FI65522B - Skiktat sjaelvreglerande uppvaermningsfoeremaol - Google Patents

Description

RäF^l M mj^UJ^TUSJULKAISU . „

Ma l J 1 ' UTLÄOCNIMGSSKRIFT ODOZZ

C (4¾ F" l:>’ ·.' : c. ' ly 10 05 1/Ci ^ v ^ (51) K*Jk?iu*.a.i H 05 B 5/12

SUOMI —FINLAND (21) P*t«ntUh*k#mu« —P.t.ntunieicninj 75266T

(22) H»k«mbpthrl—Anteknlnpdag 23-09·75 (23) AlkupUvi—Gllti|h*ttda| 23-09.75 (41) Tulkit |ulkl««ksl — Bllvit offuntllg 28.03-76

Patantti- ja rekisterihallitus .... ________ . , . m * . (44) Nihttrftkslptnon ]t kuuUulkabun pvm. — 31.01.04

Patent)· och registerstyrelsen ' · amMom utl*jd och utUkriftun pubikund (32)(33)(31) Pretty MuoikMt —B*fIrd prlorltut 27-09-7^ 0U.08.75 USA(US) 510036, 601638 (71) Raychem Corporation, 300 Constitution Drive, Menlo Park,

California 9^025, USA(US) (72) David August Horsma, Palo Alto, California,

Bernard John Lyons, Atherton, California,

Robert Smith-Johannsen, Portola Valley, California, USA(US) (Jk) Berggren Oy Ab (5l) Kerrostettu itsesäätävä läjnmitysesine -

Skiktat självreglerande uppvärmningsföremäl Tämä keksintö koskee kerroksiin jaettua sähköistä vastuselementtiä, joka saavuttaessaan tietyn korotetun lämpötilan olennaisesti katkaisee elementin läpi kulkevan virran, erityisesti itseohjautuvaa lämpöelementtiä, joka käsittää (A) ensimmäisen sähkövastuskerroksen, jonka vastuksella on positiivinen lämpötilakerroin (PTC-kerros) sekä ympäristön lämpötilan ylittävä anomalialämpötila, jonka yläpuolella se on olennaisesti johtamaton, (B) ainakin yhden toisen kerroksen, jolloin PTC-kerros ja mainittu toinen kerros ovat sähköisesti ja termisesti kosketuksessa toisiinsa ja jolloin toinen kerros on sähköisesti resistiivinen ja sen resis-tiivisyys on pääasiassa vakio (CW-kerros) ainakin PTC-kerroksen anomalialämpötilan alapuolella, ja (C) ainakin kaksi elektrodia, jotka niitä liitettäessä sähköiseen voimalähteeseen aikaansaavat sähkövirran johtamisen PTC- kerroksen ja CW-kerroksen välillä.

2 65522

Parannus sähkölämmityslaitteissa on viime vuosina ollut itsesäätävien lämmityssysteemien käyttöönotto, joissa käytetään materiaaleja, joilla on tietyntyyppisiä PTC-ominaisuuksia, nimittäin että kun tietty lämpötila on saavutettu, tapahtuu huomattava vastuksen nousu. Lämmit-timissä, joissa käytetään PTC-materiaaleja, ilmoitetaan olevan enemmän tai vähemmän terävät vastuksen nousut kapealla lämpötila-alueella, mutta tämän lämpötila-alueen alapuolella niissä on vain suhteellisen pienet vastuksen muutokset lämpötilan mukana. Lämpötila, jossa vastus alkaa nousta jyrkästi, määritellään usein kytkentä- tai anomalialäm-pätilaksi (T ), sillä saavuttaessaan tämän lämpötilan lämmittimellä esiintyy epäsäännöllinen vastuksen muutos ja käytännön syistä se kytkeytyy pois. Itse säätävillä lämmittimillä, joissa käytetään PTC-materiaaleja, on tavanomaisiin lämmityslaitteisiin nähden etuna se, että ne yleensä poistavat erillisten termostaattien, sulakkeiden tai linjassa olevien sähkövastusten tarpeen.

3 65522

Yleisimmin käytetty PTC-materiaali on ollut lakattu bariumtitanaatti, jota on käytetty sellaisten keraamisten lämmittimien itsesäätöön, joita käytetään sellaisiin sovellutuksiin, kuten ruoanlämmitystarjot-timiin ja muihin pieniin kannettaviin lämmityslaitteisiin. Vaikka tällaiset keraamiset PTC-materiaalit ovat yleisessä käytössä lämmitysso-vellutuksissa, niiden jäykkyys rajoittaa voimakkaasti sitä sovellutus-alaa, johon niitä voidaan käyttää. PTC-materiaaleja, jotka sisältävät sähköä johtavia polymeeriseoksia, tunnetaan myös, joista joillakin väitetään olevan yllä kuvatut erikoisominaisuudet. Kuitenkin tällaisten polymeeristen PTC-materiaalien käyttö on ollut suhteellisen rajoitettua etupäässä johtuen niiden pienestä lämmityskapasiteetista. Tällaiset materiaalit sisältävät yleensä yhtä tai useampaa johtavaa täyteainetta, esim. nokea tai jauhettua metallia dispergoituna kiteiseen kestomuovipolymeeriin. Erittäin kiteisistä polymeereistä valmistetuilla PTC-seoksilla on yleensä jyrkkä vastuksen nousu, joka alkaa joitakin asteita niiden kiteiden sulamispisteen alapuolella samalla tavoin kuin niiden keraamiset vastineet käyttäytyvät Curie-lämpöti-lassa (T keraamisille aineille). PTC-seoksilla, jotka on johdettu pienemmän kiteisyyden, esim. alle n. 50 %:n omaavista homopolymee-reista ja kopolymeereista, on jonkin verran vähemmän jyrkät vastuksen kasvut, jotka alkavat huonommin määritellyssä lämpötilassa alueella, joka usein on huomattavasti polymeerin kiteiden sulamispisteen alapuolella. Ääritapauksessa jotkut alhaisen kiteisyyden omaavat polymeerit antavat vastus-lämpötilakäyrät, jotka ovat enemmän tai vähemmän koverat (ylhäältä). Muut kestomuovipolymeerityypit antavat vastukset, jotka kasvavat melko tasaisesti ja enemmän tai vähemmän jyrkästi, mutta jatkuvasti lämpötilan mukana. Liitteenä olevien piirrosten kuvio 1 esittää luonteenomaisia käyriä yllä mainituille eri PTC-seosten tyypeille. Kuviossa 1 käyrässä I on terävä todella hetkellinen vastuksen kasvu (jäljempänä tunnetaan tyypin I käyttäytymisenä), joka on yleensä ominainen muun muassa polymeereille, joilla on suuri kiteisyys; käyrä II esittää hitaampaa kasvua alemmissa lämpötiloissa (suhteessa polymeerin sulamispisteeseen), joka jäljempänä tunnetaan tyypin II käyttäytymisenä, joka yleensä on luonteenomainen polymeereille, joilla on alhaisempi kiteisyys. Käyrä III kuvaa koveraa (ylhäältä) käyrää, joka on luonteenomainen (tyypin III käyttäytyminen) monille erittäin alhaisen kiteisyyden omaaville polymeereille kun taas käyrä IV kuvaa vastuksen suurta kasvua, jossa ei ole enemmän tai vähemmän pysyvän vastuksen aluetta (tyypin IV käyttäytyminen) ainakin kaupallisesti mielenkiintoisella lämpötila-alueella joidenkin materiaalien osalta. Käyrä V esittää lievästi nousevaa vastus- 4 65522 lämpötilaominaiskäyrää (tyypin V käyttäytyminen), jota monet "normaalit" sähkövastukset osoittavat. Vaikka yllä mainittuja käyttäyty-mistyyppejä on kuvattu viitaten etupäässä polymeerimateriaalin eri-koistyyppeihin, alaan perehtyneet ymmärtävät, että aineen osoittama kulloinenkin käyttäytymistyyppi on myös hyvin riippuvainen johtavan täyteaineen tyypistä ja määrästä ja noen kyseessä ollen sen hiukkas-koosta ja muodosta, pintaominaisuuksista, agglomeroitumistaipumuk- sesta, ja hiukkasagglomeraattien muodosta (so. sen struktuurin muo- \ dostamistaipumuksesta).

On huomautettava, että alalla aikaisemmin paljastettujen suositeltavien PTC-seosten väitetään kaikkien osoittavan oleellisesti tyypin I käyttäytymistä. Itse asiassa alalla ei aikaisemmin erityisesti tunnettu tyyppien II-IV käyttäytymistä huolimatta siitä, että monilla alalla aikaisemmin paljastetuilla PTC-seoksilla ei itse asiassa ole tyypin I vaan mieluummin tyypin II, III tai IV käyttäytyminen.

Tyypin I vastus-lämpötilaominaisuuksien kyseessä ollen vastuksen kasvu Ts-pisteen yläpuolella on nopeaa siten, että pistettä Ts voidaan pitää lämpötilana, jossa laite kytkeytyy pois päältä. Kuitenkin tyypin II tai III PTC-materiaaleilla muutos vastuksesta, joka on suhteellisen stabiili lämpötilaa nostettaessa, vastukseen, joka nousee jyrkästi lämpötilan mukana, on paljon huonommin määriteltävissä ja anomalialämpötila tai Tg ei usein ole tarkka lämpötila. Tässä patent-timäärityksessä, vaikka laitetta voidaan kuvata itse katkaisevana tietyllä Ts-arvolla, alaan perehtyneet ymmärtävät, että monissa käytännön tapauksissa on sopivampaa ymmärtää T -arvon olevan alhai-

O

simman lämpötilan lämpötila-alueella, jolla laite kytkeytyy pois, tai pitää Tg-arvoa suhteellisen kapeana lämpötila-alueena mieluummin kuin tiettynä lämpötilana.

Aikaisemmin paljastetuilla itsesäätävillä lämpölaitteilla, joissa käytetään PTC-materiaalia, esitetään olevan erittäin jyrkät (tyyppi I) R = f (T)-käyrät siten, että tietyn lämpötilan yläpuolella laite itse asiassa sulkeutuu, kun taas tämän lämpötilan alapuolella saavutetaan suhteellinen pysyvä wattiteho vakiojännitteellä. T -arvon

O

alapuolisilla lämpötiloilla vastus on suhteellisen pieni ja vakio-tasolla ja näin ollen virtavuo on suhteellisen suuri millä tahansa käytetyllä jännitteellä. Tämän virtavuon kehittämä energia häviää lämmöksi, so. sähköinen vastus kehittää lämpöä ja lämmittää PTC-ma- teriaalin. Lämpötilan noustessa vastus pysyy tällä suhteellisen 5 65522 alhaisella tasolla, suunnilleen Ts~lämpötilaan saakka, jossa pisteessä tapahtuu nopea vastuksen kasvu. Vastuksen kasvaessa tapahtuu samanaikainen tehon lasku, mikä rajoittaa kehittyneen lämmön määrää siten, että kun Tg saavutetaan, lämmitys oleellisesti lakkaa. Sen jälkeen, kun laitteen lämpötila on laskenut alle Ts~pisteen lämpö-häviönä ympäristöön, vastus laskee nostaen tehon tuotantoa.

Pysyvässä olotilassa kehittynyt lämpö on oleellisesti tasapainossa hukkaan menneen lämmön kanssa. Näin ollen kun käytetty jännite suunnataan PTC-lämmityselementin läpi, Joule-lämpö saa aikaan PTC-ele-mentin lämpenemisen aina suunnilleen sen T -pisteeseen saakka, tämän o lämpenemisen nopeuden riippuessa käytetystä jännitteestä ja PTC-ele-mentin tyypistä, minkä jälkeen vain pientä lämpötilan nousua tapahtuu johtuen vastuksen kasvusta. Johtuen vastuksen noususta PTC-läm-mityselementti saavuttaa tavallisesti pysyvän olotilan suunnilleen Ts-pisteessä säätäen tällöin itse elementin lämmöntuotannon turvautumatta sulakkeisiin tai termostaatteihin. Tällaisen itseensä sisältyvän lämmönsäätöelementin edut ovat monissa sovellutuksissa ilmeiset.

Kohler paljastaa US-patentissa 3 243 753 nokitäytteisen polyeteenin, jossa johtavat nokihiukkaset ovat oleellisessa kosketuksessa toistensa kanssa. Kohler kuvaa tuotetta, joka sisältää 40 % polyeteeniä ja 60 % nokihiukkasia, jolloin vastukseksi saadaan huoneenlämpötilassa n. 0,4 ohm/cm. Kuten on tyypillistä alan aikaisempien materiaalien todistetuille ominaisuuksille, Köhler'in PTC-tuotteella kuvataan oleva.-n suhteellisen matala sähkövastuskäyrä lämpötilan funktiona kytkentälämpötilan alapuolella, jota seuraa terävä resistiivisyyden nousu, joka on vähintään 250 % l4°C:n alueella. Kohler'in ehdottama mekanismi resistiivisyyden terävälle nousulle on se, että tällöin muutos on materiaalien, so. polyeteenin ja hiukkasmaisen noen lämpö-laajeneman eron funktio. Arvellaan, että seoksen suuri johtavan täyteaineen määrä muodostaa johtavan verkoston polyeteenipolymeerimat-riisin läpi antaen näin alussa muuttumattoman resistiivisyyden alemmilla lämpötiloilla. Kuitenkin suunnilleen kiteidensä sulamispisteessä polyeteenimatriisi laajenee nopeasti ja tämä laajeneminen aiheuttaa monien johtavien verkkojen murtumisen, joka puolestaan johtaa seoksen vastuksen nopeaan kasvuun.

Muihin teorioihin, joita on ehdotettu PTC-ilmiön selittämiseen johtavilla hiukkasilla täytetyissä polymeeriseoksissa, kuuluvat moni- 65522 mutkaiset mekanismit, jotka perustuvat elektronien tunnelinmuodos-tukseen jyvästen välisten rakojen läpi johtavan täyteaineen hiukkasten välistä tai jotkut mekanismit, jotka perustuvat faasinmuutokseen kiteisistä amorfisiin alueisiin polymeerimatriisissa. Taustakeskuste-lu lukuisille ehdotetuille vaihtoehtoisille PTC-ilmiön mekanismeille löytyy artikkelista "Glass Transition Temperature as a Guide to the Selection of Polymers Suitable for PTC materials", J. Meyer, Polymer Engineering and Science, November, 1973, .13, n:o 6. US-patentissa n:o 3 673 121 Meyer ehdottaa, että perustuen faasinmuutosteoriaan, jyrkästi nousevan vastuksen PTC-käyrän saavuttamiseksi, jolla on terävä raja (tyyppi I) polymeerimatriisin tulee sisältää kiteistä polymeeriä, jolla on kapea molekyylipainojakautuma. Kawashima et ai. paljastavat US-patentissa 3 591 526 PTC-valuseoksen, jossa johtavat hiukkaset, kuten noki dispergoidaan ensin kestomuoviseen materiaaliin ja tämän jälkeen tämä dispergoitu seos sekoitetaan valuhartsiin. Kawashima et ai. korostavat samoin erittäin jyrkän lämpötilavastuskäyrän (so. R = f (T))-käyrän toivottavuutta, jossa T -piste on välillä n.

b 100-130OC.

Johtuen niiden joustavuudesta, suhteellisen alhaisesta hinnasta ja asennuksen helppoudesta PTC-nauhakuumentimille, jotka sisältävät johtavia hiukkasia dispergoituina kiteiseen polymeeriin, on viime aikoina löytynyt laajaa käyttöä putkien lankakuumentimina teollisuuden putkistoissa ja sentapaisissa sovellutuksissa. Esimerkiksi tällaisia polymeerisiä PTC-kuumentimia on, johtuen niiden itsesäätävistä piirteistä, käytetty putkin peittämiseen kemiallisissa laitoksissa niiden suojaamiseksi jäätymiseltä tai pysyvän lämpötilan ylläpitämiseen, mikä puolestaan tekee mahdolliseksi vesi- tai muiden liuosten virtaamisen putkien läpi ilman "suolan erottumista".

Tällaisissa sovellutuksissa lämmittimet ihannetapauksessa saavuttavat ja ylläpitävät lämpötilan, jossa energia, joka menee hukkaan lämmönsiirrosta ympäristöön, vastaa virrasta saatua energiaa. Tällaiset lämmittimet koostuvat tavallisesti suhteellisen kapeasta ja ohuesta nauhasta tai suikaleesta, joka on noella täytettyä polymeerimateriaalia, jossa on elektrodit (kuten upotetut kuparilangat) vastakkaisilla reunoilla pitkin suikaleen pituusakselia. Näin ollen on yleensä ajateltu sähköisen jännitegradientin kulkevan pitkin nauhan pituus-akselia· ja sitä vastaan kohtisuorassa olevaa tasoa pitkin, vastakkaisten elektrodien välille asetetun jännitteen saadessa aikaan koko 65522 nauhan kuumenemisen, tavallisesti suunnilleen sen T -pisteeseen

S

saakka.

Edellä olevasta selostuksesta selviää, että tyypin I materiaaleilla on merkittäviä etuja edellä lueteltuihin muuntyyppisiin PTC-materiaa-leihin nähden useimmissa sovellutuksissa. Tyypillä II ja III on se haitta, että johtuen paljon vähemmän terävästä muutoksesta lämmitti-men muuttumaton lämpötila on riippuvaisempi siihen kohdistetusta termisestä kuormasta. Tällaiset seokset kärsivät myös virtasysäysongelmas-ta, jota kuvataan yksityiskohtaisemmin jäljempänä. Tyyppien IV ja V materiaaleja johtuen siitä, että niiltä puuttuu hyödyllinen lämpötila-alue, jolla energian tuotanto muuttuu lämpötilariippumattomuudesta lämpötilariippuvuuteen, ei ole pidetty tähän saakka sopivina materiaaleina käytännön lämmittimiin tavallisissa olosuhteissa.

Niissä käytöissä, joita on kuvattu yllä ja muissakin on olemassa tarvetta joustavista nauhakuumentimista, joilla on paljon suuremmat energian tuotantotiheydet ja/tai korkeammat käyttölämpötilat kuin alalla aikaisemmin ajateltiin. Ei näytä olevan mahdollista käyttää kuumentimia, erityisesti nauhakuumentimia, jotka on valmistettu alan aikaisemmista seoksista ja alan aikaisempien rakenteiden mukaisesti, korkeammilla energian tuotannoilla, so. korkeammilla wattitasoilla (yli n. 0,23 W/cirr) ja/tai korkeammissa lämpötiloissa (yli n. 100°C). Varsinainen alan aikaisempien kuumentimien tuottama wattimäärä on paljon pienempi kuin mitä odottaisi laskemalla lämmitinpinta-alasta ja lämmönsiirtotarkasteluista ilmeisesti johtuen siitä, että lämpöä tuotetaan hyvin ohuessa nauhassa pitkin kahden elektrodin välissä olevan nauhan pituusakselia. Tällaista ilmiötä kutsutaan tässä kuuma-viivaksi. Tämä kuumaviiva johtaa riittämättömään ja epäyhtenäiseen lämmitysominaisuuteen ja tekee koko lämmityslaitteen käyttökelvottomaksi suurimmaksi osaksi lämmitysjaksoa sovellutuksissa, joissa suuret wattitehot, erityisesti yli 100°C:n lämpötiloissa ovat toivottavia. Tarkemmin sanoen koska lämmöntuotanto on rajoittunut kapealle nauhalle tai viivalle poikittain virtatietä vastaan, tämän viivan suuri vastus estää virran kulun viivan poikki aiheuttaen itse asiassa koko lämmittimen sulkeutumisen, kunnes kuuman viivan lämpötila putoaa jälleen alle T -arvon.

b

Nyt on havaittu, että tämän kuuman viivan tila esiintyy useimmissa ellei kaikissa aikaisemman käytännön mukaan suunnitelluissa polymeerisissä PTC-nauhakuumentimissa, joissa jännite on päällä ja virta 65522 kulkee pituussuuntaa vastaan kohtisuoraan nauhan poikki, tällaisen tilan laajuuden riippuessa yleensä käytetyn jännitteen määrästä sekä polymeerin lämmönjohtokyvystä ja epäyhtenäisen lämpöhukan määrästä. Kuuma viiva pitkin nauhan pituusakselia elektrodien välillä sulkee tehokkaasti lämmityslaitteen siitä huolimatta, että vain pieni osa kalvon pinta-alasta, so. kuuma viiva on saavuttanut Ts-arvon. Tämä tuhoaa monessa tapauksessa kuumentimen tai ainakin tekee sen niin tehottomaksi, että sillä osoittautuu olevan hyvin pieni lämmityskyky, jonka on havaittu yleisesti liittyvän aikaisemman käytännön mukaisiin PTC-polymeerinauhakuumentimiin.

Yllä olevasta selostuksesta käy ilmi, että kuuman viivan poistaminen on tärkeää PTC-itsesäätävän kuumentimen tehokkaan toiminnan kannalta, erityisesti sellaisen, jolla on suuri energiantuotanto ja/tai korkea käyttölämpötila.

Olisi myös mitä edullisinta, jos voitaisiin valmistaa PTC-itsesää-tävä kuumennin, jonka lämmityspinnan muoto olisi jokin muu kuin suhteellisen pitkä, kapea nauha, esim. neliömäinen tai pyöreä lämmitys-tyyny. Toivottava olisi myös PTC-itsesäätävä kuumennin, joka voitaisiin valmistaa suhteellisen monimutkaisiin kolmiulotteisiin muotoihin, esim, sellainen, joka kykenisi muodostamaan tehokkaan kosketuksen oleellisesti koko kemiallisen prosessiastian ulkopinnan kanssa. Valitettavasti pyrkimys kuumaan viivaan on erityisen vallitseva, kun virtatien etäisyys, so. etäisyys elektrodien välillä on suuri verrattuna poikkileikkauspinta-alaan PTC-materiaalin pituusyksikköä kohti, jonka läpi virran on kuljettava. Esimerkiksi kun kyse on lämmitysnau-hasta, jossa elektrodit ovat nauhan reunoissa, leveällä lyhyellä nauhalla on suurempi taipumus kuumaan viivaan kuin samanpituisella saman koostumuksen ja paksuuden omaavalla kapealla nauhalla. Samoin pituuden ja leveyden ollessa samat mitä ohuempi nauha, sitä suurempi taipumus kuumaan viivaa. Nauhan pituuden lisäämisellä pidettäessä leveys ja paksuus vakiona ei ole merkittävää vaikutusta kuumaviivan muodosta-mispyrkimykseen. Kuumaviivan muodostumisen ongelmaa ei ilmeisesti ole aikaisemmin riittävästi ymmärretty ja varmuudella mitään koostumus- tai rakenne-ehdotusta sen pienentämiseksi ei ole tehty.

Polymeerisiä PTC-seoksia on ehdotettu myös lämmössä kutistuviin tuotteisiin. Esimerkiksi Day kuvaa julkaisussa U.S. Patent Office Defensive Publication T 905 001 lämmössä kutistuvan PTC-kalvon käyt- 65522 töä. Kuitenkin DayTn kutistekalvo kärsii siitä melko vakavasta haitasta, että koska T ei ole korkeampi kuin kalvon kiteiden sulamis-piste, vain hyvin pieni palautumisvoima voidaan synnyttää. Buiting et ai. ehdottavat US-patentissa 3 ^13 ^2 lämmitinrakenteita, joihin liittyy polymeerikerroksen laminointi hopeaelektrodien väliin. Merkittävä haitta Buiting et ai:in rakenteessa on sen joustamattomuus. Lisäksi enempää Buiting et ai:in kuin mikään muukaan edellä selostettu alan aikaisempi kuvaus ei viittaa ja vielä vähemmän ratkaisee tiettyjä lisäongelmia, jotka ovat luonteenomaisia kaikissa alan aikaisemmissa PTC-lämmittimissä.

Ensinnäkin on virtasysäyksen ongelma. Tämä ongelma on erityisen vaikea, kun halutaan saada aikaan lämmitin, jonka T„ on yli n. 100°C.

O

Monissa sovellutuksissa voitaisiin edullisesti käyttää itsesäätäviä lämmittimiä, joiden Ts on 200°C tai jopa ylikin. Valitettavasti kuten edellä mainittiin aikaisemmin ehdotetut PTC-lämmitinrakenteet ovat oleellisesti soveltumattomia näin korkeisiin Ts-sovellutuksiin.

Materiaaleilla, joiden Ts-arvot ovat huomattavasti yli 100°C, tällaisen materiaalin vastus Tg-lämpötilassa tai juuri sen alapuolella voi olla jopa 10 kertaa sen vastus ympäristön lämpötilassa. Koska PTC-lämmitin tavallisesti toimii Ts-lämpötilassa tai hiukan sen alapuolella, sen tehokas lämmöntuotanto määräytyy sen vastuksen mukaan hieman Ts-lämpötilan alapuolella. Tämän vuoksi PTC-lämmitin, joka kuluttaa esim. 15 amperia 200°C:ssa, voisi helposti kuluttaa 150 amperia ympäristön lämpötilassa. Tällainen lämmitinsysteemi vaatisi turhaan ylimääräistä virrankuljetuskapasiteettia siihen nähden, mitä pysyvän tilan toiminnassa vaaditaan tai vaihtoehtoisesti vaatii monimutkaisen ja yleensä helposti särkyvän tai kalliin säätöpiirin asentamista estämään 150 amperin alkuvirtasysäystä polttamasta lämmitintä tai siihen johtavia johtimia, kun lämmitin ensimmäistä kertaa kytketään sähkölähteeseen.

Viitaten liitteenä olevien piirrosten kuvioon 2, joka on vastus-lämpö-tilakäyrä, lämmittimen ominaiskäyrän suositeltavalla tyypillä (käyrä ABC) on ihannemuodossaan vakiovastus (jota osoittaa suora AB) T -

O

pisteeseen saakka, ja vastus, joka nousee erittäin nopeasti (jota osoittaa suora BC) Tg-pisteen yläpuolella. Näin ollen käyttöalue sanokaamme sen maksimiarvosta suunnilleen kulutettuun O-virtaan, on se, jota esittävät katkoviivat, jotka leikkaavat vastus-lämpötilakäyrää kohdissa B ja D. Ihannelämmittimen energiantuotantoon eivät vaikuta 10 65522 lämpötilan muutokset T -pisteen alapuolella, mutta sen sijaan muutok-set sen koko alueella hyvin kapealla lämpötilavälillä Ts~pisteen yläpuolella. Valitettavasti kuten edellä on kuvattu hyvin harvoilla jos millään PTC-materiaalilla itse asiassa on tätä ihanneominaisuutta. Lähintä käyrää, joka tavallisesti voidaan saada käytännön lämmittämällä, esittävät viivat AB’C’. Jos sallittu maksimiteho, joka otetaan ulos sähkövirtapiiristä, saadaan vastuksella kohdassa A, niin käyttöalue itserajoitukselle tai "säädölle" saadaan viivan B'C' sillä osalla, joka on katkoviivojen välissä. On ilmeistä, että lämmittimen lämpötila toimittaessa "säätävissä" olosuhteissa vaihtelee paljon enemmän tässä viimemainitussa tapauksessa ja käytettävissä oleva te-hoalue "säädetyllä" alueella on pienempi kuin ihannetapauksessa. Jos halutaan saada tehoalue, joka vastaa ihannetapauksen aluetta, tarvitaan viivan A'B"C" tapainen vastuksen ominaiskäyrä.

Viitaten jälleen kuvioon 2 käyrä AEF esittää osaa tyypin II PTC-materiaalin vastusominaiskäyrästä. Jos kuten edellisessä tapauksessa käyttötehoalue on määritetty katkovastusviioilla, voidaan helposti arvioida, että lämmittimen lämpötila vaihtelee käytössä melko laajoissa rajoissa riippuen termisestä kuormasta.

Vaikka kuten yllä mainittiin alalla aikaisemmin ymmärrettiin se huomattava etu, joka on lämmitinseoksen käytössä, jolla on tyypin I vas-tus-lämpötilakäyrä, monet seoksista, joihin alalla aikaisemmin on viitattu, osoittavat käyttäytymistä, joka muistuttaa läheisemmin tyypin II tai jopa tyypin III käyttäytmistä. Optimaalinen (tyyppi I) ominaiskäyrä on vain rajoitetulla seosvalikoimalla ja on ollut olemassa kauan tiedostettu tarve keinolle modifioida seoksia, joilla on tyypin II tai III käyttäytyminen siten, että käyttäytymisestä tulee tyypin I kaltainen tai että se ainakin lähestyy paremmin sitä.

Alan aikaisemmille PTC-nauhalämmittimille luonteenomainen lisäongelma on se, että kun halutaan lämmittää epäsäännöllisen muotoista alustaa, lämmitin on kiedottava alustan ympärille, mikä johtaa siihen, että tietyt nauhan osat kokonaan tai osittain peittävät toisia osia. Tämä päällekkäisyys saattaa aiheuttaa epäsäännöllisen lämmityksen.

Näin ollen on ilmeistä, että vaikka suuri joukko PTC-seoksia ja -rakenteita tunnetaan alalla entuudestaan, kaikilla tällaisilla seoksilla ja rakenteilla ja itse asiassa kaikilla niiden ilmeisillä yhdistelmillä on vakavia puutteita, jotka voimakkaasti rajoittavat 11 65522 itsesäätävien PTC-lämmityselementtien käyttöä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on tarjota elementti, jolla ei ole tunnettujen ratkaisujen mainittuja haittoja. Tämä aikaansaadaan keksinnön mukaisesti sellaisella elementillä, jossa ainakin osa PTC-kerroksen pinnasta on suorassa sähköisessä kosketuksessa ainakin osaan CW-kerroksen pinnasta, ja jossa PTC-kerroksen virtatien vastus on suurempi kuin CW-kerroksen virtatien vastus ainakin koko elementin korotetussa käyttölämpötilassa, jolloin siinä tapauksessa, että CW-kerros tai -kerrokset muodostuvat materiaalista, jonka ominaisvastus on 25°C:ssa pienempi kuin 1 ohm-cm, elektrodit ovat siten järjestetyt, että mainitun korotetun lämpötilan alapuolella olevassa lämpötilassa virtatiellä on sellainen komponentti CW-kerroksen tai -kerroksien tasossa, että CW-kerroksen tai -kerroksien virtatien vastus on suurempi kuin PTC-kerroksen vastus, niin että ainakin 50 prosenttia elementin tehosta syntyy CW-kerroksen tai -kerrosten vastuskuumennuksen johdosta.

Kun elementti on yhdistetty sähköiseen virtalähteeseen ja elementin lämpötila saavuttaa korkeamman kuin (A) sen lämpötilan, jossa ensimmäisen kerroksen vastus ylittää toisen kerroksen vastuksen (so. niiden elektrodien välisen virtatien vastaavien osien vastukset) (B) ensimmäisen kerroksen anomalialämpötilan, vallitseva virtavuo elektrodien välillä on pitkin viivaa, joka minimoi virtatien pituuden ensimmäisen kerroksen läpi.

On suositeltavaa, että virtatien pituus PTC-kerroksen läpi ei ylitä sen paksuutta (mitattuna kohtisuoraan elektrodien välistä viivaa vastaan) yli 50 %:lla ja mieluummin ei yli 20 %:lla.

On edullista, että PTC-kerroksella on kaksi oleellisesti tasomaista pintaa, jotka voivat olla yhdensuuntaiset, ja jotka kummatkin ovat ainakin osittain kosketuksessa CW-kerroksen pinnan kanssa.

12 65522

Vaihtoehtoisesti elektrodi voi olla metallia, joka voi olla upotettu tai kosketuksessa joko PTC-kerroksen tai CW-kerroksen pinnan kanssa tai kosketuksessa jomman kumman (so. pinnalla, joka on syrjässä rajapinnalta) tai molempien pintojen kanssa niiden välisellä jakopinnalla. Elektrodi voi olla kudosta, punosta, hila (esim. sarja yhdensuuntaisia elektrodeja tai seula tai verkko) ja langan, nauhan tai kalvon muodossa. Se voi olla myös kuitu. Kun elementti on sijoitettava johtavalle alustalle, kuten metalliputkelle, alusta voi itse muodostaa yhden elektrodin.

Elementti voi sisältää useita elektrodeja, jotka on tarkoitettu yhdistettäväksi sähköisen teholähteen kuhunkin päätteeseen, useiden tarkoittaessa tässä sarjaa. Elektrodit tietyssä sarjassa ovat mieluummin yhdensuuntaiset ja yhtä etäällä toisistaan. Kaksi sarjaa voi olla sijoitettu yhdensuuntaisesti toistensa kanssa tai poikittain erityisesti kohtisuoraan mieluummin yhdensuuntaisissa tasoissa. Kun sarjat ovat yhdensuuntaiset, elektrodi yhdessä sarjassa voi olla sijoitettu vastapäätä toisessa sarjassa olevaa elektrodia tai se voi olla sijoitettu vastapäätä toisessa sarjassa olevan kahden elektrodin välistä rakoa. Vierekkäisten elektrodien välinen etäisyys tietyssä sarjassa ja yhden sarjan ja toisen sarjan elektrodien välillä yhdessä sarjojen sijoittamisen kanssa CW- tai PTC-kerrosten ja niiden välisen jakopinnan suhteen voivat kaikki vaikuttaa läm-mittimen suorituskykyyn.

Tämän keksinnön elementillä voi olla mikä tahansa suuresta määrästä rakenteita, joista joitakin esitetään ja kuvaillaan alla. Esimerkiksi se voi sisältää kahden kerroksen tai kalvon, yhden CW- ja toisen PTC-materiaalia olevan kerroksen laminaatin, tai viipale-rakenteen, jossa toisen materiaalin yksi kerros on toisen materiaalin kahden kerroksen välissä. Toisen materiaalin kerros voi olla täysin toisen ympäröimä; PTC-materiaali voi olla pelkän kerroksen muodossa, joka välittömästi ympäröi yhtä tai molempia pituussuuntaisten elektrodien parista; tai PTC-materiaali voi olla yhden kerroksen muodossa, joka ympäröi pituussuuntaisia elektrodeja ja muodostaa nauhan niiden välille.

Elementti voidaan päällystää yhdeltä tai useammalta tai kaikilta puolilta eristävällä kerroksella. Vaihtoehtoisesti tai lisäksi voi ainakin yhdelle pinnalle olla levitetty mieluummin lämpöaktivoitu liima- tai tiivistekerros. Joissakin toteutusmuodoissa CW-kerros 13 65522 voi palvella tätä tarkoitusta.

On edullista, että ensimmäinen ja toinen kerros ovat polymeeri-materiaaleja, joihin on dispergoitu johtavia hiukkasia, esim. nokea.

On edullista, että elementti on lämmössä palautuva. Mieluummin koko elementti on lämmössä palautuva, so. kaikki kerrokset kykenevät itsenäisesti palautumaan lämpöstabiiliin muotoon tai sitä kohti, mutta joissakin toteutusmuodoissa jotkut kerrokset voivat yksinkertaisesti olla passiivisia ja sallia elementin palautumisen yksikkönä. On suositeltavaa, että elementin palautusmislämpötila on elementin käyttöalueella sen toimiessa lämmittimenä. Elementti voidaan laminoida lämmössä palautuviin esineisiin, kun elementti itse mieluummin on lämmössä palautuva.

On myös edullista, että elementillä on tehollinen Ts~piste 90°C:n yläpuolella, joka on korkeampi kuin ensimmäisen kerroksen luontainen T -piste; tämä kerros on edullisesti polymeerinen kerros, mieluummin silloitettu polymeerinen kerros ja sen kiteiden sulamispiste on alempi kuin tehollinen Tg-arvo.

Ympäristön lämpötiloissa ensimmäisen ja toisen kerroksen resistii-visyydet voivat olla suhteessa 0,1:1,0 - 20,0:1,0.

65522 14 PTC- ja CW-kerrosten ja elektrodien muoto ja sijaintisuhde ovat tiettyjen rajoitusten alaisia ja seuraavat vaatimukset on täytettävä: 1. Missä tahansa lämpötilassa ainakin osa virtavuosta vastakkaisen napaisuuden omaavien elektrodien välillä kulkee ainekin vähintään yhden PTC-kerroksen osan läpi ja myös ainakin vähintään yhden CW-kerroksen osan läpi.

2. PTC- ja CW-kerrosten välillä on sekä sähköinen että terminen kosketus (ja näin ollen kytkentä). Sähköiset ja termiset gradientit voivat olla yhdensuuntaiset tai ei-yhdensuuntaiset toistensa kanssa.

Kuten jäljempänä yksityiskohtaisemmin esitetään, tietyillä elementeillä, jotka on valmistettu tämän keksinnön mukaisesti, on korkeampi anomalialämpötila kuin itse PTC-kerroksen luontainen T -piste. Ele-

O

mentin T -pistettä kutsutaan teholliseksi Ts-pisteeksi.

On edullista, että PTC-kerroksessa olevat termiset ja sähköiset gradientit ovat pääasiassa pitkin samaa viivaa tai akselia PTC-kerroksen Ts-pisteessä tai sen tai tehollisen Ts~pisteen yläpuolella, jos viimemainittu on korkeampi.

3. Ts~pisteessä tai tehollisessa Tg-pisteessä tai niiden yläpuolella, jos viimemainittu on korkeampi maksimi virtavuon tie on se tie, jolla on minimi virtatien pituus PTC-kerroksen tai -kerrosten läpi, vaikkakin tällöin aikaansaadaan pitempi virtatien pituus CW-kerroksen tai -kerrosten läpi.

Elementin rakenne on tietyissä tapauksissa mieluummin sellainen, että virran suunnassa lyhin virtatie PTC-kerroksen läpi ei mittayksiköltään ylitä PTC-kerroksen maksimipaksuutta tasossa, joka on kohtisuorassa elektrodeja yhdistävää tasoa vastaan ja kohtisuorassa virtavuo-ta vastaan, enempää kuin n. 50 % ja mieluummin enempää kuin n. 20 %.

Sanan paksuus tarkoitetaan tässä käytettynä merkitsevän mittaa minkä tahansa kahden PTC-kerroksen pinnan välillä (sisä- ja ulkopinnan), joka on pienimmän mitan dimensio. Useimmissa tämän keksinnön mukaisissa lämmitinrakenteissa virtavuo PTC-materiaalin läpi T -pisteessä

O

tai sen yläpuolella on etupäässä kohtisuorassa PTC- ja CW-kerrosten välistä rajapintaa vastaan.

15 65522 Tämän keksinnön muiden etujen ohella kuuman viivan muodostumista voidaan oleellisesti pienentää tai jopa eliminoida jopa erittäin korkeilla tehontuotannoilla ja/tai käyttölämpötiloilla aikaansaamalla virtavuo PTC-kerroksen paksuuden läpi mieluummin kuin pitkin sen pituutta tai leveyttä.

Muita odottamattomia etuja muodostettaessa laminaatti PTC-materiaalis-ta vähintään yhden CW-materiaalin kanssa ovat ne, että lämmittimiä voidaan käyttää tehoilla ja tarkoituksiin, jotka eivät ole vain jääneet tarkastelematta, vaan ovat itse asiassa olleet saavuttamattomissa aikaisemmin ehdotetuilla rakenteilla.

CW-kerros tai -kerrokset, jos ne ovat riittävän johtavia, voidaan suoraan yhdistää teholähteeseen, jotta se toimisi elektrodina ja voitaisiin pitää sellaisena. Vaihtoehtoisesti CW-kerrokseen on voitu kyllästää sisään tai ulkopuolelle elektrodit virran johtamiseksi niiden läpi. Tällaiset CW-kerros-eletrodiyhdistelmät poikkeavat kriittisesti aikaisemmin ehdotetuista elektrodi-PTC-viipalerakenteis-ta, sillä tällaisissa alan aikaisemmissa rakenteissa elektrodikerrok-set toimivat vain johtimina eivätkä resistiivisina lisälämmitysele-mentteinä. Vastakohtana tälle tämän keksinnön rakenteissa CW-kerros, joka on suorassa kosketuksessa PTC-kerroksen kanssa, toimii sekä elektrodina että myös tehokkaana lämpötehon lähteenä.

Tämän keksinnön mukaisesti kestomuovisia polymeeriseoksia, joilla on PTC-ominaisuuksia, voidaan sopivasti käyttää lämmityselementtinä, joka lähestyy paremmin tyypin I ominaisuuksia kuin PTC-materiaali sellaisenaan, joka tavallisesti osoittaisi tyypin II, III tai IV ominaisuuksia. Erityisesti itse asiassa kaikkia aikaisemmin ehdotettuja polymeerisiä PTC-materiaaleja voidaan käyttää PTC-kerroksena lämmityselementissä, joka on valmistettu tämän keksinnön mukaisesti.

Sopivia johtavia täyteaineita tässä keksinnössä hyödyllisiin polymeerisiin FTC-seoksiin hiukkasmaisen noen lisäksi ovat grafiitti, metal-lijauheet, johtavat metallisuolat ja -oksidit ja boorilla tai fosforilla voideltu pii tai germanium.

16 65522

On suositeltavaa, että PTC-materiaalilla on vähintään kertoimen kuusi suuruinen vastuksen kasvu 30°C:n lämpötilan nousulle alkaen T -pis-teestä, tai sillä on kertoimen kuusi suuruinen kasvu alle 30°C:n lämpötilan nousulle alkaen pisteestä Ts.

Kuten tässä selostuksessa on mainittu, vaikka alan aikaisemmat paljastukset painottavat niitä käytännön etuja ja merkitystä, jotka sellaisten resistiivisten seosten aikaansaamisella ovat, jotka osoittavat tyypin I vastus-lämpötilaominaisuutta, käytettävissä olevien tällaisten seosten lukumäärä on suhteellisen pieni huolimatta alan aikaisemmista patenttivaatimuksista. Useimmilla tähän saakka paljastetuilla seoksilla on itse asiassa tyypin II ja III vastusominaisuudet. Näin ollen menetelmä, joka saa PTC-materiaaliseokset, joilla on luonnostaan tyypin II tai III vastusominaisuudet, osoittamaan tarkemmin tyypin I käyttäytymistä, lisäää hyvin suuresti niiden seosten lukumäärää, jotka ovat käytettävissä lämmitys- tai muissa resistiivisis-sä laitteissa. Niinpä PTC-materiaali voidaan valita sen T -pisteen

O

ja/tai muiden haluttujen fysikaalisten ja/tai kemiallisten ominaisuuksien perusteella ja käyttäen tätä keksintöä aikaansaada lämmitys-elementti, joka selvemmin osoittaa tyypin I käyttäytymistä.

Useimpien sähköä johtavien materiaalien sekä PTC- että ei-PTC-mate-riaalien sähköisen resistiivisyyden havaitaan kasvavan tai laskevan enemmän tai vähemmän huomattavasti lämpötilan mukana. Tämän muutoksen suuruus vaihtelee alle - 0,5 &/°C:sta, joka on luonteenomainen useimmille metalleille, - 1-5 #/°C:en tai ylikin, jotka muutokset esiintyvät useimmilla johtavilla kestomuovisilla polymeeriseoksilla.

Useimmilla materiaaleilla kuitenkin muutoksen suunta ja suuruus on sellainen, että kun ne toimivat sähkövastuslämmittimessä, lämmittimen saavuttama lämpötila määräytyy etupäässä sitä ympäröivään tilaan tapahtuvan termisen johtumisen tai säteilyn määrän mukaan eikä etupäässä sen kytkentämekanismin mukaan, jota edellä kuvattiin kaupallisesti hyödyllisille PTC-lämmitinmateriaaleille. Näin ollen sanonta CW-materiaalia tai CW-tehontuotantomateriaali tarkoittaa tässä käytettynä materiaalia, jonka vastus ei nouse enempää kuin kertoimella kuusi millään 30°C:n alueella sen PTC-materiaalin Ts-pisteen alapuolella, jonka kanssa se on kosketuksessa. Mieluummin CW-materiaalin resistiivisyys on vähintään 1 ohm/cm 25°C:ssa. On luonnollisesti huomattava, että kun CW-kerros tai -kerrokset yhdistetään PTC-materiaalin kanssa, ne voivat saada aikaan lämmittimen, jolla sen Ts-pisteen 65522 17 alapuolella esiintyy yllä mainittujen rajojen sisällä olevia resis-tiivisyyden muutoksia, vaikka tämä kerros tai nämä kerrokset sisältävät materiaaleja, joilla, jos niiden ominaisresistiivisyys mitataan erikseen, esiintyy näiden rajojen ulkopuolella olevia resistiivisyy-den muutoksia. Lisäksi koska monet PTC-materiaalit ovat wattiluvul-taan muuttumattomia materiaaleja suunnilleen niiden Ts-pisteeseen saakka, sanonta muuttumaton wattiluku kattaa tässä käytettynä materiaalit, joilla on PTC-ominaisuudet edellyttäen kuitenkin, että niitä käytetään PTC-materiaalin yhteydessä, jolla on alempi T -piste.

o Näissä olosuhteissa T -arvoltaan korkeampi PTC-materiaali ei saavuta Ts-pistettään ja tästä johtuen osoittaa käytössä vain oleellisesti muuttumattoman wattiluvun ominaisuuksia.

Tässä keksinnössä käytettäväksi sopivat muuttumattoman wattiluvun materiaalit ovat aikaisemmin alalla hyvin tunnettuja. Sopivia tässä suhteessa ovat polymeerit, erityisesti kestomuovipolymeerit, jotka sisältävät suuria määriä johtavia hiukkasmaisia materiaaleja, esim. nokea tai metalleja. Kun kestomuovimateriaalille tapahtuu suuri tilavuuden muutos sen sulamis- tai pehmenemispisteessä, mikä pyrkii pienentämään johtavien teiden lukumäärää hiukkasten välillä tässä lämpötilassa tai lähellä sitä ja aiheuttamaan materiaalin vastuksen kasvun, tällaiset kasvut voidaan välttää moninkertaistamalla vaihtoehtoisten johtavien teiden lukumäärä esimerkiksi lisäämällä johtavan materiaalin määrää ja/tai käyttämällä johtavan materiaalin strukturoidumpaa muotoa. Strukturoitu merkitsee tässä käytettynä sekä yksityisten hiukkasten muotoa (esim. pallomaista, linssimäistä tai fib-rillimäistä), että näiden hiukkasten pyrkimystä agglomeroitua, kun ne liitetään polymeerimatriisiin. Sopivia ovat myös oleellisesti epäorgaaniset, joustavat muuttumattoman wattiluvun materiaalit, joihin kuuluu hiilipäällysteinen asbestipaperi, jota kuvataan esimerkiksi Smith-Johansen’in US-patentissa 2 952 761. On selvää, että joissakin sovellutuksissa suuren taipuisuusasteen mukanaolo ei ole tarpeen ja resistiivisiä metallilankalämmittimiä, jotka on tuettu epäorgaanisilla eristysmateriaaleilla, voidaan käyttää muuttumattoman wattiluvun kerroksena. Tällaisessa tapauksessa resistiivisen metallilanka-kuumentimen toinen pää voi olla sähköisesti liitetty PTC-kerroksen elektrodin kautta, joka on samassa tasossa PTC-kerroksen pinnan kanssa, mutta ei välttämättä ulotu yhtä pitkälle kuin PTC-kerros. Vielä muissa sovellutuksissa suuri taipuisuusaste voi olla vain edullinen tai toivottava prosessissa, jossa muodostetaan elementti esimerkiksi 18 6 5 5 2 2 tyhjö- tai lämpömuovauksella. Tällaisissa tapauksissa PTC-kerros voidaan muodostaa suhteellisen jäykän, wattiluvultaan muuttumattoman materiaalin kerroksen päälle tai kerrostaa tällaisten kerrosten väliin halutun elementin rakenteessa hyvän termisen kytkennän ylläpitämiseksi kerrosten välillä, virtavuon kulkiessa joko suoraan viereisen jakopintatason poikki tai väliin tulevan elektrodin avulla sen PTC-kerroksen pinnalla, joka jätetään PTC-kerroksen ja wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen tai kerrosten väliin.

Näissä toteutusmuotojen tyypeissä voidaan sopivasti käyttää lähes mitä tahansa wattiluvultaan muuttumattoman materiaalin tyyppiä, jota on tarkasteltu sähkölämmittimiin liittyvällä alalla tätä ennen.

Tämän keksinnön tietyissä toteutusmuodoissa wattiluvultaan muuttumaton kerros voi toimia elektrodina olemalla johtavasti yhdistetty suoraan sähköteholähteeseen. Jos wattiluvultaan muuttumaton lämmitys-kerros ei ole riittävän johtava toimiakseen elektrodina, metallia tai muuta erittäin johtavaa materiaalia oleva elektrodi, esimerkiksi metallihila voidaan upottaa siihen, tämän elektrodin ollessa johtavasti liitetty ulkopuoliseen teholähteeseen. Tietyissä toteutusmuodoissa saattaa olla edullista dispergoida wattiluvultaan muuttumattomaan kerrokseen (joka voi sisältää johtavaa täyteainetta) lisämäärä erittäin johtavaa (mieluummin metallia) täyteainetta kuitujen tai fibrillien muodossa. Tämä toteutusmuoto on erityisen edullinen, kun elektrodit eivät ole yhtä laajat kuin koko wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen pinta, mutta rajoittuvat sanottuun pintaan tai wattiluvultaan muuttumattoman ja PTC-kerroksen jakopintaan tai on upotettu sanottuun wattiluvultaan muuttumattomaan kerrokseen.

On huomautettava, että keksinnön mukaisesti valmistetulla rakenteella voi olla mikä tahansa suuresta valikoimasta elektrodien muotoja, tyyppejä, sijoituksia ja materiaaleja. Esimerkiksi metallikangasverk-ko- tai -hila, taipuisa metallinauha, kierteiset langat, johtava maali, kiinteä hiili, esim. hiilikuidut, grafiitilla kyllästetty kuitu, metallipäällysteinen kuitu, esim. kupari tai ruostumaton teräs, geometrialtaan vaihteleva metallinen umpijohto ja muut elektrodit, jotka tunnetaan alalla, ovat kaikki sopivia. Elektrodi, olipa se sitten yhdistetty wattiluvultaan muuttumattomaan kerrokseen tai PTC-kerrokseen tai molempiin, voi olla täysin tai osittain samassa tasossa kuin sen ulkopinta. PTC·1 kerroksen ulkopinnalla tarkoitetaan sen 19 65522 pintaa, joka ei rajoitu wattiluvultaan muuttumattomaan kerrokseen ja vastaavasti wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen ulkopinta on pinta, joka ei rajoitu PTC-kerrokseen. Vaihtoehtoisesti elektrodi voidaan upottaa PTC- tai wattiluvultaan muuttumattomaan kerrokseen. Vielä toiseen rakenteeseen liittyy elektrodi, joka on upotettu PTC-kerrok-seen tai sen ulkopinnalle, ja toinen elektrodi, joka sijaitsee PTC-ja wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen välisellä jakopinnalla.

On selvää, että haluttaessa voidaan käyttää suurta määrää elektrodeja, jotka on kytketty rinnan kummankin napaisuuden suhteen, jolloin sama sijoitteluvalikoima on sopiva.

Kuten tässä selityksessä edellä on mainittu, tietyt tämän keksinnön toteutusmuodot vaikuttavat merkittävästi sellaisen lämmittimen käyttöominaisuuksiin, joissa käytetään PTC-seoksia. Tarkemmin sanoen, kun käytetään upotettuja tai koskettavia elektrodeja, joiden pinta ei ole yhtä laaja kuin CW- tai PTC-kerroksen pinta, toisiinsa nähden vastakkaisen napaisuuden omaavien elektrodien sijoittelu voi merkittävästi muuttaa laitteen käyttöiminaisuuksia. Niinpä, jos napaisuudeltaan vastakkaiset nauhaelektrodit, jotka ovat samassa tasossa, mutta eivät ulotu yhtä laajelle alueelle kuin CW- ja PTC-kerrosten ulkopinnat, sijoitetaan suoraan vastakkain ja yhdensuuntaiksiksi toistensa kanssa, saadaan erilaiset käyttöominaisuudet kuin ne, jotka saadaan, kun elektrodit ovat yhdensuuntaiset, mutta sivusuunnassa erillään toisiinsa nähden tai kun elektrodien pystysuorat projektiot leikkaavat toisiaan. Vaikka keksintöä ei ole tarkoitettu rajoitettavan millään erityisellä teoreettisella tulkinnalla, uskotaan, että elektrodien sijoittelulla on vaikutusta suosittuihin virtateihin eri lämpötiloissa. Niinpä tapauksessa, jossa elektrodit ovat suoraan toisiaan vastapäätä, virtavuo kulkee pääasiassa kohtisuoraan PTC-kerroksen tasoa vastaan. Kuitenkin jos elektrodit siirretään jollakin tavoin tästä järjestelystä ja CW-kerroksen vastus on alunperin (so. alemmissa lämpötiloissa) suurempi kuin PTC-kerroksen vastus, pääasiallinen johtumistie alemmissa lämpötiloissa voi olla kohtisuoraan CW-kerroksen paksuuden tasoa vastaan ja sen läpi ja lävistäjän suuntaisesti PTC-kerroksen paksuuden läpi. Jonkin verran korkeammassa lämpötilassa, jossa CW- ja PTC-kerrosten vastukset tulevat yhtä suuriksi, johtumista tapahtuu pääasiassa lävistäjän suunnassa molempien kerrosten paksuuksien läpi, kun taas vielä korkeammissa lämpötiloissa 65522 20 suosittu johtumistie voi olla kohtisuorassa PTC-kerroksen paksuuden tasoa vastaan ja sen läpi, mutta lävistäjän suunnassa CW-kerroksen paksuuden läpi.

Yleensä elektrodien asettaminen vastakkain saa aikaan laitteen, jonka vastus-lämpötilakäyrä on samantapainen, mutta ei identtinen sen kanssa, joka saadaan pitämällä elektrodit kummankin ulkokerroksen koko pinnan vieressä. Jos elektrodien välistä sivusuuntaista ja/tai kulma-etäisyyttä suurennetaan vastakkaisesta yhdensuuntaisesta asemasta, sähköiset ominaisuudet pyrkivät poikkeamaan enemmän kuin yksinkertaiselta sarjakytkennältä voidaan odottaa, kuten esimerkeissä yksityiskohtaisemmin esitetään.

Tarkemmin sanoen, kun elektrodiparit asetetaan vastakkain (so. niiden keskus on viivalla, joka on kohtisuorassa PTC- ja CW-kerrosten välistä jakopintaa vastaan) ja virtatie kulkee kohtisuoraan PTC- ja CW-kerrosten läpi, tehollinen Ts on sellainen, joka on luonteenomainen kerrostettujen materiaalien eristyisyhdistelmälle. Kuitenkin jos yhtä elektrodia (tai yhden napaisuuden omaavia elektrodeja) siirretään tasossa so. yhdensuuntaisesti kerrosten jakopinnan kanssa siten, että virtatie on lävistäjän suuntainen, tehollinen T kasvaa. Yleensä

O

mitä enemmän lävistäjän suuntainen (mitä enemmän siirretty jakopintaa vastaan kohtisuorasta) virtatie elektrodien välillä on, sitä korkeampi on tehollinen Ts. Itse asiassa kun CW-kerroksen vastus ylittää PTC-kerroksen vastuksen viimemainitun ominais-T -pisteessä ja kun tällais-ta sijoitusta käytetään, tehollinen Tg voi olla oleellisesti PTC-materiaalin kiteiden sulamispisteen yläpuolella. Niinpä riippumatta vastakkaisten elektrodien suhteellisista asemista, kun wattiluvul-taan muuttumattoman kerroksen resistiivisyyttä nostetaan suhteessa PTC-kerroksen resistiivisyyteen, myös tehollinen Tg pyrkii kasvamaan.

Elektrodeilla voi olla väihtelevat muodot; esimerkiksi niiden poikkileikkaukset voivat olla neliömäisiä, suorakulmaisia tai pyöreitä, ne voivat olla suoraviivaisia, tasomaisia tai käyriä nauhoja, spiraaleja (spiraalin nousun kullekin elektrodille ollessa sama tai erilainen) tai suoraviivaisia spiraaleja ja kuten edellä mainittiin, elektrodit voivat olla suoraan vastakkain tai sivusuunnassa tai muulla tavoin siirretty toistensa suhteen ja jompi kumpi tai molemmat elektrodit voivat olla luonteeltaan yksittäisiä tai monikertaisia. Näin ollen on ilmeistä, että tämän keksinnön elementin lämpötehoa ja Tg- 65522 21 ominaisuuksia voidaan vaihdella valitsemalla sopivasti elektrodin muoto ja/tai asema, valinnan riippuessa käytöstä, johon rakenne on määrä asettaa ja sopivan järjestelyn ollessa todettavissa rutiiniko-keilulla.

Vaikka useimmissa toteutusmuodoissa PTC-kerros ja CW-kerros tai -kerrokset ovat täysin toisiinsa rajoittuvia (so. yhden kerroksen koko yksi pinta on kosketuksessa toisen kerroksen koko vastaavan pinnan kanssa), joissakin olosuhteissa on edullista, että PTC- ja CW-kerrok-set eivät rajoitu täysin toisiinsa koko vastakkaisten pintojen alalta. Erityisesti kun halutaan saada suuren Joule-luvun tehoja korkeissa lämpötiloissa, on edullista kehittää pääosa lämpötehosta wattilu-vultaan muuttumattomassa kerroksessa. Tällaisissa tapauksissa PTC-kerros rajoittuu mieluummin vain osittain CW-kerroksen vastakkaiseen pintaan. Tällaiset järjestelyt pyrkivät alentamaan tehollista T -pistettä. Kun PTC-kerros rajoittuu vain osittain wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen pintaan, sanottu PTC-kerros voi kärsiä suuria vaihteluita tehon kehityksessä. Tämän vuoksi hyvä terminen kytkentä ja suhteellisten tehotasojen tasapainoitus ovat toivottavia.

Tämän keksinnön avulla aikaansaaduilla elementeillä on käyttöä suuressa joukossa sovellutuksia. Esimerkiksi niitä voidaan käyttää läm-mittiminä aikaansaamaan lämmössä palautuvia elementtejä palautumaan alustan pinnalle joko· olemalla kokonaisuuteen kuuluva osa lämmössä palautuvasta elementistä tai asettamalla ne oleellisesti koskettavaan, lämpö siirtävään suhteeseen sen kanssa. Sovellutuksissa, joissa vaaditaan liiman lämpöaktivointia, tämän keksinnön mukaisesti valmistetuilla lämmittimillä saavutettavissa olevat korkeat lämpötilat ja suuret tehot tekevät ne erittäin toivottaviksi. Elementit ovat hyödyllisiä myös, kun vaaditaan huomattavan alueen yhtenäistä lämmittämistä, kuten esimerkiksi nestevirtaukseen tarkoitetuissa lämmitetyissä putkissa tai suljetun tilan seinäminä tai paneeleina, kuten uuneissa, asunnoissa tai kuljetusvälineissä. Muita käyttöjä ovat lämmittimet teollisuuden prosessiputkiin ja -säiliöihin, jotka vaativat yhtenäistä lämmitystä ja/tai lämpötilan säätöä, ja jäätä poistavat lämmittimet kaduilla ja lentokoneen siivissä. Monien näiden elementtien laminaarinen muoto ja yhtenäiset lämmitysominaisuudet tekevät ne erityisen hyödyllisiksi vesihauteiden, lämmitystarjottimien ja kulhojen ja lääketieteellisten lämmitystyynyjen lämmittiminä samalla, kun niiden kapasiteetti korkean wattiluvun tehoon korkeissa lämpötiloissa tekee ne lisäksi erityisen houkutteleviksi lämmittimiä keittosovellu- 65522 22 tuksiin, kuten paidtolaattoihin ja paistinpannuihin.

Useimmat PTC-materiaalit sisältävät kiteisen termoplastisen matriisin, johon on dispergoitu johtavaa, yleensä hiukkasmaista täyteainetta. Esimerkiksi aikaisemmin mainitussa Kohler’in US-patentissa 3 2*43 753 paljastetaan polyeteenin tai polypropeenin nokiseos, jossa polyole-fiini on polymeroitu in situ, ja tällaisilla materiaaleilla on PTC-anomalia-lämpötila lähellä polymeerin sulamislämpötilaa, so. n. 110-120°C. Samoin Kohler et ai. paljastavat US-patentissa 3 351 882 poly-eteeniin dispergoidut nokihiukkaset, jossa seos voidaan silloittaa tai voi sisältää lämmössä kovettuvia hartseja systeemin lujuuden tai jäykkyyden lisäämiseksi. Kuitenkin T -lämpötila pysyy yhä juuri termoplastisen polyolefiinin kiteiden sulamispisteen alapuolella. Hummel et ai. paljastavat US-patentissa 3 *412 358 PTC-polymeerimate-riaalin, joka sisältää noki- tai muita johtavia hiukkasia, jotka on edeltäkäsin dispergoitu eristävään materiaaliin, homogeenisen seoksen ollessa puolestaan dispergoitu termoplastiseen hartsisideaineeseen. PTC-ominaisuudet saavutetaan ilmeisesti noen ja eristysmateriaalin vuorovaikutuksella ja Hummel et ai. ehdottavat, että eristysmateriaalilla on oltava spesifinen sähkövastus ja lämpölaajenemiskerroin, joka on suurempi kuin johtavilla hiukkasilla.

US-patentissa 3 823 217 paljastetaan laaja valikoima johtavilla hiukkasilla täytettyjä kiteisiä polymeerejä, joilla on PTC-ominaisuudet. Näitä polymeerejä ovat polyolefiinit, esim. pieni-, keski- ja suuri-tiheyksiset polyeteenit ja polypropeenit, poly(buteeni-1), poly(dodeka-metyleenipyromellitimidi), etyleeni-propyleeni-kopolymeerit ja ter-polymeerit, konjugoimattomien dieenien kanssa, poly(vinylideeni-fluoridi) j a vinylideenifluoridi-tetrafluorietyleenikopolymeerit. Ehdotetaan myös, että nokea sisältävien polymeerien seoksia, esimerkiksi polyeteenin ja etyleeni-etyyliakrylaatti-kopolymeerin seosta voidaan sopivasti käyttää. US-patentin 3 833 217 mukaan saavutetaan alhaisemmat vastustasot saattamalla tuote jaksottain polymeerien sulamislämpötilan ylä- ja alapuolelle. Vastuksen muutoksia, jotka aiheutuvat näytteen lämpöhistoriasta,on myös havaittu voitavan vähentää termisellä jaksotuksella. US-patentissa 3 793 716 paljastetaan johtavia polymeeriseoksia, joilla on PTC-ominaisuuksia ja jossa patentissa kiteinen polymeeri, johon on dispergoitu nokea, liuotetaan sopivaan liuottimeen ja liuoksella kyllästetään alusta-aine, mitä seuraa liuottimen haihdutus ja saadaan elementtejä, joiden resistii- 23 65522 visyydet ovat laskeneet huoneenlämpötilassa tietyllä johtavan täyteaineen määrällä. Kuitenkin T yhä on juuri polymeerin kiteiden sula- o mispisteen alapuolella. Samalla tavoin paljastetaan US-patentissa 3 591 526 nokea sisältäviä polymeeriseoksia, joilla on PTC-ominai-suuksia Ts-lämpötilan ollessa suunnilleen sen termoplastisen materiaalin kiteiden sulamispisteessä, jota on lisätty toiseen materiaaliin seoksen valutarkoituksessa.

Tämän keksinnön erityisen odottamaton piirre on se, että kun sentyyppisiä seoksia, joiden on alalla aikaisemmin kuvattu olevan hyödyllisiä PTC- tai CW-lämmittimiin, käytetään monikerroslämmittimissä, jotka on valmistettu tämän keksinnön tiettyjen toteutusmuotojen mukaisesti, ne osoittavat vastus/lämpötilaominaisuuksia, joita ei mitenkään odottaisi tarkastelemalla yksityisten kerrosten vastus/lämpötilaominaisuuksia tai todella olevan sellaisia, joita odottaisi saatavan, kun tällaisia kerroksia liitetään yhteen sarjaan sähköisen virtapiirin muodostamiseksi. Monikerroslämmittimen valmistus tämän keksinnön ohjeiden mukaisesti käyttäen kerroksia, joilla on sopivasti valitut ominaisresistiivisyydet, voi oleellisesti muuttaa PTC-ker-roksen sisältävän elementin Ts-pistettä lämpötilaan, joka on PTC-kerroksen polymeerisen aineosan sulamis- tai pehmenemispisteessä tai sen yläpuolella.

Niinpä vaikka alalla aikaisemmin on arveltu, että T„ on riippumaton o lämmittimen geometrisesta muodosta, on aivan odottamatta keksitty, että tietyt tässä esitetyt geometriset järjestelyt voivat johtaa T£-pisteiden oleelliseen nousuun jopa polymeerin sulamispisteen yläpuolelle lisäten täten sekä aikaisemmin ehdotettujen että muiden seosten hyödyllisyyttä ja monipuolisuutta.

Suositeltavassa toteutusmuodossa tämän keksinnön kerrostettu elementti sisältää johtavaa polymeeristä PTC-materiaalia olevan keskikerroksen, joka on pantu tai kerrostettu kahden CW-kerroksen väliin. CW-kerroksiin on voitu upottaa tai levittää niiden päälle elektrodit (tavallisesti metallia) siten, että syötettäessä jännite elektrodien poikki, virta kulkee PTC-kerroksen läpi ja aiheuttaa näin sekä PTC-kerroksen että CW-kerroksen lämpenemisen.

Toisessa suositeltavassa toteutusmuodossa lämmityselementti on voitu kiinnittää lämmössä palautuvaan materiaaliin tai voitu itse tehdä 65522 24 lämmössä palautuvaksi, lämmössä palautuvan elementin aikaansaamiseksi, joka voidaan tehdä palautuvaksi sisäisesti kehitetyn lämmön avulla ulkoisesti syötetyn lämmön sijasta. Tällaisella elementillä vältetään näin ollen edullisesti ulkoisen lämmönlähteen vaatimus palautumisen aikaansaamiseen, ja tarvitaan vain liittäminen sähköiseen teholähteeseen.

Tämän keksinnön erityisen suositeltavassa toteutusmuodossa käytetään termoplastisten ja elastomeeristen materiaalien PTC-seoksia, joihin on dispergoitu johtavia materiaaleja, ja joilla esiintyy jyrkkä vastuksen nousu suunnilleen termoplastisen komponentin sulamispisteessä vastuksen jatkaessa nousuaan lämpötilan mukana sen jälkeenkin. Johtuen kasvaneesta varmuusvarasta, jonka vastuksen edelleenkasvu antaa sulamispisteen yläpuolella, tällaiset lämmittimet voidaan rakentaa säätämään Ts-pisteen yläpuolisissa lämpötiloissa ja vastuksilla, jotka ovat selvästi Tg-pisteen vastusta suuremmat, mutta silti välttää lämpötilan karkaamisen ja/tai palamisen vaara, jota esiintyy, kun alan aikaisempia PTC-seoksia käytetään tällaisissa rakenteissa. Tällaiset suositeltavat lämmittimet, erityisesti kun vastuksen kasvu lämpötilan mukana Tg-pisteen yläpuolella on hyvin jyrkkä, ovat korkeiden vaatimusten mukaan tunteettomia, so. PTC-materiaalin toiminta-lämpötila vaihtelee hyvin vähän termisen kuorman kanssa. Ne voidaan myös laatia tuottamaan suuria tehoja T -pisteeseen saakka, kun ne liitetään sähköisesti teholähteeseen. Johtuen niiden erinomaisesta lämpötilan säädöstä niitä voidaan käyttää aktivoimaan liimoja ja aikaansaamaan lämmössä palautuvia laitteita palautumaan alustojen ympärille, esim. termoplastiset puhelinkaapelivaipat tarvitsematta pelätä alustan sulamista tai muodonmuutosta vaikka se jätettäisiin kytketyksi huomattavan pitkiksi ajoiksi.

Tässä suositeltavassa toteutusmuodossa lämmittimen PTC-ytimeen yhdistetään wattiluvultaan muuttumaton ulkokerros, jonka mahdollisten termoplastisten polymeeriainesosien sulamispiste ei ole suurempi kuin PTC-seoksen termoplastisen polymeerikomponentin sulamispiste. Jos wattiluvultaan muuttumaton kerros sisältää termoplastisia polymeerejä, se voidaan tehdä lämmössä palautuvaksi ja/tai valinnaisesti, mutta mieluummin käytetään myös lisäosaa, joka sisältää kerroksen, joka on lämmössä palautuvaa poly- 25 65522 meeriseosta, jonka palautumislämpötila on alempi kuin PTC-seoksen termoplastisen komponentin sulamispiste. Elektrodit on edullista muodostaa litistetyistä punotuista langoista, jotka valmistetaan punomalla palmikko termoplastisen sydämen päälle ja litistämällä tuote, kun kestomuovi on pehmeä. Tällaisen toteutusmuodon on havaittu olevan erityisen edullinen kuten yllä mainittiin, kun alusta-aine on lämpö-herkkä, so. jos se lämmitettynä sulamispisteensä yläpuolelle muuttaa muotonsa tai valuu. Tällaisia sovellutuksia ovat puhelinten jatkosmuh-vit ja monet muut sovellutukset tietoliikenneteollisuudessa.

Keksintöä kuvataan nyt yksityiskohtaisemmin ainoastaan esimerkin vuoksi viitaten liitteenä oleviin piirroksiin, joissa: kuviot 1 ja 2, joita on jo selostettu, kuvaavat eri PTC-materiaalien vastus-lämpötilaominaisuuksia; kuviot 3-5 ovat perspektiivikuvia alan aikaisemmista rakenteista, joissa käytetään PTC-seoksia; kuviot 6-12, 13b ja 15~34 ovat perspektiivikuvia eri elementeistä, jotka on valmistettu keksinnön mukaisesti, tai palvelevat niiden kuvaamista ja selvittämistä; kuvio 13a on poikkileikkaus kuviossa 13b esitetystä toteutusmuodosta, kun taas kuvio 14 on poikkileikkaus kuviossa 15 esitetystä toteutus-muodosta; kuvio 35 esittää toteutusmuotoa, jossa itse asiassa kärkielektrodeja on sijoitettu tietyin välein pitkin elementin pituutta; kuviot 36 ja 37 esittävät teho-lämpötilariippuvuutta tietyissä esimerkeissä kuvatuille tuotteille.

Viitaten nyt tarkemmin kuvioihin 3-5 niissä esitetään erilaisia alan aikaisempia rakenteita, joissa käytetään PTC-seoksia. Kuvio 3 esittää nauhalämmitintä, joka on samantapainen kuin se, joka on esitetty US-patentissa n:o 3 413 442, jossa ohuet hopeakalvot 1 ja 3 on sijoitettu PTC-materiaalin 2 molemmille puolille. Tämä ei ole tämän keksinnön mukaista, vaikkakin laminoitu rakenne esitetään, sillä PTC-ker-rokseen rajoittuva materiaali on niin johtavaa, ettei se itse toimi lämmittimenä.

Kuvio 4 esittää US-patentin 3 243 753 mukaista nauhalämmitintä, jossa PTC-materiaalin 6 molemmilla reunoilla on johtavat hilaelektrodit 5 ja 7- 26 65522

Kuvio 5 esittää aikaisemmin ehdotettua nauhalämmitintä, jossa PTC-materiaalissa 10, jonka poikkileikkaus on dumbbell-kappaleen muotoinen, on johtavat lankaelektrodit 8 ja 9 sijoitettuna pitkin sen pituutta.

Kääntyen nyt tämän keksinnön mukaisesti laadittujen rakenteiden puoleen kuvio 6 esittää PTC-kerrosta 11, johon rajoittuu tai osittain rajoittuu CW-lämmityskerros 12. Wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen pinnalla on hilaelektrodi 13, kun taas toinen hilaelektrodi 1^ rajoittuu PTC-kerroksen sille pinnalle, joka on kauimpana wattilu-vultaan muuttumattomasta kerroksesta 12.

Kuviossa 7 suuri määrä nauhaelektrodeja 16, jotka on kytketty rinnan, on upotettu CW-kerrokseen 15. Vastaelektrodi 18 on jatkuva kalvo, joka on levitetty PTC-materiaalin 17 ulkopinnalle.

Kuvio 8 esittää lisämuunnelmaa, jossa elektrodit 20 ja 22 ovat nauha-elektrodeja (elektrodien 20 ollessa rinnan tai sarjaan kytkettyjä ja elektrodien 22 samoin), elektrodien 20 ollessa kerrostettu PTC-kerroksen 21 ja CW-kerroksen 19 väliin. Tässä rakenteessa vastukseltaan alhainen CW-kerros on toivottava, koska gradienttipotentiaali pitkin kerrosten 21 ja 19 välistä jakopintaa pienenee.

Kuvio 9 esittää samantapaista rakennetta kuin kuvio 6 hilaelektro-din 23 ollessa CW-kerroksen päällä, joka puolestaan rajoittuu PTC-kerrokseen 25- Toinen elektrodi on kuitenkin hilaelektrodi, joka on kerrostettu PTC-kerroksen sisään.

Viitaten kuvioon 10 CW-kerrokseen 27 on upotettu ensimmäinen elektrodien sarja 28, kun taas PTC-kerrokseen 29 on upotettu toinen elektrodien sarja 30.

On ymmärrettävä, että kuvioissa 6-10 esitettyjä eri toteutusmuotoja voidaan käyttää tämän keksinnön mukaisesti missä tahansa yhdistelmässä. Tarkemmin sanoen kuvioissa 6 ja 9 esitettyjä hilaelektrodeja, kuviossa 7 esitettyjä kalvoelektrodeja tai kuviossa 8 esitettyjä nauhaelektrodeja voidaan käyttää missä tahansa näistä toteutusmuodoista ja kahden tai useamman erityyppisen elektrodin yhdistelmää voidaan käyttää annetussa rakenteessa. Ensimmäinen elektrodi voidaan sijoittaa CW-kerroksen päälle, upottaa CW-kerrokseen tai asettaa 65522 27 CW-kerroksen ja PTC-kerroksen väliin, Toinen elektrodi voidaan sijoittaa PTC-kerrosten vastakkaiselle puolelle toisen CW-kerroksen päälle, sisään tai väliin tai PTC-kerroksen alle tai sen sisään.

Kuvio 11 esittää nauhaelektrodeja 32 ja 34, jotka on upotettu kahteen CW-kerrokseen 31 ja 35, PTC-kerroksen 33 ollessa kerrostettu elektro-di-CW-kerrosten väliin. Luonnollisesti kuten edellä esitettiin, elektrodilla voi olla hila-, kalvo- tai muu rakenne.

Kuvio 12 esittää tämän keksinnön erikoistoteutusmuotoa, joka on havaittu hyödylliseksi T -arvon nostamiseen. Kuten edellä esitettiin,

S

porrastamalla elektrodit siten, että virtatiellä on komponentti kerrosten poikki sen sijaan, että se olisi kohtisuoraan läpi, tehollista Ts-arvoa voidaan nostaa. Niinpä kuviossa 12 nauhaelektrodit 37 on porrastettu nauhaelektrodien 39 geometristen kohtisuorien projektioiden väliin, elektrodisarjojen 37 ja 39 ollessa upotettu CW-kerroksiin 36 ja 40 ja PTC-kerroksen 38 ollessa kerrostettu niiden väliin.

Kuviot 13a ja 13b ovat poikkileikkaus ja perspektiivikuvanto suositeltavasta toteutusmuodosta. Suuri määrä lankaelektrodeja 42 sarjaan kytkettyinä on upotettu CW-kerrokseen 41 ja samalla tavoin suuri määrä 45 kerrokseen 44, PTC-kerroksen 43 ollessa kerrostettu kerrosten 41 ja 44 väliin. Langat 42 ovat mieluummin kaikki oleellisesti yhteen suuntaan lankojen 45 ollessa toiseen suuntaan, joka on oleellisesti kohtisuorassa ensimmäistä vastaan. Edelleen koko kerrosrakenteella voi olla kiekon muoto, joka on erityisen hyvin sopiva lukuisiin lämmitys sovellut uksi in .

Viitaten kuvioihin 14 ja 15 niissä esitetään kerrostettu rakenne, joka sopii erityisesti lämmön suhteen palautuvien kapselointituottei-den valmistukseen, kuten esitetään täydellisesti suomalaisessa patentissa n:o 64482 (pat.hak. 752666). Tätä tarkoitusta varten kerrokset ovat yleensä taipuisaa polymeerimateriaalia minkä tahansa tai kaikkien kerrosten ollessa tehty lämmössä palautuviksi. Lämmössä palautuvien elementtien ja niiden sovellutusten yksityiskohtasemman kuvauksen suhteen katso yllä mainittua hakemusta. Jos elementtiä on määrä käyttää sähköliitoksen tiivistämiseen käyttäen tämän keksinnön kerrosyhdistelmää, aikaansaadaan ulkokerros 46, joka voi olla eristysmateriaalia, joka voi olla lämmössä palautuvaa, mutta ei välttämättä tarvitse olla sitä, Seuraavana laminaatissa on CW-materiaali, 65522 28 johon on upotettu elektrodit 48, jotka voivat olla punottua, saha-maista tai kierteistä muotoa ja jotka on kytketty sarjaan teholähteeseen. Seuraavana on PTC-materiaalikerros 49, toisen elektrodien sarjan 51 ollessa upotettu toiseen CW-kerrokseen 50. Toinen eristävän materiaalin kerros 53» joka voi olla lämmössä palautuva, on sijoitettu lämmityskerrosten viereen ja tämän kerroksen 53 ulkopinnalla on liimakerros 54, joka on lämpöaktivoitu tämän keksinnön lämmitysele-mentillä.

Viitaten nyt kuvioihin 16-34 mitä tahansa muotoa olevia elektrodeja on merkitty viitenumeroilla 55 ja 56, CW-kerroksia on merkitty numeroilla 57 ja 58, PTC-kerroksia numeroilla 59 ja 60 ja johtavaa alustaa, esim. putkea numerolla 6l.

Kuvio 16 edustaa toteutusmuotoa, jossa tietyn kerroksen dimensioita (esimerkiksi paksuutta) ja sen seurauksena CW- ja PTC-kerrosten suhteellisia paksuuksia vaihdellaan paikallisesti tehontuotantotiheyden ja/tai tehollisen Tg-arvon muuttamiseksi. Kuvio 17 edustaa toteutus-muotoa, jossa PTC- ja/tai CW-kerros sisältää eri seoksia eri paikoissa wattitiheyden ja/tai tehollisen Tg-arvon muuttamiseksi.

Kuvio 18 on poikkileikkaus toteutusmuodosta, jossa alusta, esimerkiksi metalliputki on osa sähköistä virtapiiriä, ts. se muodostaa yhden elektrodeista. Kuvio 19 edustaa toteutusmuotoa, jossa yksityiset kerrokset on kiedottu peräkkäin esineen ympärille, joka on tarpeen lämmittää kerrostetun lämmittimen muodostamiseksi itse paikalla. Kerrokset voidaan saattaa tarttumaan yhteen lämmittämällä joko ulkoisesti tai johtamalla niihin sähkövirtaa tai kerrokset voidaan muodostaa materiaaleista, jotka tarttuvat yhteen lämpötilassa, jossa esinettä käytetään. Tämä on esimerkki toteutusmuodosta, jossa saattaa olla erityisen hyödyllistä, että alusta muodostaa osan sähköisestä virtapiiristä. Kuviot 20-26 esittävät toista toteutusmuotojen ryhmää. Kuviossa 20 esitetyssä rakennemuunnoksessa elektrodilla 56 voi myös olla samankeskeinen kerros 60 PTC-materiaalia kuten elektrodille 55 on esitetty. Kuvioissa 23~25 esitetyt rakenteet ovat esimerkkejä lämmittämistä, joissa johtuminen tehollisen Ts-pisteen alapuolella (riippuen PTC- ja CW-kerrosten suhteellisista resistiivisyyksistä) voi tapahtua pääasiassa PTC-kerroksen poikki elektrodien välillä. Kuitenkin kun PTC-kerros lämpenee sen Tg-lämpötilan yläpuolelle, johtuminen tapahtuu pääasiassa tai lähes kokonaan toiselta elektrodil- 29 65522 ta PTC-kerroksen paksuuden läpi lyhimmän mahdollisen tien kautta tältä elektrodilta wattiluvultaan muuttumattomaan kerrokseen ja sitten wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen läpi toiselle elektrodille (jälleen mahdollisesti väliin tulevan PTC-kerroksen minimipak-suuden läpi).

Todetaan, että "pääasiallinen" virran kulku, johon tässä on viitattu, on yhteydessä tiehen, jota pitkin suurin virran "vuo" kulkee. Vaikka teoreettisesti tämä tie ei aina ole tarkalleen lyhin tie PTC-kerrok-sessa, koska jopa T -pisteessä tai sen yläpuolellakin loppuosa PTC-

O

materiaalista kuljettaa jonkin osan virrasta, tämä osa voidaan jättää huomioonottamatta käytännön tarkoituksissa, esim. kuvion 24 tapaisessa rakenteessa, kuten piirroksessa esitetään virta kulkee käytännön syistä pääasiassa kohtisuoraan ylöspäin ja alaspäin PTC-kerroksen 59 läpi ja pitkin kerroksia 57 ja 58, vaikka on oltava olemassa hyvin pieni komponentti toista elektrodia kohti PTC-kerroksessa olevan pääasiallisen virran kulkutiellä. Tämä on riittävän pieni jätettäväksi huomioonottamatta käytännön tarkoituksiin.

Kuviossa 25 esitetyssä rakennevaihtoehdossa kerros 59 voidaan jättää pois ja elektrodi 56 sijoittaa kosketukseen kerrosten 57 ja 58 kanssa erotettuna kauaksi elektrodista 55·

Kuviot 26 ja 27 kuvaavat toteutusmuotoja, joissa PTC-kerros rajoittuu vain osittain CW-kerrokseen. Olemme havainneet, että kun koko CW-pinta-alan sitä osaa, joka on kosketuksessa PTC-pinta-alan kanssa, pienennetään, ympäristön lämpötila, jossa tietyllä käyttöjännitteellä lämmitin rajoittaa tehontuotantoaan, laskee myös.

Kuvio 28 esittää toista kuviossa 21 esitetyn toteutusmodon muunnosta ja tässä kuvion 28 muunnoksessa voi olla yksi CW-kerros 57, joka on sijoitettu siihen missä kerros 59 on kuvattu, ja pari PTC-kerroksia 59 ja 60, jotka korvaavat esitetyt CW-kerrokset 57 ja 58.

Kuviot 29 ja 30 esittävät lisämuunnoksia kerrostetusta peruslämmitti-mestä, jolla on sama yleinen muoto ja toimintatapa kuin kuvioissa 23-25.

Kuviot 31 ja 32 esittävät muita kuviossa 12 esitetyn toteutusmuodon muotoja, joissa lämmittimen tehollinen Ts voi edullisesti olla eri kuin pelkän PTC-materiaälin Ts-arvo edellä kuvatulla tavalla.

30 65522

Kuviot 33 ja 34 osoittavat, kuinka hyödyllisiä kerrostettuja lämmittimiä voidaan muodostaa yhdistämällä suulakepuristuksella päällystettyjä lankoja, joiden päällysteillä on PTC- tai CW-ominaisuuksia.

Viitaten nyt kuvioon 35, siinä esitetään vielä eräs elementti, joka on laadittu tämän keksinnön mukaisesti ja jossa johtimilla 55 ja 56, jotka käytössä ovat erinapaisia, on ympärillään samankeskinen eristys-kerros 62. Viitenumero 59 edustaa PTC-materiaalia ja 57 CW-materiaa-lia. Kerros 62 on epäjatkuva johtimen pinnalla siten, että kuten muodoltaan oleellisesti lineaarisessa pitkänomaisessa elementissä esitetään, eristesegmenttejä on poistettu jaksottain pitkin johtimen pituutta. Kuten voidaan nähdä, siellä missä eristys on poistettu, johdin on suoraan johtavassa kosketuksessa CW-materiaalin kanssa. Tällaiset kosketusalueet eivät kummallakaan elektrodilla ole vastapäätä toisiaan vaan itse asiassa vinottain vastapäätä pitkin elementin pituusakselia. Tämän toteutusmuodon etuna on, että välttämättä virran kulku napaisuudeltaan vastakkaisten elektrodien välillä ei tapahdu pelkästään elementin leveyden poikki, so. välimatkaa X, vaan itse asiassa virran on kuljettava välimatka Y niin että virtatie kulkee alaspäin osan elementin pituudesta. Pitkä virtatie on toivottava siinä mielessä, että se tekee mahdolliseksi käyttää vastukseltaan pientä CW-materiaalia (mikä tekee mahdolliseksi suurempien jännitteiden käytön) ilman, että se osoittaa pyrkimystä palaa. On luonnollista, että vaihtoehtoisia rakenteita, jotka varmistavat, että virta kulkee ainakin osittain alaspäin elementin pituutta pitkin, on helppo valmistaa. Esimerkiksi rakenteessa, jossa PTC-kerros on kerrostettu kahden CW-kerroksen väliin nauhaelektrodien ollessa sijoitettu CW-kerrosten ulkopinnalle; katkonainen eristyskerros voi olla sijoitettu kummankin wattiluvultaan muuttumattoman kerroksen ja sen pinnalle sijoitetun elektrodin väliin. Tai kun jatkuva eristyskerros on sijoitettu ulkopinnalle, elektrodit voivat vaihtoehtoisesti kulkea eristyskerroksen läpi ja koskettaa CW-kerrosta.

Seuraavat esimerkit kuvaavat keksintöä: tämän keksinnön mukaisesti laaditut elementit voidaan valmistaa monilla eri vanhastaan tunnetuilla tavoilla. Polymeeri lämmittimiä varten yksityiset kerrokset voidaan suulakepuristaa erikseen ja sen jälkeen laminoida, sitoa tai muulla tavoin kiinnittää yhteen ja elektrodit upotetaan niihin suula-kepuristuksen tai laminoinnin aikana halutulla tavalla. Kerrokset voidaan muutoin tehdä kalanteroimalla tai koekstruusiolla ja elektrodit upotetaan niihin edellä mainitulla tavalla missä tahansa sopivassa 31 65522 operaation vaiheessa. Suositeltavaa menetelmää valmistaa tiettyä tämän keksinnön mukaista lämmittimen toteutusmuotoa kuvataan yllä mainitussa suomalaisessa patentissa n:o 64482.

Menetelmät ei-polymeeristen johtavien seosten laatimiseksi, jotka sopivat käytettäväksi tässä keksinnössä, esim. keraamiset seokset tai noella täytetty asbestipaperi, ovat alalla hyvin tunnettuja. Kerrokset voidaan kiinnittää toisiin kerroksiin sitomalla, hitsaamalla, liimaamalla tai muilla hyvin tunnetuilla menetelmillä, joilla säilytetään tai ylläpidetään johtava kosketus kerrosten välillä.

Esimerkki 1

Valmistettiin kuviossa 14 yleisesti esitetyn kaltainen laminaatti, jonka PTC-kerros oli esimerkissä 5 esitetyn seoksen 2 kaltainen ja wattiluvultaan muuttumaton kerros oli esimerkissä 3 esitetyn kaltainen, eristyskerroksen koostuessa polyeteenin ja alhaisstruktuurisen, huonosti johtavan noen seoksesta. Liimakerros oli sulateliimaa, jonka rengas ja pallo-pehmenemislämpötila oli 110°C. Laminaattia säteily-tettiin silloittumisen aikaansaamiseksi ennen päällystystä liimalla, kuumavenytettiin kohtisuoraan kierteisiä lankaelektrodeja vastaan ja jäähdytettiin. Venytetty kalvo käärittiin polyeteenivaippaisen puhelinkaapelin ympärille ja vastakkaiset päät sidottiin yhteen. Kun elektro-dilangat yhdistettiin 12 voltin lyijy-happoakkuun, laminaatti kutistui tasaisesti ja yhtenäisesti puhelinkaapelin päälle.

Esimerkki 2

Mitoiltaan 2,5 x 15,2 x 0,05 cm olevaa nauhaa, jonka vastakkaisille reunoille pitkin sen pituutta oli kiinnitetty kuparielektrodit ja joka koostui 70 %:sta keskitiheyksistä polyeteeniä, 18 %:sta eteeni/-etyyliakrylaattikopolymeeria ja 12 %:sta Cabot Corp.-yhtiön XC72 nokea, lämpökäsiteltiin 150°C:ssa tyhjössä 16 tuntia ja säteilytet-tiin sitten 20 Mrad:in annokseen saakka ja päällystettiin lämpötilaa ilmaisevalla maalilla (Templace 76°C:a osoittavalla maalilla). Elektrodit yhdistettiin 110 voltin vaihtovirtalähteeseen. Alle minuutissa valkoinen maali oli sulanut kapealle alueelle, jonka leveys oli suunnilleen 2,54/25,4 cm ja joka oli karkeasti yhtä kaukana elektrodien välillä, ns. ’’kuumana viivana". Pintalämpötilan kuuman viivan keskellä arvioitiin olevan lähellä 85°C, joka on juuri tämän erikoisseoksen Ts~pisteen yläpuolella. Alueet, jotka olivat vain 0,5 cm kuumasta viivasta, olivat alle 50°C. Tässä tilassa elementti syn- 32 65522 nytti oleellisesti kaiken tehonsa kuuman viivan alueelta. Samantapaisessa kokeessa, jossa elementti eristettiin, asetettiin veteen ja liitettiin teholähteeseen, havaittiin samanlainen "kuuma viiva".

Tämän jälkeen tämän esimerkin seoksesta valmistettiin laminoitu ydin, joka kerrostettiin CW-kerrosten väliin, jotka olivat nokitäytteistä silikonikumia, kummankin CW-kerroksen viedessä 20 AWG:n (halkaisijaltaan n. 0,081 cm) monisäikeisen kuparilangan keskikohtaansa. Elementti lämpeni tasaisesti n. 65°C;n yhtenäiseen pintalämpötilaan ilmassa ydinlämpötilan ollessa n. 80°C. Näin ollen PTC-kerroksen kerrostaminen wattiluvultaan muuttumattomien kerrosten väliin poisti kuuman viivan tästä PTC-seoksesta.

Esimerkki 3

Valmistettiin sarja laminoituja lämmittimiä käyttäen wattiluvultaan muuttomatonta kerrosta, joka koostui 35 osasta etyleeni-propyleeni-kumia, 30 osasta etyleeni-vinyyliasetaatti-kopolymeeria ja 35 osasta nokea, ja PTC-ydinseosta, jota kuvataan alla olevassa taulukossa I, ja jossa noki dispergoitiin polypropeeniin ennen kuin TPR 1900-kumi sekoitettiin mukaan.

TAULUKKO I

Näyte n:o 12 3 4 5 6 TPR 1900 (termoplastinen 72,5 70,0 68,75 67,5 66,25 65,0 etyleeni-propyleenikumi, valm. Uniroyal Corporation)

Profax 6524 (polypropee- 16,5 18,0 18,75 19,5 20,25 21,0 ni, valm. Hercules

Corporation) XC72 (Cabot Corp.- 11,0 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 yhtiön noki) CW- ja PTC-materiaalit puristettiin hydraulisesti 200°C:ssa mitoiltaan 15,2 x 15,2 x 0,05 cm oleviksi laatoiksi yhden minuutin ajan ja lämmitinrakenteita, jotka sisälsivät PTC-kerroksen kerrostettuna kahden CW-kerroksen väliin, laminoitiin 200°C:ssa kaksi minuuttia ja lämpökäsiteltiin sitten 200°C:ssa 10 minuuttia ja säteilytettiin. Mitoiltaan 2,5 x 3,75 cm olevia lämmitinsegmenttejä leikattiin jokaisesta näytteestä ja mitoiltaan 2,5 x 0,635 cm olevat johtavathopeamaali-elektrodit maalattiin CW-kerrosten diagonaalisesti vastakkaiseen 2,5:en reunaan rajautuen, mikä johti samantapaiseen lämmitinrakentee-seen kuin kuviossa 12. Seoksen muutoksen vaikutus käynnistyssysäys-ja käyttövirran väliseen suhteeseen ja itsesäätävään lämpötilaan voi- 65522 33 daan nähdä käynnistyssysäyssuhteesta ja Ts-lämpötilasta taulukossa II alla:

TAULUKKO II

Laminaatin vas- „

Nokimäärä tus huoneenläm- Käynnistyssysäys- xs

Seos ytimessä, % pötilassa (ohm) suhde* (oc)xx

Pelkkä , „ o or PTC-ydin 12-5 ' 8 85 1 11 21 000 8 90 2 12 260 5 105 3 12,5 245 4,4 125 4 13 230 3,9 165 5 13,5 220 3,7 185 6 14 205 ' Määritelty Tg-lämpötilan vastuksen ja huoneenlämpötilan vastuksen suhteena.

xsOprpC-materiaalin sulamispiste n. 165°C.

Kuten käy ilmi pienehkö muutos PTC-materiaalin koostumuksessa pidettäessä CW-materiaali muuttumattomana voi merkittävästi muuttaa Tg-pistettä ja käynnistyssysäyssuhdetta, kun niitä käytetään keksinnön mukaisesti kootussa lämmittimessä. Erityisesti Ts-pistettä voidaan muuttaa PTC-materiaalin sulamispisteen yläpuollelle. Sitäpaitsi kun PTC-materiaali, jonka Tg oli 85°C ja joka sisälsi 12,5 % nokea, kerrostettiin CW-kerrosten väliin, tehollinen Tg nousi 125°C:een, käyn-nistyssysäyssuhteen esittämän viimemainitun vastuslämpötilakäyrän ollessa paljon lähempänä tyypin I käyttäytymistä (jolla määritelmän mukaan on käynnistyssysäyssuhde 1).

Esimerkki 4

Esimerkissä 2 kuvatun koostumuksen omaava 0,063 cm paksu PTC-mate-riaalilaatta laminoitiin kahden 0,063 cm paksun CW-kerroksen väliin, joiden koostumus oli sama kuin esimerkin 3 CW-kerroksilla. Laminaat-tia lämpökäsiteltiin 150°C:ssa 16 tuntia ja säteilytettiin sitten n. 10 megaradin annokseen. Laminaatista leikatulla 2,5 cm:n neliömäisellä palalla, joka oli maalattu johtavalla hopeamaalilla CW-kerrosten koko ulkopinnoilta, so. samanlaisella perusrakenteella kuin kuviossa 11, havaittiin olevan Tg-arvo 70°C. Samanlaisella näytteellä, johon oli kiinnitetty kaksi 2,5 x 0,63 cm:n nauhaelektrodia wattilu-vultaan muuttumattoman kerroksen diagonaalisesti vastakkaisille taso- 34 65522 pinnoille (yksi kummallekin kerrokselle) (so. samalla tavoin kuin kuviossa 12), havaittiin olevan T -arvo yli 90°C. Nain ollen on il-

O

meistä, että elektrodien sijoitus voi merkittävästi muuttaa tämän keksinnön mukaisten rakenteiden Ts-arvoja.

Esimerkki 5 PTC-seokset, joilla oli taulukossa III esitetty koostumus ja ominaisuudet, valmistettiin valssisekoituksella, puristettiin sitten hydraulisesti 0,025 cm paksuiksi laatoiksi ja säteilytettiin silloittumisen aikaansaamiseksi. Kerrostetut lämmittimet valmistettiin kerrostamalla PTC-kerros kahden CW-kerroksen väliin, joiden vastus oli 7 ohm-cm ja jotka oli valmistettu johtavasta silikonikumista (R 1515), joka oli joko 0,025 tai 0,10 cm paksua.

TAULUKKO III

Näyte Marlex 6003 Sterling SRFNS Annos 0,025 cm:n kalvon n:ot % % Mrad vastus ohm-cm 5-1 58 42 12 1,5 5-2 61 39 12 20 5-3 65 35 12 200

Kooltaan 2,5 x 0,63 cm:n elektrodit levitettiin lämmitinsegmenttien ulkopinnoille kuten esimerkissä 4. Lämmitin asetettiin sitten päälle ja hyvään termiseen kosketukseen ruostumattoman teräslohkon kanssa, joka oli varustettu lämpömittarilla, ja asennettu lämpö säädetylle kuumalevylie, jolla lohkon lämpötilaa voitiin vaihdella. Lämmitin liitettiin jännitelähteeseen, jonka suuruus oli sellainen, että se p synnytti n. 0,31 W/cm suunnilleen huoneenlämpötilassa. Lämmittimen tehontuotantoa ohjattiin, kun metallilohkon lämpötila nousi. Tulosten suhteen kts. kuviota 36.

Kuvio 37 esittää kuinka teho/lämpötilakäyrä lämmittimellä, joka oli koottu 0,25 cm:n kerroksesta 5-2-seosta ja säteilyttämättömästä 0,025 cm:n kerroksesta wattiluvultaan muuttumatonta silikonia, vaihtelee elektrodirakenteen mukana. Säteilyttämättömät silikoniset wattiluvultaan muuttumattomat kerrokset valittiin, koska niiden vastus muuttuu hyvin vähän lämpötilan mukana ja näin ollen havaitut muutokset voidaan lukea geometristen vaikutusten ja PTC-kerroksen vastuksen muutosten ansioksi. Vertailtiin kolmea muotoa: A) jossa elektrodit peittivät koekappaleen koko ylä- ja alapinnan (so. samantapainen 35 65522 kuin kuvio 6 paitsi, että käytettiin kahta CW-kerrosta ja elektrodit olivat hopeamaalia, eivät verkkoa), B) jossa vastakkaiset hopeamaali-elektrodit mitoiltaan 0,63 cm x 2,5 cm asetettiin ylä- ja alapintojen poikki (kaksi molemmille puolille, elektrodien ollessa kummallakin puolilla 2,5 cm:n päässä toisistaan) ja C) jossa yhtä ylempää ja yhtä alempaa elektrodia 0,63 x 2,5 cm vaihdeltiin 2,5 cm:n välein porrastetussa rakenteessa. Kuviossa 37 esitetyt tehontiheys/lämpöti-lariippuvuudet näille kolmelle rakenteelle osoittavat, että teho/läm-pötilakäyrää voidaan muuttaa ratkaisevasti ja odottamattomalla tavalla elektrodirakenteen muutoksilla. Moniin tarkoituksiin kohdan C osoittama tehokäyrä on suositeltava ja kuvio 37 osoittaa, että valituilla seoksilla ja vastuksilla tämä voidaan saavuttaa vuorottelevalla tai sivusuunnassa harvennetulla elektrodirakenteella. Kuitenkin myös silloin kun elektrodit peittävät CW-kerroksen koko ylä- ja alapinnat, tyypin C käyrä voidaan saada sopivalla PTC- ja CW-kerroksen resistii-visyyden valinnalla, kuten kuviossa 36 esitetään, mikä osoittaa, että tyypin C käyrän saamiseksi PTC-kerroksen vastuksen huoneenlämpötilassa on oltava pienempi kuin CW-kerroksen vastuksen. Kuitenkin vuorottele-vasti, sivusuunnassa harvennetuilla elektrodeilla tyypin C tehokäy-rät saadaan valitsemalla PTC-kerros, jonka resistiivisyys on suurempi kuin CW-kerroksilla.

Esimerkki 6

Koottiin lämmittimet esimerkin 5 rakenteen A mukaisesti ja samoista seoksista kuin esimerkissä 5· Kuitenkin tietyissä koekappaleissa, kuten alla esitetään, CW-kerros oli 0,10 cm paksu. Lämmittimet testattiin asennettuna ruostumattomalle teräslohkolle esimerkissä 5 kuvatulla tavalla. Lohkon lämpötila, jossa lämmittimen kehittämä teho alkoi pudota, esitetään taulukossa IV. Tulokset osoittavat, että vaihtelemalla PTC- ja CW-kerrosten suhteellisia vastuksia, putoamis-lämpötilaa ja näin ollen T -pistettä voidaan vaihdella melko merkittä- o västi.

65522 36

TAULUKKO IV

Lämmittimen CW-kerroksen Tehon putoamis- Teho 23,9°C:ssa PTC-ydin paksuus, cm lämpötila, °C Teho 85°C:ssa 5-1 0,025 124 1,31 0,1 127 1,15 5-2 0,025 HO 1,06 0,1 113 1,06 5-3 0,025 77 1,27 0,1 80 1,30 5-2* 0,025 93 ** 0,1 80 PTC-kerros peittää 1/3 CW-kerroksesta ** PTC-kerros peittää 1/6 CW-kerroksesta

Erityinen etu paksummista, so. vastukseltaan suuremmista CW-kerrok-sista on se, että vastuksen vaihtelut PTC-kerroksessa eivät niin suuresti vaikuta tehontuotantoon, so. tehontuotannossa on vähemmän lämpö-tilavaihtelua. Tällä tavoin voidaan käyttää PTC-kerrokseen erittäin kiteistä, molekyylipainoltaan korkeaa polymeeriä, jossa on erittäin strukturoitua nokea, (tällaiset yhdistelmät antavat toivottavan käyttäytymisen, likimäärin tyypin I, mutta osoittavat saadun vastuksen äärimmäistä herkkyyttä käsittelylle ja termiselle historialle). Yhdistämällä tällaiset seokset CW-kerroksiin, joilla on paljon korkeampi resistiivisyys ja jotka voidaan valmistaa kiteisyydeltään alhaisten tai amorfisten polymeerien ja keski- tai suurstruktuurinokien seoksista (joilla saadaan resistiivisyydet, jotka ovat vähemmän herkkiä käsittelylle tai termiselle historialle), voidaan saada aikaan lämmitin, jolla on paljon suurempi yhtenäisyys, toistettavuus ja toiminnallinen käyttökelpoisuus kuin tähän saakka on ollut käytettävissä.

Kuten yllä mainittiin toimivan lämmittimen tärkeä piirre on huoneenlämpötilan vastuksen ja halutun käyttölämpötilan vastuksen välinen suhde. Tämä suhde on verrannollinen käynnistyssysäyssuhteeseen, mutta ei ole identtinen sen kanssa. Sitäpaitsi tämän vastussuhteen alemmat arvot osoittavat myös parempaa lähestymistä tyypin I vastusominais-käyrään. Tässä esimerkissä kuvatuille lämmittimille pidetään käyttöaluetta 85°C:n läheisyydessä optimina. Alhaisten suhteiden saamiseksi suositellaan PTC- ja CW-kerrosten välisiä ominaisvastussuhteita (24°C:ssa) välillä n. 0,1:1 - 20:1 (tarkan suhteen riippuessa kerrosten suhteellisesta paksuudesta), suhteiden välillä 1 ja 10 ollessa erityisen suositeltavia.

37 6 5 5 2 2

Esimerkki 7

Valmistettiin edellisessä esimerkissä esitetyllä tavalla PTC-mate-riaaleja, joilla oli taulukossa V annetut koostumukset. Niiden seosten 0,05 cm paksut laatat laminoitiin kahden 0,05 cm:n laatan väliin, jotka olivat seosta, jossa oli 20 % Black Pearls-nokea Silastic 437-massassa (resistiivisyys 400 ohm-cm), ja laminaatteja säteilytettiin sitten 12 Mrad:illa ionisoivaa säteilyä silloittumisen aikaansaamiseksi niiden läpi.

TAULUKKO V

Näyte Marlex 6003 SRF-NS PTC-kerroksen resis- Tehokäyrän tyyppi n:ot {%) {%) tiivisyys, ohm-cm (kuvio 35)

7-1 58 42 100 B

7-2 60 40 240 C, mutta jonkin ver- ran poikkeamista lähellä huoneenlämpötilaa 7-3 62 38 400 Erittäin hyvä C-tyyppi Tämä esimerkki osoittaa, kuinka tehokäyrän muotoa voidaan muutella valitsemalla PTC- ja CW-kerroksille sopivat resistiivisyyssuhteet.

Teho-lämpötilariippuvuus on luonnollisesti sopusoinnussa lämpötila- p · p vastusriippuvuussuhteen kanssa kaavan P = I R tai P = kanssa.

Ή C-niminen käyrä on lähellä odotettua ihannetapausta lämmittimellä, jonka vastuslämpötilakäyrä on tyyppiä I.

Esimerkki 8

Kaksi 30 cm pitkää ohuen nauhalämmittimen osaa, jotka oli valmistettu US-patentin n:o 3 861 029 mukaisesti ja joiden PTC-ytimen koostumus oli samanlainen kuin esimerkissä 1 käytetty, ja jotka oli muotoiltu kuten kuviossa 5 (0,8 cm leveät), kiinnitettiin alumiinilohkoon, jota pidettiin l8°C:ssa kiertovedellä. Kummankin lämmitinkappaleen toinen puoli maalattiin lämpötilaa ilmaisevalla maalilla. Kappaleisiin syötettyä jännitettä vaihdeltiin niiden tehontuotannon nostamiseksi hitaasti. Toisen kappaleen vastus oli 488 ohm/m. Tätä kappaletta voitiin käyttää jopa n. 5,48 W/m:n teholla ilman kuumaviivan muodostumista, mutta ytimen toimiessa sen Tg-lämpötilan alapuolella. Noin 6,1 W/m:n tehontuotannolla, jolla tehotasolla ydin lämpeni T -pisteeseensä, muodostui kuumaviiva. Toista lämmitinkappaletta, jonka vastus oli n. 8080 ohm/m, voitiin samalla tavoin käyttää n. 4,88 W/m:n teholla ilman kuumaviivan muodostumista, mutta kuumaviiva muodostui, kun toimittiin yli n. 6,1 W/m:n teholla. Yritykset käyttää 38 ; 65522 näitä molempia lämmittimiä suuremmilla jännitetasoilla johtivat samanaikaisiin virran laskuihin niin, että koeolosuhteissa nämä lämmittimet eivät kuluttaneet enempää kuin n. 9>3 W/m ja niiden maksimiteho näissä olosuhteissa oli n. 0,15 W/em^. Näin ollen yritykset käyttää nauhalämmitintä suuremmilla tehotasoilla kuin n. 0,08 W/cm^ johtivat kuumaviivan muodostumiseen.

Esimerkki 9

Valmistettiin kerrostettu lämmitin, jossa PTC-kerroksen (0,075 cm paksu) koostumus oli 47 % Marlex 6003-polyeteeniä, 5 % Epsyn 5508:a (modifioitu etyleeni-propyleenidieenikumi) ja 48 % Sterling SRF-NS:ä (noki). Kaksi 0,15 cm paksua CW-kerrosta, joiden koostumus oli 60%

Elvaz 250:a (etyleeni-vinyyliasetaattikopolymeeri) ja 40 $CabotXC72:a (noki) ja joihin oli upotettu 0,95 cm leveät ja 0,95 cm:n päässä toi- ; sistaan olevat litistetyt punoslankaelektrodit (kaikkiaan kolme molempiin CW-kerroksiin), levitettiin PTC-kerroksen molemmille puolille niin, että elektrodit olivat vastapäätä toisiaan, so. samalla tavoin j kuin kuviossa 11 paitsi, että elektrodit olivat punottuja nauhojen | sijasta. Lämmittimen mitat olivat 7,5 x 15 cm elektrodien kulkiessa , | pitkin pitkää sivua ja napaisuudeltaan vastakkaisten elektrodien j ulottuessa polymeerikerrosten yli lämmittimen vastakkaisissa päissä. Kerrokset laminoitiin varovasti yhteen ja elementtiä pidettiin sitten J 200°C:ssa 10 minuuttia mahdollisen jännityksen poistamiseksi, jääh- ! dytettiin sitten ja säteilytettiin 12 Mradin annokseen käyttäen ko- || boltti^-gammasäteitä elementin ollessa suljettu typpeä sisältävään j säiliöön. Lämmitin kerrostettiin 0,025 cm paksujen eristyskerrosten ! väliin, jotka koostuivat matalatiheyksisestä polyeteenistä ja puris-tettiin lujasti jäähdytettyyn alumiinilohkoon kuten dellisessä esi- j| merkissä ja lämpötilaa ilmaisevaa maalia levitettiin lämmittimen ylä- ; pinnalle. Napaisuudeltaan vastakkaiset elektrodit yhdistettiin 12 V:n /*» akkuun. Lämmitin kulutti yli 70 A lämmetessään, so. yli 5,4 W/cm^. ,

Muutaman minuutin aikana lämmitin stabiloitiin yli 20 A:n virralle, ;i p ' . . .

so. yli 15,5 W/cm :m. Lopulta alumianilohko alkoi lämmetä huolimatta ; käytetystä jäähdytyksestä ja lämmittimen PTC-kerros lämpeni Ts-pis-teeseensä (n. 120°C). Lämpötilaa ilmaiseva maali suli tämän viimeisen vaiheen aikana alkaen keskeltä ja edeten nopeasti ja tasaisesti reunoille. Tässä lopputilassa lämmitin piti itsensä lämpötilassa, joka oli hyvin lähellä sen T -pistettä ja kulutti n. 10 amperia, so. sen lämmöntuotanto i oli n. 7,1 W/cm2, kun alumiinilohko korvattiin termisesti eristävän materiaalin laa- j talla. Virta laski paljon alle yhden amperin, so. alle 0,67 W/cm^:in lämmit- 39 65522 timen lämpötilan ollessa yhä hyvin lähellä T -pistettä ja lämmitti- u men koko pinnan ollessa suunnilleen tässä lämpötilassa. Näin ollen on ilmeistä, että tämän keksinnön mukainen lämmitin voi toimia suurilla tehontuotannoilla T -lämpötiloissa, jotka ovat selvästi yli

O

100°C, ilman kuumaviivan muodostumista.

Todetaan, että viittaus tässä yhteydessä PTC-kerrokseen, joka on tai tulee oleellisesti johtamattomaksi, on suhteessa CW-kerroksen sähköisiin ominaisuuksiin. Ei ole asiallista antaa tällaisille ominaisuuksille absoluuttiarvoja, sillä ne riippuvat muiden tekijöiden ohella eri kerrosten suhteellisista rakenteista, mutta esimerkiksi kuviossa 23 esitetyssä yksinkertaisessa laminaatissa niin pian kuin PTC-kerros ylittää anomalialämpötilansa sähkövuon tiheys CW-kerroksen läpi on moninkertaisesti vuon tiheys PTC-kerroksen läpi missä tahansa laminaatin osassa, jossa nämä kaksi kerrosta ovat sähköisesti yhdensuuntaiset. On edullista, että kun nämä kaksi kerrostyyppiä ovat sähköisesti yhdensuuntaiset, virran määrä, joka kulkee CW-kerroksen läpi, on vähintään 10 ja mieluummin 25 kertaa PTC-kerroksen läpi kulkeva virta sen anomalialämpötilan yläpuolella, vaikka tietyissä tapauksissa, esimerkiksi jos elementti on suhteellisen suuren lämpövajoaman läheisyydessä, alemmat suhteet kuten 5 tai sen alle voivat olla riittävät .

Claims (9)

1. Kerroksiin jaettu sähköinen vastuselementti, joka saavuttaessaan tietyn korotetun lämpötilan olennaisesti katkaisee elementin läpi kulkevan virran, erityisesti itseohjautuva lämpöelement-ti, joka käsittää (A) ensimmäisen sähkövastuskerroksen (11, 21, 25s 33, 38, *13, *15, **9, 60), jonka vastuksella on positiivinen lämpötilakerroin (PTC-kerros) sekä ympäristön lämpötilan ylittävä anomalialämpö-tila (T ), jonka yläpuolella se on olennaisesti johtamaton, b (B) ainakin yhden toisen kerroksen (12, 15, 19, 2*1, 31, 35, 36, *10, *11, *J*l, 50, 57, 58), jolloin PTC-kerros ja mainittu toinen kerros ovat sähköisesti ja termisesti kosketuksessa toisiinsa ja jolloin toinen kerros on sähköisesti resistiivinen ja sen resistiivisyys on pääasiassa vakio (CW-kerros) ainakin PTC-kerrok-sen anomalialämpötilan (T ) alapuolella, ja S (C) . ainakin kaksi elektrodia, jotka niitä liitettäessä sähköiseen voimalähteeseen aikaansaavat sähkövirran johtamisen PTC-kerroksen ja CW-kerroksen välillä, tunnettu siitä, että ainakin osa PTC-kerroksen (11, 21, 25, 33, 38, *13, *15, *49, 60) pinnasta on suorassa sähköisessä kosketuksessa ainakin osaan CW-kerroksen (12, 15, 19, 2*1, 31, 35, 36, *10, *11, *1*1, 50, 57, 58) pinnasta ja että PTC-kerroksen virtatien vastus on suurempi kuin CW-kerroksen virtatien vastus ainakin koko elementin korotetussa käyttölämpötilassa, jolloin siinä tapauksessa, että CW-kerros tai -kerrokset muodostuvat materiaalista, jonka ominaisvastus on 25°C:ssa pienempi kuin 1 ohm-cm, elektrodit ovat siten järjestetyt, että mainitun korotetun lämpötilan alapuolella olevassa lämpötilassa virtatiellä on sellainen komponentti CW-kerroksen tai -kerroksien tasossa, että CW-kerroksen tai -kerroksien virta-tien vastus on suurempi kuin PTC-kerroksen vastus, niin että ainakin 50 prosenttia elementin tehosta syntyy CW-kerroksen tai -kerrosten vastuskuumennuksen johdosta.

2. Element enligt krav 1, kännetecknat av att, när det är anslutet tili en elektrisk strömkälla, vid den högre av den temperatur, vid vilken PTC-skiktets (59) resistans 44 65522 överstiger CW-skiktets (57, 58) resistans, och PTC-skiktets anomalitemperatur (Ts); strömflödet tili övervägande delen följer en bana, vars längd genom PTC-skiktet är s4 kort som ' möjligt och företrädesvis icke överstiger PTC-skiktets (59) tjocklek med mer än 50 %.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elementti, tunnettu siitä, että kun se on yhdistetty sähköiseen virtalähteeseen, niin korkeammassa lämpötiloista, a) lämpötila, jossa PTC-kerroksen (59) vastus ylittää CW-kerroksen (57, 58) vastuksen, tai'b) PTC-kerroksen anomalialämpötila (T ), virrankulku o noudattaa tietä, jonka pituus PTC-kerroksessa on lyhyin mahdollinen eikä sopivimmin ylitä PTC-kerroksen (59) paksuutta enempää kuin 50 %. ill 65522

3. Element enligt krav 1 eller 2, känneteck-n a t av att PTC-skiktet (33, 43, 49, 59) har tva i huvudsak plana ytor och har ett CW-skikt (31 , 35; 36, 40; 41, 44; 57, 58), som atminstone delvis ligger intill var och en av de plana ytorna.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elementti, tunnet-t u siitä, että PTC-kerroksella (33, 47, 49) on kaksi oleellisesti tasomaista pintaa, sekä CW-kerros (31, 35; 36, 40; 4l, 4*1), joka ainakin osittain rajoittuu molempiin mainittuihin tasomaisiin pintoihin.

4. Element enligt krav 3, kännetecknat a v att det har tvä elektroder (55, 56), av vilka den ena sträcker sig över endast en del av det ena CW-skiktet (57) och den andra sträcker sig över endast en del av det andra CW-skiktet (58) , varigenom Ström kan flyta längs ätminstone ett CW-skikt i dettas pian vid atminstone vissa temperaturer.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elementti, tunnettu siitä, että siinä on kaksi elektrodia (55, 56), joista toinen ulottuu vain osittain toisen CW-kerroksen (57) yli ja toinen ulottuu vain osittain toisen CW-kerroksen (58) yli, jolloin virta voi kulkea ainakin yhtä CW-kerrosta pitkin tämän tasossa ainakin tietyissä lämpötiloissa.

5. Element enligt n&got av krav 1-4, kännetecknat av att elektroden är en vävnad, ett flätverk eller ett galler (13, 14, 23, 26, 48, 51) av metall och/eller att materialet i elektroderna har formen av en träd, ett band eller en skiva (16, 18, 20, 22, 32, 34, 37, 39, 42, 45).

5· Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen elementti, tunnettu siitä, että elektrodi on metallia oleva kangas, punos tai hila (13, 14, 23, 26, 48, 51) ja/tai elektrodien materiaali on langan, nauhan tai kalvon (16, 18, 20, 22, 32, 34, 37, 39, 42, 45. muodossa.

6. Element enligt nigot av kraven 1-5, kännetecknat av att ätminstone en elektrod är inbäddad i ett CW-skikt (15; 27; 36, 40; 41, 44; 47, 50).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen elementti, tunnettu siitä, että ainakin yksi elektrodi on upotettu CW-kerrokseen (15; 27; 36, 40; 4l, 44; 47, 50).

7. Element enligt nagot av kraven 1-6, kännetecknat av att atminstone en elektrod (23; 55) är placerad pi en yta av ett CW-skikt (24 ; 58) , .som är vänd bort frän den i kontakt med ett PTC-skikt (25; 60) befint-liga ytan.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen elementti, tunnettu siitä, että ainakin yksi elektrodi (23; 55) on sijoitettu CW-kerroksen (24, 58) sille pinnalle, joka on poispäin kosketuksessa PTC-kerroksen (25; 60) kanssa olevasta pinnasta.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen elementti, tunnettu siitä, että ainakin yksi elektrodi (26; 30; 37; 55; 56. on upotettu PTC-kerrokseen (25; 29; 38; 59, 60) .

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen elementti, tunnettu siitä, että PTC-kerros (59) ja CW-kerros (57) on molemmat sijoitettu elektrodin tai elektrodien (55, 56) ympärille.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen elementti, tunnettu siitä, että se sisältää kaksi sarjaa elektrodeja (37, 39), jolloin yhden sarjan elektrodit (37) on sijoitettu yhdensuuntaisille suorille toisen sarjan elektrodien (39) kanssa ja yhden 1,2 65522 sarjan elektrodit (37) ovat vastapäätä toisen sarjan elektrodien (39) välejä.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen elementti, tunnettu siitä, että CW-kerros (57) ympäröi PTC-kerrosta (59) tai PTC-kerros ympäröi CW-kerrosta (57, 58).

12. Patenttivaatimuksen 11'mukainen elementti, tunnettu siitä, että kerrokset ovat samankeskeisiä (57, 58, 59)·

13· Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen elementti, tunnettu siitä, että sitä peittää ainakin osittain eristyskerros (46, 53)·

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-13 mukainen elementti, tunnettu siitä, että se sisältää myös tiivisteainetta tai liimaa (54) ainakin yhdellä pinnalla, tiivisteen tai liiman ollessa lämmöllä aktivoitavissa elementin käyttöalueeseen kuuluvassa läm-pätilassa.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 1-14 mukainen elementti, tunnettu siitä, että PTC- ja CW-kerros kumpikin on polymeeristä ainetta, johon on dispergoitu nokea.

16. Jonkin patenttivaatimuksen 1-15 mukainen elementti, tunnettu siitä, että se on lämmössä palautuva lämpötilassa, joka on elementin toiminta-alueella sen toimiessa lämmittimenä.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 1-16 mukainen elementti, tunnettu siitä, että sen tietty korotettu lämpötila on suurempi kuin PTC-kerroksen T . s

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-17 mukainen elementti, tunnettu siitä, että PTC-kerroksen ja CW-kerroksen välinen resist iivisyyssuhde on 24°C:ssa välillä 0,1:1 ja 20:1. 43 65522 .-1. I skikt delat elektriskt motständselement, som när det uppnär en bestämd förhöjd temperatur huvud -sakligen.bryter en Ström som ledes genom detsanma , i syn-nerhet ett självreglerande värmeelement , omfattande (A) , ett första, elektriskt resistivt skikt (11, 21, 25, 33, 38, 43, 45, 49, 60) med positiv temperaturkoefficient för motständet (PTC-skikt) och med en anomaiitemperatur (Tg), över vilken det är i huvudsak icke ledande (B) minst ett andra skikt (12, 15, 19, 24, 31, 35, 36, 40, 41, 44, 47, 50, 57, 58), varvid PTC-skiktet och nämnda andra skikt är elektriskt och termiskt förbundna med varandra och varvid det andra skiktet är elektriskt resistivt med i huvudsak konstant resistivitet (CW-skikt) ätminstone under PTC-skiktets anomaiitemperatur (T ), och 5 (C) minst tvä elektroder , vilka, dä de förbindes med en elektrisk kraftkälla, bringar elektrisk ström att passera mel-lan PTC-skiktet och CW-skiktet, kännetecknat av att ätminstone en del av en yta hos PTC-skiktet (11, 21, 25, 33, 38, 43, 45, 49, 60) befinner sig i direkt elektrisk och termisk kontakt med ätminstone en del av en yta hos CW-skiktet (12, 15, 19, 24, 31, 35,36, 40, 41, 44, 47, 50, 57, 58), och att resistansen i PTC-skiktets strömbana är större än resistansen i CW-skiktets strömbana ätminstone vid en förhöjd ,använöningstemperatur hela elementet, varvid för det fall att CW-skiktet eller -skikten bestär av ett material med en resistivitet vid 25°C av mindre än 1 ohm*cm elektroderna är sä anordnade i elementet, att vid en temperatur under nämnda förhöjda temperatur strömbanan har en sädan komposant i CW-skiktets eller -skiktens pian, att resistansen i CW-skiktets eller -skiktens strömbana är större än PTC-skiktets re-sistans, sä att minst 50 procent av elementets.effekt alstras genom motständsupphettning av CW-skiktet eller -skikten.

8. Element enligt nägot av kraven 1-7, kännetecknat av att atminstone en elektrod (26; 30; 37; 55, 56) är inbäddad i ett PTC-skikt (25; 29; 38; 59, 60).

9. .Element enligt nägot av kraven 1-8, kännetecknat av att PTC-skiktet (59) och CW-skiktet (57) vart och ett är placerade runt en elektrod eller elektroder (55, 56).