und heikle Wicklungsoperation erlauben, die
sich besser zur Automatisierung eignet.
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Da
die Kernteilstücke 28 durch
ihre jeweiligen Haken 32 und Nuten 34 verbunden
sind, werden die Anschlussstifte 20 in die Bohrungen, geformt durch
die Rinnen 36 und 38, eingeführt. Ein Widerstandsdraht 24,
der aus einem beliebigen in der Fachwelt bekannten Material besteht,
wird dann um die verbundenen Kernteilstücke 28 gewickelt,
beginnend bei einer Schweißkerbe 42 nahe
an den herausragenden Anschlussdrahtstiften (was Zugang zu Anschlussstift 20 in
Rinne 38 schafft) und endend bei einer weiteren Schweißkerbe 40 entfernt
von den herausragenden Anschlussdrahtstiften (was Zugang zu Anschlussstift 20 in
Rinne 36 schafft). Der Widerstandsdraht 24 bedeckt
so einen wesentlichen Teil des Kerns 22. Es ist vorzuziehen,
den Widerstandsdraht 24 lediglich als Einzeldraht um den
Kern 22 zu wickeln. Aufgrund der geometrischen Beschränkungen
der spritzgegossenen Polymerheizvorrichtungen musste nach dem Stand
der Technik der Widerstandsdraht als Doppelstrang um den Kern gewickelt werden,
wobei er um einen Haken nahe dem von den Energiezuführungsanschlussstiften
entfernten Ende der Heizvorrichtung geschlungen wurde. Diese Konfiguration
entsprechend dem Stand der Technik erhöht die Wahrscheinlichkeit von
Hochspannungskurzschlüssen,
was möglicherweise
zu kürzeren
Lebensspannen der Heizvorrichtung oder sogar zum sofortigen Ausfall
und zur Ausmusterung des Produkts führt. Der vorliegende Einzeldraht
ist diesen Beschränkungen
nicht unterworfen. Die vorliegende Erfindung erlaubt es auch, den
Widerstandsdraht völlig
durch eine leitfähige
Tinte zu ersetzen, die auf die Außenseite des Kerns aufgedruckt
wird. Eine typische Tinte für
diesen Gebrauch ist aus der Cermetpolymerwiderstandsserie, die von
Electro-Science Laboratories, Inc. aus King of Prussia, Pennsylvania, vertrieben
wird.
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Spritzpressen
und Pressformen sind in der Kunststofftechnik bekannt, und die Methoden
sind in Molded Thermosets von Ralph E. Wright offenbart. Beim Spritzgießen, das
im Stand der Technik verwendet wurde, erhält eine verdichtende Hohlgewindestangenanordnung
das körnige
Rohmaterial von einem Einfülltrichter
und schmilzt dieses durch einen von einem Heizband unterstützten Hohlgewindestangenabschervorgang.
Die intermittierende Hub- und Drehbewegung der Schraube drückt die
Granalie durch eine Düse
und in die Form selbst.
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Beim
Spritzpressen dagegen plastifiziert eine nichtverdichtende Schraube
das duroplastische Rohgemisch mit Hilfe von Heizbändern vor.
Hier dient der Schraubvorgang lediglich dem Zweck, das Material
vom Einfülltrichter
zu dem nicht reduzierten Rohrausgang zu transportieren, wo die Granalie
geschnitten wird und automatisch in einen zylindrischen Aufnehmer
verbracht wird. Darauf folgt ein Kolben und bringt eine hohe Kraft
(~ 40 t) auf die teigige Granalie auf, einen gewaltigen Druck und
eine Temperaturerhöhung
erzeugend. Darauf folgend fällt
die Viskosität dramatisch
ab und die Reaktionstemperaturschwelle wird überschritten während das
Material durch die Düse
in die Formhöhlung
gedrückt
wird. Ein weiterer Vorteil von Spritzpressen (und Pressformen) ist
ein effizienteres Durchsickern, das eine thermische Überbrückung von
Partikeln mit hoher Wärmeleitfähigkeit
durch Fasern nach sich zieht. Ein noch weiterer Vorteil von Spritzpressen
(und Pressformen) ist, dass eingebettete Fasern, die dem Rohpolymer
zugefügt
wurden, ihre Länge
in diesen Formprozessen besser behalten verglichen mit Spritzgießen. Dies
ist weitgehend infolge der Tatsache, dass Spritzgießen ein
schockartigerer Prozess als andere ist, der die Fasern durch die
Einwirkung heftiger Scherbewegungen brechen lässt. Zusätzlich ist, je länger die
Fasern in der Matrix sind, das Durchsickern dadurch desto effektiver.
Flüssiggemischformen
(„Kunstharzspritzpressen"), eine Variante
von Spritzpressen, kann ebenso in der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
Im letzteren „faserfreundlichen" Prozess wird die
Formhöhlung
mit Füllmaterial
vorgeladen und danach wird die reine Polymermatrix in die Höhlung eingebracht.
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Formbare
Polymere werden generell eingeteilt in entweder Thermoplaste oder
Duroplaste (auch bekannt als chemisch härtende Polymere). Thermoplastische
Materialien können
geschmolzen werden und bei Temperaturabfall wieder in den festen
Zustand gebracht werden. Bei dem Verfestigungsprozess ziehen sich
die Polymerketten zusammen, indem sie sich ineinander falten und
damit physikalische Bindungen erzeugen, so wie es eine Portion heißer, frisch
gekochter Spaghetti tun würden,
wenn man sie zum Trocknen stehen lassen würde. Theoretisch ist es möglich, mit
dem Material unendlich viele Schmelz/Verfestigungszyklen durchzuführen. Allgemein
sind Thermoplaste hoch schlagfest aufgrund der lockeren Anordnung
von Polymerketten und erlauben auch aus dem gleichen Grund ein höheres Ausmaß an Feuchtigkeitsaufnahme.
Mit Blick auf den Spaghetti-Vergleich sollte es dem Leser nicht
schwer fallen, sich den dramatischen Verfall der mechanischen Eigenschaften
von Thermoplasten bei höheren
Temperaturen vor Augen zu führen.
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Andererseits
können
Duroplaste nur ein einzges Mal verfestigt werden, wobei nachfolgendes Schmelzen
nicht mehr möglich
ist. Diese Eigenart kann mit der Bildung chemischer Querverbindungen zwischen
den Polymerketten bei der chemischen Reaktion im Verfestigungsprozess
erklärt
werden. Nicht überraschend
besteht das Duroplast-Produktionsmaterial aus chemischen Reaktionsingredienzen
geeigneter Größe, deren
Reaktionstemperaturschwelle im Schmelzprozess bewusst überschritten
wird. Diese Querverbindungen beschränken Bewegungen der Polymerketten
gegeneinander, was sich in einen spröderen Charakter verglichen
mit Thermoplasten überträgt. Darüber hinaus
behalten dieselben chemischen Querverbindungen bei höheren Temperaturen ihre
mechanischen Eigenschaften. Ein weiterer Vorteil von Duroplasten
ist, dass sie typischerweise besser wiederbenetzen als Thermoplaste.
Das heißt,
bevor die Duroplaste vollständig
ausgehärtet
sind, können
weitere duroplastische Polymere übergeformt werden,
und die Bindung zwischen den beiden Schichten wird stark und weniger
durchlässig
sein, da sich chemische Querverbindungen über die Schichtgrenzen hinweg
bilden.
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Wie
von Wright offenbart sind die meisten duroplastischen Kunststoffe
aufgrund ihrer Zähigkeit für Spritzgießen nicht
geeignet. Spritzgießen
begrenzt ebenso das Ausmaß der
Verstärkungen,
die in dem Polymerverbund enthalten sein können, auf nicht mehr als etwa
40 Gew.%. Füllgrade
weit über 40
Gew.% ergeben Kunststoffe, die zu zäh für das Spritzgießen sind,
wenn Duroplaste verwendet werden (Thermoplaste beginnen bei Füllgraden
weit über
40 Gew.%, ihre strukturelle Integrität zu verlieren). Weiterhin
trifft ebenso die Umkehrung zu, dass bei vielen Kunststoffen Füllgrade
von viel weniger als 40 Gew.% einen Verbund ergeben, der nicht zäh genug
für Spritzpressen
ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, dass
in duroplastischen Verbundpolymeren erst bei Füllgraden, die 50 Gew.% überschreiten,
die thermophysikalischen Eigenschaften drastisch verbessert werden.
Sie haben ebenso entdeckt, dass Duroplaste aufgrund der bei höheren Temperaturen
bedeutend besseren Schlagfestigkeit und Beständigkeit der mechanischen Eigenschaften
allgemein bessere thermophysikalische Eigenschaften für Heizvorrichtungen
aufweisen als Thermoplaste, insbesondere sobald die Füllgrade
50 Gew.% überschreiten.
In der Regel sind duroplastische Kunststoffe mit hohen Füllgraden
nicht gut zum Spritzgießen
geeignet, so dass die vorliegende Erfindung Spritzpressen oder Pressformen
anwendet.
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Duroplaste
können
auch insgesamt höhere Füllgrade
aufnehmen als Thermoplaste. Wie bereits erwähnt verlieren thermoplastische
Polymere ihre Standfestigkeit, wenn sie zu mehr als 40 Gew.% gefüllt werden.
Andererseits können
Duroplaste Füllgrade
in der Höhe
von 90 Gew.% aufnehmen.
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Die
vorliegende Erfindung ergibt durch die Verwendung von Hochleistungsverstärkungen
auch eine bessere Heizvorrichtung. Besondere verstärkende Füllmaterialien
sorgen für
eine bessere Wärmeleitfähigkeit
als die in Polymerheizvorrichtungen aus dem Stand der Technik verwendeten
Füllstoffe. Eckman
lehrt die Verwendung einiger wärmeleitender
Materialien, wie Graphit oder Metallpulver, warnt aber wegen des
Verlustes an dielektrischer Durchschlagsfestigkeit in der Heizvorrichtung
besonders vor übermäßigem Gebrauch
solcher Füller.
Diese Beschränkung
kann durch den Einsatz einer dielektrischen Zwischenschicht (nicht
gezeigt) zwischen dem Widerstandsdraht 24 und dem äußeren Mantel 12 überwunden
werden. Die dielektrische Schicht ist ähnlich wie der Rest der Heizvorrichtung
aus einem Polymer hergestellt, jedoch ohne verstärkende Füllung. Dielektrische Tinten
von Electro-Science Laboratories, Inc. sind für diesen Zweck gut geeignet.
Dies macht jede Besorgnis über
die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des äußeren Mantels 12 überflüssig. Um
die Effizienz und Wärmeleitfähigkeit
der Heizvorrichtung zu maximieren, sollte die dielektrische Zwischenschicht
extrem dünn
sein, etwa 100 Mikrometer dick, wenn auch Dicken bis hin zu 1 Millimeter
für die
vorliegende Anwendung geeignet sein können. Diese kann auf den Kern
durch die Ausführung
eines Tauch-, Sprüh-
oder Siebdruckvorgangs aufgebracht werden, bevor der äußere Mantel 12 übergeformt
wird.
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Eine
weitere Methode, die Wärmeleitfähigkeit
zu erhöhen,
ist die Verwendung von Kohlefasern als verstärkende Füllung. Kohlefasern verbessern die
thermophysikalischen Eigenschaften wesentlich, aber sie leiten Wärmeenergie
in ihrer Längsrichtung viel
besser als in Querrichtung. Weil die Fasern sich jedoch während des
Formens wie Baumstämme
verhalten und sich selbst in Richtung des Gießflusses ausrichten, ist ihre
natürliche
Tendenz, parallel zur Oberfläche
der Heizvorrichtung zu enden (senkrecht zum Wärmefluss). Die erwünschte Ausrichtung
kann durch anlegen eines elektrischen Feldes an den Gießfluss während der
Herstellung erzielt werden. Die Energiezufuhranschlussstifte 20 können als
eine Elektrode dienen und die Form selbst als die andere.
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Als
andere wünschenswerte
Füllmaterialien wurden
gefunden Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumnitrid (AlN) und Bornitrid
(BN). Die Erfinder haben mittels der Laserblitzmethode (ASTM E1461)
in der besonderen Anwendung, wo alle gemessenen Größen direkt
auf Standards des Nationalen Standardbüros (National Bureau of Standards, „NBS") rückverfolgbar
sind, herausgefunden, dass solche Füllmaterialien Wärmeleitfähigkeiten
weit über
2,0 W/(m·K)
und nahe an 5,0 W/(m·K)
bereitstellen. Andererseits ist es höchst unwahrscheinlich, dass
Heizvorrichtungen aus dem Stand der Technik, wie in dem Eckman-Patent
offenbart, bei Anwendung des gleichen Standards jemals 1,0 W/(m·K) wesentlich überschreiten
können.
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Wünschenswerte
Polymergrundlagen für den
Verbund bestehen aus Allylen, Aminen, Epoxiden, Phenolen, Siliconen
und duroplastischen Polyestern. Die erwünschten Verstärkungsfüllungen
für die
spezielle Heizvorrichtung werden ausgewählt und vor dem Spritzpressen
(oder Pressformen) zur Polymergrundlage hinzugefügt.
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Um
einen massiven Kern 22 für Hochtemperaturanwendungen
zu verwenden, dürfte
es notwendig sein, den Wärmeausdehnungskoeffizienten
(coefficient of thermal expansion, „CTE") des Mantelmaterials von dem CTE des
Kernmaterials abzusetzen. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass
das Kernmaterial natürlicherweise
heißer
wird als das Mantelmaterial. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Mantelmaterials muss an die Temperatur einer speziellen Anwendung
und an den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Kernmaterials angepasst werden (in einen bestimmten Bereich
fallen). Der Wärmeausdehnungskoeffizient
kann durch Regelung der Füllgrade eingestellt
werden. Zum Beispiel können
höhere
Füllgrade
im Kernmaterial der Fehlanpassung in der Ausdehnung entgegenwirken.
Ein anderes Beispiel für
die Änderung
des Wärmeausdehnungskoeffizienten
im Kern, um die Fehlanpassung zu überwinden, ist die Verwendung
verstärkender
Füllungen
im Kern, die einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben als die verstärkenden
Füllungen
im Mantelmaterial.
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Die
verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kombiniert mit
der Möglichkeit,
massive Kerne zu verwenden, erlaubt den Heizvorrichtungen, wesentlich
höheren
Temperaturen und Wärmeflusspegeln
zu widerstehen als denen, die durch den Stand der Technik möglich waren.
Nach dem Stand der Technik, der thermoplastische Polymere verwendete,
konnte nicht weit über 180°F (82°C) geheizt
werden. Prototypen der Heizvorrichtung nach vorliegenden Erfindung
wurden bei 400°F
(204°C)
gemessen (mit einer Kerntemperatur von 470°F (243°C)), und es ist vorstellbar,
dass mit der Auswahl der richtigen Füllmaterialien und Füllgrade
Temperaturen von 750°F
(399°C)
möglich sind.
Die Prototypen der vorliegenden Erfindung wurden mit Wärmeflusspegeln
von 6 W/in2 (0,93 W/cm2) in
natürlicher
Luftkonvektion und 30 W/in2 (4,65 W/cm2) in Flüssigkeiten
mit Zwangskonvektion fertig.
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Ein
Duroplastverbund, der als geeignet für die vorliegende Erfindung
ermittelt wurde, wird als AB1000F von Cuyahoga Plastics aus Cleveland, Ohio,
vertrieben. Nach dem Formen kann die resultierende Heizvorrichtung
im Dauerbetrieb bis zu 1000°F
(538°C)
ohne Verlust der physikalischen Integrität aushalten, obwohl die organische
Substanz bei 750°F
(300°C)
abbrennt.
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Ein
weiterer Nutzen der vorliegenden Erfindung ist die Eignung, in einer
großen
Vielfalt geometrischer Konfigurationen eingesetzt zu werden. Verschieden
geformte Heizvorrichtungen funktionieren besser in verschiedenen
Anwendungen. Zum Beispiel gewährleisten
abgeflachte Heizvorrichtungen bei vertikaler Orientierung bessere
Wärmeübertragung
durch Konvektion als zylindrische Heizvorrichtungen. Die bevorzugte
Geometrie wird von den Einzelheiten der Anwendung abhängen. Die
vorliegende Erfindung erlaubt jedoch diese Flexibilität. Beispielsweise
zeigen die 8 und 9 eine abgeflachte Ausführung 100 der
vorliegenden Erfindung.
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Die
abgeflachte Heizvorrichtung 100 verfügt über die gleichen Montageeinrichtungen 114, 116 wie die
zylindrische Heizvorrichtung 10. Der Mantel 112 besteht
aus demselben Material. Der Kern 112 jedoch wird in flacher
Form spritzgepresst oder pressgeformt mit zwei eng benachbarten
90° Biegungen 146,
so dass eine Haarnadelform entsteht. Derselbe Typ Widerstandsdraht 124 wird
verwendet, der an Schweißpunkten 126 mit
Energiezufuhranschlussstiften 120 verbunden wird. Die Energiezufuhranschlussstifte 120 ragen
dann durch das Ende 118 aus der vollendeten Heizvorrichtung
heraus.
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Der
andere Vorzug der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit,
Temperatursensoren, wie Thermopaare, an jeder gewünschten
Stelle direkt in den Kern 22 einzuformen. Der Stand der
Technik zeigt einen Thermistor platziert am äußersten Ende der Heizvorrichtung
(nahe der Montagestelle). Dies ist an einer „kalten Stelle" platziert. Daher
geben die ausgelesenen Temperaturwerte keinen Hinweis auf die echte
Temperatur der Heizvorrichtung und werden zusätzlich entwertet durch die
allgemein geringe Wärmeleitfähigkeit
der Polymermatrix. Indem Thermopaare an „heißen Stellen" im Kern platziert werden, können echte,
genaue Temperaturwerte gewonnen werden, was zu bevorzugen ist.
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Während vorstehendes
auf die bevorzugten Ausbildungsformen der vorliegenden Erfindung
gerichtet ist, können
andere und weitere Ausbildungsformen entworfen werden, ohne ihren
grundlegenden Bereich zu verlassen, wobei der Bereich durch die nun
folgenden Ansprüche
bestimmt wird.