EP0234608B1 - Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes Download PDF

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EP0234608B1
EP0234608B1 EP87200052A EP87200052A EP0234608B1 EP 0234608 B1 EP0234608 B1 EP 0234608B1 EP 87200052 A EP87200052 A EP 87200052A EP 87200052 A EP87200052 A EP 87200052A EP 0234608 B1 EP0234608 B1 EP 0234608B1
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EP
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casing
elastomer
heating element
resistor
manufacturing
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André Marcel Alfred Van Bokestal
Henri Louis Lorrain
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Koninklijke Philips NV
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a self-regulating heating element which has at least one resistance body made of a material with a positive temperature coefficient of electrical resistance (also referred to as PTC resistor) as the heat source.
  • PTC resistor positive temperature coefficient of electrical resistance
  • Such a heating element is known from DE-C3-26 14 433, which is characterized in that the resistance body or the resistance bodies lies or lie between metal bodies which are on the side of the inner wall facing away from the resistance body or the resistance bodies Wrap in heat-exchanging contact.
  • the covering can consist of glass, ceramic or a thermally highly conductive elastic plastic, if desired in a metal outer covering.
  • the vulcanized plastic is preferably silicone rubber.
  • Magnesium oxide, trivalent iron oxide or aluminum oxide can be used as the heat-conducting metal compound, and silicon dioxide can be used as the filler.
  • EP-A2- 00 08 235 describes a self-regulating heating element in the form of a flexible heating cable, the resistance body being made of semiconducting polymer material.
  • DE-A1- 31 04 608 discloses a heating element in which the ceramic resistance body is embedded in a plastic casting compound.
  • FR-A-2 292 395 describes a heating element with several ceramic resistance bodies.
  • the heating element comprises a metallic covering in which there is a second covering made of insulating material.
  • DE-A-17 65 622 and GB-A-1 191 732 relate to methods for applying base layers to heating cables.
  • Pressing the mating parts of the casing, one part of which is pushed into the other, or pressing a pressed part with a second material, are processes which are practically difficult to carry out and which cannot be automated.
  • Another possibility is to wrap the whole thing from PTC resistors with the enveloping metal parts in an insulating plastic film, for example made of polyimide, before this whole thing is pushed into the pressed casing. This process is also complex.
  • the invention provides a method for producing a self-regulating heating element which, as a heat source, has at least one resistance body made of a material with a positive temperature coefficient of electrical resistance, the resistance body or the resistance bodies being arranged between metal parts on which the resistance body is located or the side facing away from the resistance bodies on the inner wall of a cylindrical cover, which is closed at one end and which consists of vulcanized thermoplastic material, are arranged in heat-exchanging contact, characterized in that the cover is produced by the pressing process and that the cover has a layer on its inner wall an elastomer, the elastomer being attached by filling the pressed envelope with a solution of the elastomer, emptying the envelope and then heating it to remove the solvent t and the elastomer is polymerized.
  • the invention further provides a method for producing a self-regulating heating element which, as a heat source, has at least one resistance body made of a material with a positive temperature coefficient of electrical resistance, the resistance body or the resistance bodies being arranged between metal parts on which the Resistance bodies or the side facing away from the resistance bodies are arranged in heat-exchanging contact on the inner wall of a cylindrical covering which is closed at one end and which consists of vulcanized thermoplastic material, characterized in that the covering is produced by the pressing process and that the covering has a layer on its inner wall comprises an elastomer, the elastomer being attached by immersing the pressed covering in a solution of the elastomer and removing the covering therefrom and by making the superfluous solution drains, after which the casing is heated so that the solvent is removed and the elastomer is polymerized.
  • the method according to the invention is characterized in that a layer of an elastomer is applied by means of a solution on the inside and / or outside of a covering produced by the pressing method.
  • the elastomer is applied by means of a solution in the form of a layer.
  • the elastomer preferably has a viscosity that is higher than that of the pressed part and varies from 200 mPa / s to 1,000,000 mPa / s. This means that the layer has a higher elasticity than the pressed part.
  • the elastomer may be of a two-component addition polymerized silicone resin type or a condensation polymerized elastomer type.
  • a solution in a simple solvent or a mixture of solvents is assumed, which is allowed to evaporate after the application.
  • Fillers such as metal oxides, which have a higher thermal conductivity, dyes or stabilizers can also be added to the solution of the elastomer.
  • a layer is pressed on the outside Partly must be attached, this can be done in the immersion process.
  • An inner layer is obtained by filling the pressed part with the relevant material and then emptying it again, a layer forming on the walls. It is usually advisable to vibrate the solution during contact so that a layer with a constant thickness is obtained. After the attachment, it is dried and heated so that it is polymerized further.
  • the method according to the invention offers many advantages; the transport of the pressed casing to a filling device or to a dipping device can be easily automated. Furthermore, the diameter of the element can be reduced to less than 8 mm, which gives it a practically interesting range of dimensions. In addition, if the pressed part of the casing breaks due to a defect, the more elastic second casing attached by means of a liquid remains effective and loosens locally from the pressed part during the crack, so that no current-carrying metal parts are released.
  • 1 and 2 are 1 and 2 resistance bodies with a positive temperature gradient of the resistance. These resistance bodies are clamped between two semi-cylindrical metal bodies 3 and 4, which consist for example of aluminum.
  • Fig. 3 shows a heating element corresponding to Fig. 1, but in which the layer 5 on the inside of the pressed part has been replaced by a similar layer 9 on the outside thereof.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (weiterhin als PTC-Widerstand bezeichnet) aufweist.
  • Aus der DE-C3-26 14 433 ist ein derartiges Heizelement bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Widerstandskörper oder die Widerstandskörper zwischen metallenen Körpern liegt bzw. liegen, die auf der von dem Widerstandskörper bzw. den Widerstandskörpern abgewandten Seite an der Innenwand einer Umhüllung in wärmeaustauschendem Kontakt anliegen.
  • Nach dieser Offenlegungsschrift kann die Umhüllung aus Glas, Keramik oder aus einem thermisch gut leitenden elastischen Kunststoff bestehen, gewünschtenfalls in einer metallenen Aussenumhüllung.
  • Das in der Praxis bewährteste Material für die Umhüllung ist in der DE-B2-26 41 894 beschrieben und besteht aus einem bei der höchsten Betriebstemperatur des Elementes beständigen vulkanisierten Kunststoff, einer elektrisch isolierende wärmeleitenden Metallverbindung und gewünschtenfalls einem anderen Füllmittel.
  • Vorzugsweise ist der vulkanisierte Kunststoff Silikonkautschuk. Als wärmeleitende Metallverbindung kann Magnesiumoxid, dreiwertiges Eisenoxid oder Aluminiumoxid, und als Füllmittel Siliciumdioxid verwendet werden.
  • EP-A2- 00 08 235 beschreibt ein selbstregelndes Heizelement im Form eines flexibelen Heizkabels, wobei der Widerstandkörper aus halbleitendem Polymermaterial besteht. DE-A1- 31 04 608 offenbart ein Heizelement in dem der keramische Widerstandskörper in einer Kunststoffverguß masse eingebettet ist. FR-A- 2 292 395 beschreibt ein Heizelement mit mehreren keramischen Widerstandskörpern. Das Heizelement umfasst eine metallische Umhüllung in dem sich eine zweite Umhüllung aus Isoliermaterial befindet. DE-A- 17 65 622 und GB-A-1 191 732 beziehen sich auf Verfahren zum Auftragen von Tragschichten bei Heizkabeln.
  • Aus Sicherheitsgründen ist es nun erwünscht, dass das Ganze aus PTC-Widerständen und umhüllenden Metallkörpern von einer doppelten Isolierung umgeben wird, weil das Ganze mit Netzspannung betrieben wird. Infolge eines Fehlers, beispielsweise in der Zusammensetzung der Umhüllung oder der Aushärtung, kann bei Betrieb des Elementes die Umhüllung reissen und in diesem Fall ist es von grosser Bedeutung, dass eine zweite Umhüllung aus elastischerem Material vermeidet, dass der Benutzer des Elementes die spannungsführenden Metallteile berühren könnte.
  • Das Pressen der ineinander passenden Teile der Umhüllung, von denen der eine Teil in den anderen geschoben wird oder das Umpressen eines gepressten Teiles mit einem zweiten Material sind praktisch schwierig durchzuführende Verfahren, die sich nicht automatisieren lassen.
  • Eine weitere Möglichkeit ist es, das Ganze aus PTC-Widerständen mit den umhüllenden Metallteilen in eine isolierende Kunststoffolie, beispielsweise aus Polyimid, einzuwickeln, bevor dieses Ganze in die gepresste Umhüllung eingeschoben wird. Auch dieses Verfahren ist aufwendig.
  • Die Erfindung verschafft ein Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist, wobei der Widerstandskörper bzw. die Widerstandskörper zwischen Metallteilen angeordnet ist bzw. sind, die auf der von dem Widerstandskörper bzw. den Widerstandskörpern abgewandten Seite an der Innenwand einer an einem Ende geschlossenen zylinderförmigen Umhüllung, die aus vulkanisiertem thermoplastischem Material besteht, in wärmeaustauschendem Kontakt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung im Pressverfahren hergestellt ist und dass die Umhüllung auf ihrer Innenwand eine Schicht aus einem Elastomer aufweist, wobei das Elastomer dadurch angebracht wird, dass die gepresste Umhüllung mit einer Lösung des Elastomers gefüllt, diese Umhüllung entleert und daraufhin erhitzt wird, damit das Lösungsmittel entfernt und das Elastomer durchpolymerisiert wird.
  • Die Erfindung verschafft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist, wobei der Widerstandskörper bzw. die Widerstandskörper zwischen Metallteilen angeordnet ist bzw. sind, die auf der von dem Widerstandskörper bzw. den Widerstandskörpern abgewandten Seite an der Innenwand einer an einem Ende geschlossenen zylinderförmigen Umhüllung, die aus vulkanisiertem thermoplastischem Material besteht, in wärmeaustauschendem Kontakt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung im Pressverfahren hergestellt ist und dass die Umhüllung auf ihrer Innenwand eine Schicht aus einem Elastomer aufweist, wobei das Elastomer dadurch angebracht wird, dass die gepresste Umhüllung in eine Lösung des Elastomers eingetaucht und die Umhüllung daraus entfernt wird und dass man die überflüssige Lösung abtropfen lässt, wonach die Umhüllung erhitzt wird, damit das Lösungsmittel entfernt und das Elastomer durchpolymerisiert wird.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren weist das Kennzeichen auf, dass auf der Oberfläche einer im Pressverfahren hergestellten Umhüllung auf der Innen- und/oder Aussenseite eine Schicht aus einem Elastomer mittels einer Lösung angebracht wird.
  • Das Elastomer wird mittels einer Lösung in Form einer Schicht angebracht. Das Elastomer hat vorzugsweise eine Viskosität, die höher ist als die des gepressten Teils und schwankt von 200 mPa/s bis 1.000.000 mPa/s. Dies bedeutet, dass die Schicht eine höhere Elastizität hat als der gepresste Teil.
  • Das Elastomer kann vom Typ eines additionspolymerisierten Silikonenharzes mit zwei Komponenten sein oder vom Typ eines Kondensationspolymerisierten Elastomers. Beim Anbringen der Schicht wird von einer Lösung in einem einfachen Lösungsmittel oder einem Gemisch von Lösungsmitteln ausgegangen, das man nach dem Anbringen verdampfen lässt. Der Lösung des Elastomers können ebenfalls Füllstoffe wie Metalloxide, die eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen, Farbstoffe oder Stabilisatoren zugefügt werden.
  • Wenn eine Schicht auf der Aussenseite des gepressten Teils angebracht werden muss, kann dies im Tauchverfahren erfolgen. Ein innere Schicht erhält man dadurch, dass der gepresste Teil mit dem betreffenden Material gefüllt und danach wieder entleert wird, wobei sich an den Wänden eine Schicht bildet. Es empfiehlt sich meistens während des Kontaktes mit der Lösung diese ins Schwingen zu bringen, damit eine Schicht mit einer konstanten Dicke erhalten wird. Nach dem Anbringen wird getrocknet und erhitzt, damit weiter duchpolymerisiert wird.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren bietet viele Vorteile; der Transport der gepressten Umhüllung zu einer Füllvorrichtung oder zu einer Tauchvorrichtung lässt sich leicht automatisieren. Weiterhin kann der Durchmesser des Elementes bis unter 8 mm verringert werden und gelangt dadurch in eine praktisch interessante Reihe von Abmessungen. Ausserdem, wenn durch einen Fehler der gepresste Teil der Umhüllung reisst, bleibt die elastischere mittels einer Flüssigkeit angebrachten zweite Umhüllung wirksam und löst sich örtlich bei dem Riss von dem gepressten Teil, so dass keine stromführenden Metallteile frei werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäss hergestelltes Heizelement,
    • Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II-II durch das Element nach Fig. 1,
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäss hergestellten Heizelementes.
  • In den Fig. 1 und 2 sind 1 und 2 Widerstandskörper mit eine positiven Temperaturgradienten des Widerstandes. Diese Widerstandskörper sind zwischen zwei halbzylinderförmigen Metallkörpern 3 und 4, die beispielsweise aus Aluminium bestehen, eingeklemmt. Die Umhüllung 6, die beispielsweise aus einem vulkanisierten Silikonkautschuk gepresst ist, der mit Magnesiumoxid und Siliciumdioxid gefüllt ist, ist auf der Innenseite zwischen der gepressten Umhüllung 6 und den Metallkörpern 3, 4 mit einer Schicht 5 aus einem Siliconelastomer, das bei Raumtemperatur eine Viskosität von 10⁶ mPa/s aufweist, bedeckt.
  • Fig. 3 zeigt ein der Fig. 1 entsprechendes Heizelement, bei dem jedoch die Schicht 5 auf der Innenseite des gepressten Teils durch eine ähnliche Schicht 9 auf der Aussenseite desselben ersetzt worden ist.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper (1, 2) aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist, wobei der Widerstandskörper bzw. die Widerstandskörper zwischen Metallteilen (3, 4) angeordnet ist bzw. sind, die auf der von dem Widerstandskörper bzw. den Widerstandskörpern abgewandten Seite an der Innenwand einer an einem Ende geschlossenen zylinderförmigen Umhüllung (6), die aus vulkanisiertem thermoplastischem Material besteht, in wärmeaustauschendem Kontakt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung im Pressverfahren hergestellt ist und dass die Umhüllung auf ihrer Innenwand eine Schicht (5) aus einem Elastomer aufweist, wobei das Elastomer dadurch angebracht wird, dass die gepresste Umhüllung mit einer Lösung des Elastomers gefüllt, diese Umhüllung entleert und daraufhin erhitzt wird, damit das Lösungsmittel entfernt und das Elastomer durchpolymerisiert wird.
  2. Verfahren zum Herstellen eines selbstregelnden Heizelementes, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper (1, 2) aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist, wobei der Widerstandskörper bzw. die Widerstandskörper zwischen Metallteilen (3,4) angeordnet ist bzw. sind, die auf der von dem Widerstandskörper bzw. den Widerstandskörpern abgewandten Seite an der Innenwand einer an einem Ende geschlossenen zylinderförmigen Umhüllung (6), die aus vulkanisiertem thermoplastischem Material besteht, in wärmeaustauschendem Kontakt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung im Pressverfahren hergestellt ist und dass die Umhüllung auf ihrer Innenwand eine Schicht (9) aus einem Elastomer aufweist, wobei das Elastomer dadurch angebracht wird, dass die gepresste Umhüllung in eine Lösung des Elastomers eingetaucht und die Umhüllung daraus entfernt wird und dass man die überflüssige Lösung abtropfen lässt, wonach die Umhüllung erhitzt wird, damit das Lösungsmittel entfernt und das Elastomer durchpolymerisiert wird.
  3. Verfahren zum Herstellen eines Heizelementes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer eine höhere Viskosität und eine grössere Elastizität aufweist als das Material der gepressten Umhüllung (6).
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