EP1053658B1

EP1053658B1 - Flächiges heizelement und anwendungen von flächigen heizelementen

Info

Publication number: EP1053658B1
Application number: EP99932426A
Authority: EP
Inventors: Hans Oppitz
Original assignee: Elsasser Manfred; Latec AG
Current assignee: Scaldaline Ltd; Latec AG
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: HRP20000522A2; EA200000811A1; CA2319341A1; WO1999039550A1; AU753714B2; PL342140A1; TR200002272T2; EP1053658A1; JP2002502103A; AU3252399A; HUP0100676A2; HUP0100676A3; SK11342000A3; US6392209B1; EA002297B1; BR9908530A; CN1296723A

Abstract

Anwendungen eines flächigen Heizelementes in einem beheizbaren Rohr, einer beheizbaren Transportvorrichtung und einer Heizwalze und ein flächiges Heizelement, das eine dünne Widerstandsschicht, die ein intrinsisch elektrisch leitendes Polymer umfaßt, und mindestens zwei flächige Elektroden, die auf einer Seite der Widerstandsschicht voneinander beabstandet angeordnet sind, umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flächenheizelement, insbesondere ein Widerstandsheizelement, und Anwendungen von Flächenheizelement.
Zur Erzeugung von Wärme werden Widerstandsheizelemente in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Diese Heizelemente benötigen zur Erzeugung einer ausreichenden Temperatur in der Regel hohe Spannungen in dem Heizelement. Diese hohen Spannungen können aber insbesondere bei Verwendung zur Erwärmung von Medien oder bei Kontakt mit dem menschlichen Körper Sicherheitsrisiken darstellen. Zudem sind herkömmliche Widerstandsheizelementen aufgrund der darin verwendeten Materialien, insbesondere im Langzeitbetrieb, meist nur für geringe Temperaturen geeignet. Andere Vorschläge des Standes der Technik erfordern einen komplexen Aufbau des Widerstandsheizelementes und schränken so die Einsatzmöglichkeiten des Widerstandsheizelement ein.
Aus der Patentanmeldung DE 35 02 838 A1 ist ein Heizelement mit einer zentimeterdicken, thermisch isolierenden Widerstandsschicht bekannt, die aus korn- und bzw. oder kugelförmigen Isoliermaterialien, z.B. vorgeschäumtem Polystyrol oder dergleichen, gebildet wird. Die Isoliermaterialen werden ihrerseits von einem Bindemittel - gegebenenfalls einem intrinsisch elektrisch leitenden Kunststoff - miteinander verbunden.
Aus der Patentschrift AT 313 588 sind drei beispielhafte Auflistungen der Ingredienzien für die Herstellung eines Polymers bekannt, welches durch eine Dotierung mit Metall- oder Halbmetallatomen, in einem Verhältnis eins zu eins zu der Anzahl der Polymermoleküle, in einen intrinsisch elektrisch leitenden Kunststoff umgewandelt wird.
Aus der Patentschrift FR 1 347 047 ist ein flächiges Heizelement bekannt, bei dem mehrere Elektroden auf beiden Seiten der Widerstandsschicht - gegeneinander versetzt - angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Elektroden wird die an den jeweiligen Zonen der Widerstandsschicht herrschende Spannung durch Serienschaltung in an sich bekannter Weise entsprechend reduziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Heizelement zu schaffen, mit dem auch im Langzeitbetrieb hohe Flächenleistungen und damit hohe Temperaturen erzeugt werden können und gleichzeitig niedrige Spannungen in dem Heizelement herrschen. Weiterhin soll das Heizelement vielseitig einsetzbar und einfach kontaktierbar sein.
Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus Anwendungen des Heizelements, wie sie den nachstehenden Ausführungsbeispielen entnehmbar sind.
Die Erfindung betrifft somit weiterhin ein beheizbares Rohr bei dem ein Widerstandsheizelement verwendet wird.
Rohre werden vielseitig, z.B. für die Weiterleitung von Medien, verwendet. Werden diese Rohre z.B. unter der Erde oder in kalten Regionen im Freien verlegt, so besteht die Gefahr, daß das im Rohr befindliche Medium aufgrund der geringen Temperatur erstarrt und es zu Verstopfungen des Rohres kommt.
Daher ist es weitere Aufgabe der Erfindung, ein Rohr zu schaffen, das mit einfachen Mitteln beheizt werden kann und vielseitig einsetzbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine beheizbare Transportvorrichtung für Medien.
Medien wie z.B. Gase oder Flüssigkeiten werden häufig in Tanks transportiert, die auf Eisenbahnwaggons oder Lastkraftwagen befestigt sind. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann das Medium in dem Tank gefrieren und dadurch der Tank gegebenenfalls sogar beschädigt werden. Das Anbringen von Heizelementen an solche Wagons stellt hohe Anforderungen an das Heizelement, sowie an die zwischen dem Heizelement und dem Wagon mögliche Wärmeübertragung. In solchen Tanks werden zum Teil gefährliche Substanzen transportiert Hierbei ist es wichtig, daß es nicht durch das Heizelement zu lokalen Temperaturerhöhungen kommt. Auch ein Versagen des Heizelementes aufgrund von z.B. einer Ablösung vom Tank muß vermieden werden um ein Einfrieren des Mediums zu verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ferner, eine Transportvorrichtung für Medien zu schaffen, mit der ein Medium während des Transports auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann, ohne Sicherheitsrisiken wie z.B. Einfrieren, eine Explosion oder einen Brand hervorzurufen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Heizwalze, insbesondere für die Verwendung als Kopier- oder Folierwalze.
Auf vielen Gebieten der Wärmetechnik ist es notwendig, eine Walze zur Verfügung zu stellen, die auf eine gewisse Temperatur aufgeheizt werden kann. Bislang wurden solche Heizwalzen durch Heizelemente, bei denen in einer isolierenden Masse Widerstandsdrähte eingebettet sind, hergestellt. Eine andere Variante, Heizwalzen, die z.B. in Kopierern verwendet werden können, zu betreiben, ist, einen Halogenstrahler in der Walze vorzusehen. Beide Varianten haben den Nachteil, dass sie entweder sehr teuer in der Herstellung sind oder einen schlechten Wirkungsgrad der Wärmeübertragung aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizwalze zu schaffen, die eine einfache Konstruktion aufweist, mit geringer Spannung betrieben werden kann und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung aufweist. Des weiteren soll die Heizwalze vielseitig einsetzbar sein.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufgaben durch ein Widerstandsheizelement gelöst werden kann, bei dem eine geeignete Widerstandsmasse optimal vom Heizstrom durchflossen wird.
Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß die weiteren Aufgaben insbesondere durch ein Rohr, eine Transportvorrichtung und eine Heizwalze gelöst werden können, die mit einem Widerstandsheizelement versehen sind, wobei das Widerstandsheizelement eine geeignete Widerstandsmasse aufweist optimal vom Heizstrom durchflossen wird flächig ausgebildet ist und eine gleichmäßige Wärmeabgabe über die Fläche gewährleistet.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Flächenheizelement, gemäß anspruch 1 gelöst.
Die erste der weiteren Aufgaben der Erfindung wird durch ein beheizbares Rohr gelöst bei dem ein Innenrohr an seiner Außenseite zumindest teilweise direkt oder über eine Zwischenschicht mit einer dünnen Widerstandsschicht, die ein intrinsisch elektrisch leitendes Polymer umfaßt, bedeckt ist und an der Außenseite der Widerstandsschicht mindestens zwei, die Widerstandsschicht zumindest teilweise bedeckende, flächige Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind.
Die zweite der weiteren Aufgaben der Erfindung wird durch eine beheizbare Transportvorrichtung für Medien, die einen Behälter zur Aufnahme des Mediums umfaßt, wobei der Behälter an seiner Außenseite zumindest teilweise direkt oder über eine Zwischenschicht mit einer dünnen Widerstandsschicht, die ein intrinsisch elektrisch leitendes Polymer umfaßt, bedeckt ist und an der Außenseite der Widerstandsschicht mindestens zwei, die Widerstandsschicht zumindest teilweise bedeckende, flächige Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind.
Durch die erfindungsgemäße Transportvorrichtung kann der Behälter einfach und zuverlässig beheizt werden.
Die dritte der weiteren Aufgaben der Erfindung wird durch eine Heizwalze gelöst, die einen Walzenmantel und mindestens ein an der Innenseite des Walzenmantels angeordnetes flächiges Widerstandsheizelement umfaßt, wobei das Widerstandsheizelement aus mindestens zwei flächigen Elektroden und einer dünnen Widerstandsschicht, die ein intrinsisch elektrisch leitendes Polymer umfaßt, besteht.
Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement, bei dem erfindungsgemäßen Rohr, bei der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung und bei der erfindungsgemäßen Walze umfaßt die Widerstandsschicht ein intrinsisch elektrisch leitendes Polymer.
Diese erfindungsgemäß in der Widerstandsschicht verwendeten Polymere sind so beschaffen, daß der Strom entlang den Polymermolekülen fließt. Durch die Polymerstruktur wird der Heizstrom entlang den Polymeren durch die Widerstandsschicht geleitet. Aufgrund des elektrischen Widerstandes der Polymere wird Wärme erzeugt, die an einen zu beheizenden Gegenstand, an das zu beheizende Innenrohr, an den zu beheizenden Behälter bzw. an den zu beheizenden Walzenmantel abgegeben werden kann. Hierbei kann der Heizstrom nicht den kürzesten Weg zwischen den beiden Elektroden nehmen, sondern folgt der Struktur des Polymeraufbaus. Die Länge des Strompfades ist somit durch die Polymere vorgegeben, so daß auch bei geringen Schichtdicken verhältnismäßig hohe Spannungen angelegt werden können, ohne, daß es zum Durchschlagen der Spannung kommt. Auch bei hohen Strömen, z.B. Einschaltströmen ist ein Durchbrennen nicht zu befürchten ist.
Weiterhin wird durch das Verteilen des Stromes in der ersten Elektrode und anschließender Leitung durch die Widerstandsschicht entlang der Polymerstruktur eine homogene Temperaturverteilung in der Widerstandsschicht erzielt. Diese stellt sich unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung an die Elektroden ein.
Aufgrund der erfindungsgemäß verwendeten Polymere ist es möglich das Widerstandsheizelement, das Rohr, die Transportvorrichtung und die Heizwalze auch bei hohen Spannungen, z.B. Netzspannung zu betreiben. Da die erzielbare Heizleistung mit dem Quadrat der Betriebsspannung ansteigt ist mit dem erfandungsgemäßen Widerstandsheizelement, dem Rohr, der Transportvorrichtung bzw. der Heizwalze das Erzielen hoher Heizleistungen und somit hoher Temperaturen möglich. Die Stromdichte wird erfindungsgemäß durch das Bereitstellen eines relativ langen Strompfades entlang der elektrisch leitenden Polymere bzw. durch das Erzeugen wenigsten zweier elektrisch in Serie geschalteter Zonen, die das erfindungsgemäß verwendete intrinsisch elektrisch leitende Polymer aufweisen, minimiert.
Weiterhin sind die erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitenden Polymere langzeitstabil. Diese Stabilität begründet sich vor allem dadurch, daß die Polymere dehnbar sind, so daß bei Temperaturerhöhung ein Abreißen der Polymerketten und dadurch eine Unterbrechung des Strompfades nicht auftritt. Selbst bei mehrmaliger Temperaturschwankung sind die Polymerketten nicht beschädigt. Bei herkömmlichen Widerstandsheizelementen, bzw. bei deren Verwendung für beheizbare Rohre, für beheizbare Transportvorrichtungen oder Heizwalzen hingegen, bei denen die Leitfähigkeit, z.B. durch Rußgerüste erzeugt wird, würde sich eine solche thermische Ausdehnung zu einem Abriß des Strompfades und damit zu einer. Überhitzung führen. Dadurch würde eine starke Oxidation eintreten und zum Durchbrennen der Widerstandsschicht führen. Solchen Alterungserscheinungen unterliegt das erfindungsgemäß verwendete intrinsisch elektrisch leitende Polymer nicht.
Die erfindungsgemäß verwendeten intrinsisch leitenden Polymere sind auch in reaktiver Umgebung, z.B. Luftsauerstoff, alterungsbeständig. Weiterhin handelt es sich bei der Art der Leitung des Stromes durch die Widerstandsmasse um eine Elektronen-Leitung. So tritt auch eine Selbstzerstörung der Widerstandsschicht durch Elektrolysereaktionen unter Einwirkung elektrischer Ströme bei dem erfindungsgemäßen Widerstandsheizelement, dem Rohr, der Transportvorrichtung bzw. der Heizwalze nicht auf. Bei dem erfindungsgemäßen Widerstandsheizelement dem Rohr, der Transportvorrichtung bzw. der Heizwalze sind die Verluste in der Flächenheizleistung über die Zeit auch bei hohen Temperaturen von beispielsweise 500°C und hohen Flächenheizleistungen von beispielsweise 50 kW/m² sehr gering, und annähernd gleich Null.
Diese Langzeitbeständigkeit bzw. Alterungsbeständigkeit ist für das erfindungsgemäße Rohr von besonderer Bedeutung, da beheizbare Rohre, z.B. im Erdreich oder an anderen schwer zugänglichen Orten verwendet werden und eine häufige Reparatur unerwünscht, wenn nicht sogar unmöglich ist.
Insgesamt weist die erfindungsgemäß verwendete Widerstandsschicht durch den Einsatz intrinsisch elektrisch leitender Polymere einen homogenen Aufbau auf, der eine gleichmäßige Erwärmung über der gesamten Schicht erlaubt.
Bei einer erfindungsgemäßen Heizwalze ist durch die Wahl eines elektrisch intrinsish elektrisch leitenden Polymers als Material der Widerstandsschicht der Heizwalze zum einen eine ausreichende Flexibilität des Heizelementes gewährleistet, wodurch sich dieses gut an die Innenfläche einer Walze anlegen läßt, und zum anderen wird über eine große Fläche gleichmäßig Wärme erzeugt. Mit dem Vorsehen des Widerstandsheizelementes an der Innenseite des Walzenmantels wird dieses in Betrieb vor mechanischer Belastung geschützt.
Zudem kann das Widerstandsheizelement mit elektrisch leitendem Polymer als "schwarzer Körper" dienen. Dieser Körper kann Strahlungen aller Wellenlängen abgeben. Mit abnehmender Temperatur verschiebt sich die Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung immer mehr zum Infrarot. Besteht die Walze aus einem Material, das diese Strahlungen transmittiert, wie z.B. Glas oder Kunststoff, so können die Infrarotstrahlungen von der Walze auf das zu beheizende Gut einwirken. Durch die Tiefenwirkung sind in der Widerstandsschicht selber keine hohen Temperaturen erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Widerstandsschicht zwischen den an einer Stromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, die die Widerstandsschicht zumindest teilweise bedecken. Bei dieser Ausführungsform kann z.B. der Walzenmantel selber als eine Elektrode dienen. Dabei wird die Widerstandsschicht mit vorgegebener Dicke unmittelbar auf die Walzeninnenseite aufgebracht. Auf der dem Walzenmantel abgewandten Seite der Widerstandsschicht wird dann eine Gegenelektrode angeordnet. Der an die Elektrode und den als Elektrode dienenden Walzenmantel angelegte Heizstrom durchfließt die Widerstandsmasse im wesentlichen in der Dicke. Durch diesen Aufbau wird eine gute Wärmeübertragung an das zu erwärmende Gut gewährleistet, weil der Walzenmantel in unmittelbaren Kontak mit der Widerstandsschicht steht.
Gemäß dieser Ausführungsform kann aber auch an der Innenseite des Walzenmantels eine flächige Elektrode angeordnet sein, die auf ihrer dem Walzenmantel abgewandten Seite mit einer Widerstandsschicht bedeckt ist. Auf dieser Widerstandsschicht wird dann die weitere Elektrode angeordnet. In diesem Fall fließt der Heizstrom zwischen den beiden Elektroden, und die Walzenoberfläche kann spannungsfrei gehalten werden. Diese Ausführungsform ist vor allem bei Anwendungen von Vorteil, in denen ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Heizwalze und z.B. dem Benutzer der Vorrichtung auftreten kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens zwei flächigen Elektroden auf der dem Walzenmantel abgewandten Seite der Widerstandsschicht voneinander beabstandet angeordnet.
Das Widerstandsheizelement, das Rohr, die Transportvorrichtung und die Walze wird erfindungsgemäß durch zwei Elektroden, die vorzugsweise aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen und auf einer Seite der Widerstandsschicht angeordnet sind, kontaktiert. Durch diese Art der Kontaktierung kann die Wirkungsweise der erfindungsgemäß verwendeten intrinsisch leitenden Polymere besonders vorteilhaft genutzt werden. Der angelegte Strom verteilt sich zunächst in der ersten Elektrode, durchfließt anschließend entlang der Polymerstruktur die Dicke der Widerstandsschicht, um dann zu der zweiten kontaktierten Elektrode geleitet zu werden. Der Strompfad ist daher gegenüber einem Aufbau, bei dem die beiden E-lektroden die Widerstandsschicht zwischen sich einschließen zusätzlich verlängert. Aufgrund dieses Stromflußes kann die Dicke der Widerstandsschicht gering - bei der Walze besonders gering - gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Heizelement, das Rohr, die Transportvorrichtung bzw. diese Ausführungsform der Heizwalze weist weiterhin den Vorteil auf, daß es bzw. sie vielseitig einsetzbar ist. Die Kontaktierung der Elektroden erfolgt über eine Seite der Widerstandsschicht. Diese ist die dem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel abgewandt und somit für die Kontaktierung leicht zugänglich. Die gegenüberliegende Seite der Widerstandsschicht ist somit frei von Kontaktanschlüssen und kann damit eben ausgeprägt sein. Eine solche ebene Oberfläche erlaubt ein direktes Anlegen an den zu beheizenden Körper, an das Innenrohr, an den Behälter bzw. an den Walzenmantel. Da die Berührungsfläche zwischen dem Widerstandsheizelement und dem zu beheizenden Körper dem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel nicht durch Kontaktanschlüße unterbrochen ist wird ein idealer Wärmeübergang, beim Walzenmantel bis zu 98 %, ermöglicht. Zudem kann eine gleichmäßige Wärmeübertragung von dem Widerstandsheizelement auf den Walzenmantel und damit auf das zu beheizende Gut zuverlässig erfolgen.
Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau können Rohre einfach beheizt werden. Das Innenrohr kann bereits am Herstellungsort mit der Widerstandsschicht und den Elektroden sowie gegebenenfalls der Zwischenschicht versehen werden und in diesem fertigen Zustand vor Ort in die Rohrleitung eingebaut werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Heizelements ist an der, den beiden flächigen Elektroden gegenüberliegenden, Seite der Widerstandsschicht eine flächige schwimmende Elektrode angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohres bzw. der Transportvorrichtung weist dieses bzw. dieser eine Zwischenschicht aus Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, zwischen dem Innenrohr bzw. dem Behälter und der Widerstandsschicht auf. Diese Zwischenschicht dient als schwimmende Elektrode. Auf der den Elektroden abgewandten Seite der Widerstandsschicht der Walze kann eine Zwischenschicht aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zwischen der Widerstandsschicht und dem Walzenmantel vorgesehen sein. Auch diese Zwischenschichtdient alsschwimmendeElektrode. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung die Widerstandsschicht bei dieser Ausführungsform der Walze unmittelbar auf den Walzenmantel aufzubringen. Auch eine elektrische Isolierung der Zwischenschicht bzw. der Widerstandsschicht vom Walzenmantel kann durch einfache Mittel, z.B. durch eine Folie, verwirklicht werden.
Als schwimmende Elektrode wird im Sinne der Erfindung eine Elektrode bezeichnet, die nicht mit der Stromquelle kontaktiert wird. Diese kann eine Isolierung aufweisen, die einen elektrischen Kontakt mit einer Stromquelle verhindert.
Diese schwimmende Elektrode unterstützt den Stromfluß durch die Widerstandsschicht. Bei dieser Ausführungsform verteilt sich der Strom in der ersten Elektrode, fließt von dieser durch die Dicke der Widerstandsschicht zu der gegenüberliegenden schwimmenden Elektrode, wird in dieser weitergeleitet, um dann durch die Dicke der Widerstandsschicht zu der weiteren Elektrode, die sich auf der Seite der Widerstandsschicht an der die erste Elektrode angeordnet bzw. die dem Rohr oder Behälter abgewandt ist befindet, zu gelangen. Die Zwischenschicht bzw. kann von dem Innenrohr bzw. dem Behälter durch Folien isoliert werden. Die Isolation der nicht kontaktierten Zwischenschicht kann durch bekannte Folien aus Polyimid, Polyester und Silikonkautschuk erfolgen.
Bei dieser Ausführungsform des Heizelements, des beheizbaren Rohrs, der beheizbaren Transportvorrichtung bzw. der Heizwalze fließt der Strom im wesentlichensenkrecht zur Fläche der Widerstandsschicht durch deren Dicke. Es bilden sich im wesentlichen zwei Zonen in der Widerstandsschicht aus. In der ersten Zone fließt der Strom im wesentlichen senkrecht von der ersten kontaktierten Elektrode zu der schwimmenden Elektrode und in der zweiten Zone im wesentlichen senkrecht von der schwimmenden Elektrode zu der zweiten kontaktierten Elektrode. Durch diese Anordnung wird also eine Serienschaltung mehrerer Widerstände erzielt. Dieses Phänomen hat zur Folge, daß die Teilspannung die in den einzelnen Zonen herrscht gegenüber der angelegten Spannung verringert ist. Die in den einzelnen Zonen herrschende Spannung beträgt bei dieser Ausführungsform der Erfindung somit die Hälfte der angelegten Spannung. Sicherheitsrisiken können bei dem erfindungsgemäßen Heizelement, Rohr, Transporteinrichtung bzw. Heizwalze aufgrund der in der Widerstandsschicht herrschenden geringen Spannung vermieden werden und die Einsatzmöglichkeiten sind somit vielfältig. So kann das Heizelement auch für Vorrichtungen verwendet werden, in denen dieses unmittelbar mit einem zu beheizenden Medium in Kontakt tritt, oder von den Personen, die die Vorrichtung bedienen bzw. benutzen, berührt werden müssen. Das erfindungsgemäße Rohr kann in Naßbereichen oder z.B. im feuchten Erdreich eingesetzt werden, oder Verwendungen zugeleitet werden in denen Personen das Rohr berühren müssen. Die erfindungsgemäße Transportvorrichtung kann so auch Verwendungen zugeleitet werden in denen Personen den Behälter berühren müssen. Beim Transport von Medien ist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Witterungsbedingungen ausgesetzt. Insbesondere bei Regen oder Schneefall kann die Vorrichtung somit mit Wasser in Kontakt treten. Durch, die extrem niedrige Spannung, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Widerstandsschicht vorliegt, tritt dadurch aber kein Sicherheitsrisiko auf. Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine herkömmliche Spannungsquelle z.B. eine Batterie zu betreiben. Diese kann in einfacher Weise auf dem Eisenbahnwaggon oder dem Lastkraftfahrzeug angebracht werden. Im letzteren Fall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch die Batterie des Lastkraftfahrzeuges mit Spannung versorgt werden, was eine zusätzliche konstruktive Vereinfachung darstellt.
Weiterhin wirkt der zwischen den kontaktierten Elektroden vorgeschene Zwischenraum als zusätzlicher parallel geschalteter Widerstand. Wird Luft als Isolierung in diesem Zwischenraum gewählt, so wird der Widerstand durch den Abstand der Elektroden zueinander und damit durch den Oberflächenwiderstand der Widerstandsschicht bestimmt. Der Abstand ist vorzugsweise größer als die Dicke der Widerstandsschicht und beträgt beispielsweise das zweifache der Dicke der Widerstandsschicht.
Die Elektroden und die schwimmende Elektrode weisen vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Diese kann größer als 200 W/m·K, vorzugsweise größer als 250 W/m·K, sein. Örtliche Überhitzungen können durch diese gute Wärmeleitfähigkeit in den Elektroden schnell abgeleitet werden. Überhitzungen können somit nur in Richtung der Schichtdicke auftreten und wirken sich aber aufgrund der bei dem erfindungsgemäßen Widerstandsheizelement, der Transportvorrichtung, der Heizwalze bzw. dem Rohr realisierbaren, geringen Schichtdicke nicht negativ aus. Ein weiterer Vorteil des Widerstandsheizelementes, der Transportvorrichtung, der Heizwalze bzw. des Rohrs liegt darin, daß auch eine von außen bzw. von innen, z.B. von dem zu beheizenden Körper, von der Umgebung durch Sonneneeinstrahlung, von dem zu beheizenden Gut bzw. von dem zu beheizenden Innenrohr, hervorgerufene lokale Temperaturerhöhung durch das Widerstandsheizelement ideal ausgeglichen werden kann. Solche Temperaturerhöhungen können auch von innen, z.B. bei nur teilweise gefüllten Behältern auftreten, da an den mit Luft gefüllten Bereichen die Wärmeübertragung vom Behälter an die Luft geringer ist. Sie können auch von innen hervorgerufen werden, wenn es z.B. zu einem Wärmestau in der Walze kommt. Aus diesem Grund kann ein Dämmaterial im Inneren der Walze vorgesehen sein. Auch können sie z.B. bei nur teilweise gefüllten Rohren auftreten, da an den mit Luft gefüllten Bereichen die Wärmeübertragung vom Rohr an die Luft geringer ist.
Das beheizbare Rohr, die beheizbare Transportvorrichtung bzw. die beheizbare Heizwalze weist weiterhin den Vorteil auf, daß die Widerstandsschicht, die auf dem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel angeordnet ist, auch starken Belastungen standhalten kann, ohne daß es zu lokalen Temperaturerhöhungen kommt. Die mechanischen Belastungen, die auf ein Rohr im eingebauten Zustand insbesondere unter der Erde, auf den Behälter bzw. auf den Walzenmantel einwirken können, treten in der Regel in radialer Richtung auf. Diese Richtung entspricht der Richtung des Stromflusses in der Widerstandsschicht des Widerstandsheizelementes. Bei einer solchen Belastung kommt es daher nicht zur Erhöhung des Widerstandes an den Stellen, an denen der Druck auftritt, wie dies bei einem Widerstandsheizelement der Fall wäre, bei dem der Strom senkrecht zur Druckbelastung fließen würde.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen beheizbaren Rohres bzw. der erfindungsgemäßen beheizbaren Transportvorrichtung ist die Widerstandsschicht unmittelbar auf dem Innenrohr bzw. Behälter angeordnet, das aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
Der Stromfluß von einer Elektrode zur nächsten wird bei dieser Ausführungsform über die Widerstandsmasse und das Innenrohr bzw. Behälter geleitet. Aufgrund der bei dem erfindungsgemäßen Rohr bzw. Transportvorrichtung in der Widerstandsschicht herrschenden niedrigen Spannungen kann die Einbeziehung des Innenrohres, das in diesem Fall als schwimmende Elektrode wirkt, zur Leitung des Stromes ohne Sicherheitsrisiken erfolgen. Zugleich kann die erzeugte Wärme bei dieser Ausführungsform gut an das im Rohr bzw. Behälter befindliche Medium abgegeben werden. Bei dieser Ausgestaltung kann das Innenrohr bzw. Behälter vollumfänglich mit der Widerstandsschicht bedeckt sein und die Elektroden diese im wesentlichen vollständig bedecken. Der aus elektrischen Gründen vorzusehende Abstand zwischen den Elektroden liegt aber auch bei dieser Ausführungsform vor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Widerstandsschicht, sowie die darauf angeordneten Elektroden, in axialer Richtung längs und die Elektroden sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandet auf der Widerstandsschicht angeordnet.
Durch die Längserstreckung des Widerstandsschicht und der Elektroden sowie ggf der Zwischenschicht gebildeten Widerstandsheizelementes kann eine bestimmte Länge bzw. Bereich des Rohres bzw. des Behälters beheizt werden, wobei die Stromzuführung nur an jeweils einer Stelle der beiden Elektroden zu erfolgen braucht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt die Widerstandsschicht nur einen Teilbereich des Umfangs des Innenrohres bzw. des Behälters bedeckt und erstreckt sich in axialer Richtung längs. Vorzugsweise entspricht die Länge der Widerstandsschicht und der Elektroden der Länge des Rohres bzw. des Behälters.
Bei dieser Ausführungsform kann über einen definierten Bereich, in dem die Widerstandsschicht oder gegebenenfalls die Zwischenschicht an dem Innenrohr bzw. Behälter anliegt, Wärme an das Rohr bzw. den Behälter abgegeben werden. Bei Rohren bzw. bei Transportvorrichtungen, bei denen das Innenrohr bzw. der Behälter eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird die von der Widerstandsschicht abgegebene Wärme über den gesamten Umfang des Innenrohres bzw. des Behälters verteilt und kann so das im Rohr bzw. im Behälter befindliche Medium vollumfänglich erwärmen. Durch diesen Aufbau erfolgt somit eine gute Erwärmung des Mediums bei geringem konstruktiven Aufwand. Diese Ausführungsform ist aber nur mit einem erfindungsgemäßen Aufbau des beheizbaren Rohres bzw. Transportvorrichtung möglich. Nur mit einem solchen Aufbau kann eine hohe Flächenleistung erzielt werden, ohne daß die Widerstandsschicht bei längerer Betriebsdauer und unter Einflüssen von reaktiven Stoffen wie Betriebsdauer und unter Einflüssen von reaktiven Stoffen wie Wasser oder Luftsauerstoff beschädigt wird.
Die Widerstandsschicht bedeckt vorzugsweise einen Teilbereich des Umfanges, der an der im eingebauten Zustand unteren Seite des Rohres liegt. Hierdurch wird gewährleistet, daß auch bei einem nicht vollständig gefüllten Rohr das zu beheizende Medium mit diesem Teilbereich in Kontakt steht und so zuverlässig und schnell erwärmt wird.
Erfindungsgemäß können die Elektroden, die auf der dem Walzenmantel abgewandten Seite der Widerstandsschicht angebracht sind, sich im wesentlichen über den gesamten Umfang erstrecken und axial von einander beabstandet angeordnet sind.
Diese Anordnung ist vorteilhaft, da bei einer Heizwalze, die im Einsatz in Drehbewegung ist, eine Stromzuführung von den beiden Walzenenden erfolgen kann.
Die Elektroden und die schwimmende Elektrode des Widerstandsheizelements oder die Zwischenschicht des Rohrs, der Transportvorrichtung, bzw. der Walze sind vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit gebildet. So kann der spezifische elektrische Widerstand der Elektroden weniger als 10^-4 Ω·cm, vorzugsweise weniger als 10^-5 Ω·cm, betragen. Geeignete Werkstoffe sind beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Durch die Wahl eines solchen Elektrodenmaterials wird gewährleistet, daß der angelegte Strom in der flächigen Elektrode weitergeleitet wird, sich also in dieser verteilt, bevor er die Widerstandsschicht durchfließt. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Durchströmen der Widerstandsschicht durch den Heizstrom und dadurch ein gleichmäßiges und im wesentlichen vollständiges Erwärmen der Widerstandsschicht erzielt. Durch ein solches Widerstandsheizelement kann daher gleichmäßig Wärme erzeugt une abgegeben werden. Insbesondere ist aber durch die Wahl eines solchen Elektrodenmaterials die Herstellung großer Widerstandsheizelemente möglich, ohne, daß die Elektroden über ihre Länge bzw. Breite an mehreren Stellen mit Spannung beaufschlagt werden müssen.
Auch bei dem Rohr, der Transportvorrichtung bzw. der Walze gemäß der Erfindung ist dies von besonderer Bedeutung. Rohre werden in der Regel zum Fertigen von Rohrleitungen, z.B. Pipelines verwendet. Da die Widerstandsschicht und die Elektroden bei einer solchen Rohrleitung, die aus erfindungsgemäßen Rohren besteht, große Längen aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Widerstand der Elektroden gering ist. Behälter für Transportvorrichtungen werden in der Regel in einer großen Länge gefertigt. Da das Widerstandsheizelement bei einer solchen Transportvorrichtung große Längen aufweist ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Widerstand der Elektroden gering ist. Heizwalzen, die z.B. als Kopier- oder Folierwalze eingesetzt werden müssen sich schnell aufheizen und über der gesamten Länge eine gleichmäßige Temperatur aufweisen.
Mit einem Elektrodenmaterial mit einem solchen spezifischen Widerstand kann ein Spannungsabfall über die Fläche der Elektrode, der zu einem gesamten Leistungsabfall und zu unterschiedlichen Temperaturen über die Fläche führen würde, vermieden werden. Zudem ist durch die Leitfähigkeit ein schnelles Verteilen des Stromes in der Elektrode gewährleistet, der eine schnelle gleichmäßige Aufheizung im wesentlichen der gesamten Widerstandsschicht und damit der Länge des Rohres, des Behälters bzw. der Walze erlaubt, ohne, daß die Elektroden über ihre Länge bzw. Breite an mehreren Stellen mit Spannung beaufschlagt werden müssen.
Eine Führung von Stromversorgungsleitungen entlang der Fläche des Widerstandsheizelements ist daher entbehrlich, bzw eine Führung entlang des Rohres oder des Behälters kann daher entbehrlich sein. Eine solche mehrfache Kontaktierung wird erfindungsgemäß nur bei Ausführungsformen gewählt bei denen das Widerstandsheizelement eine große Fläche oder Länge bedeckt, z.B. bei Flächen von mehr als 60 cm², vorzugsweise mehr als 80 cm². Die Größe des Widerstandsheizelement ab der eine Mehrfachkontaktierung sinnvoll ist hängt neben der Wahl des Elektrodenmaterials auch vom Ort der Kontaktierung ab. Solche Rohre bzw. Behälter können eine Länge von bis zu 1 m aufweisen. Eine solche mehrfache Kontaktierung wird erfindungsgemäß nur bei Ausführungsformen gewählt bei denen der Behälter eine große Länge aufweist. Die Länge ab der eine Mehrfachkontaktierung sinnvoll ist hängt neben der Wahl des Elektrodenmaterials auch vom Ort der Kontaktierung ab. So kann eine mehrfache Kontaktierung auch bei größeren Flächen, als den oben genannten entbehrlich sein, wenn die Elektrode in ihrer Flächenmitte zugänglich ist und dort kontaktiert werden kann.
Weiterhin hängt die Größe des mit einer einfachen Kontaktierung betreibbaren Widerstandsheizelements, die Länge des mit einer einfachen Kontaktierung betreibbaren Rohrs, die Länge der mit einer einfachen Kontaktierung betreibbaren Transportvorrichtung bzw. die Aufheizgeschwindigkeit und Temperaturerzeugung über die Fläche in der Walze von der Dicke der gewählten Elektroden ab. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Elektroden und die schwimmende Elektrode bzw. die Zwischenschicht je eine Dicke im Bereich von 50 bis 150 µm, vorzugsweise von 75 bis 100 um auf. Diese geringe Schichtdicken sind weiterhin dahingehend von Vorteil, daß die von der Widerstandsschicht erzeugte Wärme von dieser bzw. der Zwischenschicht leicht abgegeben an den zu beheizenden Körper, das Rohr, den Behälter bzw. den Walzenmantel werden kann. Zudem sind dünne Elektroden flexibler, wodurch bei thermischer Ausdehnung der Widerstandsschicht ein Abplatzen der Elektroden von der Widerstandsschicht und dadurch eine Unterbrechung des elektrischen Kontaktes vermieden wird.
Bei Rohrleitungen bzw. Behältern großer Länge kann dennoch eine mehrfache Kontaktierung der Elektroden notwendig sein. Diese kann bei einem Rohr bzw. einer Transportvorrichtung gemäß der Erfindung aber leicht zur Verfügung gestellt werden. Die Elektroden werden nur von der Außenseite kontaktiert, so daß diese leicht zugänglich sind. Bei einer Rohrleitung bzw. einem Behälter kann somit eine Stromleitung vorgesehen sein, die sich längs des Rohrs bzw. des Behälters erstreckt und die Elektroden in Abständen an die Spannungsquelle anschließt. Hierdurch können beliebig lange erfindungsgemäße Rohr bzw. Transportvorrichtungen betrieben werden.
Die Widerstandsschicht ist erfindungsgemäß dünn. Sie ist nach unten lediglich durch die Durchschlagsspannung begrenzt und weist eine Dicke von 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise 1 mm, auf. Vorteil einer geringen Schichtdicke der Widerstandsschicht ist die dadurch ermöglichte kurze Aufheizzeit, schnelle Wärmeabgabe und hohe Flächenheizleistung. Eine solche Schichtdicke ist aber nur mit einem erfindungsgemäßen Widerstandsheizelement bzw. nur mit dem verwendeten intrinsisch leitenden Polymer möglich und kann durch die Art der Kontaktierung noch verbessert werden. Durch die erfindungsgemäß verwendeten Polymere ist zum einen der Strompfad in der Widerstandsschicht vorbestimmt und kann auch bei geringen Schichtdicken eine ausreichende Länge aufweisen um ein Durchschlagen der Spannung zu verhindern. Zum anderen erlaubt die einseitige Kontaktierung des Widerstandsheizelementes eine Aufteilung der Widerstandsschicht in Zonen mit geringerer Spannung wodurch das Risiko des Durchschlagens noch zusätzlich verringert wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes, des Rohrs, der Transportvorrichtung bzw. der Walze werden noch verstärkt, wenn die Widerstandsschicht einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (PTC) aufweist. Hierdurch wird ein Selbstregeleffekt bezüglich der maximal erreichbaren Temperatur erzielt. Durch diesen Effekt können lokale Überhitzungen des Behälters, des Rohres bzw. des Walzenmantels verhindert werden. Dieser Effekt ist dadurch bedingt, daß aufgrund des PTC der Widerstandsschicht der Stromfluß durch die Widerstandsmasse sich in Abhängigkeit von der Temperatur regelt. Je höher die Temperatur ansteigt, umso geringer wird die Stromstärke, bis sie schließlich bei einem bestimmten thermischen Gleichgewicht unmessbar klein ist. Eine lokale Überhitzung und ein Schmelzen der Widerstandsmasse kann daher zuverlässig verhindert werden. Dieser Selbstregeleffekt ist für das erfindungsgemäße Heizelement von großer Bedeutung, da es z.B. bei ungenügendem Kontakt des erfindungsgemäßen Heizelementes mit einem zu beheizenden Körper und einem dadurch verursachten geringen Wärmeübergang zu lokalen Temperaturerhöhungen kommen kann. Dieser Effekt ist auch bei der vorliegenden Erfindung des Rohrs, der Transportvorrichtung bzw. der Walze von besonderer Bedeutung. Ist das Innenrohr bzw. der Behälter z.B. nur zur Hälfte mit einem flüssigen Medium gefüllt, so kann die Wärme in diesem Bereich des Rohrs bzw. des Behälters besser abgeführt werden als in dem Bereich, in dem Luft in dem Rohr bzw. dem Behälter ist. Aufgrund der mangelnden Wärmeabfuhr würde sich ein herkömmliches Widerstandsheizelement erhitzen und gegebenenfalls schmelzen. Bei dem erfindungsgemäßen beheizbaren Rohr bzw. Behälter hingegen wird dieses Schmelzen durch den Selbstregeleffekt vermieden.
Die Wahl eines PTC Materials als Material für die Widerstandsschicht hat somit auch zur Folge, daß die gesamte Widerstandsschicht auf im wesentlichen die gleiche Temperatur erwärmt wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeabgabe ermöglicht, die für einzelne Einsatzgebiete des Widerstandsheizelementes, des Rohres, des Behälters bzw. der Walze wesentlich sein kann, z.B., wenn temperaturempfindliche Medren durch das Rohr oder in dem Behälter geleitet bzw. transportiert werden oder da sonst an einigen Stellen z.B. die durch die Walze aufzubringende Folie nicht an dem Substrat haftet, da sie nicht hinreichend erwärmt wurde.
Erfindungsgemäß kann die Widerstandsschicht an ihren den Elektroden und gegebenenfalls der schwimmenden Elektrode bzw. der Zwischenschicht zugewandten Oberflächen metallisiert sein. Durch die Metallisierung lagert sich Metall an der Oberfläche der Widerstandsschicht an und verbessert so den Stromfluß zwischen den Elektroden bzw. der schwimmenden Elektrode und der Widerstandsschicht. Zudem wird bei dieser Ausführungsform auch der Wärmeübergang von der Widerstandsschicht zu der schwimmenden Elektrode und damit zu dem zu beheizenden Körper oder Gegenstand, dem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel verbessert. Die Metallisierung der Oberfläche kann durch Aufspritzen von Metall erfolgen. Eine solche Metallisierung ist nur bei dem erfindungsgemäß verwendeten Material der Widerstandsschicht möglich. Ein aufwendiger Metallisierungsschritt durch z.B. Galvanisieren ist somit entbehrlich und verringert die Herstellungskosten erheblich.
Das intrinsisch elektrisch leitende Polymer ist vorzugsweise durch Dotierung eines Polymers erzeugt. Die Dotierung kann eine Metall- oder Halbmetall-Dotierung sein. Bei diesen Polymeren ist der Störleiter chemisch an die Polymerkette gebunden und erzeugt eine Störstelle. Die Dotierungsatome und das Matrixmolekül bilden einen sogenannten Charge-Transfer Komplex. Bei der Dotierung werden Elektronen werden aus gefüllten Bändern des-Polymers auf das Dotierungsmaterial übertragen. Durch die so entstandenen Elektronenlöcher erhält das Polymer halbleiterähnliche elektrische Eigenschaften. Durch chemische Reaktion wird bei dieser Ausführungsform ein Metall- oder Halbmetallatom so in die Polymerstruktur einbezogen bzw. an diese angelagert, daß hierdurch freie Ladungen erzeugt werden, die den Stromfluß entlang der Polymerstruktur ermöglichen. Die freien Ladungen liegen in Form von freien Elektronen oder Löchern vor. Es entsteht somit eine Elektronenleiter.
Vorzugsweise wurde das Polymer zum Dotieren mit einem Dotierungsmaterial in einer solchen Menge versetzt, daß das Verhältnis von Atomen des Dotierungsmaterials zu der Anzahl der Polymermoleküle mindestens 1:1, vorzugsweise zwischen 2:1 und 10:1, beträgt. Durch dieses Verhältnis wird erzielt, daß im wesentlichen alle Polymermoleküle zumindest mit einem Atom des Dotierungsmaterials dotiert sind. Durch Wahl des Verhältnisses kann der Leitwert der Polymere und dadurch der Widerstandsschicht, sowie der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der Widerstandsschicht eingestellt werden.
Obwohl das erfindungsgemäß verwendete intrinsisch elektrisch leitende Polymer auch ohne Zusatz von Graphit in dem erfindungsgemäßen Widerstandsheizelement, dem Rohr, der Transportvorrichtung und der Walze als Material für die Widerstandsschicht eingesetzt werden kann, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Widerstandschicht zusätzlich Graphitpartikel aufweisen. Diese Partikel können zu der Leitfähigkeit der gesamten Widerstandsschicht beitragen und berühren sich vorzugsweise nicht und bilden insbesondere keine Gitter- oder Skelett-Struktur aus. Die Graphitpartikel sind nicht fest in die Polymerstruktur eingebunden, sondern liegen frei beweglich vor. Befindet sich ein Graphitpartikel im Kontakt mit zwei Polymermolekülen, so kann der Strom von der einen Kette über das Graphit auf die nächste Kette überspringen. Die Leitfähigkeit der Widerstandsschicht kann so noch erhöht werden. Zugleich können die Graphitpartikel aufgrund ihrer freien Beweglichkeit in der Widerstandsschicht an deren Oberfläche gelangen und dort eine Verbesserung des Kontaktes mit den Elektroden oder der schwimmenden Elektrode, der Zwischenschicht, dem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel bewirken.
Die Graphitpartikel liegen vorzugsweise in einer Menge von maximal 20 vol%, besonders bevorzugt maximal 5 vol%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Widerstandsschicht vor und weisen einen mittleren Durchmesser von maximal 0,1 µm auf. Durch diese geringe Menge an Graphit und den geringen Durchmesser kann das Ausbilden eines Graphitgitters, das zu einer Leitung des Stromes über diese Gitter führen würde vermieden werden. Es wird somit sichergestellt, daß der Stromfluß weiterhin im wesentlichen über die Polymermoleküle durch Elektronenleitung erfolgt und so die oben genannten Vorteile erzielt werden können. Insbesondere muß die Leitung nicht über ein Graphitgitter bzw. Skelett erfolgen, bei dem sich die Graphitpartikel berühren müssen und das bei mechanischer und thermischer Belastung leicht zerstört wird, sondern sie erfolgt entlang dem dehnbaren und alterungsbeständigen Polymer.
Als intrinsisch elektrisch leitende Polymere können sowohl elektrisch leitende Polymerisate wie Polystyrol, Polyvinylharze, Polyacrylsäure-Derivate und Mischpolymerisate derselben, als auch elektrisch leitende Polyamide und deren Derivate, Polyfluorkohlenwasserstoffe, Epoxyharze und Polyurethane verwendet werden. Bevorzugt können Polyamide, Polymethylmethacrylate, Epoxide, Polyurethane sowie Polystyrol oder Mischungen davon verwendet. Hierbei weisen Polyamide zusätzlich gute Klebeigenschaften auf, die für die Herstellung des erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes, des Rohrs, der Transportvorrichtung bzw. der Walze von. Vorteil sind, da hierdurch das Auftragen auf dem Innenrohr, dem Behälter, dem Walzenmantel oder der Zwischenschicht erleichtert wird. Einige Polymere, wie z.B. Polyacetylene scheiden aufgrund ihrer geringen Alterungsbeständigkeit durch Reaktionsfreudigkeit mit Sauerstoff für den erfindungsgemäßen Einsatz aus.
Die Länge der verwendeten Polymermoleküle variiert in großen Bereichen abhängig von der Art und der Struktur des Polymers, liegt aber vorzugsweise mindestens bei 500 , besonders bevorzugt bei mindestens 4000 Å.
In einer Ausführungsform weist die Widerstandsschicht des Widerstandsheizelements, des Rohrs, der Transportvorrichtung bzw. der Heizwalze ein Stützmaterial auf. Dieses Stützmaterial kann zum einen als Trägermaterial des intrinsisch leitenden Polymers dienen und wirkt zum anderen als Abstandhalter, insbesondere zwischen den Elektroden und der schwimmenden Elektrode, der Zwischenschicht, dem elektronisch leitfähigem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel. Das Stützmaterial verleiht der Widerstandsschicht zudem eine Steifigkeit aufgrund derer dieses mechanischen Belastungen standhalten kann. Solche können z.B. durch Andrückvorrichtungen, wie z.B. Spannringe, zum Anpressen des Heizelementes an den Walzenmantel erzeugt werden. Weiterhin kann bei Verwendung eines Stützmaterials die Schichtdicke der Widerstandsschicht präzise eingestellt werden. Das Stützmaterial kann Glaskugeln, Glasfasern, Steinwolle, Keramiken, z.B. Barium-Titanat oder Kunststoffe sein. Liegt das Stützmaterial in Form eines Gewebes oder einer Matte, beispielsweise aus Glasfasern vor, so kann diese in eine Masse bestehend aus dem intrinsisch elektrisch leitenden Polymer eingetaucht, d.h. mit dem intrinsisch elektrisch leitenden Polymer getränkt werden. Die Schichtdicke wird dabei durch die Dicke des Gitters oder der Matte bestimmt. Es können auch Verfahren wie Rackeln, Aufstreichen oder bekannte Siebdruck-Verfahren verwendet werden.
Vorzugsweise ist das Stützmaterial ein flächiges, poröses, elektrisch isolierendes Material. Durch ein solches Material kann zusätzlich verhindert werden, daß der Heizstrom statt durch die Polymerstruktur durch das Stützmaterial fließt.
Die Möglichkeit der Herstellung von Schichten, die über die Fläche lediglich in minimalen Toleranzen, z.B. 1 % von der angestrebten Schichtdicke abweichen, ist insbesondere bei den erfindungsgemäß geringen Schichtdicken von besonderer Bedeutung, da anderenfalls ein unmittelbarer Kontakt zwischen kontaktierter Elektrode und schwimmender Elektrode, Zwischenschicht, Innenrohr, Behälter bzw. Walzenmantel zu befürchten ist. Auch kann sich eine Schwankung in der Schichtdicke über die Fläche auf die erzeugte Temperatur auswirken und zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führen.
Das Stützmaterial bewirkt weiterhin, daß der Stromfluß nicht den kürzesten Weg zwischen den Elektroden und der schwimmenden Elektrode, der Zwischenschicht, dem Innenrohr, dem Behälter bzw. dem Walzenmantel nehmen kann, sondern an dem Füllmaterial abgelenkt oder aufgespalten wird. Dadurch wird eine optimale Ausnutzung der zugeführten Energie erzielt.
Der Gegenstand der Erfindung - das erfindungsgemäße Heizelement, das erfindungsgemäße Rohr, die erfindungsgemäße Transportvorrichtung und die erfindungsgemäße Walze - wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:

Figur 1: einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
Figur 2: schematische Seitenansicht einer Ausführungsform mit mehreren schwimmenden Elektroden.
Figur 3: Prinzipskizze der sich bei einer Ausführungsform gemäß Figur 2 ausbildenden Zonen.
Fig. 4: Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohres ohne Wärmedämmschicht
Fig. 5: Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohres mit einer Wärmedämmschicht;
Fig. 6: Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Wärmedämmschicht;
Fig. 7: Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem in die Wärmedämmschicht eingebrachten Widerstandsheizelement;
Fig. 8: perspektivische Ansicht der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 9: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizwalze mit einer zwischen den Elektroden eingeschlossenen Widerstandsschicht;
Figur 10: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Heizwalze mit zwei nebeneinander angeordneten Elektroden auf einer Seite der Widerstandsschicht;

Das Heizelement 1 weist eine dünne Widerstandsschicht 2 und zwei flächige Elektroden 3 und 4, die in einem Abstand nebeneinander angeordnet sind und die Widerstandsschicht im wesentlichen vollständig bedecken, auf. Auf der gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht 2 ist eine schwimmende Elektrode 5 angeordnet, die die Widerstandsschicht über die gesamte, von den Elektroden 3 und 4 sowie dem Abstand zwischen diesen gebildete, Fläche bedeckt. Werden die Elektroden 3 und 4 mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) kontaktiert, so verteilt sich der Strom zunächst in der Elektrode 3 fließt dann durch die Widerstandsschicht 2 im wesentlichen senkrecht zu deren Fläche zu der schwimmenden Elektrode 5, wird in dieser weitergeleitet und durchfließt die Widerstandsschicht 2 zu der Elektrode 4 und wird von dort abgeführt. Je nach Kontaktierung der Elektroden 3 und 4 kann der Stromfluß auch in der entgegengesetzten Richtung erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform wird die Isolierung zwischen den Elektroden 3 und 4 durch einen Luftspalt gebildet.
In Figur 2 ist ein Heizelement gezeigt, bei dem eine dünne Widerstandsschicht 2 vorliegt. Auf einer Seite der Widerstandsschicht 2 sind zwei flächige Elektroden 3 und 4 und mehrere dazwischen angeordnete schwimmende Elektroden 5 vorgesehen. Die Elektroden 3, 4 und die schwimmenden Elektroden 5 sind voneinander beabstandet und zu den an der gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht 2 angeordneten schwimmenden Elektroden 5 versetzt. Der an die Elektroden 3, 4 angelegte Strom durchfließt bei diesem Aufbau die Widerstandsschicht 2 und die schwimmenden Elektroden 5 in der Richtung, die in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Bei diesem Stromfluß dient die Widerstandsschicht 2 als eine Serienschaltung mehrerer elektrischer Widerstände, wodurch eine hohe Leistung erzielt werden kann und gleichzeitig in den einzelnen Bereichen bzw. Zonen der Widerstandsschicht eine geringe Spannung herrscht. Hierbei wird sowohl der Widerstand in der Dicke der Widerstandsschicht 2, als auch der Oberflächenwiderstand in den Abständen zwischen den schwimmenden Elektroden 5 bzw. der schwimmenden Elektrode 5 und der Elektrode 3 bzw. 4 genutzt. Zudem bietet der große räumliche Abstand zwischen den kontaktierten Elektroden den Vorteil, daß eine unmittelbare Berührung zwischen diesen vermieden werden kann.
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze anhand derer die elektrotechnische Dimensionierung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes erläutert werden soll. Ausgehend von der im Einzelfall gewünschten Flächenheizleistung des gesamten Widerstandsheizelementes wird zunächst aus dem Quotienten der an den kontaktierten Elektroden anzulegender Gesamtspannung und der an den einzelnen stets in Serie geschalteten Teilzonen anliegenden einheitlichen maximalen Teilspannung die Anzahl der in der Breite des Widerstandsheizelement erforderlichen Heizzonen ermittelt. Die Länge der Heizzone wird mit S bezeichnet, die Breite Z der einzelnen Zonen selbst wird nach folgendem Ansatz berechnet: $Z= \frac{B-n · A / 2 - 2 · K}{n}$
Wobei:

B =: Gesamtbreite des Flächenheizelementes (mm)
A =: Abstand zwischen den schwimmenden Elektroden bzw. der schwimmende Elektrode und der Elektrode auf einer Seite der Widerstandsschicht (mm)
K =: Breite des Randstreifens (mm)
n =: Anzahl der einzelnen in Serie geschalteten Heizzonen

Die Breite der einzelnen abwechselnd an der einen und anderen Oberfläche der Widerstandsschicht angeordneten Elektroden bzw. schwimmenden Elektroden ergibt sich aus der Summe zweier Zonenbreiten und dem Abstand A der auf einer Seite der Widerstandsschicht angeordneten Elektroden.
Die Heizleistung N_z einer einzelnen Zone des Widerstandsheizelementes ergibt sich aus: $N_{Z} {= U}_{Z} {· I}_{G} {= U}_{Z}^{2} {· L = U}_{Z}^{2} · S · Z/ρ · D$
Wobei

U =: aufgrund der im einzelnen Anwendungsfall erforderlichen elektrische Isolation (Durchschlagfestigkeit) der Widerstandsheizschicht am Teilwiderstand anliegende, zulässige maximale elektrische Zonenspannung (V)
I =: Stromstärke, die aufgrund der Serienschaltung an allen Teilwiderständen konstant und gleich dem Gesamtstrom ist (A)
L =: elektrischer Leitwert der intrinsisch leitenden Polymer-Widerstandsschicht (S)
ρ =: spezifischer Widerstand der Polymerschicht (Ω · mm)
S =: Länge der Elektrode des Widerstandsheizelementes (mm)
Z =: Breite der einzelnen Heizzonen (mm)
D =: Dicke der Widerstandsschicht (mm)

Die Elektroden sowie die schwimmende Elektrode können bei dem erfindungsgemäßen Heizelement z.B. aus Metallfolien oder Metallblechen bestehen. Weiterhin kann die elektrisch leitende Schicht an der der Widerstandsschicht abgewandten Seite mit einem schwarzen Kunststoff beschichtet sein. Durch diese zusätzliche Schicht kann das erfindungsgemäße Heizelement die Funktion eines schwarzen Strahlers annehmen und eine Tiefenwirkung der erzeugten Strahlung erzeugen.
Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement können eine Vielzahl von Elektroden auf der einen Seite der Widerstandsschicht vorgesehen sein. Durch däs Vorsehen mehrerer Elektroden, die durch Isolierungen voneinander getrennt sind nebeneinander angeordnet und jeweils als Elektrodenpaare dienen, die mit Spannungen beaufschlagt werden können, kann eine zonenweise Erwärmung des Heizelementes erzielt werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Isolierung zwischen den Elektroden durch ein Isoliermaterial, das in den zwischen den Elektroden bestehenden Spalt eingebracht wird, zu verwirklichen. Als Isoliermaterial können herkömmliche Dielektrika, insbesondere Kunststoffe verwendet werden.
Falls die Oberfläche des Heizelementes, die dem zu beheizenden Körper zugewandt ist, spannungsfrei gehalten werden soll, kann die Widerstandsschicht bzw. die schwimmende Elektrode durch Polyester-, PTFE-, Polyimid- und anderen Folien beschichtet sein. Die Verwendung dieser herkömmlichen Isoliermaterialien und der einfachen Form, z.B. einer Folie, wird bei dem erfindungsgemäßen Heizelement dadurch möglich, daß die schwimmende Elektrode nicht mit Kontakten versehen ist und somit eine glatte Oberfläche aufweist.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäß eingesetzten Widerstandsschicht kann das Heizelement unterschiedlichste Formen aufweisen. Das Widerstandsheizelement kann in Form eines Bandes vorliegen, dessen Länge größer als dessen Breite ist und bei dem die Elektroden Streifen darstellen, die sich über die gesamte Länge des Bandes erstrecken und die in Breitenrichtung des Widerstandsheizelementes nebeneinander angeordnet sind. Auch quadratische Formen sind mit dem erfindungsgemäßen Heizelement möglich.
Das Widerstandsheizelement kann z.B. innen oder außen an einem Rohr angebracht werden. Hierbei ist die einseitige Kontaktierung des Heizelementes von besonderem Vorteil, da der Wärmeübergang von dem Widerstandsheizelement zu dem zu beheizenden Körper, z.B. einem Rohr, nicht durch Kontakte behindert wird. Auch die elektrische Isolierung zwischen dem zu beheizenden Körper und dem Widerstandsheizelement wird durch den Wegfall von Kontaktstellen an der elektrisch leitenden Schicht vereinfacht.
In Fig. 4 besteht das beheizbare Rohr 10 aus einem Innenrohr 11 und einer auf diesem angeordneten Widerstandsschicht 12, die das Innenrohr 11 vollumfänglich bedeckt. Auf der Widerstandsschicht 12 sind zwei Elektroden 13 und 14 angeordnet, die flächig ausgestaltet sind und durch eine elektrische Isolierung 16 voneinander getrennt sind. Wird Strom von einer Stromquelle (nicht gezeigt) an die Elektroden 13, 14 angelegt, so durchfließt dieser die Widerstandsschicht 12 und gelangt von der einen Elektrode 13 zum Innenrohr 11. Das Innenrohr 11 besteht bei dieser Ausführungsform vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material. Der Strom wird in der Wand des Innenrohres 11 weitergeleitet und fließt durch die Widerstandsschicht 12 zu der zweiten Elektrode 14. Durch diesen Heizstrom wird die gesamte Widerstandsschicht 12 erwärmt und kann über das Innenrohr 11 diese Wärme an das Innere des Rohres abgeben.
In Fig. 5 ist an einen Teil des Umfangs des Innenrohres 11 ein Widerstandsheizelement 12, 13, 14, 15, 16 angelegt. Dieses weist eine dem Innenrohr 11 zugewandte elektrisch leitende Schicht 15 auf. Diese Schicht 15 ist eben ausgebildet und auf der dem Innenrohr 11 abgewandten Seite mit einer Widerstandsschicht 12 bedeckt. Auf der Widerstandsschicht 12sind zwei Elektroden 13 und 14 voneinander beabstandet angeordnet. Das Innenrohr 11 ist über den Bereich, der nicht mit dem Widerstandsheizelement in Kontakt steht, mit einer Wärmedämmschicht 17 bedeckt. Um diese Wärmedämmschicht 17 ist eine Dämmschale 18 angeordnet, die sowohl die Wärmedämmschicht 17 als auch das Widerstandsheizelement 12, 13, 14, 15, 16 umschließt. Das Rohr weist weiterhin Stromversorgungseinrichtungen 19 auf. Die Stromversorgungseinrichtungen 19 sind mit Zuleitungen 19a verbunden, die parallel zu der Achse des Innenrohres 11 durch die Dämmschale 18 verlaufen. Diese Zuleitungen 19a erstrecken sich durch die gesamte Länge des Rohres und können am Ende des Rohres an eine Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen oder mit den Zuleitungen 19a des nächsten Rohres kontaktiert werden. Zwischen der dem Innenrohr 11 zugewandten elektrisch leitenden Schicht 12 und dem Innenrohr 11 können Materialien zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen sein. Diese können sein: Wärmeleiterpasten, Kissen mit wärmeleitendem Material, Silikongummi und andere. Das Widerstandsheizelement 12, 13, 14, 15, 16 kann bei dieser Ausführungsform aber auch an die Krümmung des Innenrohres 11 angepaßt sein, wodurch ein unmittelbarer Wärmeübergang gewährleistet wird.
Die Elektroden 13,14 erstrecken sich bei den gezeigten Ausführungsformen in Längsrichtung des Rohres und sind umfänglich nebeneinander angeordnet. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Elektroden 13, 14 auf der Widerstandsschicht 12 so anzuordnen, daß diese sich in Richtung des Umfangs des Rohres erstrecken und axial nebeneinander angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Rohr kann ein beliebig langes Rohrstück sein. Solche Rohrstücke können wahlweise mit weiteren erfindungsgemäßen Rohren oder mit herkömmlichen nicht beheizbaren Rohrstücken zu einer Rohrleitung verbunden werden. Somit ist es möglich, ausschließlich die Bereiche der Leitung zu beheizen, bei denen eine gewisse Temperatur eingestellt werden muß, um z.B. ein Einfrieren zu vermeiden. Durch diese selektive Beheizung können die Kosten für eine Rohrleitung optimiert werden. Es können erfindungsgemäße Rohre in Längen von 10 cm, aber auch bis zu 2 m hergestellt werden.
Werden die Elektroden des Heizelementes mit Gleichstrom beaufschlagt und besteht das Innenrohr aus einem elektrisch leitenden Material, so kann an dem Innenrohr eine kathodische Schutzspannung erzeugt werden, die eine Korrosion des Rohres verhindert.
Mit einem Rohr gemäß der vorliegenden Erfindung können z.B. Pipelines auch in Gebieten verlegt werden, wo ein Einfrieren von Rohren befürchtet werden muß.
In Fig. 6 besteht die Vorrichtung 20 aus einem rohrförmigen Behälter 21 und einer auf diesem angeordneten Widerstandsschicht 22, die den Behälter 21 vollumfänglich bedeckt. Auf der Widerstandsschicht 22 sind zwei Elektroden 24 und 24 angeordnet, die flächig ausgestaltet sind und durch eine elektrisch Isolierung 26 voneinander getrennt sind. Wird Strom von einer Stromquelle (nicht gezeigt) an die Elektroden 23, 24 angelegt, so durchfließt dieser die Widerstandsschicht 22 und gelangt von der einen Elektrode 23 zum Behälter 21. Der Behälter 21 besteht bei dieser Ausführungsform vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material. Der Strom wird in der Wand des Behälters 21 weitergeleitet und fließt durch die Widerstandsschicht 22 zu der zweiten Elektrode 24. Durch diesen Heizstrom wird die gesamte Widerstandsschicht 22 erwärmt und kann über den Behälter 21 diese Wärme an das Innere des Behälters abgeben.
In Fig. 7 ist an einen Teil des Umfangs eines rohrformigen Behälters 21 ein Widerstandsheizelement angelegt. Dieses weist eine dem Behälter 21 zugewandte elektrisch leitende Schicht 25 auf. Diese Schicht 25 ist flach ausgebildet und auf der dem Behälter 21 abgewandten Seite mit einer Widerstandsschicht 22 bedeckt. Auf der Widerstandsschicht 22 sind zwei Elektroden 23 und 24 voneinander beabstandet angeordnet. Der Behälter 21 ist über den Bereich, der nicht mit dem Widerstandsheizelement in Kontakt steht, mit einer Wärmedämmschicht 27 bedeckt. Um diese Wärmedämmschicht 27 ist eine Dämmschale 28 angeordnet, die sowohl die Wärmedämmschicht 27 als auch das Widerstandsheizelement 22, 23, 24, 25, 26 umschließt. Die Vorrichtung weist weiterhin Stromversorgungseinrichtungen 29 auf. Die Stromversorgungseinrichtungen 29 sind mit Zuleitungen 29a verbunden, die parallel zu der Achse des rohrförmigen Behälters 21 durch die Dämmschale 28 verlaufen. Diese Zuleitungen 29a erstrecken sich durch die gesamte Länge der Dämmschale 28 und können am Ende an eine Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen oder mit den Zuleitungen 29a einer weiteren auf dem Behälter 21 angeordneten Dämmschale 28 mit Widerstandsheizelement und Wärmedämmschicht 27 kontaktiert werden. Zwischen der dem Behälter 21 zugewandten elektrisch leitenden Schicht 25 und dem Behälter 21 können Materialien zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen sein. Diese können sein: Wärmeleiterpasten, Kissen mit wärmeleitendem Material, Silikongummi und andere. Das Widerstandsheizelement 22,23,24,25,26 kann bei dieser Ausführungsform aber auch an die Krümmung des Behälters 21 angepaßt sein, wodurch ein unmittelbarer Wärmeübergang gewährleistet wird.
Die Elektroden 23, 24 erstrecken sich bei den gezeigten Ausführungsformen in Längsrichtung des Behälters 21 und sind in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Elektroden 23, 24 auf der Widerstandsschicht 22 so anzuordnen, daß diese sich in Richtung des Umfangs des Behälters 21 erstrecken und axial nebeneinander angeordnet sind.
In Fig. 8 ist der Behälter 21 über den größten Teil seiner Länge mit einer Dämmschale 28 umgeben. In der Dämmschale 28 ist das Widerstandsheizelement 22,23,24,25,26 sowie die Zuleitungen 29a und die Stromversorgungseinrichtungen 29 angeordnet. Das Widerstandsheizelement erstreckt sich über einen weiten Bereich der Länge der Dämmschale 28 und endet in der Dämmschale 28. Die Zuführungen 29a treten am Ende der Dämmschale aus und können an eine Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen werden. Die Befestigungsvorrichtungen, mit denen die erfindungsgemäße Transportvorrichtung auf einem Waggon oder einem Lastkraftwagen angeordnet werden kann, sind in Fig. 8 schematisch dargestellt. Diese Befestigungsvorrichtungen sind vorzugsweise so angeordnet, daß weder die Dämmschale noch das Widerstandsheizelement durch das Aufliegen des Behälters auf den Befestigungsvorrichtungen Druckbelastungen ausgesetzt wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Rohr und einer erfindungsgemäßen Transportvorrichtung können durch die parallel zu der Rohrachse bzw. zu der Behälterachse verlaufenden Zuleitungen mehrere Rohrstücke, die einen erfindungsgemäßen Aufbau aufweisen, bzw. mehrere Dämmschalen mit einem Widerstandsheizelement und einer Wärmedämmschicht hintereinander bzw. hintereinander auf dem Behälter angeordnet werden und die Stromversorgung der einzelnen Widerstandsheizelemente parallel geschaltet werden. Die Zuleitungen sind durch die Dämmschale vor Beschädigungen bzw. Kontakt mit z.B. Wasser geschützt.
Bei einer erfindungsgemäßen Transportvorrichtung ist das Widerstandsheizelement vorzugsweise so in der Dämmschale angeordnet, daß es unten an dem Behälter anliegt. Diese Position des Heizelementes weist den Vorteil auf, daß auch bei einem Behälter, der nur in geringem Maße gefüllt ist, die Wärme von dem Heizelement gut abgeführt werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Rohr und einer erfindungsgemäßen Transportvorrichtüng können auch ein Widerstandsheizelement wie in Figur 2 gezeigt Anwendung finden. Dieses Widerstandsheizelement wird in dem erfindungsgemäßen Rohr bzw. in der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung so verwendet, daß die Seite des Widerstandsheizelementes, an der die kontaktierten Elektroden angeordnet sind dem Innenrohr bzw. dem Behälter abgewandt ist. Die elektrische. Dimensionierung erfolgt bei Verwendung eines solchen Widerstandsheizelementes entsprechend der Prinzipskizze 3 und der dazugehörigen Berechnungsformeln. Dieses Widerstandsheizelement wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung so verwendet, daß die Seite des Widerstandsheizelementes, an der die Elektroden angeordnet sind dem Behälter abgewandt ist. Die Elektroden und schwimmenden Elektroden werden bei einem Rohr bzw. bei einem zylindrischen Behälter vorzugsweise so angeordnet, daß sie über den Umfang des Behälters voneinander beabstandet sind und sich in axialer Richtung erstrecken. Hierdurch werden über den Umfang mehrere Zonen gebildet in denen jeweils eine gegenüber der angelegten Spannung geringere Spannung herrscht.
Die Wärmedämmschicht dient dazu, Wärmeverluste durch Abstrahlung in die dem Innenrohr bzw. dem Behälter abgewandte Richtung zu vermeiden und die von dem Widerstandsheizelement erzeugte Wärme vorwiegend in Richtung des Innenrohres bzw. des Behälters zu lenken. Die Wärmedämmschicht kann aus Isolationsmaterialien und gegebenenfalls zusätzlich einer Reflektionsschicht bestehen.
Es ist auch möglich, daß das gesamte Innenrohr bzw. der gesamte Behälter von der Wärmedämmschicht umgeben ist und die Widerstandsschicht sowie die flächigen Elektroden und die Zwischenschicht in einer dem Innenrohr bzw. Behälter zugewandten Längsnut der Wärmedämmschicht angeordnet sind. Beim Rohr wird die Abgabe von Wärme über den restlichen Bereich des Umfangs des Innenrohres, der nicht von der Widerstandsschicht bzw. der Zwischenschicht bedeckt ist, durch die Wärmedämmschicht vermieden. Bei dieser Ausführungsform der Transportvorrichtung kann über einen definierten Bereich, in dem das Heizelement an dem Behälter anliegt, Wärme an den Behälter abgegeben werden. Gleichzeitig wird ein Wärmeverlust über den restlichen Bereich des Behälters durch die Wärmedämmschicht vermieden. Durch die Anordnung des Widerstandsheizelementes in der Dämmschicht wird ein guter Kontakt der Dämmschicht über den restlichen Bereich mit dem Innenrohr bzw. Behälter gewährleistet.
Eine solche Ausführungsform der Transportvorrichtung kann auch für Vorrichtungen, bei denen der Behälter eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, verwendet werden. Bei diesen Behältern wird die durch das Widerstandsheizelement erzeugte Wärme über die gesamte Fläche der Behälterwand verteilt und kann so das im Behälter befindliche Medium zusätzlich erwärmen. Durch diesen Aufbau erfolgt somit zum einen eine Erwärmung des Mediums durch Infrarotstrahlung vom Widerstandsheizelement und zum anderen eine unmittelbare Erwärmung durch das Widerstandsheizelement und die Behälterwand.
Die in Fig. 5 bis 8 gezeigten Ausführungsformen des Rohrs bzw. der Transportvorrichtung können zusätzlich mit Anpreßvorrichtungen versehen sein. Diese Anpreßvorrichtungen können wahlweise außen auf die jeweils dargestellten beheizbaren Rohren bzw. erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufgebracht werden, z.B. durch Klebebänder oder Spannringe, oder bei der in Fig. 5 bzw. in Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform auch unmittelbar an der Außenseite des Widerstandsheizelementes angeordnet sein. Im letzteren Fall können die Vorrichtungen aus Schaumgummi bestehen. Insbesondere bei Behältern bzw. grossen Rohren können auch aufblasbare oder ausschäumbare Kammern an der dem Behälter bzw. Innenrohr abgewandten Seite des Widerstandsheizelementes vorgesehen sein. Durch die Anpressvorrichtungen wird ein konstanter Anpressdruck und dadurch ein guter Wärmeübergang vom Widerstandsheizelement zum Behälter bzw. Innenrohr gewährleistet.
Der Behälter ist vorzugsweise rohrförmig. Er kann aber auch andere Formen haben, z.B. rechteckig sein.
Das Innenrohr bzw. der Behälter kann bei dem erfindungsgemäßen beheizbaren Rohr bzw. der-erfindungsgemäßen Transportvorrichtung z.B. aus Metall oder Kunststoff, insbesondere bzw. bevorzugt Polycarbenat, bestehen. Wird für das Innenrohr bzw. den Behälter ein Material gewählt, das keine elektrische Leitfähigkeit aufweist, so kann das Widerstandsheizelement ei ne Zwischenschicht zwischen dem Innenrohr bzw. Behälter und der Widerstandsschicht aufweisen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, bei einem solchen Innenrohr bzw. Behälter ein Widerstandsheizelement vorzusehen, das nur die Elektroden und die Widerstandsschicht umfaßt. Bei dieser Ausführungsform wird der Heizstrom von der einen Elektrode über die Widerstandsmasse der Widerstandsschicht, d.h. über das elektrisch leitende Polymer, zu der anderen Elektrode geleitet. Eine solche Stromführung ist bei dem erfindungsgemäßen Rohr bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, da die Struktur der Polymere einen ausreichenden Stromfluß durch die Widerstandsmasse und so eine ausreichende Wärmeerzeugung bewirkt.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Zuleitungen, die über die Stromversorgungseinrichtungen mit den Elektroden des Widerstandsheizelementes verbunden sind, auf der äußeren Oberfläche der Dämmschale zu führen.
Als Isolationsstück zwischen den mit Strom kontaktierten Elektroden können bei der Transportvorrichtung herkömmliche elektrisch isolierende Materialien aber auch z.B. Luft bzw. beim erfindungsgemäßen Rohr herkömmliche Dielektrika, insbesondere Kunststoffe, dienen.
Die Anschlüsse zur Versorgung des Heizelementes mit Strom werden je nach Bedarf durch beliebig lange isolierte Litzen, aber auch fest angeklebte Kontakte, hergestellt, wobei bekannte Kontaktierungssysteme eingesetzt werden können.
Es ist auch möglich, nur einen Teil der Länge des Innenrohrs bzw. des Behälters mit dem erfindungsgemäßen Aufbau mit der Dämmschale mit Widerstandsheizelement und Wärmedämmschicht zu versehen. Weiterhin kann wenigstens ein Widerstandsheizelement in der Wärmedämmschicht des Rohrs angeordnet sein bzw. die Größe des Widerstandsheizelementes je nach Anwendung so gewählt werden, daß ein oder mehrere Widerstandsheizelemente in der Wärmedämmschicht des Behälters angeordnet seien können. Diese können sich bei einem Rohr bzw. rohrförmigen Behälter in radialer oder in axialer Richtung erstrecken. Hierbei können die Widerstandsheizelemente z.B. in mehreren Längsnuten einer Dämmschicht angeordnet sein.
Das Rohr bzw. die Vorrichtung kann auch einen solchen Aufbau aufweisen, bei dem das Innenrohr bzw. der Behälter durch ein herkömmliches Rohr bzw. einen herkömmlichen Behälter gebildet wird und dieser von zwei Schalenhälften umgeben ist, wobei mindestens eine der Schalenhälften ein Widerstandsheizelement umfaßt. Die Schalenhälften sind vorzugsweise aus Dämmaterial wie z.B. Glasfasern oder Schaumstoff gebildet.
In Figur 9 ist eine Heizwalze 30 dargestellt, bei der die Innenseite des Walzenmantels 31 von einer flächigen Elektrode 33 bedeckt ist. Auf dieser Elektrode 33 ist die Widerstandsschicht 32 angeordnet und weist auf der der Elektrode 33 abgewandten Seite eine weitere Elektrode 34 auf. Im Inneren der Walze ist ein Wärmedämmstoff 37 angeordnet, der den Innenraum der Heizwalze vollständig ausfüllt und an der inneren Elektrode 34 anliegt. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Elektroden 33 und 34 an eine Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Der durch die Widerstandsschicht 32 fließende Strom erwärmt diese und führt dadurch zu einer Erwärmung des Walzenmantels 31.
In Figur 10 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizwalze 30 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Widerstandsschicht 32 unmittelbar auf dem Walzenmantel 31 angeordnet und wird auf ihrer dem Walzenmantel 31 abgewandten Seite von zwei Elektroden 33 und 34 im wesentlichen vollständig bedeckt. Die Elektroden 33 und 34 sind durch eine Isolierung 36 elektrisch voneinander getrennt.
Als Material filr die Isolierung 36 können herkömmliche Dielektrika wie Luft oder Kunststoff Anwendung finden.
Die Elektrode 34 kann von der linken Seite und die Elektrode 33 von der rechten Seite der Kopierwalze mit der Stromquelle (nicht gezeigt) verbunden werden. Der Heizstrom fließt bei dieser Ausführungsform von der ersten Elektrode 33 zu dem Walzenmantel, der vorzugsweise aus einem gut elektrisch leitenden Material besteht, und von diesem durch die Widerstandsmasse 32 zurück zu der weiteren Elektrode 34, oder umgekehrt.
Werden die mindestens zwei Elektroden auf einer Seite der Widerstandsschicht angeordnet und auf der gegenüberliegenden Seite eine Zwischenschicht aus Material mit hoher Leitfähigkeit vorgesehen, so fließt der Heizstrom von einer Elektrode durch die Widerstandsschicht zu der Zwischenschicht, wird in dieser weitergeleitet und fließt durch die Widerstandsschicht zu der weiteren Elektrode. Aufgrund der Wahl des Widerstandsmaterials ist es aber auch möglich, ohne Zwischenschicht zu arbeiten, selbst wenn der Walzenmantel aus einem nicht leitenden Material besteht. Der Heizstrom fließt in diesem Fall durch die Widerstandsschicht, wobei es aufgrund der Polymerstruktur zu einer Erwärmung der gesamten Widerstandsmasse kommt. Schließlich kann auch der Walzenmantel aus leitendem Material bestehen und zur Leitung des Stromes verwendet werden. Der an die Elektroden angelegte Strom fließt in diesem Fall von einer Elektrode durch die Widerstandsmasse und wird in dem Walzenmantel weitergeleitet, um dann durch die Widerstandsmasse zu der weiteren Elektrode zu gelangen.
Bei allen diesen Ausführungsformen, in denen der Strom der Widerstandsmasse von einer Seite zugeführt wird, ist die in den Zonen herrschende Spannung im Gegensatz zu der zweiseitigen Stromzufuhr um die Hälfte reduziert.
Der zwischen den Elektroden vorgesehene Abstand wirkt als zusätzlicher parallel geschalteter Widerstand. Wird Luft als Isolierung 36 gewählt, so wird der Widerstand durch den Abstand der Elektroden zueinander und damit durch den Oberflächenwiderstand bestimmt.
Es kann auch ein Widerstandsheizelement wie in Figur 2 gezeigt Anwendung finden. Dieses Widerstandsheizelement wird in der erfindungsgemäßen Heizwalze so verwendet, daß die Seite des Widerstandsheizelementes, an der die kontaktierten Elektroden angeordnet sind dem Walzenmantel abgewandt ist. Die elektrische Dimensionierung erfolgt bei Verwendung eines solchen Widerstandsheizelementes entsprechend der Prinzipskizze 3 und der dazugehörigen Berechnungsformeln.
Falls die Oberfläche der Heizwalze spannungsfrei gehalten werden soll, so kann eine bekannte Isolierung in Form von Polyester-, Polyimid- und anderen Folien zwischen dem Widerstandsheizelement und dem Walzenmantel vorgesehen sein. Die Stromversorgung der Elektroden erfolgt vorzugsweise über bekannte Kontaktierungstechniken bei flächigen Heizelementen oder über Schleifringe oder über als elektrische Kontakte dienende Lager.
Als Elektroden können je nach Verwendungszweck beispielsweise Metallfolien oder Bleche verwendet werden. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, das Widerstandsheizelement durch Anpressvorrichtungen an den Walzenmantel anzupressen. Als Anpressvorrichtung können z.B. Spannringe verwendet werden, die gleichzeitig als Elektroden dienen können. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Widerstandsheizelement und dem Walzenmantel können thermoplastische Kunststoffe in Form von Folien oder wärmeleitende Pasten zwischen dem Widerstandsheizelement und dem Walzenmantel vorgesehen sein.
Bei der erfindungsgemäßen Walze können mehrere Widerstandsheizelemente getrennt voneinander über die Länge der Walze verteilt im Walzeninneren vorgesehen sein. Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung, eine durchgehende Widerstandsschicht im Walzeninneren vorzusehen, auf die mehrere Elektroden in Form von Segmenten aufgebracht werden. Diese Segmente erstrecken sich über den gesamten Innenumfang des mit der Widerstandsschicht bedeckten Walzenmantels und können leicht in die Walze eingeführt werden. Sie erlauben somit eine schnelle Montage. Weiterhin kann durch das Vorsehen mehrerer Elektroden in der erfindungsgemäßen Heizwalze, die jeweils als Elektrodenpaare fungieren und wahlweise mit Strom beaufschlagt werden, eine Beheizung einzelner Bereiche der Walze erzielt werden. Auch diese Elektroden erstrecken sich vorzugsweise über den gesamten Umfang und sind in axialer Richtung voneinander beabstandet. Bei der Verwendung der Heizwalze als Folierwalze können beispielsweise die Randbereiche der Walze zusätzlich beheizt werden. Durch diese zusätzliche Wärmezufuhr kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den Bereich, der mit dem zu beheizenden Gut in Kontakt tritt, erzielt werden, da Temperaturerniedrigungen im Randbereich durch die zusätzliche Beheizung ausgeglichen werden.
Im Inneren der Walze kann auf der der Widerstandsschicht abgewandten Seite der Elektroden ein Wärmedämmstoff vorgesehen sein, der das Innere der Walze gegebenenfalls vollständig ausfüllen kann. Dieser Wärmedämmstoff verhindert eine Abstrahlung der Wärme vom Widerstandsheizelement in Richtung des Inneren der Walze und somit einen Wärmestau in der Walze.
Die erfindungsgemäße Heizwalze eignet sich besonders für die Verwendung als Kopierwalze in einem Photokopiergerät oder als Folierwalze zum Abdichten von Materialien mit Folien.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung ein Material für die Widerstandsschicht des Widerstandsheizelements, des Rohrs, der Transportvorrichtung und der Heizwalze zu verwenden, dessen Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes negativ ist.
Bei einem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes wird ein sehr geringer Einschaltstrom benötigt. Zudem kann das Material der Widerstandsschicht so gewählt werden, daß sich die erfindungsgemäß verwendete Widerstandsmasse bei einer bestimmten Temperatur, z.B. 80°C zurück regelt, so daß ab dieser Temperatur der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes positiv wird.
Die Widerstandsschicht des Widerstandsheizelements, des Rohrs, der Transportvorrichtung bzw. der Heizwalze kann einen Aufbau aufweisen, in dem verschiedene Widerstandsmaterialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen in Schichten vorliegen.
Diese Ausführungsform des Widerstandsheizelements, des Rohrs bzw. der Transportvorrichtung weist den Vorteil auf, daß durch die geeignete Wahl der Materialien in der Widerstandsschicht die Seite der Widerstandsschicht von der Wärme an den zu beheizenden Körper, das Innenrohr bzw. den Behälter abgegeben werden soll, höhere Temperaturen aufweisen kann, ohne unterschiedliche Heizströme gesondert z.B. durch Heizdrähte in einzelnen --Schichten der Widerstandsschicht führen zu müssen. Dieser Effekt wird dadurch erzielt, daß der spezifische elektrische Widerstand des verwendeten Polymers von der Schicht, die an den Elektroden anliegt, zu der dem zu beheizenden Körper, Rohr bzw. Behälter zugewandten Seite immer höher gewählt wird. Bei dieser Ausführungsform der Heizwalze kann die dem Walzeninneren zugewandte Seite der Widerstandsschicht aus einem Material bestehen, das einen geringen Widerstand aufweist. Auf dieser Schicht sind weitere Materialien in Schichten aufgebracht, deren spezifischer Widerstand von Schicht zu Schicht steigt. Die dem Walzenmantel zugewandte Seite weist bei dieser Anordnung den höchsten spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht auf, so dass diese Oberfläche stärker erwärmt wird, da hier der größere Spannungsabfall auftritt.
Das Widerstandsheizelement, das Rohr, die Transportvorrichtung, bzw. die Walze gemäß der Erfindung kann aufgrund der verwendeten Widerstandsschicht und der Kontaktierung sowohl mit niedrigen Spannungen von beispielsweise 24V als auch mit sehr hohen Spannungen von beispielsweise 240, 400 und bis zu 1000V betrieben werden.
In dem Widerstandsheizelement, dem Rohr, der Transportvorrichtung, bzw. der Walze gemäß der Erfindung können Flächenheizleistungen von größer 10 kW/m², vorzugsweise größer 30 kW/m² erzielt werden. Mit der Heizwalze sind Leistungen bis zu 60kW/m² erzielbar. Diese Heizleistung von bis zu 60 kW/m² kann auch mit einer Schichtdicke der Widerstandsschicht von 1 mm erzielt werden. Der Leistungsabfall mit der Zeit kann kleiner als 0,01% pro Jahr bei einer Dauerbeaufschlagung mit einer Spannung von 240 V sein.
Die mit dem Widerstandsheizelement, dem Rohr, der Transportvorrichtung, bzw. der Walze erzielbare Temperatur ist durch die thermischen Eigenschaften des gewählten Polymers begrenzt, kann aber mehr als 240°C und bis zu 500°C betragen. Insbesondere ist das Polymer so zu wählen, dass auch bei den angestrebten Temperaturen die Leitung weiterhin durch Elektronen-Leitung erfolgt.
Als elektrisch leitendes Polymer können erfindungsgemäß in den Widerstandsschichten des Widerstandsheizelementes, des beheizbaren Rohres und der Heizwalze insbesondere solche Polymere verwendet werden, die durch Metall- oder Halbmetallatome, die an die Polymere angelagert sind, leitfähig sind. Diese Polymere besitzen einen spezifischen Durchgangswiderstand im Bereich der Werte, die von Halbleitern erzielt werden. Er kann bis zu 10² aber höchstens 10⁵ Ω·cm betragen. Solche Polymere können durch ein Verfahren erhalten werden, bei dem Polymer-Dispersionen, Polymer-Lösungen oder Polymere mit Metall- oder Halbmetallverbindungen oder deren Lösung in einer Menge versetzt werden, so daß auf ein Polymer-Molekül annähernd ein Metall- oder Halbmetallatom kommt. Dieser Mischung wird ein Reduktionsmittel in geringem Überschuß zugegeben oder durch bekannte thermische Zersetzung Metalloder Halbmetallatome gebildet. Anschließend werden die gebildeten oder noch vorhandenen Ionen ausgewaschen und die Dispersionslösung oder das Granulat kann gegebenenfalls mit Graphit oder Ruß versetzt werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymere sind vorzugsweise frei von Ionen. Maximal beträgt der Gehalt an freien Ionen 1 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Widerstandsschicht. Die Ionen werden entweder wie oben beschrieben ausgewaschen oder es wird ein geeignetes Reduktionsmittel zugegeben. Das Reduktionsmittel wird in einem solchen Verhältnis zugegeben, daß die Ionen vollständig reduziert werden können. Der geringe Anteil an Ionen, vorzugsweise die Ionenfreiheit der erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitenden Polymere bewirkt eine lange Beständigkeit der Widerstandsschicht unter Einwirkung von elektrischen Strömen. Wie sich gezeigt hat, besitzen Polymere, die Ionen zu einem höheren Prozentsatz enthalten, eine nur geringe Alterungsbeständigkeit bei Einwirkung von elektrischen Strömen, da es durch Elektroylse-Reaktionen zur Selbstzerstörung der Widerstandsschicht kommt. Das erfindungsgemäß verwendete elektrisch leitende Polymer hingegen ist aufgrund der geringen Ionenkonzentration auch bei längerer Beaufschlagung mit Strom alterungsbeständig. Als Reducktionsmittel für das oben beschriebene beschriebene Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymers werden solche Reduktionsmittel verwendet, die entweder keine Ionen bilden, weil sie thermisch bei der Verarbeitung zersetzt werden, wie z.B. Hydrazin, oder mit dem Polymer selbst chemisch reagieren, wie z.B. Formaldehyd oder solche, deren Überschuß oder Reaktionsprodukte sich leicht auswaschen lassen, wie z.B. Hypophosphite. Als Metall oder Halbmetalle werden vorzugsweise Silber, Arsen, Nickel, Graphit oder Molybdän verwendet. Besonders bevorzugt sind solche Metall oder Halbmetallverbindungen, die durch reine thermische Zersetzung das Metall oder Halbmetall ohne störende Reaktionsprodukte bilden. Insbesondere Arsenwasserstoff oder Nickelcarbonyl haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Die erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitenden Polymere können z.B. hergestellt werden, indem das Polymer mit 1-10 Gew-% (bezogen auf das Polymer) einer Vormischung, die nach einer der folgenden Rezepturen hergestellt wurde, versetzt wird.

Beispiel 1:: 1470 Gew.Teile Dispersion von Fluorkohlenwasserpolymers (55 % Feststoff in Wasser), 1 Gew.-Teil Netzmittel, 28 Gew.-Teile Silbernitratlösung 10 %, 6 Gew.-Teile Kreide, 8 Gew.-Teile Ammoniak, 20 Gew.-Teile Ruß, 214 Gew.-Teile Graphit, 11 Gew.-Teile Hydrazinhydrat.
Beispiel 2:: 1380 Gew.-Teile Acrylharzdispersion 60 Gew.-% in Wasser, 1 Gew.-Teil Netzmittel, 32 Gew.-Teile Silbernitratlösung 10 %ig, 10 Gew.-Teile Kreide, 12 Gew.-Teile Ammoniak, 6 Gew.-Teile Ruß, 310 Gew.-Teile Graphit, 14 Gew.-Teile Hy drazinhydrat.
Beispiel 3:: 2200 Gew.-Teile dest. Wasser, 1000 Gew.-Teile Styrol (monomer), 600 Gew.-Teile Ampholytseife (15 %ig), 2 Gew.-Teile Natriumpyrophosphat, 2 Gew.-Teile Kaliumpersulfat, 60 Gew.-Teile Nickelsuflat, 60 Gew.-Teile Natriumhypophospit, 30 Gew.-Teile Adipinsäure, 240 Gew.-Teile Graphit.

Claims

Flächenheizelement (1), mit wenigstens zwei flächigen Elektroden (3,4) und einer Widerstandsschicht (2), die ein eine Metall- oder Halbmetallatom-Dotierung aufweisendes, intrinsisch elektrisch leitendes Polymer enthält,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Widerstandsschicht (2) zu wenigstens 80 Volumenprozent aus dem intrinsisch leitenden Polymer besteht, das einen spezifischen Widerstand im Bereich der Werte, die von Halbleitern erzielt werden, aber höchsten 10⁵ Q.cm, vorzugsweise höchsten 10² Ω.cm aufweist,

- dass die Widerstandsschicht (2) eine Dicke von 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise 1 mm, aufweist,

- daß die wenigstens zwei flächigen Elektroden (3,4) auf einer Seite der Widerstandsschicht (2) voneinander beabstandet angeordnet sind.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass an der den beiden flächigen Elektroden gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht (2) eine flächige, schwimmende Elektrode (5) angeordnet ist.
Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden (3,4,5) aus einem Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 10^-4 Ω.cm, vorzugsweise weniger als 10^-5 Ω.cm, bestehen.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 4, 5) eine Dicke im Bereich von 50 bis 150 µm, vorzugsweise von 75 bis 100 µm, aufweisen.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (2) einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (2) an ihren den Elektroden (3, 4) und/oder der schwimmenden Elektrode (5) zugewandten Oberflächen metallisiert ist.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Elektroden (3, 4) auf einer Seite der Widerstandsschicht (2) etwa das Zweifache der Dicke der Widerstandsschicht (2) beträgt.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dotierungsatome zur Zahl der Polymermoleküle wenigstens 2:1 und maximal 10:1 beträgt.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (2) zusätzlich - vorzugsweise höchstens 20, insbesondere höchstens 5 Volumsprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen der Widerstandsschicht - Graphitpartikel enthält, die einen mittleren Durchmesser von höchstens 0.1 µm aufweisen.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an freien Ionen in der Widerstandsschicht höchstens 1 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Widerstandsschicht, beträgt.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyamiden, Acrylharzen, Epoxiden und Polyurethanen besteht.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (2) ein Stützmaterial - vorzugsweise ein flächiges, poröses, elektrisch isolierendes Material - umfasst.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (12,22,32) mehrschichtig aufgebaut ist, wobei jede Einzelschicht wenigstens ein Widerstandsmaterial umfasst, das von demjenigen der Nachbarschicht verschieden ist und einen unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (12,22,32) auf die Oberfläche eines eine Achse aufweisenden Hohlkörpers appliziert ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die ein Rohr (10), einen Behälter (21) und einen Heizwalzenmantel (31) umfasst.
Heizelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlkörper und der Widerstandsschicht (12,22,32) eine Zwischen-schicht (15,25,35) angeordnet ist, die aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht, und dass die Widerstandsschicht (12,22,32) vorzugsweise an ihren den Elektroden. (13,14;23,24; 33,34) und/oder der Zwischenschicht (15,25,35) zugewandten Oberflächen metallisiert ist.
Heizelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (12,22, 32) direkt an der Oberfläche des Hohlkörpers angeordnet ist, der aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht.
Heizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Widerstandsschicht (12,22) und die auf ihr angeordneten Elektroden (13,14;23,24) in axialer Richtung längs an der äusseren Oberfläche des Rohres (10) oder des Behälters (21) erstrecken und die Elektroden (13,14;23,24) auf der Widerstandsschicht (12,22) in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
Heizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Stromzuführungseinrichtung (29) umfaßt, die sich außerhalb des Hohlkörpers in axialer Richtung über seine gesamte Länge erstreckt und mit jeder der Elektroden (23, 24) an mindestens zwei Stellen kontaktiert ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (32) und die auf ihr angeordneten Elektroden (33,34) sich in axialer Richtung längs an der inneren Oberfläche eines Heizwalzenmantels (31) erstrecken, wobei die Elektroden (33,34) auf der dem Heizwalzenmantel (31) abgewandten Seite der Widerstands-schicht (32) in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
Heizelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (32) und die auf ihr angeordneten Elektroden (33,34) sich an der inneren Oberfläche eines Heizwalzenmantels (31) erstrecken, wobei die Elektroden (33,34) sich im wesentlichen über den gesamten Umfang erstrecken und axial voneinander beabstandet angeordnet sind.