FI80820C

FI80820C - Sjaelvreglerande elektrisk uppvaermningsanordning.

Info

Publication number: FI80820C
Application number: FI844891A
Authority: FI
Inventors: Wolfgang Bronnvall
Original assignee: Wolfgang Bronnvall
Priority date: 1982-11-12
Filing date: 1984-12-11
Publication date: 1990-07-10
Also published as: EP0140893B1; JPS59502161A; FI844891L; FI844891A0; SE8206442D0; CA1207467A; DE3378346D1; EP0140893A1; FI80820B; US4629869A; SE433999B; SE8206442L; WO1984002048A1

Description

1 80820

Itsesäätävä sähköinen lämmityslaite

Esillä oleva keksintö kohdistuu itsesäätäviin sähköisiin lämmityslaitteisiin käyttäen sähköistä vastusmateriaa-5 lia, jonka vastus muuttuu enemmän kuin 10 potenssin mukaan etukäteen määrätyllä, kapealla ]ämpötilavälillä.

Tunnetut sähköiset lämmityslaitteet, jotka kriittisen lämpötilan saavuttamisen jälkeen vähentävät voimakkaasti luovuttamaansa tehoa ilman termostaattisäätöä, perustuvat 10 kahteen tai useampaan sähköjohtimeen ja niiden välissä olevaan vastusmateriaaliin, jonka ominaisvastus kriittisissä lämpötiloissa alkaa jyrkästi kasvaa. Näitä materiaaleja kutsutaan PTC-materiaaleiksi (positiivinen lämpötilakerroin).

Tunnetut PTC-materiaalit itserajoittavia lämmityslait-15 teitä varten perustuvat kiteisiin polymeereihin, joihin on jakautunut johtavia osasia. Polymeerit voivat olla kestomuo-veja tai silloitettuja. US-patentissa 3 243 753 selitetään vastuksen jyrkkä kasvu siten, että polymeeri laajenee siten, että johtavien osasten väliset kosketukset katkeilevat. US-20 patentissa 3 673 121 katsotaan PTC-vaikutuksen riippuvan faasimuutoksista kiteisissä polymeereissä, joiden molekyylipai-nojakauma on kapea. J. Meyer julkaisussa Polymer Engineering and Science, marraskuu 1973, sivut 462-468, selittää vaikutuksen riippuvan kristalliittien johtokyvyn muutoksesta 25 kriittisessä lämpötilassa.

Yhteistä tunnetuille PTC-materiaaleille on, että ominaisvastus yksinomaan muuttuu voimakkaasti kriittisen lämpötilan yläpuolella, kun taas muut fysikaaliset ominaisuudet säilyvät yleisesti muuttumattomina. Lämpötila-alue, jossa 30 ominaisvastus muuttuu 10 potenssin mukaan, on tavallisesti 50-100°C. Useita sovellutuksia varten on kuitenkin epätyydyttävää, että tehon lasku astetta kohden on pieni ja että ei vapaasti voida valita lämpötila-aluetta jyrkkää ominais-vastuksen kasvua varten.

35 F. Bueche kirjoituksessaan julkaisussa Journal of

Applied Physics, osa 44, nro 1, tammikuu 1973, sivut 532- 2 80820 533, esittää kuinka yhdistämällä useita tilavuus-% johtavia osasia puolikiteisessä perusmassassa saadaan lämpötilasta riippuva ominaisvastus. Tämä ominaisvastus muuttuu nopeasti pienessä lämpötilavälissä kristalliittien sulamislämpötilan 5 läheisyydessä. Johtamattomana perusmassamateriaalina käytetään eri hiilivetyvahoja. Kirjoituksen mukaan voidaan myös lisätä ns. "mekaanisia stabilisaattoreita", jotka muodostuvat vahaan liuenneista polymeereistä, jolloin hyvien tulosten saamiseksi ilmoitetaan olevan tärkeää, että vaha ja po-10 lymeeri ovat liukenevia toisiinsa, niin että vain yksi faasi saa esiintyä.

Esillä oleva keksintö kohdistuu itserajoittavaan sähköiseen lämmityslaitteeseen käyttäen sähkövastusmateriaalia, jonka ominaisvastus muuttuu voimakkaammin kuin 10 potenssin 15 mukaan etukäteen määrätyllä, kapealla lämpötila-alueella ja joka on sijoitettu jännitelähteeseen liitettävien sähköjoh-timien väliin, jolloin johtimet ja vastusmateriaali on suljettu sähköisesti eristävään koteloon. Laitteelle on tunnusomaista se, että sähkövastusmateriaalia muodostuu 1) säh-20 köisesti verrattain johtamattomasta, kiteisestä monomeeri-sestä aineesta, joka sulaa etukäteen määrätyssä kapeassa lämpötilavälissä tai sen läheisyydessä ja joka muodostaa ulkoisen faasin, 2) yhtä tai useampaa sähköisesti johtavaa ma-teriaalia olevista osasista, jotka ovat jakautuneet johtamat-25 tomaan materiaaliin, 3) yhdestä tai useammasta johtamattomasta, jauhemaisesta, hiutalemaisesta tai kuitumaisesta täyteaineesta, joka ei liukene johtamattomaan materiaaliin ja jonka sulamispiste on huomattavasti korkeampi kuin sen ja samoin jakautuneena johtamattomaan materiaaliin, jolloin 30 painosuhde aineosien 1) ja 3) välillä on 10:90 - 90:10.

Edullisesti painosuhde aineosien 1) ja 3) välillä on 10:90 - 50:50.

Keksintö kohdistuu myös itse sähkövastusmateriaaliin sellaisenaan.

- 35 Ominaisvastuksen muuttuminen Celsius-astetta kohti keksinnön mukaisessa sähkövastusmateriaalissa on pienempi

II

3 80820 matalammissa lämpötiloissa kuin etukäteen määrätyllä, kapealla lämpötila-alueella. Aikaisemmin tunnettujen sulavien mo-nomeeristen aineiden ja johtavien osasten seosten ominais-vastukset eivät ole vakiota sen alueen yläpuolella olevalla 5 lämpötila-alueella, jossa ominaisvastukset kasvavat voimakkaasti, vaan alenevat maksimiarvostaan 1O-kertaiseksi 20°C kohti. Esillä olevan keksinnön mukaan on nyt ilmennyt, että kasvu kriittisen lämpötila-alueen alapuolella muuttuu loivemmaksi ja aleneminen sen yläpuolella on vain erittäin pie-10 ni, jos seokset sisältävät yhtä tai useampaa johtamatonta täyteainetta, joka ei liukene johtamattomaan materiaaliin.

On tärkeää, että tämä jälkikäteen tapahtuva aleneminen on mahdollisimman pieni, koska suuri lasku voi aiheuttaa sen, että ominaisvastus muuttuu niin pieneksi, että laite uudes-15 taan luovuttaa tehoa.

On edelleen ilmennyt, että tehon muodostuminen massois- 3 sa ei saa ylittää arvoa 5 wattia cm kohti, edullisesti se on pienempi kuin 2 wattia cm^ kohti sähköisten läpilyöntien estämiseksi. Lämmityslaitteiden valmistamiseksi käytännössä 20 sopiviksi kytkettäviksi 110 voltin tai 220 voltin verkkojännitteisiin täytyy massojen ominaisvastusten arvojen olla 4 suurempia kuin 10 ohmi-cm. Halutut suuret ominaisvastuksen arvot voidaan helposti säätää keksinnön mukaisissa seoksissa, kun taas on vaikeaa saavuttaa korkeita ominaisvastusar-25 voja alan aikaisemmin tunnetuilla seoksilla.

On edelleen osoittautunut edulliseksi, jos seosten lämmönjohtokyky on suuri. Keksinnön mukaisten seosten lämmön johtokyvyt ovat suurempia kuin aikaisemmin tunnettujen seosten.

30 Keksinnön mukaisen seoksen eräs edullinen toteutus voi olla tapaus, jossa täyteainetta käytetään sellainen määrä ja sellaisessa muodossa, että seos käännepisteen alapuolella muodostuu erillisistä osasista, jotka muodostuvat aineosien 1) ja 2) ympäröivistä täyteaineosasista. Tämä hel-35 pottaa lämmityslaitteiden valmistamista, kun halutaan muuttaa laitteen muotoa.

4 80820 Sähköisesti verrattain johtamattomana, kiteisenä, monomeerisenä aineena, joka sulaa etukäteen määrätyssä, kapeassa lämpötila-alueessa, käytetään aineita, joiden ominais-vastus on suuri sekä kiinteässä että nestemäisessä muodossa.

5 Edullisia ovat aineet, joiden sulamisalue on korkein taan 10°C, edullisesti sulamisalue ei ole suurempi kuin 5°C. On edullista, jos aineiden molekyylipaino on pienempi kuin 1 000, edullisesti pienempi kuin 500. Erikoisen sopivia ja suositeltavia aineita ovat orgaaniset yhdisteet tai näiden 10 seokset, jotka sisältävät polaarisia ryhmiä, esimerkiksi kar-bonihapporyhmiä tai alkoholiryhmiä. Sopivia polaarisia orgaanisia yhdisteitä, joita voidaan edullisesti käyttää esillä olevan keksinnön verrattain johtamattomana materiaalina, ovat esimerkiksi karbonihapot, esterit ja alkoholit. On 15 osoittautunut, että tällaiset polaariset orgaaniset yhdisteet antavat paremman lämpötila/vastus-käyrien toistettavuuden, kun seoksia lämmitetään ja jäähdytetään toistuvasti kuin mitä ei-polaarisilla aineilla saadaan. Polaaristen, orgaanisten yhdisteiden lisäetuna on, että ne ovat vähemmän 20 herkkiä itse sekoitusolosuhteille.

Aineosana 2, yhden tai useamman sähköisesti johtavan materiaalin osasina, käytetään metalli-, esimerkiksi kupariosasia. Edelleen käytetään sähköisesti johtavien yhdisteiden, esimerkiksi oksidien, sulfidien ja karbidien se-25 kä hiilen osasia, kuten nokea tai grafiittia, joka voi olla amorfista tai kiteistä ja piikarbidin tai muiden sähköä johtavien aineiden osasia. Sähköisesti johtavat osaset voivat olla rakeina, hiutaleina, neulasina tai jossain muussa muodossa. Useita tyyppejä johtavia osasia voidaan käyttää myös 30 seoksena. Hiiliosaset ovat osoittautuneet sopiviksi. Erikoisen sopiva sähköisesti johtava hiilimateriaali on noki-musta, jonka aktiivinen pinta-ala on pieni.

Aineosan 2 määrä määrätään halutun ominaisvastus-alueen mukaan. Tavallisesti käytetään aineosaa 2 määrä, jo-35 ka on välillä 5-50 paino-osaa 100 paino-osaa kohti aineosaa 1. Metallijauhetta käytettäessä voi olla välttämätöntä

II

5 80820 käyttää suurempia määriä kuin 50 paino-osaa 100 paino-osaa kohti aineosaa 1.

Aineosana 3, johtamattomana jauhemaisena/ hiutalemaisena tai kuitumaisena täyteaineena, joka ei liukene joh- 5 tamattomaan materiaaliin, käytetään esimerkiksi kvartsia,

R

liitua, hienojakoista piidioksidia, kuten Aerosil -tyyppiä, lyhyitä lasikuituja, aineosaan 1) liukenemattomia polymeerimateriaaleja tai muita liukenemattomia, inerttejä täyteaineita. Erikoisen sopivia täyteaineita ovat hyvän lämmönjoh-10 tokyvyn omaavat aineet, esimerkiksi magnesiumoksidi.

Aineosien 1), 2) ja 3) seokset voidaan valmistaa erityyppisissä sekoittimissa, esimerkiksi Brabender-sekoitti-messa tai telalaitteen avulla. Sekoitus suoritetaan sopivasti aineosan 1) sulamispisteen yläpuolella olevassa lämpöti-15 lassa. Yksi tai useampia seoksen kuumentamista sulavan aineen sulamispisteen yläpuolella olevaan lämpötilaan aiheuttaa sen, että lämpötila/ominaisvastus-käyrät toistuvissa mittauksissa osuvat yhteen suuremmassa määrässä kuin ilman lämpökäsittelyjä.

20 Jännitelähteeseen liitettävät sähköjohdot keksinnön mukaisessa itserajoittavassa sähkölämmityslaitteessa voivat olla kuparia, alumiinia tai muuta sähköä johtavaa materiaalia ja voivat ne olla tinatut, hopeoidut tai pintakäsitelty-jä muulla tavalla kosketusominaisuuksien, korroosionkeston 25 ja lämmönkeston parantamiseksi. Johtimet voivat olla massiivisia ja niiden poikkileikkausmuoto voi olla pyöreä, suorakulmainen tai jokin muu. Ne voivat olla myös punosten, kalvojen, verkon, letkun, kudonnaisten muodossa tai jonain muuna ei-massiivisena muotona.

30 On erikoisen edullista itserajoittavissa sähkölämmi- tyslaitteissa, jos jännitelähteeseen liitettävät johtimet on sijoitettu rinnan erikoisesti, jos pyritään tasaiseen te-honmuodostukseen pinta-alayksikköä kohti.

Se kapea lämpötila-alue, jossa ominaisvastus sähköis-35 tä vastusmateriaalia kohden muuttuu voimakkaasti, on suun- 6 80820 nilleen korkeintaan 50°C oleva lämpötila-alue, edullisesti 20°C läheisyydessä oleva lämpötila-alue.

Välikekappaleena etäisyyden säilyttämiseksi jännitelähteeseen liitettävien sähköjohtojen välillä, kun sähköi-5 sesti johtamaton materiaali on sulassa tilassa, käytetään sähköisesti johtamatonta materiaalia olevia välikekappalei-ta, kuten lasia, asbestia tai muita epäorgaanisia materiaaleja, puuvillaa, selluloosaa, muovia, kumia tai muita luonnosta saatavia tai synteettisiä orgaanisia materiaaleja.

10 Välikekappaleet voidaan sijoittaa sähkövastusmateri- aaliin langan, verkon, hilan tai solumateriaalin muodossa. Mukaan liitetyt välikekappaleet ovat muodoltaan ja/tai pak-kausasteeltaan sellaisia, että ne yksinään tai yhdessä eristävän vaipan kanssa estävät jännitelähteeseen liitettävien 15 sähköjohtimien keskinäisen aseman muuttumisen, kun sähköisesti verrattain johtamaton materiaali on sulassa muodossa.

Esillä olevan keksinnön mukaisen itserajoittavan säh-kölämmityslaitteen erään toteutusmuodon mukaisesti voi eristävä vaippa yksinään muodostaa välikappaleen siten, että 20 sähkäjohtimet on kiinnitetty vaippaan tai että eristävä vaippa on muodostettu siten, että se estää sähköjohtimien välisen liikkeen.

Eristävä vaippa voi olla muovia, kumia tai se voi muodostua muista eristemateriaaleista, kuten polyetyleenis-25 tä, silloitetusta polyetyleenistä, polyvinyylikloridista, polypropyleenistä, luonnonkumista, synteettisestä kumista tai muista luonnosta saatavista tai synteettisistä polymeereistä .

Mukaan liitetyissä piirroksissa esittää 30 kuvio 1 esillä olevan keksinnön mukaista lämpökaape- lia, jossa sähköjohtimien (1), joiden välissä sähkövastus-materiaali sijaitsee, välinen etäisyys pidetään vakiona eristävän vaipan (3) avulla, joka muodostaa välikekappaleen; kuvio 2 poikkileikkausta keksinnön mukaisesta lämpö-35 kaapelista, jossa välikekappale lasikuitukankaan muodossa on lisätty sähkövastusmateriaaliin (4); 7 80820 kuvio 3 poikkileikkausta keksinnön mukaisesta lämpö-kaapelista, jossa ulomman johtimen (6) muodostaa kuparifo-lio ja jossa välikekappale on lasikuitukankaan muodossa, joka on lisätty sähkövastusmateriaaliin (4) ja 5 kuvio 4 poikkileikkausta keksinnön mukaisesta lämpö- kaapelista, jossa muoviprofiili (5) muodostaa välikekappa-leen.

Kuviot 5 ja 6 esittävät esimerkeissä 1-14 mitattuja käyriä ominaisvastuksen ja lämpötilan suhteen.

10 Keksintöä esitellään edelleen seuraavien esimerkkien avulla.

Menettelytapa esimerkeissä 1-14 oli seuraava: Aineosat sekoitettiin keskenään Brabender-sekoittimessa 30 minuutin aikana lämpötilassa, joka oli aineosan 1) sulamis-15 pisteen yläpuolella. Lämpötila/ominaisvastuskäyrät määrättiin suorakulmaiselle näytekappaleelle, jolla oli hopea-elektrodit kahdella vastakkaisella pinnalla, jolloin kokonaisuus oli suljettu jäykkään, eristävään muovikuoreen. Keskiarvo kahdesta viimeisestä kolmesta lämpötilajaksosta esi-20 tetään paitsi esimerkissä 11 (vertailuesimerkki), jossa esitetään kolmas jakso. Printex 300, Corax L ja Flammruss 101 ovat eri nokimustan laatuja.

Esimerkki 1

Stearyylialkoholi 100 paino-osaa 25 Polyamidi (11) jauheena, Rilsan 200 "

Printex 300 (Degussa) 17,5 "

Esimerkki 2

Sekoitus 1 10 vuorokauden vanhennuksen jälkeen 90°C

lämpötilassa.

30 Esimerkki 3

Steariinihappo 100 paino-osaa

Aerosil 200 (Degussa) 15 "

Printex 300 1 5 8 80820

Esimerkki 4

Stearyylialkoholi 100 paino-osaa

Magnesiumoksidi 150 "

Printex 300 17,5 " 5 Esimerkki 5

Steariinihappo 100 paino-osaa

Myanit-dolomiittitäyte "0-10" 400 "

Flammruss 101 (Degussa) 50 "

Esimerkki 6 10 Steariinihappo 100 paino-osaa

Aerosil 200 11 "

Grafit W-95 (Graftwerk Kropfmuhl) 30 "

Esimerkki 7

Stearyylialkoholi 100 paino-osaa 15 Polyamidi-11-jauhe 600 "

Printex 300 17,5 "

Esimerkki 8

Steariinihappo 100 paino-osaa

Kvartsijauhe 250 " 20 Corax L (Degussa) 20 "

Esimerkki 9

Stearyylialkoholi 100 paino-osaa

Polyamidi-11-jauhe 400 "

Printex 300 17,5 " 25 Esimerkki 10 (vertailu)

Steariinihappo 100 paino-osaa

Printex 300 15

Esimerkki 11 (vertailu)

Parafiini, sp. 48-52°C 100 paino-osaa 30 Flammruss 101 20 " I Esimerkki 12

Steariinihappo 100 paino-osaa

Kvartsijauhe 150

Polyamidi-11-jauhe 100 " 35 Printex 300 17,5

II

9 80820

Esimerkki 13

Steariinihappo 100 paino-osaa

Kvartsijauhe 300 "

Grafit W-95 20 5 Printex 300 8

Esimerkki 14

Stearyylialkoholi 100 paino-osaa PTFE-jauhe F-510 (Allied Chemical) 200

Printex 300 17,5 10 Esimerkki 15

Kahden kuparifolion, joiden koko oli 100 x 100 mm, väliin sijoitettiin kerros lasikuitukangasta, joka oli kyllästetty seoksella, joka sisälsi 100 paino-osaa metyylistea-raattia, 15 paino-osaa grafiittia W-95 ja 400 paino-osaa 15 liitua. Kuparifolioiden etäisyys oli 10 mm. Kuparifoliot kytkettiin 220 voltin sähköjännitelähteeseen, jolloin lami-naatti lämpeni. Pintalämpötila nousi noin 35°C lämpötilaan ja pysyi vakiona tässä arvossa. Virranvoimakkuus vaihteli riippuen laminaatin jäähdyttämisestä.

20 Esimerkki 16

Kaapeli, jonka pituus oli 3 m ja poikkileikkaus kuvion 2 mukainen ja jossa johtimien välinen etäisyys oli 15 mm, johtavan kerroksen paksuus 1 mm ja koostumus oli sama kuin esimerkissä 9, liitettiin 220 voltin sähköjännite-25 lähteeseen. Virranvoimakkuus kytkettäessä oli 0,5 A. Kaapeli sijoitettiin lämpökaappiin, jonka lämpötila oli 60°C. Virranvoimakkuus laski pienemmäksi kuin 1 mA, mikä osoitti, että vastus kaapelin johtimien välillä oli kasvanut suuremmaksi kuin 200 000 ohmia, tämä tarkoittaa, että vastusma-30 teriaalin ominaisvastus oli kasvanut enemmän kuin 500-ker-taiseksi sen arvosta huoneen lämpötilassa.

Esimerkki 17

Seuraavat aineosat sekoitettiin keskenään Brabenber-sekoittimessa: 10 80820

Orgaanista yhdistettä (katso taulukko) 100 paino-osaa

Kvartsijauhoa 400 "

Aerosil 200 4 "

Printex 300 17 5 Mitattiin muutoslämpötilat, so. lämpötilat, joissa ominais-vastus muuttuu äkillisesti.

Taulukko

Orgaaninen yhdiste Muutoslämpötila, °C

Kapryylihappo 12 10 Kapriinihappo 25

Lauriinihappo 40

Myristiinihappo 50

Palmitiinihappo 57

Sykloheksanoli 18 15 Tetradekanoli 30

Metyylistearaatti 35

Fenyylistearaatti 45

Etyylipalmitaatti 20

II

Claims

11 80820

1. Itserajoittava sähkölämmityslaite, jossa käytetään sähköistä vastusmateriaalia, jonka ominaisvastus muut- 5 tuu enemmän kuin 10 potenssin mukaan etukäteen määrätyllä, kapealla lämpötila-alueella ja joka on sijoitettu jännitelähteeseen kytkettävien sähköjohtimien väliin, jolloin joh-timet ja vastusmateriaali on suljettu sähköisesti eristävään vaippaan, tunnettu siitä, että sähkövastusmateriaa-10 li muodostuu 1) sähköisesti verrattain johtamattomasta, kiteisestä monomeerisestä aineesta, joka sulaa etukäteen määrätyllä kapealla lämpötila-alueella tai sen läheisyydessä ja joka muodostaa ulkoisen faasin, 2) yhtä tai useampaa sähköisesti johtavaa materiaalia olevista osasista, jotka on ta-15 saisesti jaettu johtamattomaan materiaaliin, 3) yhdestä tai useammasta, johtamattomasta, jauhemaisesta, hiutalemaisesta tai kuitumaisesta täyteaineesta, joka ei liukene johtamattomaan materiaaliin ja jonka sulamispiste on huomattavasti korkeampi kuin sen ja joka samoin on jaettu johtamattomaan ma-20 teriaaliin, jolloin painosuhde aineosien 1) ja 3) välillä on 10:90 - 90:10.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmityslaite, tunnettu siitä, että aineosa 1), johtamaton, sulava aine, sisältää polaarisia ryhmiä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen lämmityslaite, tunnettu siitä, että johtamaton, sulava aine sisältää karbonihapporyhmiä.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen lämmityslaite, tunnettu siitä, että johtamaton, sulava aine sisäl- 30 tää alkoholiryhmiä.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen lämmityslaite, tunnettu siitä, että se muodostaa lämpökaapelin.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen lämmi-35 tyslaite, tunnettu siitä, että se muodostaa sähköisen seinäelementin. 12 80820

7. Sähkövastusmateriaali, jonka ominaisvastus muuttuu enemmän kuin 10 potenssin mukaan etukäteen määrätyllä, kapealla lämpötila-alueella, käytettäväksi itserajoittavissa sähkölämmityslaitteissa, tunnettu siitä, että säh-5 kövastusmateriaali muodostuu 1) sähköisesti verrattain johtamattomasta, kiteisestä, monomeerisestä aineesta, joka sulaa etukäteen määrätyllä, kapealla lämpötila-alueella tai sen läheisyydessä ja joka muodostaa ulkoisen faasin, 2) yhtä tai useampaa sähköisesti johtavaa materiaalia olevista 10 osasista, jotka ovat jakautuneet johtamattomaan materiaaliin, 3) yhdestä tai useammasta, johtamattomasta jauhemaisesta tai kuitumaisesta täyteaineesta, joka ei liukene johtamattomaan materiaaliin ja jonka sulamispiste on huomattavasti korkeampi kuin sen ja on samoin jaettu johtamattomaan 15 materiaaliin, jolloin painosuhde aineosien 1) ja 3) välillä on 10:90 - 90:10. Il 13 80820