FI110469B - Sähköinen lämmitin asennettavaksi rakenteen pinnalle tai sen pintakerrokseen - Google Patents

Description

110469 Sähköinen lämmitin asennettavaksi rakenteen pinnalle tai sen pintakerrokseen

Keksinnön kohteena sähköinen lämmitin asennettavaksi lämmitettävän ra-5 kenteen pinnalle tai sen pintakerrokseen, johon lämmittimeen kuuluu ainakin yksi hiilikuitukerros, joka muodostaa lämmittimen sähköisen johteen, ja liitos-rakenne sähkötehon tuomiseksi hiilikuitukerrokseen jolloin hiilikuitukerros ja liitosrakenne on muodostettu vähintään hiilikuitukerroksen yhdelle puolelle asennetun kumikerroksen vulkanoinnin avulla hermeettisesti suljetuksi läm-10 mittimeksi. Keksinnön kohteena on lisäksi menetelmä sähköllä toimivan lämmittimen valmistamiseksi, joka lämmitin on tarkoitettu asennettavaksi lämmitettävän rakenteen pinnalle tai sen pintakerrokseen, johon lämmittimeen kuuluu ainakin yksi hiilikuitukerros, joka muodostaa lämmittimen sähköisen johteen, ja liitosrakenne sähkötehon tuomiseksi hiilikuitukerrokseen, jossa 15 menetelmässä hiilikuitukerroksen ainakin yhdelle puolelle sijoitetaan kumiker-ros, joka vulkanoidaan kiinni hiilikuitukerrokseen ja hiilikuitukerroksen vastakkaisella puolella olevaan alustaan, lämmittimen tekemiseksi hermeettiseksi suljetuksi, 20 Sähköisen lämmittimen tarkoituksena on pitää lämmitettävä pinta tai laite sulana tai käyttölämpötilassa ja/tai estää laitteen tai rakennelman pinnan jäätyminen.

Keksinnön mukaisen lämmittimen sovelluskohteita voivat olla esimerkiksi jää-25 tymiselle tai huurtumiselle alttiit laitteet ja niiden pinnat kuten lentokoneen tai tuulivoimalan siipi, harusvaijeri tai liikennemerkki, ulkona käytettävät elektroniset mittalaitteet ja niiden näytöt, sulana pidettävät rakennustarvik-keet kuten betoniperustuksen muotti, tai korkean ja tasaisen pintalämpötilan . : ' vaativa valmistusprosessi kuten komposiittirakenteen valumuotti.

.!!!: 30 Lämmittimellä tarkoitetaan tässä esityksessä laitekokonaisuutta joka voidaan kiinnittää lämmitettävän kohteen pinnalle. Lämmittimessä on liitosjohdot säh 2 110469 kön syöttöä ja lämpötilamittauksia varten. Lämmitin voi muodostua useammasta toisiinsa kytketystä tai erillisestä lämpöä tuottavasta elementistä, jotka on sijoitettu lämmittimen sisään.

5 Lämmitin, joka on tarkoitettu estämään laitteen tai rakenteen pinnan jäätyminen, tulee sijoittaa yleensä ko. laitteen tai rakenteen pinnalle, jolloin lämmitin joutuu ympäristörasitusten kohteeksi. Lämmittimen pintamateriaalin tulee olla mekaanisesti kestävä.

10 Jäätymisen estämiseksi tarvittava lämmitysteho on suuri, esimerkiksi lentokone- ja tuulivoimalasovelluksissa jopa suuruusluokkaa noin 10 kW/m2. Jos pinnalle asennettu lämmitin on epä luotettavasti kiinni alustassaan lämmitin ja alusta voivat paikallisesti ylikuumentua ja vaurioitua. Joissakin sovelluksissa lämmitystehon tulee lämmittimen eri kohdissa olla erilainen. Nykyisin kaupal-15 lisesti saatavilla olevien tasomaisten sähkövastukseen perustuvien lämmittimien teho on suuruusluokkaa noin 1 -1,5 kW/m2, joka on täysin riittämätön esim. tuulivoimalan siiven jäänestosovellutuksiin.

’; | # ‘ Laitteiden ja rakennelmien pintojen jäätymisen estämiseksi tai pinnoille syn- ;;; 20 tyneen jään poistamiseksi käytetään sähköisiä lämmityselementtejä, joissa sähköä johtavana aineena käytetään joko ohuita metallitankoja, pinnalta metallisoituja lasi- tai muita eristäviä kuituja tai nikkelipäällysteisestä hiili-.· · kuidusta valmistettua kudosta tai katkokuitukerrosta. Johtava aine on lami- noitu eristävien kuitukerrosten tai kalvojen väliin. Näin saadaan aikaan raken-25 teeltaan jäykkä elementti, joka on kuitenkin vaikea asentaa luotettavasti kaarevalle pinnalle. Lisäksi lämmittimen paikallisesta ylikuumenemisesta aiheu-: * ·.: tuvat riskit ovat suuret ja metallilankoja käytettäessä myös virtapiirin kat- keamisen riski on suuri.

30 Kaareville pinnoille on toteutettu lämmityskerros liimaamalla muovilaminaatin I tukema metallijohdin tai laminoimalla haluttuun muotoon leikattu hiilikuitu- ..... kudos lämmitettävälle pinnalle. Tämän johtavan kerroksen päälle on laminoi- 3 110469 tu erillinen eristävä suojakerros lasikuidusta. Edellisessä virtapiirin katkeamisen ja elementin ja pinnan väliin jäävien ilmakuplien (kuumien pisteiden) riski on suuri. Jälkimmäinen menetelmä edellyttää koko lämmitettävän kappaleen monivaiheista ja suurien kappaleiden kyseessä ollen aikaa vievää käsittelyä.

5 lisäksi lämmitettävän rakenteen muodonmuutokset ovat suurempia kuin suoraan pinnalle laminoidun hiilikuitumaton, jonka vuoksi hiilikuitumattoon kohdistuu rakenteen taipumisesta johtuvia kuormia, joihin sitä ei ole mitoitettu. Tästä aiheutuu vaurioitumisriski pitkällä aikavälillä (esimerkiksi tuulivoimalan siiven taipuminen).

10

Hiilikuitumattoon tehtävä sähköinen liitos perustuu liitosjohdon ja maton luotettavaan kontaktiin. Jos kontakti ei ole riittävä liitos ylikuumenee ja siinä voi esiintyä myös kipinöintiä, joka katkoo hiilikuitusäikeitä ja voi vähitellen tuhota koko elementin. Jos kontakti ei ole mekaanisesti tiivis alueelle jää ilmakuplia. 15

On tunnettua, että vastusmateriaalin tehoa voidaan säätää sen muotoa muuttamalla: muutetaan materiaalin paksuutta tai leveyttä virran kulkusuuntaa kohtisuorassa suunnassa. Paksuus aikaansaadaan käyttämällä eri vahvuisia kuitukankaita tai useita kerroksia samasta kankaasta. Tämä johtaa 20 luotettavien liitosten tarpeeseen. Leveys aikaansaadaan leikkelemällä kangas ” useampaan osaan, joiden on käsiteltäessä säilyttävä purkaantumattomana (sähköiset ominaisuudet).

Niinpä esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada parannettu säh-25 köinen lämmitin asennettavaksi lämmitettävän rakenteen pinnalle tai sen pintakerrokseen ja menetelmä tällaisen sähköllä toimivan lämmittimen valmis-tamiseksi.

. “ * Näiden päämäärien saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle lämmittimelle on ;30 tunnusomaista se, että liitosrakenne muodostuu hiilikuitukerroksen molem-min puolin sijoitetusta johdinmetallipunoksesta, joka on peitetty hiilikuitu-punoksella, ja että liitosrakenne on koottu hiilipitoisen tartunta-aineen avulla 4 110469 ennen lämmittimen lopullista vulkanointia, jossa vulkanoinnissa tarvittava lämpö aikaansaadaan johtamalla hiilikuitukerrokseen lämmitykseen tarvittava virta.

5 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on puolestaan tunnusomaista se, että vulkanoinnin yhteydessä lämmittimen sisäpuoli on altistettu tyhjölle ilman poistamiseksi siitä ja että hiilikuitukerrosta käytetään lämmönlähteenä lämmittimen esivulkanoinnin ja/tai lopullisen vulkanoinnin aikana.

10 Seuraavassa keksintöä kuvataan lähemmin oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa:

Kuvio 1 esittää lämmitintä ja sen pääosia valmistusvaiheessa päältäpäin katsottuna.

15

Kuvio 2 esittää esimerkin lämmittimen sähköisestä liitoksesta liitoksen kokoamisvaiheessa, ja

Kuvio 3 esittää esimerkin keksinnön mukaisen liitostekniikan avulla ;;; 20 toteutetun lämmittimen muotoilusta lämmitystehon muuttamiseksi lämmittimen eri osissa.

,· · Keksinnön mukainen lämmityselementti valmistetaan esimerkiksi metallisella alustalla 1, jonka pinta on käsitelty irrotusaineella ja kuvioitu loppukäytön 25 vaatimusten mukaisesti. Sellaisissa sovelluksissa, joissa lämmitettävä pinta on lämpöä eristävä ja korkeita lämpötiloja kestävä, elementti voidaan vulka-noida suoraan lämmitettävälle pinnalle, joka toimii samalla vulkanointialusta-na 1.

30 Lämmitin muodostuu yhden tai useamman kumikerroksen 2 päälle tai kah-| ' den tai useamman kumikerroksen 2 ja 4 väliin vulkanoidusta yhdestä tai use ammasta sähköä johtavasta hiilikuitukudoskerroksesta 3. Hiilikuitukerros toi- 5 110469 mii lämmittimen sähköisenä johteena (lämmityselementtinä) ja samalla mekaanisena lujitteena. Kumikerrosten ansiosta lämmitintä voidaan muotoilla asennettaessa sitä kaareville pinnoille.

5 Lämmitin valmistetaan edullisesti seuraavasti. Ensin esivulkanoidaan hiilikui-tukudoskerros tai -kerrokset 3 aluskumiin 2. Esivulkanointi voidaan tehdä kemiallisesti tai lämmittämällä rakennetta, esimerkiksi syöttämällä hiilikuituku-dokseen esivulkanoinnissa tarvittavan lämmön tuottamiseen sopiva virta. Esikiinnityksen jälkeen hiilikuitukerrosta voidaan muotoilla halutun lämmi-10 tystehojakauman saavuttamiseksi ilman hiilikuidun purkaantumisvaaraa. Seuraavana tehdään liitosrakenne sähkötehon syöttämiseksi lämmittimeen. Liitosmateriaaleina käytetään erillistä hiilikuitupunosta tai -mattoa 6, sopivaa johdinmateriaalia, esim. metallipunosta tai -viuhkaa 5 ja hiilipitoista tartunta-ainetta, esimerkiksi liuotettua mustaa kumia, eri kerrosten liittämiseksi toi-15 siinsa. Suurimman mahdollisen kontaktipinnan aikaansaamiseksi johdinmetal-lipunos tai -viuhka 5 sijoitetaan molemmin puolin lämmityselementtiä 3 ja peitetään molemmin puolin hiilikuitupunoksella 6. Liitos kootaan kuvion 2 periaatteen mukaisesti ennen lämmittimen lopullista vulkanointia ja sen säh-: 1. könjohtavuus varmistetaan tarvittaessa puristamalla ennen elementin sul- 20 kernistä.

Johdinmetallipunoksen tai -viuhkan 5 ja lämmityselementin 3 välinen sähköi-, · · nen kontakti muodostuu ja jää pysyväksi kumikerrosten 2 ja 4 vulkanoinnin aikana. Hiilikuitupunos 6 muodostaa lisäkontaktin ja estää kumin tunkeutumi-25 sen metallijohdinpunoksen tai -viuhkan 5 ja lämmityselementin 3 väliin. Liitos ei sisällä kovettuvia aineita, jonka ansiosta liitosta voidaan taivutella eivätkä ;' ·. liitoksen sähköiset arvot muutu.

Elementtien sähköiset liitokset (Kuvio 2) voivat sijaita käyttökohteen edellyt-.. · 30 tämän tehontarpeen saavuttamisen kannalta sopivissa paikoissa. Kuviossa 2 ' : esitetään esimerkinomaisesti pitkän elementin yhdessä päässä toteutettu liitos. Elementin reunan pituinen liitos estää myös hiilikuitumaton reunan 6 110469 purkaantumisen. Lämmitystehoa voidaan nyt säätää lisäksi katkomalla mattoa liitosta vastaan kohtisuorassa suunnassa siten, että leikkaus lopetetaan juuri ennen vastakkaista liitosta, jolloin virta kulkee edestakaisin. Lämmitys-tehoa voidaan säätää myös taittelemalla hiilikuitumattoa ja taitosalueen kui-5 tujen katkeamisen aiheuttaman kipinöimisen estämiseksi taitosalueelle tehdään samanlainen liitos.

Elementin liitosten kokoamisen jälkeen elementti suljetaan päällyskumilla 4. Ennen vulkanoinnin aloittamista lämmitin peitetään ilmatiiviillä lämmönkestä-10 väliä pussilla, jonka sisälle imetään tyhjö. Vaihtoehtoisesti päällyskumi 4 muotoillaan ja asetellaan siten, että se muodostaa tyhjön imemiseen tarvittavan ilmatiiviin pussin. Vulkanointi tekee lämmittimestä hermeettisesti suljetun, jolloin kosteutta ei pääse sen sisään ja vältytään liitosalueen korroosio-ongelmilta.

15 Lämmitin vulkanoidaan edullisesti käyttämällä vulkanointiprosessin lämmön-lähteenä elementin omaa hiilikuituelementtiä 3. Tämä on mahdollista, koska lämmityselementtinä käytettävä hiilikuitumateriaali kestää korkeita lämpötiloja vaurioitumatta. Käyttölämpötilaa korkeampi vulkanointilämpötila saavute-! 20 taan syöttämällä lämmittimeen lopulliseen käyttötarkoitukseen nähden mo ninkertainen virta. Virran tarkka arvo riippuu lämmittimen muodosta ja mitoista sekä käytettävän kumilaadun vaatimasta vulkanointilämpötilasta ja -, - · ajasta. Vulkanointi ei onnistu, jos lämmityselementin sähköinen liitos ei ole riittävän hyvä. Näin ollen valmistusmenetelmässä saadaan samalla varmistet-25 tua sähköisen liitoksen onnistuminen.

: ‘ ·. Vaihtoehtoisesti vulkanointilämpö voidaan ajatella järjestettäväksi vulkanoin- : ' tialustaa lämmittämällä. Tällöin itse vulkanointialustaan on edullisesti muo dostettu samanlainen lämmitin.

Claims (7)

1. 7 110469
2. 1. Sähköinen lämmitin (10) asennettavaksi lämmitettävän rakenteen pinnalle 5 tai sen pintakerrokseen, johon lämmittimeen kuuluu ainakin yksi hiilikuituker- ros (3), joka muodostaa lämmittimen sähköisen johteen, ja liitosrakenne (5, 6) sähkötehon tuomiseksi hiilikuitukerrokseen (3), jolloin hiilikuitukerros (3) ja liitosrakenne (5, 6) on muodostettu vähintään hiilikuitukerroksen (3) yhdelle puolelle asennetun kumikerroksen (2: 4) vulkanoinnin avulla hermeetti-10 sesti suljetuksi lämmittimeksi, tunnettu siitä, että liitosrakenne (5, 6) muodostuu hiilikuitukerroksen (3) molemmin puolin sijoitetusta johdinmetalli-punoksesta (5), joka on peitetty hiilikuitupunoksella (6), ja että liitosrakenne (5, 6) on koottu hiilipitoisen tartunta-aineen avulla ennen lämmittimen lopullista vulkanointia, jossa vulkanoinnissa tarvittava lämpö aikaansaadaan joh-15 tamalla hiilikuitukerrokseen (3) lämmitykseen tarvittava virta.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että hiilikuitukerros (3) ja liitosrakenne (4) on kiinnitetty vähintään kahden kumikerroksen (2, 4) väliin kumikerroksien vulkanoinnin avulla. *:*: 20 *··*.. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmitin, tunnettu siitä, että hiilikuitu- » · *"; kerros (3) ja liitosrakenne (5, 6) on kiinnitetty lämmitettävän rakenteen pin- ;i": nan ja kumikerroksen (2; 4) väliin kumikerroksen vulkanoinnin avulla. I » I * ·
4. 4. Menetelmä sähköllä toimivan lämmittimen valmistamiseksi, joka lämmitin (10) on tarkoitettu asennettavaksi lämmitettävän rakenteen pinnalle tai sen ·.'·* pintakerrokseen, johon lämmittimeen kuuluu ainakin yksi hiilikuitukerros (3), joka muodostaa lämmittimen sähköisen johteen, ja liitosrakenne (5, 6) säh-:Y: kötehon tuomiseksi hiilikuitukerrokseen (3), jossa menetelmässä hiilikuituker- 30 roksen (3) ainakin yhdelle puolelle sijoitetaan kumikerros (4), joka vulkanoi-daan kiinni hiilikuitukerrokseen (3) ja hiilikuitukerroksen (3) vastakkaisella .·*: puolella olevaan alustaan, lämmittimen tekemiseksi hermeettiseksi suljetuksi, 8 110469 tunnettu siitä, että vulkanoinnin yhteydessä lämmittimen sisäpuoli on altistettu tyhjölle ilman poistamiseksi siitä ja että hiilikuitukerrosta (3) käytetään lämmönlähteenä lämmittimen esivulkanoinnin ja/tai lopullisen vulkanoinnin aikana. 5
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuna alustana on kumikerros (2), joka esivulkanoidaan kiinni hiilikuitukerrok-seen (3), jonka jälkeen hiilikuitukerrosta muotoillaan halutun lämmitysteho-jakautuman aikaansaamiseksi ennen lämmittimen sulkevan kumikerrospäälli- 10 sen (4) vulkanointia alustakumiin (2).
6. 6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuna alustana on lämmitettävän rakenteen pintakerros.
7. 7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähköis ten liitosten toimivuus ja käyttöturvallisuus varmistetaan kuormittamalla lämmittimen elementtejä vulkanointiprosessin aikana käyttösovellukseen nähden moninkertaisella virralla. «· · • · • · • · · M t * · • · I » t • « * t · 9 110469