FI68746B - Elektriskt vaermeelement - Google Patents

Description

68746 Sähkölämpöelementti Tämä keksintö koskee menetelmää litteän lämpöelemen-tin valmistamiseksi, jossa on varoke ylikuumenemista vas-5 taan, jolloin sähköisestä vastusmateriaalista valssataan kalvo, joka leikataan esimerkiksi meanderin muotoiseksi kuvioksi yhdessäriippuvista vastussuikaleista, tämä malline upotetaan joko erityskappaleen sisään tai sijoitetaan sen päälle.

10 Tällaiset lämpöelementit tunnetaan hyvin US-paten- tista nro 3 263 307 ja nro 3 336 557 (molempien keksijä 0.G.Lund ym.) sekä US-patenteista nro:t 4 025 893 ja 4 092 626 (molempien keksijä H.A. Bergersen) ja eräs pääpiirre näissä keksinnöissä on se, että metallisuikaleet, 15 jotka muodostavat vastuselementin, on tehty aineesta, jonka sulamispiste on alle 200°C. Kun tällaisia elementtejä käytetään sähkölämpöelementteinä asunnoissa käytettäviksi ja asennus vaatii läheisen kosketuksen palavien aineiden, kuten puun ja tapettien kanssa, on tärkeää, että lämpötila 20 lämpöelementeissä ja sen lähiympäristössä ei missään kohdassa ylitä 150°C. Tämä vaatimus voidaan täyttää käyttämällä vastussuikaleita, jotka koostuvat metalliseoksesta, joka sisältää 61,5 % tinaa, 37,7 % lyijyä ja 0,8 % antimonia, koska tämän seoksen sulamispiste on 183°C.

25 US-patentissa nro 3 423 574 esitellään lämpölaatta, joka sisältää lämpövarokkeet ja termostaatit. Nämä elementit koostuvat erikoisista osista, jotka on kytketty lämpölaattaan sen jälkeen, kun on tehty valmiiksi vastus-suikalemuodostelma. Tällaista rakennetta, jossa varokkei-30 den ja termostaattien paksuus ja leveys ylittävät vastus-suikaleen, ei voi helposti käyttää sisäkatto- eikä seinä-lämmitykseen. US-patentissa nro 3 108 175 esitellään läm-mityshuopa, jossa on erilleen jaettuja termostaattiele-menttejä. Termostaattielementtien koko on kuitenkin huo-35 mattavasti suurempi kuin lämpöjohtimen eikä kokonaisrakennetta voi käyttää sisäkatto- eikä seinälämmitykseen.

Lämpöelementti, jossa metallisuikaleet, jotka muodostavat vastuselementit, on hitsattu sisään kahden eris- 2 68746 tysainekerroksen välille, toimii isona lämpövarokkeena, jos se joutuu epänormaaleihin tilanteisiin, esim. jos se peitetään haitallisella tavalla lämpöä eristävällä aineella. Kun lämpötila näissä tapauksissa lähenee seok-5 sen sulamispistettä (170°C), on suikaleiden mekaaninen lujuus varsin pieni, jolloin tässä tilanteessa kalvo voi koska tahansa helposti murtua, jopa ennen sulamispisteen saavuttamista. Sillä hetkellä kun murtuma alkaa muodostua suikaleessa, pienenee suikaleen poikkileikkausala ja siksi 10 se sulaa välittömästi, mikä johtaa siihen, että virtatie katkeaa. Tämän jälkeen on lämpöelementti korvattava uudella.

On kuitenkin myös olemassa tunnettuja vastuselement-tejä, jotka on varustettu vain yhdellä lisävarokkeella. Tällaisia elementtejä on kuvattu esim. [JS-patentissa 15 nro 3 417 229 (G.J. Shomphe ym.) ja tässä näytetyssä laitteessa on asennettu lämpövaroke jokaista eri lämpöelement-tiä varten. Tällaiset laitteet on suojattu ylikuumenemista vastaan tapauksissa, joissa itse varoke-elementti ylikuumenee. Tällainen ylikuumeneminen tapahtuu joko siksi, 20 että itse varoke-elementti on erityisen hyvin lämpöeris- tetty tai koska lämpöelementti jostakin syystä vetää liian suuren virran. Tällöin varoke sulaa määrätyssä lämpötilassa, kun se ylikuumenee ja se katkaisee virran, niin että itse lämpöelementtiä ei tarvitse välttämättä vaihtaa uu-25 teen, mutta jos osa lämpöelementistä, joka on hieman etäällä varokkeesta, ylikuumenee, voivat tapetit ja ympäröivät paikat syttyä tuleen, ennen kuin varoke katkaisee virtatien. Suoja tulipaloa vastaan on siksi pienempi tässä ratkaisussa.

30 Siksi oletetaan, että varmin vastuselementtityyppi on se, jota on kuvattu ennestään tunnetun tekniikan edeltävän kuvauksen ensimmäisessä osassa. Ts. elementit, jotka sellaisenaan muodostavat ison varoke-elementin. Kokeilut ovat kuitenkin osoittaneet, että ei ole välttämätöntä, et-35 tä vastuselementtisuikaleiden aivan jokainen neliösentti-metri kykenee sulamaan halutussa, alhaisessa lämpötilassa.

3 68746

Siksi esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää uusi ja parannettu menetelmä lämpöelementin valmistamiseksi, jolloin valmiilla lämpöelementillä on olemassa olevien lämpöelementtien erinomaiset lämpöorninaisuudet ja 5 asennusominaisuudet, mutta joka samalla antaa riittävän suojan tulipaloa vastaan.

Tähän päästään valmistamalla lämpöelementti oheisen patenttivaatimuksen mukaisesti. Käyttämällä keksinnön mukaista lämpöelementtiä saavutetaan se etu, että ylikuumene-10 minen aiheuttaa virtatien katkeamisen määrätyissä paikoissa. Tämän oletetaan parantavan varmuutta ja pienentävän ylikuumenemisvaaraa.

Lämpövarokkeet on jaettavat siten, että vaikka vas-tuselementti normaalin asennuksen aiheuttaman peittämisen 15 lisäksi tulee osittain peitetyksi eri esineillä, kuten pöytäliinalla, huonekaluilla, peitoilla yms. niin pinta-lämpötila peitetyllä alueella ei missään kohdassa ylitä määrättyä kriittistä arvoa. Esiintyvän luvattoman peittämisen aste riippuu peittävän esineen aineesta ja koosta, 20 ja pahimmassa tapauksessa lämmön siirto määrätyltä alueelta tulee tehokkaasti estetyksi. Kokeilla on mahdollista määritellä se suurin pinta-ala, joka voidaan peittää tai eristää tällaisessa lämpöelementissä ilman että tämä johtaa pintalämpötilaan, joka ylittää kriittisen arvon 25 missään kohdassa peitetyn alan sisällä. Tämä koskee peitetyn alan tilapäistä sijoitusta tai epäedullista sijoitusta. Tämän pinta-alan kokoa nimitetään seuraavassa kriittiseksi pinta-alaksi. Siksi lämpövarokkeet on jaettava siten, että ainakin yksi tällainen varoke alkaa toimia, mi-30 käli ala, joka on kriittistä pinta-alaa suurempi, peitetään siinä määrin, että lämmön siirto tältä alueelta pois tulee lähes kokonaan estetyksi.

Kuitenkin on melko epätodennäköistä, että lämpö-elementin jokin määrätty ala tulee käytännössä todella 35 tehokkaasti lämpöeristetyksi. Kokeissa, jotka on tehty kriittisen pinta-alan määrittämiseksi, käytimme 100 mm 4 68746 paksua mineraalivillamattoa lisäpeitteenä normaalin pinta-aineen ulkopuolella. Kattoasennuksen lämpöelementin jäljittelemiseksi käytettiin seuraavaa järjestelyä: lämpöelementti, jonka koko oli 500 x 1200 mm ja joka oli 5 varustettu mutkittelevilla lyijy/antimonisuikaleilla, jotka oli laminoitu muoviarkkien väliin, asennettiin 200 mm paksun mineraalivillamaton, joka oli vaakasuorassa asennossa, ja 12 mm paksun pöytäpäällyksen väliin, joka jälkimmäinen oli suunnattu alaspäin. Vakaissa tilanteissa 10 tähän lämpöelementtiin syötettiin virta, joka kehitti 210 W/in , ja pöytäpäällyksen enimmäislämpötila oli 78°C.

Kattoalueen vahingollisen peittämisen jäljittelyä varten sijoitimme mineraalivillakappaleita, paksuus 100 mm, painettuina sisään pöytäpäällyksen alapuolta vasten. Kriit- 15 tiseksi lämpötilaksi valittiin 175°C jolloin kriittisen 2 alueen pinta-alaksi osoittautui 400 cm . Kriittisen pinta-alan suuruus kuitenkin pienenee pöytäpäällysekn pienentyvän paksuuden myötä ja se pienenee myös, jos pöytäpäällys vaihdetaan aineisiin, jotka johtavat lämpöä vähemmän si-20 vuttain. Kriittisen pinta-alan haitallisimpana muotona pidetään ympyrää, kun sitä vastoin neliö antaa melko hyvän tuloksen. Mikäli elementistä ei peitetä enempää kuin 2 400 cm , on ts. lämmön siirto tästä alasta pois niin suuri (lähinnä sivuttain), että kriittisiä lämpötila ei esiinny. 25 Tunnetuin prosessi mainitunlaisten lämpöelementti en valmistamiseksi on aloittamalla lohkosta, joka on haiuttvametalliseosta, ja valssaamalla tämä metallikal-voksi, jonka paksuus on 5-25 pm. Tämä kalvo tai arkki leikataan sitten haluttujen vastussuikaleiden saamiseksi, esim. meanderin muotoiseksi, samalla kun vastussuikaleet lami-noidaan yhteen eristysaineen kanssa toisella tai kummallakin puolella. Kun esillä olevan keksinnön mukainen sopiva vastuselementti on valmistettava, on tärkeää, että pää-metallikomponentti on halpa, ja lyijyä pidetään edelleen 35 sopivampana aineena. Kuitenkin on lyijyyn sekoitettava muuta metallia sen haurauden vähentämiseksi, lähinnä noin 1 % antimonia.

5 68746

Jaetut, erilliset lämpövarokkeet saadaan aikaan käyttämällä paikallisesti metallikerrosta, joka sekoittuu lyijyyn ja antaa metallikoostumuksen, jonka sulamispiste on alle 200°C. Sopivana seosaineena pidetään tinaa tai 5 lyijyn/tinan/antimonin seosta, koska tinan ja lyijyn vä linen eutektinen seos sulaa lämpötilassa n. 183°C. Eräs mahdollisuus on myös käyttää lyijy-/vismuttiseosta, jolla on suunnilleen sama sulamispiste.

Po. Keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi kuva-10 taan seuraavassa lähemmin sen useita toteutusesimerkkejä viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa: kuvio 1 esittää kolmea erilaista periaatetta lämpö-varokekerroksen järjestämiseksi; kuvio 2 esittää kaaviomaisesti kuinka varokaaine 15 voidaan sijoittaa alla olevalle metallikalvolle; kuvio 3 esittää vaihtoehtoisia varokeaineita sijoitettuina lämpöelementille; ja kuvio 4 esittää esimerkkejä erillisten lämpövarok-keiden sijoituksista vastuselementeille.

20 Kuvion 1 mukaisesti on olemassa monta eri tapaa lämpövarokkeiden sijoittamiseksi vastuselementteihin. Pääaine 1 tai perusaine on kuviossa la varustettu siseel-lä 2, joka on varokeainetta, kun taas kuviossa Ib varoke-aine on sijoitettu perusaineen 1 kahden ohuen kalvon välil-25 le ja kuviossa le on perusainekalvo katkaistu koko poikkileikkauksensa kautta varokeaineella 2. Kuvioiden la ja Ib mukainen poikkileikkaus voidaan saada aikaan valssaamal-la, mutta kuvion le toteutusmuoto käsittää lisäksi juottamisen ennen valssaamista. Kuvio 2 näyttää kaaviomaisesti 30 eri tapoja varokeainesuikaleiden sijoittamiseksi perusaineen 1 kalvolle, jota ei ole vielä leikattu. Jos aineet 1 ja 2 kuvioissa 1 ja 2 ovat vastaavasti lyijy ja tina (varokeaine 2 on mieluiten valmis lyijy-/tinaseos), niin oletetaan, että lämpö, joka syntyy lämpöelementin normaa-35 lissa käytössä, aiheuttaa kahden eri metallin välisessä kosketusvyöhykkeessä olevien metallien sekoittumisen 6 68746 (migraation), niin että pieni vyöhyke valmiissa aineseok-sessa saa sulamispisteen, jolla on haluttu arvo, so. noin 180°C. Saattaa kuitenkin olla enemmän suotavaa, että jo tuotantoprosessissa, so. ennen lämpöelementin ottamista 5 normaaliin käyttöön, huolehditaan siitä, että perusaineen ja varokeaineen välinen kosketuspinta on valmiiksi sekoittunut, niin että varmistetaan haluttu sulamispiste heti ensimmäisestä käyttötunnista.

Kun valmistetaan lämpöelementti edellä mainitulla 10 tai muilla menetelmillä, saadaan elementti, jolla on se ominaisuus, että kaikki erilliset, jaetut varokkeet muodostavat metalliseokset, niin että saadaan varokevyöhykkei-tä, joissa aineiden suhde on noin 60 % tinaa ja 40 % lyijyä. Vähintään yksi näistä vyöhykkeistä sulaa ja katkaisee 15 virtatien, jos ala, joka on ns. kriittistä pinta-alaa suurempi, peitetään luvattomalla tavalla lämpöeristimellä. Näin on siitä riippumatta, missä peitetty alue sijaitsee elementissä.

Vaikka po. keksintö koskee suurin piirtein ainei-20 ta lyijyä ja tinaa sekä lyijyä ja vismuttia, voidaan po. keksinnön puittiessa käyttää muitakin aineita. Esim. voidaan käyttää terästä perusaineena ja hopeaa/kuparia varokeaineena tai kromia/nikkeliä perusaineena ja messinkiä varokeaineena jne.

25 Kuvio 3 näyttää kolme vaihtoehtoista tapaa varokeainesuikaleen sijoittamiseksi lämpöelementille 5. Sähkövastussuikaleet 6 näytetään yksinkertaisuuden vuoksi mutkittelevällä muodolla, mutta on selvää, että vastussui-kaleet voidaan järjestää millä tahansa sopivalla tavalla.

30 Vaikka varokeainesuikaleet näytetään kuviossa ehjinä viivoina, on selvää, että varokeainesuikaleet eivät muodosta virtatietä näitä näytettyjä viivoja pitkin. Tämä koskee erityisesti kuvioita 3a ja 3c, joissa lopullinen tuote näyttää suunnilleen kuvion 4a näyttämän lämpöelementin 35 leikkaukselta. Kuviossa 3b, jossa varoke-elementtisuika-leet on sijoitettu niin, että ne ovat yhdensuuntaiset 7 68746 lämpöelementin mutkarauodon pitkittäisosien kanssa, ovat varokesuikaleet kuitenkin virtaa johtavia pituutensa huomattavan suurella osalla.

Kuvion 3 kaikissa osissa saadaan aikaan erillinen lämpövaroke varokesuikaleen 7 ja vastussuikaleen 6 kai-5 kissa risti- tai limityspisteissä. Po. keksinnön mukaisesti on erilliset lämpövarokkeet jaettava niin, että vähintään yhden varokkeen aina peittää kokonaan tai osittain kriittinen pinta-ala 8, joka sijoitetaan väliaikaisesti lämpöelementille 5. Kuten on selitetty, alkaa tällöin 10 ko. varoke toimia, so. se sulaa, koska se on peitetty, jolloin sen lämpötila ylittää kriittisen arvon ja katkaisee virtatien. Jos peitetty alue sitä vastoin on kriittistä pinta-alaa pienempi, tulee lämpöä johdetuksi pois paikalta, niin että kriittistä lämpötilaa ei synny edes 15 jatkuvan kuormituksen aikana.

Kuviot 4a ja 4b näyttävät kaaviomaisesti suurennetun leikkauksen kuvioiden 3a ja 3b lämpöelementin osasta, joka käsittää vastussuikaleen 6, joka on varustettu useilla erillisillä lämpövarokkeilla, vastaavasti 7' ja 7".

20 Varokeainesuikaleet on mieluiten sijoitettava vas- tusaineen peruskalvolle ennen kuin leikataan haluttu muoto peruskalvoon haluttujen vastussuikaleiden saamiseksi (kuvio 2). Näin varmistetaan, että myöskin varokeainesuikaleet tulevat leikatuiksi ja saadaan todella ha-25 luttu määrä erillisiä lämpövarokkeita vastussuikaleiden päällä.

Toinen mahdollinen tapa on sijoittaa erilliset varoke-elementi tai varokevyöhykkeet vastussuikaleiden päälle sen jälkeen, kun perusarkki on leikattu haluttuun 30 muotoon, mutta tämä menetelmä on verraten monimutkainen ja siinä on lisäksi vaikeaa saada sopivaa kosketusta aikaan kahden aineen kesken.

Po. keksinnön kaikissa toteutusmuodoissa voidaan saada aikaan riittävä, haluttu kosketus tai jopa seosvyö-35 hyke kahden aineen yhteydessä, kunhan aineiden pinta on puhdas ja vapaa korroosiosta ja oksidikalvoista kosketuksen aikaansaamiseksi.

Claims (1)

1. 8 68746 Patenttivaatimus Menetelmä litteän lämpöelementin (5) valmistamiseksi, jossa on varoke (7';7") ylikuumenemista vastaan, 5 jolloin sähköisestä vastusmateriaalista valssataan kalvo (1), joka leikataan esimerkiksi meanderin muotoiseksi kuvioksi yhdessäriippuvista vastussuikaleista, tämä malline upotetaan joko eristyskappaleen sisään tai sijoitetaan sen päälle, tunnettu siitä, että suikaleet, 10 metallilangat tai vastaavat varokemateriaalimuodostelmat (2) tinasta tai lyijy-tina- tai lyijy-tina-antimoni- tai lyijy-vismutti-lejeeringistä asennetaan lyijy-antimoni-lejeeringistä koostuvan vastusmateriaalikalvon sisälle tai sen päälle suunnitellun muotoisina; että kalvo valssa-15 taan seuraavassa työvaiheessa paksuudeltaan yhtenäiseksi; että vastusmateriaalista (1) ja siihen valssatusta varo-kemateriaalista (2) yhdistetty kalvo leikataan, niin että muodostuu ennaltamäärätty kuvio yhdessäriippuvista vastussuikaleista, jotka kulloinkin ennalta määrätyissä koh-20 dissa sisältävät vähintään yhden varokemateriaalista koostuvan lämpövarokkeen (7';7 ") .