FI100844B

FI100844B - Pitkänomainen lämmitin

Info

Publication number: FI100844B
Application number: FI925037A
Authority: FI
Inventors: Neville S Batliwalla; James C Thompson
Original assignee: Raychem Corp
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1998-02-27
Also published as: WO1991017642A1; ATE125096T1; JPH05507173A; EP0536165A4; DE69111237D1; KR100245568B1; NO924306D0; EP0536165B1; JP3255232B2; DE69111237T2; CA2081029A1; FI925037A0; EP0536165A1; FI925037A; NO924306L; CA2081029C; NO302450B1

Description

100844

Pitkänomainen lämmitin

Keksinnön ala 5 Tämä keksintö liittyy resistiivisiä lämmityselementtejä käsittäviin sähkölaitteisiin, erityisesti itsesäätäviin nauhalämmittimiin, jotka käsittävät PTC-käyttäytymisen omaavasta johtavasta polymeeriseoksesta muodostettuja resistiivisiä lämmityselementtejä.

10

Johdantoa keksintöön

Monissa sovelluksissa on toivottavaa lämmittää substraattia, esimerkiksi putkea tai säiliötä, resistiivisen lämmityselementin käsittävän pitkänomaisen lämmittimen 15 avulla. Usein on välttämätöntä muodostaa sähköeristysvaippa resistiivisen lämmityselementin ympärille resistiivisen elementin ja sähköä johtavan substraatin välisen oikosulun estämiseksi. Vaikka tällaiset eristysvaipat aikaansaavat sähköneristyksen ja ympäristösuojauksen, niillä ei ehkä ole riittävää kulutuskestävyyttä. Tästä johtuen joskus eristysvaipan päälle muodostetaan punos jäykkyyden ja kulutuskestävyyden 20 aikaansaamiseksi. Jos punos on metallia, se voi toimia myös maadoituspunoksena.

Lämmityskaapeleita on kuvattu lukuisissa patenteissa, joista seuraavassa viitataan muutamiin.

25 US-A-3 793 716 selostaa PTC-käyttäytymistä omaavan nauhalämmittimen valmistusta. Menetelmässä käytetään johtavan polymeerin liuosta, jota annostellaan sopivalle alustalle, kuten langalle tai kuitulasimatolle (vaihe 1). Liuoksesta poistetaan sitten liuotin, jolloin polymeeri ja hiilimusta saostuvat alustalle (vaihe 2), minkä jälkeen saostettua polymeeriä lämmitetään sen sulamispisteen yläpuolelle, jotta saavu-30 tetaan kunnollinen kostuminen (vaihe 3). Nauhalämmitintä valmistettaessa kumpikin elektrodi päällystetään, ja haluttaessa päällystetyt elektrodit kääritään lasikangas-vaippaan ja vaiheet 1 ja 2 toistetaan. Päällystetyt elektrodit pannaan sitten yhteen ja ympäröidään punoksella ennen vaihetta 3.

35 US-A-4 072 848 selostaa PTC-sähkölämmityskaapelia, jossa yksittäiset lämmitys-elementit on yhdistetty yhdensuuntaisesti kahden johtimen väliin. Johtimia ja lämmityselementtejä ympäröi eristysvaippa.

2 100844 US-A-4 334 351 selostaa menetelmää, jonka avulla voidaan vähentää itserajoittuvi-en lämmittimien vaurioitumista niitä mekaanisesti taivutettaessa. Menetelmässä PTC-elementti ympäröidään suhteellisen joustavalla polymeerikerroksella, joka sulatetaan kiinni elementtiin.

5 US-A-3 861 029 selostaa tapaa valmistaa PTC-johtavaa polymeerinauhakuumen-ninta, jolla on alhainen hiilimustapitoisuus (alle 15 painoprosenttia) ja hyvät sekä mekaaniset että sähköiset ominaisuudet. Suulakepuristettua nauhaa, jonka sisään elektrodit on suljettu, vanhennetaan 150 °C:ssa yli 15 tuntia, kunnes saavutetaan 10 stabiili vastusarvo.

DE-A-2 504 554 selostaa vastuslämmityslankaa, jossa lanka on päällystetty ensimmäisellä muovikerroksella ja sitten toisella ristisilloitetulla muovikerroksella. Ensimmäisellä kerroksella on hyvä ja pitkäaikainen lämpöstabiilius yli 70 °C:n läm-15 pötiloissa.

US-A-4 459 473 selostaa itsesäätelevää nauhalämmitintä, jossa vastuslämmitysnau-ha, joka on parhaiten valmistettu PTC-johtavasta polymeeristä, käärittynä esimerkiksi kierremäisesti kahden erillään olevan johtimen ympärille. Lämmitysnauha liit-20 tää johtimet yhteen vaihtelevissa pisteissä pituussuunnassa. Parhaimmassa toteutus-tavasssa johtimet on erotettu eristenauhalla.

Keksinnön yhteenveto 25 Viime vuosina on lisääntyvässä määrin korostettu sitä, että on toivottavaa vähentää polymeerisiä eristysvaippoja omaavien pitkänomaisten lämmittimien, erityisesti it-sesäätävien johtavien polymeerilämmittimien tulenarkuutta. Normaali tapa pitkänomaisen lämmittimen tulenarkuuden määrittämiseksi on Underwriter's Laboratoryn VW-1-liekkitesti, julkaistu standardina Reference Standard for Electrical Wires, 30 Cables, and Flexible Cords, UL 1581, No. 1080, August 15, 1983. Lämmittimet, jotka sisältävät polyolefiinivaippoja, ja/tai resistiiviset elementit, jotka sisältävät johtavia polyolefiineihin perustuvia polymeerejä läpäisevät vähemmän todennäköisesti VW-1-testit kuin fluoropolymeerivaippoja sisältävät lämmittimet ja/tai fluoro-polymeereja sisältävät resistiiviset elementit. Metallisen maadoituspunoksen käsit-35 tävä lämmitin on yleensä tulenarempi kuin vastaava punokseton lämmitin. Lämmittimen tulenarkuutta voidaan pienentää käyttämällä (eristysvaipassa ja/tai re-sistiivisessä elementissä, jos se muodostetaan johtavasta polymeeristä) polymeeriä, jonka tulenarkuus on vähäinen, esimerkiksi käyttämällä fluorattua polymeeriä poly- 3 100844 olefiinin sijasta. Tulenarkuutta voidaan vähentää myös lisäämällä polymeeriin palamista hidastavia aineita, esimerkiksi antimonitrioksidia ja/tai halogeenia sisältäviä lisäaineita. Näillä keinoilla on kuitenkin huonoja puolia, kuten kustannusten ja painon lisääntyminen, valmistusvaikeudet sekä huonommat fysikaaliset ominaisuudet 5 kuten taipuisuus. Lisäksi on olosuhteita, joissa halogeenia sisältävien materiaalien käyttö on kielletty tai joissa näiden käyttämistä ei suositella.

Olemme havainneet, että pitkänomaisen lämmittimen tulenarkuutta voidaan vähentää varustamalla se lisäeristysvaipalla tai korvaamalla yksi eristysvaippa (mukaan-10 lukien yksi eristysvaippa tai kaksi eristysvaippaa) kahdella lisävaipalla. Tällä tavoin lämmitin, joka ei läpäise VW-1-testiä, voidaan muuntaa sellaiseksi, joka läpäisee VW-1-testin. Kun olemassa olevaan lämmittimeen lisätään lisäeristysvaipat tavanomaiseen vaipan (vaippojen) päälle tai alle, niin lisäeristysvaipan materiaalin tu-lenarkuus ei määrää tulenarkuuden vähenemistä (vaikkakin voi vaikuttaa tähän). 15 Vieläpä normaalisti tulenaroiksi katsottavista materiaaleista tehdyt vaipat voivat olla tehokkaita. Olemme esimerkiksi saaneet tulenarkuuden vähenemään huomattavasti käärimällä ohuen polyeteenitereftalaattikalvon tunnettujen lämmittimien tavanomaisten eristysvaippojen ympärille. Samoin korvattaessa yksittäinen eristevaippa kahden eristysvaipan yhdistelmällä tämä yhdistelmä voi muiden ominaisuuksien 20 kuin tulenarkuuden osalta olla olennaisesti samanlainen kuin yksittäinen vaippa. Olemme esimerkiksi havainneet, että korvattaessa yksittäinen polyolefiinipohjainen eristysvaippa kahdella samasta materiaalista tehdyllä ja saman paksuuden omaavalla eristysvaipalla aikaansaadaan tulenarkuuden väheneminen.

25 Käytössä on ollut tai käytettäväksi on ehdotettu pitkänomaisia lämmittimiä, joissa on kaksi eristysvaippaa (tai useampiakin eristysvaippoja), mutta vain sellaisissa tarkoituksissa, joilla ei tietääksemme ole mitään tekemistä tulenarkuuden kanssa. Tällaiset tunnetut lämmittimet eivät tietenkään sinänsä muodosta osaa keksinnöstämme. Keksintömme kuitenkin käsittää lämmittimiä, jotka käyttävät tällaisia tun-30 nettuja eristysvaippojen yhdistelmiä, mutta jotka muutoin ovat erilaisia kuin tunnetut lämmittimet esimerkiksi siinä suhteessa, että ne käyttävät lämmitinsydämiä, jotka ovat erilaisia kuin ne, joiden ympärille tällaisia yhdistelmiä on aikaisemmin asetettu. Erityisesti tämä keksintö käsittää uusia lämmittimiä, jotka sisältävät tunnettuja eristysvaippojen yhdistelmiä, jotka tunnetussa tekniikassa on valittu lämmittimen sydä-35 meen (tai yhteen tai useampaan muuhun lämmittimen komponenttiin) liittyvistä syistä, kun nämä syyt eivät koske uusia lämmittimiä.

4 100844

Ensimmäisen näkökohdan mukaan tämä keksintö aikaansaa pitkänomaisen lämmit-timen, joka läpäisee VW-1 -liekkitestin ja joka käsittää (1) sydämen, joka käsittää resistiivisen lämmityselementin; (2) ensimmäisen eristysvaipan, joka 5 (a) ympäröi sydäntä ja (b) on muodostettu ensimmäisestä eristemateriaalista, joka sisältää orgaanista polymeeriä, sekä (3) toisen eristysvaipan, joka ympäröi ja koskettaa ensimmäistä eristysvaippaa; ja jossa 10 (4) resistiivinen elementti (a) on johtavaa polymeeriä (3) olevan jatkuvan nauhan muotoinen, (b) omaa PTC-käyttäytymisen, ja (c) käsittää kaksi pitkänomaista elektrodia, jotka ovat johtavan polymeerin sisällä, ja 15 (5) jonka lämmittimen elementit ovat sellaisia, että (a) lämmitin, joka on olennai sesti samanlainen lukuunottamatta sitä, että se ei sisällä toista eristysvaippaa, ei läpäise VW-l-liekkitestiä, ja että (b) lämmitin, joka on olennaisesti samanlainen lukuunottamatta sitä, että se ei sisällä ensimmäistä eristysvaippaa, ei läpäise VW-1-liekkitestiä.

20

Toisen näkökohdan mukaan tämä keksintö aikaansaa lämmitinasennelman substraatin lämmittämistä varten, joka asennelma sisältää edellä mainitun ensimmäisen näkökohdan mukaisen lämmittimen, joka asetetaan kosketukseen substraatin kanssa ja jota eristekerros ympäröi.

25

Piirustusten lyhyt selitys

Keksintö on esitetty piirustuksessa, jossa kuviot 1 ja 2 esittävät tämän keksinnön pitkänomaisten lämmittimien poikkileikkauskuvantoja.

30

Keksinnön yksityiskohtainen selitys Tämän keksinnön pitkänomaiset lämmittimet mieluimmin läpäisevät Underwriters' Laboratoryn VW-1 pystysuoran johtimen liekkitestin, joka on kuvattu jäljempänä 35 ("liekkitesti") ja joka on julkaistu standardina Reference Standard for Electrical Wires, Cables, and Flexible Cords, UL 1581, No. 1080, August 15, 1983, joka julkaisu on sisällytetty tähän viitteen kautta.

5 100844 Tämän keksinnön pitkänomaiset lämmittimet käsittävät sydämen, joka käsittää re-sistiivisen lämmityselementin ja jota ensimmäinen eristysvaippa ja toinen eristys-vaippa ympäröivät Ensimmäinen eristysvaippa on sisempi vaippa ja toinen eristys-vaippa on ulompi vaippa. On ymmärrettävä, että tämä keksintö käsittää lämmittimiä, 5 joissa ensimmäiselle vaipalle määriteltyjä materiaaleja, paksuuksia jne. käytetään toisessa vaipassa ja kääntäen.

Lämmittimen sydän käsittää mieluimmin myös kaksi pitkänomaista elektrodia, joiden resistiivinen lämmityselementti (resistiiviset lämmityselementit) on kytketty rin-10 nan niiden välille. Voidaan kuitenkin myös käyttää sarjassa tai sekaisin sarjassa/-rinnan olevaa lämmitintä. Resistiivinen lämmityselementti voi olla jatkuvan nauhan muotoinen tai useiden toisistaan tietyllä etäisyydellä olevien yksittäisten lämmi-tyselementtien muodossa. Viimeksi mainittua sovitelmaa pidetään parhaana, kun lämmityselementti on valmistettu kovasta, hauraasta tai jäykästä materiaalista. Kun 15 sydän käsittää kaksi pitkänomaista toisistaan tietyllä etäisyydellä olevaa elektrodia, nämä elektrodit ovat tavallisesti kiinteiden tai säikeisten metallijohtimien muodossa, esim. tina- tai nikkelipäällysteisiä kuparijohtimia, vaikka on mahdollista käyttää muita sähköä johtavia materiaaleja, esim. johtavia maaleja, metallikalvoja tai -verkkoja. Kun lämmityselementtejä on useita, kukin niistä on sähköisesti ja fysikaalisesti 20 kytketty elektrodeihin. Elektrodit voivat olla kokonaan tai osittain resistiivisen elementin materiaalin sisällä tai kiinnitetyt resistiivisen elementin pintaan. Kun lämmityselementti on jatkuvan nauhan muotoinen, elektrodit voivat olla sen sisällä tai kuten on esitetty US-patentissa 4 459 473 (Kamath), joka paljastus on sisällytetty tähän viitteen kautta, jatkuva nauha voi tehdä katkonaisen kosketuksen vuorotellen 25 kuhunkin elektrodiin, joita erottaa valinnainen sähköä eristävä välike.

Resistiivinen lämmityselementti voidaan muodostaa mistä tahansa sopivasta resis-tiivisestä materiaalista, esim. johtavasta keraamista kuten BaTi2C>3, metallioksidista kuten magnesiumoksidista tai alumiinioksidista, tai, mitä pidetään parhaana, johta-30 vasta polymeeriseoksesta. Johtava polymeeriseos käsittää polymeerikomponentin ja dispergoituneena tai muulla tavoin siihen jakautuneena hiukkasmuodossa olevaa johtavaa täyteainetta. Polymeerikomponentti voi olla orgaaninen polymeeri (tällaista termiä käytetään siloksaanit mukaanlukien), amorfinen kuumassa pehmenevä polymeeri (esim. polykarbonaatti tai polystyreeni), elastomeeri (esim. polybutadieeni tai 35 eteeni-/propeenidieeni (EPDM) polymeeri) tai seos, joka sisältää vähintään yhtä näistä. Erityisesti parhaana pidetään kiteisiä orgaanisia polymeerejä kuten yhden tai useamman olefiinin polymeerejä, erityisesti poly eteeniä; vähintään yhden olefiinin ja vähintään yhden sen kanssa kopolymeroituvan monomeerin kopolymeereja kuten 6 100844 eteeni/akryylihappo-, eteeni/etyyliakrylaatti- ja eteeni/vinyyliasetaatti-kopolymeerit; valamalla muovattavia fluoropolymeereja kuten polyvmylideenifluoridi ja eteenitet-rafluorieteeni; sekä kahden tai useamman tällaisen polymeerin seokset. Tällaisia kiteisiä polymeerejä pidetään erityisesti parhaina, jos halutaan, että koostumuksella on 5 PTC-käyttäytyminen (positive temperature coefficient of resistance; resistanssin positiivinen lämpötilakerroin). Termiä "PTC-käyttäytyminen" käytetään tässä pa-tenttiselityksessä tarkoittamaan sellaista koostumusta tai sähköistä laitetta, jonka Rj4-arvo on vähintään 2,5 ja/tai Rjoo-arvo vähintään 10, ja erityisesti parhaana pidetään, että sen R3o~arvon tulisi olla vähintään 6, jossa R14 on ominaisresistanssien 10 suhde 14 °C lämpötila-alueen lopussa ja alussa, Rjoo on ominaisresistanssien suhde 100 °C alueen lopussa ja alussa ja R30 on ominaisresistanssien suhde 30 °C alueen lopussa ja alussa. Koostumus sisältää myös hiukkasmaista johtavaa täyteainetta, esim. nokea, grafiittia, metallia, metallioksidia tai hiukkasmaista johtavaa polymeeriä tai näiden yhdistelmän. Johtava polymeeri sisältää valinnaisesti tehottomia 15 täyteaineita, hapettumisen estoaineita, stabiloimisaineita, dispergoivia aineita, risti-liittymisaineita tai muita komponentteja. Sekoitus suoritetaan parhaiten sulatuskä-sittelyllä, esim. sulapursutuksella. Koostumus voi olla ristiliitetty säteilytyksen avulla tai kemiallisin keinoin. Itsesäätävät liuskalämmittimet, joissa elektrodit käsittävät pitkänomaiset johtimet ja joissa resistiiviset lämmityselementit sisältävät johtavaa 20 polymeeriseosta, ovat erityisen hyödyllisiä. Sopivia tämän keksinnön yhteydessä käytettäviä johtavia polymeerejä sekä lämmittimiä, joiden eristysvaippoja voidaan muuntaa esillä olevan keksinnön mukaan, on paljastettu US-patenteissa 3 858 144 (Bedard ym.), 3 861 029 (Smith-Johannsen ym.), 4 017 715 (Whitney ym.), 4 188 276 (Lyons ym.), 4 237 441 (van Konynenburg ym.), 4 242 573 (Batliwalla), 25 4 246 468 (Horsma), 4 334 148 (Kampe), 4 334 351 (Sopory), 4 388 607 (Toy ym.), 4 398 084 (Walty), 4 400 614 (Sopory), 4 425 497 (Leary), 4 426 339 (Kamath ym.), 4 435 639 (Gurevich), 4 459 473 (Kamath), 4 470 898 (Penneck ym.), 4 514 620 (Cheng ym.), 4 534 889 (van Konynenburg ym.), 4 547 659 (Leary), 4 560 498 (Horsma ym.), 4 582 983 (Midgley ym.), 4 574 188 (Midgley ym.), 30 4 591 700 (Sopory), 4 658 121 (Horsma ym.), 4 659 913 (Midgley ym.), 4 661 687 (Afkhampour ym.), 4 673 801 (Leary) sekä 4 764 664 (Kamath ym.), 4 774 024 (Deep ym.), 4 775 778 (van Konynenburg ym.) ja 4 980 541 (Shafe ym.), EP-pa-tenttijulkaisut 38 713, 38 718, 74 281, 197 759 ja 231 068; ja kansainväliset patenttijulkaisut WO 90/11001 (Batliwalla ym.) ja WO 91/03822 (Emmett). Kunkin 35 näiden patenttien, julkaisujen ja sovellusten paljastettu sisältö on sisällytetty tähän viitteen kautta.

7 100844

Kun lämmityselementti on johtavaa polymeeriä olevan jatkuvan nauhan muodossa, jonka sisällä ovat elektrodit, niin nauhan poikkileikkauksella voi olla mikä tahansa sopiva muoto, esim. suorakulmainen, pyöreä tai nostopainon muotoinen. Monet hyödylliset pitkänomaiset lämmittimet käsittävät sydämen, joka koostuu johtavasta 5 polymeeriyhdisteestä, jolla on PTC-käyttäytyminen ja jonka poikkileikkaus on olennaisesti vakio lämmittimen koko pituudella. Olemme havainneet, että mitä pienempi on poikkileikkauksen sivusuhde, sitä parempi on lämmittimen suorituskyky VW-1-liekkitestissä. Lämmityselementin poikkileikkauksen maksimidimension (usein elektrodien akselin) suhde lämmityselementin minimidimensioon (usein lämmitti-10 men paksuus) on usein enintään 7:1, mieluummin enintään 3:1, erityisesti enintään 2:1, esim. noin 1:1. Poikkileikkauksen maksimidimensio on usein pienempi kuin 2,54 cm, esim. pienempi kuin 1,5 cm ja/tai poikkileikkauksen maksimipinta-ala on pienempi kuin 8,0 cm2, esim. pienempi kuin 3,2 cm2.

15 Ensimmäinen eristysvaippa ympäröi (ja mieluimmin koskettaa) sydäntä ja koostuu orgaanisesta polymeeristä. Sopiviin polymeereihin kuuluvat ne, jotka ovat sopivia käytettäväksi johtavassa polymeeriseoksessa, sekä muut polymeerit kuten polyuretaanit. Erityisesti koska ensimmäisessä eristysvaipassa käytettävä polymeeriyhdiste usein muuttuu palamista hidastavien aineiden, esim. Αΐ2θ3·3Η2θ:η, tai Sb203:n ja 20 bromatun palamista hidastavan aineen seoksen tai muiden täyteaineiden läsnäollessa, niin parhaana pidetään sellaisia polymeerejä, jotka ovat suhteellisen joustavia. Jos on toivottavaa, että sydämen ja ensimmäisen vaipan välille saadaan hyvä fysikaalinen liitos, sydämessä ja ensimmäisessä eristysvaipassa käytettävät yhdisteet voivat sisältää samaa polymeeriä. Ensimmäinen eristysvaippa voidaan sovittaa sy-25 dämeen käyttämällä mitä tahansa tavanomaisia keinoja, esim. sulapursotuksella, liuotinvalannalla tai muovaamalla ennakolta muodostettu materiaaliarkki sydämen päälle. Yleensä pidetään parhaana, että vaippa sulapursotetaan sydämen päälle joko valutus- tai painepursotusprosessilla. Jos lämmitin on hehkutettava, ts. lämpökäsitel-tävä sydämessä olevan polymeerikomponentin kiteisen sulamispisteen yläpuolella, 30 niin ensimmäisessä eristysvaipassa olevan orgaanisen polymeerin sulamispisteen tulee olla korkeampi kuin sydämen. Yleensä ensimmäisen eristysvaipan paksuus on pienempi kuin 0,19 cm, mieluimmin pienempi kuin 0,125 cm, erityisesti pienempi kuin 0,1 cm, esim. 0,04-0,075 cm.

35 Toinen eristysvaippa ympäröi ensimmäistä eristysvaippaa. Se usein koskettaa ensimmäistä vaippaa ja voi olla tähän liitetty. Toinen eristysvaippa voidaan muodostaa orgaanisesta polymeeristä, joka voi olla samaa tai erilaista kuin ensimmäisen eristysvaipan orgaaninen polymeeri, tai se voi koostua toisesta materiaalista kuten 8 100844 lasista, esim. lasikuidusta, keraamista, kudotusta tai ei-kudotusta kudoksesta, metallista, esim. alumiinikalvosta, tai eristetystä metallista, esim. metalloidusta polyesteristä. Joustavuuden ja pienen painon kannalta pidetään parhaana, että toinen eristysvaippa on eristävää materiaalia, joka sisältää orgaanista polymeeriä. Joissakin 5 sovelluksissa pidetään parhaana, että vähintään 75 paino-% orgaanisesta polymeeristä toisessa eristysvaipassa on samaa tai vähintään 75 paino-% osalta samaa orgaanista polymeeriä kuin ensimmäisessä eristysvaipassa.

Yhdessä parhaana pidetyssä suoritusmuodossa toisen eristysvaipan paksuus on pie-10 nempi kuin 0,04 cm, erityisesti pienempi kuin 0,025 cm, varsinkin pienempi kuin 0,015 cm, aivan erityisesti pienempi kuin 0,013 cm, esim. 0,002 -0,013 cm. Erityisesti sopivia ovat sellaisten polymeerien kalvot, kuten polyesterien (esim. polyetee-nitereftalaatti, jota DuPont myy kauppanimellä MylarTM) polyimidin (esim. Du-Pontin kauppanimellä Kapton^M myymät kalvot), polyvinylideenifluoridin (esim. 15 Pennwaltin kauppanimellä Kynar^M myymät kalvot), polytetrafluorieteenin (esim. DuPontin kauppanimellä Teflon^M myymät kalvot) tai polyeteenin. Lisäksi alumii-nipinnoitettu polyesteri on hyödyllistä erityisesti sovelluksissa, joissa on tärkeätä, että mahdollista kosteutta tai pehmitintä estetään tunkeutumasta eristekerroksesta sydämeen tai ensimmäiseen eristysvaippaan ja vahingoittamasta niitä. Tällaiset kal-20 vot, arkin muotoisina, ts. ennakolta muodostetut kalvot tai nauhat, voidaan kääriä ensimmäisen eristysvaipan ympärille esim. kierteisesti ja käyttäen limisaumaa, joka kulkee kierteisesti lämmittimen suunnassa, tai niin sanottuna "savukekäärintänä" siten, että käytetään limisaumaa, joka kulkee suoraan lämmittimen suunnassa. Normaaleissa olosuhteissa joko kierteiskäärintä tai savukekäärintä suoritetaan käyttä-25 mättä liimaa siten, että eristekerros ei muodosta täydellistä estettä kosteuden tunkeutumiselle. Nämä lämmittimet eivät siten mahdollisesti ole sopivia käytettäväksi siellä, missä on välttämätöntä, että lämmitin upotetaan nesteeseen pitkäksi ajaksi, kuten esim. vesihauteen kuumentimessa, minä aikana neste voi päästä käärityn eristeen saumojen kautta sisälle. Vaihtoehtoisesti kalvon muodostavat materiaalit voi-30 daan muodostaa ensimmäisen eristysvaipan päälle käyttäen mitä tahansa muuta sopivaa menetelmää, esim. sulapursotusta, kuten valutusmenetelmällä tai liuotinvalan-nalla. Joissakin tapauksissa toisen eristysvaipan muodostava materiaali on sellaista, joka on orientoitu siten, että VW-1-testin olosuhteissa toinen vaippa kutistuu ennen palamistaan.

35

Yhdessä suoritusmuodossa toisen eristysvaipan materiaali on samanlaista kuin en-‘ simmäisen eristysvaipan materiaali.

9 100844

Yhdessä suoritusmuodossa ensimmäisen ja toisen eristysvaipan yhteenlaskettu paksuus on pienempi kuin 0,06 cm.

Metallinen punos voidaan muodostaa toisen eristysvaipan päälle joissakin suoritus-5 muodoissa.

Kun toinen eristekerros on muodostettu kalvosta kuten polyesterikalvosta tai metal-loidusta (ts. alumiinilaminoidusta) polyesterikalvosta, se voi olla hyvin hyödyllinen lämmittimen suojaamiseksi resistanssin suurenemisilta, jotka aiheutuvat pehmitti-10 mien tunkeutumisesta ulkoisesta eristekerroksesta, erityisesti polyvinyylikloridi-(PVC) vaahdosta. Tällaista vaahtoeristettä käytetään tavallisesti lämmittimen eristämiseksi sen ollessa kierrettynä putken tai muun substraatin ympärille.

Keksintö on kuvattu piirustusten avulla, joissa kuvio 1 on tämän keksinnön pitkän-15 omaisen lämmittimen poikkileikkauskuvanto. Johtavasta polymeeriyhdisteestä koostuvaa resistiivistä lämmityselementtiä 3, joka on muodostettu kahden elektrodin 5, 7 ympärille, ympäröi ensimmäinen eristysvaippa 9. Toinen eristekerros 11, esim. eristävää polymeeriä, kuten polyeteeniä, polyesteriä tai polyimidiä oleva ohut kalvo, ohut metallia kuten alumiinia oleva folio tai metalloitu polyesterikalvo on kääritty 20 ensimmäisen eristysvaipan ympärille siten, että syntyy limitysalue 13. Valinnainen metallinen maadoituspunos 15 peittää toisen eristysvaipan.

Kuvio 2 on toisen tämän keksinnön pitkänomaisen lämmittimen poikkileikkauskuvanto. Tässä suoritusmuodossa resistiivistä lämmityselementtiä, joka koostuu johta-25 vasta polymeeriyhdisteestä 3 ja kahdesta pitkänomaisesta elektrodista 5, 7, ympäröi ohut ensimmäinen eristysvaippa 9 ja ohut toinen eristysvaippa 11.

Keksintö on kuvattu seuraa vien esimerkkien avulla.

30 Esimerkit 1-19

Kussakin esimerkissä valmistettiin lämmitinnauha noudattaen jäljempänä Lämmitin l:ssä selitettyä menetelmää. Joissakin esimerkeissä lämmitinnauha peitettiin toisella eristysvaipalla, kuten on määritelty. Niillä lämmittimillä, joiden on mainittu 35 olevan punoksella varustettuja, toisen eristysvaipan tai ainoan eristysvaipan päälle muodostettiin metallipunos, joka käsitti viisi säiettä 18 AWG:n tinattua kuparijoh-dinta pinnan peittämiseksi 86 - 92 % osuudelta. Punoksen paksuus oli noin 0,076 cm ja se vastasi 18 AWG:n johdinta. Jokainen lämmitin testattiin jäljempänä 10 100844 selitettyä liekkitestiä käyttäen.

Lämmitin 1 5 Taulukossa I koostumuksesa 1 luetellut aineet sekoitettiin ennakolta ja sekoitettiin sitten ekstruuderissa, jossa oli kaksi yhdessä pyörivää potkuria, pellettien muodostamiseksi. Pelletoitu koostumus suulakepuristettiin 3,8 cm suulakkeen läpi kahden 22 AWG:n 7/30 säikeisen nikkeli-/kuparijohtimen ympärille, joiden kummankin halkaisija oli 0,079 cm, sellaisen sydämen valmistamiseksi, jossa elektrodien väli oli 10 0,269 cm johtimen keskeltä johtimen keskelle ja paksuus oli 0,211 cm keskikohdalla johtimien välissä. Sydämen ympärille suulakepuristettiin sen jälkeen ensimmäinen eristysvaippa, jonka paksuus oli 0,076 cm ja joka käsitti seoksen, joka sisälsi 10 paino-% eteeni-/vinyyliasetaattikopolymeeria (EVA), 36,8 % keskitiheyden omaavaa polyeteeniä, 10,3 % eteeni-/propeenikumia, 23,4 % dekabromodifenyleenioksi-15 dia (DBDPO), 8,5 % antimonioksidia (Sb203), 9,4% talkkia, 1,0% magnesium-oksidia ja 0,7 % hapettumisen estoainetta. Vaipalla varustettua lämmitintä säteily-tettiin 15 Mrad:n annoksella.

Lämmitin 2 20 Käyttäen taulukossa I koostumuksen 2 yhteydessä lueteltuja aineita valmistettiin lämmitin, ja se suulakepuristettiin, varustettiin vaipalla ja säteilytettiin käyttäen läm-mittimen 1 menetelmää.

25 Lämmitin 3 Käyttäen taulukossa I koostumuksen 3 yhteydessä lueteltuja aineita valmistettiin lämmitin, ja se suulakepuristettiin, varustettiin vaipalla ja säteilytettiin käyttäen läm-mittimen 1 menetelmää.

30

Liekkitesti Lämmittimet testattiin noudattaen Underwriters' Laboratoryn (UL) VW-1 pystysuoran johtimen liekkitestin menetelmää, joka on julkaistu standardissa Reference 35 Standard for Electrical Wires, Cables, and Flexible Cords, UL 1581, No. 1080, August 15, 1983, joka julkaisu on sisällytetty tähän viitteen kautta. Tässä testissä * lämmitinkoekappale, jonka pituus on 0,5 m pidetään pystyasennossa metallisen ko telon sisällä, jonka mitat ovat leveys 30,5 cm, syvyys 35,5 cm ja korkeus 61,0 cm ja 100844 π joka päältä ja edestä avoin. Kotelo asetetaan vedottomaan poistoilmakupuun. Vaakasuora kerros käsittelemätöntä kirurgista puuvillaa, jonka kerroksen paksuus on 0,6 - 2,5 cm asetetaan kuvun pohjalle lämmittimen alapuolelle. Indikaattorilippu, joka on valmistettu 1,3 cm levyisestä lujittamatonta 94 g/m^ säkkipaperia olevasta 5 liuskasta, sijoitetaan lähelle lämmittimen yläosaa ja se työntyy 1,9 cm verran kohti kotelon takapintaa. Tirrill-kaasupoltin, jossa on sininen 3,8 cm liekkisuutin ja jonka liekin kärjen lämpötila on 816 °C, asetetaan perättäisesti viisi kertaa lämmittimen edessä olevaan kohtaan, joka on 25,4 cm etäisyydellä paperilipun alareunan alapuolella. Testillekin peräkkäisten vaikutuskertojen väliaika on joko (1) 15 sekuntia, jos 10 koekappale lakkaa liekehtimästä 15 sekunnissa, tai (2) koekappaleen liekehtimisen kestoaika, jos liekehtiminen kestää kauemman aikaa kuin 15 sekuntia mutta vähemmän kuin 60 sekuntia.

Jotta koekappale läpäisisi testin, sen ei tarvitse "liekehtiä" 60 sekuntia pitempään 15 testillekin jokaisen 15 sekuntia kestävän vaikutuksen jälkeen. Lisäksi kotelon pohjalla koekappaleen alapuolella oleva puuvilla ei saa syttyä testin aikana, ja paperi-lippu koekappaleen yläosassa ei saa vahingoittua tai palaa enempää 25 % osuudelta pinta-alastaan.

20 Jokaisen lämmittimen tapauksessa vähintään viisi koekappaletta testattiin liekkites-tin olosuhteissa. Lämmitimillä, joilla yksi tai useampi koekappale kesti kaikki viisi liekin vaikutuskertaa ja läpäisi testin, testiä jatkettiin, kunnes kaikki näytteet olivat vioittuneet. Testin läpäisseiden koekappaleiden prosenttiosuus ja liekin vaikutuskertojen lukumäärä ennen kuin vioittuminen tapahtui, on esitetty taulukossa II.

12 100844

Taulukko I

Johtavien polymeerien koostumukset (Komponentit paino-%:ina) 5

Koostumus

Komponentti__1__2__3 EEA__39,0 31,4 26,6 MDPE__38,0 34,0 25,8 CB__22,0 17,6 14,9

Hapettumisen estoaine 1,0 1,0 0,7

Sb?Ch___4,3 8,6 PBDPO 1 11,7 1 23,4

Huomautuksia taulukkoon I: 10 EEA on eteeni-/etyyliakrylaattikopolymeeri.

MDPE on keskitiheyden omaava polyeteeni.

CB on noki, jonka hiukkaskoko on 28 nm.

Hapettumisen estoaine on 4,4-tio-bis(3-metyyli-l-6-6-butyylifenoli)-oligomeeri, 15 jonka keskimääräinen polymeroitumisaste on 3 - 4, kuten US-patentissa 3 986 981 on selitetty.

Sb2C>3 on antimonitrioksidi, jonka hiukkaskoko on 1,0-1,8 pm.

DBDPO on dekabromodifenyylioksidi (tunnetaan myös dekabromodifenyylieette-rinä).

20 13 100844

Taulukko 11 YHTEENVETO LIEKKITESTEISTÄ

Esimerkki Lämmitin Punos Käärintä- Paksuus %läpäis- Toistot materiaali pm syt 5 vioitt. asti ______liekkiä__ 1 __1__Ei__Ei__-__50__4-5 2 __1__On__Ei__-__0__4-5 3 __1__On PEsl__25__100__7 4 __2__Ei__Ei__-__60__4-5 5 __2__On__Ei__-__0__4-5 6 __2__On PEsl 25__100 7-8 7 __2__Ei PEsl 25__100__ 8 __2__On PEs2 25__100 6-7 9 __2__On PEs3__51__80__5-6 10 __2__On Al/PEs 25__100 6-7 11 __2__Ei Al/PEs 25__0__3 12 __2__On__AI__25__100__7 13 __2__Ei__AI__25__33__4-7 14 __2__On TFE2 51__100__6 15 __2__On__PI__51__60__4-5 16 __2__On Lasi 130__100__6-7 17 __2__On PE1__32__60__5-6 18 __2__On PE2__76__100__6 19 __2__On PVF2 51__20__5-6 20 __3__Ei__Ei__-__100__6 21 __3__On__Ei__-__0__4-5 22 __3__On PEsl__25__100 7-8 23 1 3 1 On 1 Al/PEs 25 100 7 5

Huomautuksia taulukkoon II: PEs 1 on kirkas 0,0025 cm paksu polyesterikalvo, jota on saatavissa Pelcher-Hamilton Corporationilta nimellä Phanex® IHC.

10 PEs 2 on valkoinen 0,0025 cm paksu polyesterikalvo, jota on saatavissa Pelcher-Hamilton Corporationilta nimellä Phanex® YVC.

14 100844 PEs 3 on kalvolaminaatti, jossa on 0,0025 cm paksu polyesteri ja 0,0025 cm paksu sininen polyeteeni ja jota on saatavissa Nepco Corporationilta tuotenumerolla 1232. Al/PEs on aluminoitu polyesterikalvo, jonka paksuus on 0,0025 cm.

AI on alumiinikalvo, jonka paksuus on 0,0025 cm.

5 TFE on 0,005 cm paksu monilaminaarinen valettu polytetrafluorieteenikalvo, jota on saatavissa Kemfab Corporationilta nimellä DF100.

PI on 0,005 cm paksu polyimidikalvo, jota on saatavissa DuPontilta nimellä Kapton™ HN200.

Lasi on 0,005 cm paksu lasikuidusta kudottu nauha, jota on saatavissa Crane'iltä ni-10 mellä Craneglas 230.

PE 1 on pienen tiheyden omaava polyeteenikalvo, jonka paksuus on 0,003 cm ja jota on saatavissa Gillis and Lane'iltä.

PE 2 on pienen tiheyden omaava polyeteenikalvo, jonka paksuus on 0,008 cm ja jota on saatavissa Gillis and Lane'iltä.

15 PVF2 on KynarTM polyvinyleenifluoridikalvo, jonka paksuus on 0,005 cm ja jota on saatavissa Pennwaltilta.

Esimerkki 24 (vertailuesimerkki) 20 Johtava seos, joka sisältää 39 paino-% eteeni-/etyyliakrylaattia, 39 % keskitiheyden omaavaa polyeteeniä, 22 % nokea ja 1,0 % hapettumisen estoainetta, valmistettiin ja sen jälkeen suulakepuristettiin kahden 22 AWG:n 7/30 säikeisen nikkeli-/kuparijoh-timen päälle, joiden kummankin halkaisija oli 0,079 cm yleisesti pyöreän muodon omaavan sydämen valmistamiseksi. Sydämen halkaisija oli likimäärin 0,368 cm ja 25 elektrodien väli oli noin 0,191 cm johtimen keskeltä johtimen keskelle. Ensimmäinen eristysvaippa, jonka paksuus oli 0,089 cm ja joka muodostettiin kuumassa pehmenevästä kumista (TPRJM 8222B, saatavissa Rechhold Chemicalsilta), joka sisälsi 30 paino-% palamista hidastavaa ainetta (8 paino-% Sb2C>3 ja 22 % DBDPO), suulakepuristettiin tämän jälkeen sydämen päälle. Vaipalla varustettua lämmitintä 30 säteilytettiin noin lOMradin säteilyannoksella. Testattaessa VW-1-olosuhteissa lämmitin vioittui.

Esimerkki 25 35 Lämmittimen sydän valmistettiin noudattaen esimerkin 24 menetelmää. Ensimmäinen eristysvaippa, jonka paksuus oli 0,051 cm ja joka muodostettiin kuumassa pehmenevästä kumista (TPR.TM 8222B, saatavissa Rechhold Chemicalsilta), suulakepuristettiin sydämen päälle. Toinen eristysvaippa, jonka paksuus oli 15 100844 0,046-0,051 cm ja joka muodostettiin samasta materiaalista, suulakepuristettiin tämän jälkeen ensimmäisen eristysvaipan päälle. Vaipalla varustettua lämmitintä sä-teilytettiin noin 10 Mradin säteilyannoksella. Tämä lämmitin läpäisi VW-1-testin.

5 Esimerkki 26 (vertailuesimerkki)

Johtava seos, joka sisälsi 29,3 paino-% eteeni-/etyyliakrylaattia, 32,4 % suuren tiheyden omaavaa polyeteeniä, 17,2 % nokea, 20,0 % sinkkioksidia, 0,6 % prosessiapu-ainetta ja 0,5 % hapettumisen estoainetta valmistettiin ja sen jälkeen suulakepuris-10 tettiin kahden 16 AWG:n 19-säikeisen nikkeli-/kuparijohtimen (joiden kummankin halkaisija oli 0,145 cm) päälle sellaisen sydämen valmistamiseksi, jossa johtimien väli oli 0,660 cm johtimen keskeltä johtimen keskelle. Lämmittimen sydämen poikkileikkaus johtimien välissä oli yleisesti suorakulmainen. Ensimmäinen eristys-vaippa, jonka paksuus oli 0,076 cm ja joka muodostettiin esimerkissä 1 selitetystä 15 vaipan muodostavasta materiaaliseoksesta, suulakepuristettiin tämän jälkeen sydämen päälle. Tinapinnoitteinen kuparinen maadoituspunos asetettiin sen jälkeen ensimmäisen eristysvaipan ympärille. Tämä lämmitin läpäisi VW-1-testin.

Lämmittimen käyttäytyminen lämpövanhennuksessa 88 °C:ssa eri eristekerrosten 20 yhteydessä määritettiin katkaisemalla lämmitin siten, että saatiin 30,5 cm pituisia koekappaleita, joissa elektrodit olivat toisessa päässä paljaana. Toinen pää peitettiin kuumassa kutistuvalla päätehupulla kosteuden tai muiden nesteiden sisäänpääsyn estämiseksi. Jokainen koekappale asetettiin alumiinilevylle, jonka paksuus oli 0,95 cm, ja peitettiin sen jälkeen eristelevyllä, jonka paksuus oli 0,97-1,90 cm. 25 Alumiininen peitelevy, jonka paksuus oli 0,32 cm, asetettiin eristekerroksen päälle. Resistanssi 21 °C:ssa mitattiin alkuresistanssin saamiseksi, ja sen jälkeen koekappaleet asetettiin 88 °C:n lämpötilaan kuumennettuun kiertoilmauuniin. Koekappaleet poistettiin sitten jaksollisesti uunista, jäähdytettiin 21 °C:een ja niiden resistanssi mitattiin. Sen jälkeen laskettiin "normalisoitu resistanssi" Rjyj jakamalla vanhenta-30 misen jälkeen mitattu vastusarvo alkuarvolla. Testauksen tulokset on esitetty taulukossa III.

Esimerkki 27 35 Lämmitin valmistettiin esimerkin 26 mukaan lukuunottamatta sitä, että toinen eris-tekerros, joka muodostettiin 0,0025 cm paksusta polyesterikalvosta (saatavissa Pelcher-Hamilton Corporationilta nimellä Phanex® IHC), sijoitettiin ensimmäisen eristekerroksen ja maadoituspunoksen väliin käärimällä se kierteisesti ensimmäisen 16 100844 eristekerroksen ympärille. Testauksen tulokset on esitetty taulukossa ΙΠ.

Esimerkki 28 5 Lämmitin valmistettiin esimerkin 27 mukaan lukuunottamatta sitä, että toinen eris-tekerros koostui aluminoidusta polyesterikalvosta, jonka paksuus oli 0,0025 cm. Testauksen tulokset on esitetty taulukossa ΙΠ.

On selvää, että lämmittimillä, jotka oli kääritty joko polyesteriä tai metalloitua poly-10 esteriä käyttäen, oli erinomainen suorituskyky, kun ne pantiin PVC-vaahtoon, joka sisälsi pehmentimiä.

Taulukko 111

Rjy 100 tai 1000 tunnin jälkeen 88 °C:ssa 15 ___Silikoni-eriste__Rubatex-eriste__Armatex-eriste

Esimerkki Toinen Rn @ Rn @ Rn @ Rn @ Rn @ Rn @ __kerros 100 1000 100 1000 100 1000 25__Ei 1,0 1,25 5,0 >5 1,1 2,2 27 Pesi 1,17 1,45 1,15 1,4___ 28 Al/Pes 1,20 1,59 1,30 1,53

Huomautuksia taulukkoon III: 20 Silikoni on 0,97 cm paksu kerros silikonivaahtoa, jota on saatavissa Insulectrolta nimellä Cohrlastic foam, pehmeälaatuinen.

Rubatex™ on polyvinyylikloridivaahtoeriste, jonka paksuus on 1,91 cm ja jota on saatavissa Rubatexilta. Se sisältää pehmentimiä.

ArmatexTM on polyvinyylikloridivaahtoeriste, jonka paksuus on 1,91 cm ja jota on 25 saatavissa Armstrongilta. Se sisältää pehmentimiä.

Claims

100844

1. Pitkänomainen lämmitin (1), joka läpäisee VW -1 -liekkitestin, joka käsittää (1) sydämen, joka käsittää resistiivisen lämmityselementin; 5 (2) ensimmäisen eristysvaipan (9), joka (a) ympäröi sydäntä ja joka (b) on muodostettu ensimmäisestä eristemateriaalista, joka sisältää orgaanista polymeeriä; sekä (3) toisen eristysvaipan (11), joka ympäröi ensimmäistä vaippaa ja on sen kanssa 10 kosketuksessa; tunnettu siitä, että (4) resistiivinen elementti (a) on johtavaa polymeeriä (3) olevan jatkuvan nauhan muotoinen, (b) omaa PTC-käyttäytymisen, ja 15 (c) käsittää kaksi pitkänomaista elektrodia, jotka ovat johtavan polymeerin sisällä, ja (5) lämmittimen komponentit ovat sellaiset, että (a) sellainen lämmitin, joka on olennaisesti identtinen lukuunottamatta sitä, että se ei sisällä toista eristysvaippaa, ei läpäise VW-l-liekkitestiä, ja (b) lämmitin, joka on olennaisesti identtinen lukuunot- 20 tamatta sitä, että se ei sisällä ensimmäistä eristysvaippaa, ei läpäise VW-1-liekkites-tiä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että ainakin joko ensimmäisen eristysvaipan (9) tai toisen eristysvaipan (11) paksuus on pienempi 25 kuin 0,038 cm, mieluimmin pienempi kuin 0,025 cm, erityisesti pienempi kuin 0,013 cm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että ensimmäisen vaipan (9) paksuuden ja toisen vaipan (11) paksuuden summa on pienempi kuin 30 0,10 cm, mieluimmin pienempi kuin 0,064 cm.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että toinen eristys-vaippa (11) on muodostettu käärimällä ennakolta muodostettu toista eristemateriaalia oleva nauha ensimmäisen eristysvaipan (9) ympärille siten, että nauhan reunat 35 menevät limittäin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että nauhan paksuus on pienempi kuin 0,013 cm, mieluimmin pienempi kuin 0,005 cm. IS 100844

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että nauha sisältää polyesteriä ja mieluimmin on muodostettu olennaisesti polyeteeniterefitalaatista.

7. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 4-6 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että 5 lämmitin ei ole sopiva käytettäväksi vesihauteen lämmittimenä, koska nauhan reunat ovat limittäin ilman saumausta.

8. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää metallisen punoksen (15), joka ympäröi ja koskettaa 10 toista eristysvaippaa.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että toinen eristys-vaippa (11) on muodostettu toisesta eristemateriaalista, joka (a) sisältää orgaanista polymeeriä ja (b) on samaa kuin ensimmäinen eristemateriaali. 15

10. Lämmitinasennelma substraatin lämmittämiseksi, tunnettu siitä, että asen-nelma käsittää: (1) minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen lämmittimen, ja 20 (2) eristekerroksen, joka sisältää PVC:tä, mieluimmin PVC-vaahtoa, ja että lämmitin on sijoitettu kosketukseen substraatin kanssa ja että eristekerros ympäröi sitä.

25 Patentkrav