FR2464006A1 - HEATER WITH POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION A TRAIT A DES ORGANES DE CHAUFFAGE SOUS FORME DE BANDE A AUTOREGULATION CONTENANT DES POLYMERES CONDUCTEURS CTP 3. SELON L'INVENTION, L'ORGANE DE CHAUFFAGE SOUS FORME DE BANDE EST ENTOURE PAR UNE ENVELOPPE 5 ET 6 EN UN MATERIAU A CONDUCTIBILITE THERMIQUE ELEVEE, PAR EXEMPLE INTERCALE ENTRE DES FEUILLES D'ALUMINIUM. CECI REND POSSIBLE D'UTILISER UN ORGANE DE CHAUFFAGE SOUS FORME DE BANDE AYANT UNE PUISSANCE PASSIVE PLUS ELEVEE ET SE TRADUIT PAR UN ENSEMBLE AYANT UNE PUISSANCE DE SORTIE ACTIVE SUPERIEURE.THE INVENTION RELATES TO SELF-REGULATING BAND-SHAPED HEATING ORGANS CONTAINING CTP 3 CONDUCTIVE POLYMERS. ACCORDING TO THE INVENTION, THE BAND-SHAPED HEATING UNIT IS SURROUNDED BY A SHELL 5 AND 6 OF A CONDUCTIVE MATERIAL. HIGH THERMAL, FOR EXAMPLE INTERCAL BETWEEN SHEETS OF ALUMINUM. THIS MAKES POSSIBLE TO USE A BAND HEATING UNIT HAVING HIGHER PASSIVE POWER AND RESULTS IN A UNIT WITH HIGHER ACTIVE OUTPUT POWER.
Description
La présente invention a trait à des organesThe present invention relates to organs
de chauffage à autorégulation comportant une bande allon- heating system with self-regulating strip
gée d'un polymère conducteur à coefficient de température positif (CTP), deux (ou plusieurs) électrodes parallèles en contact électrique (et facultativement également physi- of a conductive polymer with positive temperature coefficient (PTC), two (or more) parallel electrodes in electrical contact (and optionally also physical
que) avec la-bande, et une gaine électriquement isolante. que) with the strip, and an electrically insulating sheath.
De tels organes de chauffage sont connus et sont décrits par exemple dans les brevets américains NO 3.793.716; 3.823.217; 3861.029; 4.177.376 et 4. 188.276 et dans le Thermal Design Guide publié par la Chemelex Division de Such heating devices are known and are described, for example, in American patents NO 3,793,716; 3,823,217; 3861.029; 4,177,376 and 4. 188,276 and in the Thermal Design Guide published by the Chemelex Division of
Raychem Corporation (H 50190 505 B5 1/78). Raychem Corporation (H 50190 505 B5 1/78).
Pour définir de tels organes de chauffage, on To define such heating devices, we
fait souvent référence à leur "puissance de sortie passi- often refers to their "passive output power
ve" et à leur "puiesance de sortie active". La "puissan- ve "and their" active output power ". The" power-
ce de sortie passive" d'un organe de chauffage est la valeur du terme V /R, o R est la résistance d'une longueur unitaire (habituellement 1 mètre) de l'organe de chauffage à 210C et V est la tension de la source d'énergie électrique connectée à l'organe de chauffage, this passive output "of a heater is the value of the term V / R, where R is the resistance of a unit length (usually 1 meter) of the heater to 210C and V is the voltage of the electrical energy source connected to the heating device,
habituellement 120 ou 240 volts alternatifs. La "puis- usually 120 or 240 volts AC. The "then-
sance de sortie active" d'un organe de chauffage est la puissance de sortie mesurée d'une longueur unitaire de l'organe de chauffage (habituellement 1 mètre) lorsqu'il est relié à la source d'énergie électrique, avec une surface principale de l'organe de chauffage en contact active output "of a heater is the measured output power of a unit length of the heater (usually 1 meter) when connected to the source of electrical power, with a main surface of the heating element in contact
avec un substrat métallique qui est maintenu à une cer- with a metal substrate which is held at a certain
taine température liée à l'utilisation prévue de l'or- temperature related to the intended use of the gold
gane de chauffage, par exemple 7 à 650C, tel que 100C pour des organes de chauffage conçus pour empêcher la congélation de tuyaux. Des organes de chauffage en bande classiques comportent deux ou plusieurs électrodes sous la forme de fils noyés dans un élément polymère conducteur à coefficient de température positif (cTP) heating gane, for example 7 to 650C, such as 100C for heaters designed to prevent freezing of pipes. Conventional strip heaters have two or more electrodes in the form of wires embedded in a conductive polymer element with a positive temperature coefficient (cTP)
et possèdent une puissance de sortie passive sensible- and have a sensitive passive output power-
ment inférieure à 165 watts par mètre à leur tension de fonctionnement nominale; l'utilisation de tels organes de chauffage ayant des puissances de sortie passives plus élevées a 6té évitée car ils donnent peu ou pas d'accroissement utile de la puissance de sortie active et présentent des inconvénients majeurs, en particulier less than 165 watts per meter at their nominal operating voltage; the use of such heating devices having higher passive output powers has been avoided since they give little or no useful increase in active output power and have major drawbacks, in particular
une longévité plus courte.shorter longevity.
Il a été constaté que si un organe de chauf- It has been found that if a heating organ
fage en polymère conducteur à coefficient de tempéra- fage in conductive polymer with temperature coefficient
ture positif est entouré par une enveloppe de métal ou positive ture is surrounded by a metal envelope or
d'autre matériau à conductibilité thermique satisfai- other material with thermal conductivity satisfies
sante, il est possible de faire usage de l'organe de health, it is possible to make use of the organ of
chauffage à dés tensions auxquelles sa puissance de sor- heating at voltages at which its output power
tie passive est supérieure à 165 watts par mètre sans présenter les inconvénients précédemment associés à une telle utilisation, et qu'une augmentation très sensible passive tie is greater than 165 watts per meter without having the drawbacks previously associated with such use, and that a very significant increase
de puissance de sortie active peut ainsi être obtenue. active output power can thus be obtained.
Par exemple, l'adjonction d'une telle enveloppe rend, de façon surprenante, possible d'utiliser, à une tension de 240 volts, un organe de chauffage à coefficient de température positif qui possède une puissance de sortie passive à 120 volts inférieure à 165 watts/mètre et à 240 volts supérieure à 165 watts/mètre, bien qu'un tel For example, the addition of such an envelope surprisingly makes it possible to use, at a voltage of 240 volts, a heater with a positive temperature coefficient which has a passive output power at 120 volts less than 165 watts / meter and 240 volts greater than 165 watts / meter, although such
organe de chauffage, en l'absence de l'enveloppe, possè- heating element, in the absence of the envelope, poss-
de une longévité courte inacceptable à 240 volts. from an unacceptable short longevity to 240 volts.
Selon un de ses aspects, l'invention propose un procédé de chauffage qui comporte la circulation According to one of its aspects, the invention proposes a heating method which includes circulation
d'un courant à travers un organe de chauffage à autorégu- a current through a self-regulating heater
lation comportant (a) un organe de chauffage à coefficient de température positif CTP qui comprend (i) une bande allongée d'une composition A lation comprising (a) a PTC positive temperature coefficient heating element which comprises (i) an elongated strip of a composition
polymère conductrice présentant un com- conductive polymer having a
portement CTP, (ii) deux électrodes parallèles allongées en contact électrique avec ladite bande, et (iii) une gaine électriquement isolante qui PTC support, (ii) two parallel elongated electrodes in electrical contact with said strip, and (iii) an electrically insulating sheath which
entoure ladite bande et lesdites élec- surrounds said strip and said elect
trodes; et (b) une enveloppe qui entoure ledit organe de chauffage CTP et qui est constituée d'un matériau présentant une conductibilité thermique d'au moins 0,1 Cal/cm OC sec., de préférence au moins 0,3 Cal/cm C sec., trodes; and (b) an envelope which surrounds said PTC heating member and which is made of a material having a thermal conductivity of at least 0.1 Cal / cm dry OC, preferably at least 0.3 Cal / cm C dry.,
le courant étant fourni par une source d'énergie élec- the current being supplied by an electric power source
trique ayant une tension V et l'organe de chauffage a- stick having a voltage V and the heating member a-
yant une puissance de sortie active à ladite tension V d'au moins 165 watts/mètre, de préférence au moins having an active output power at said voltage V of at least 165 watts / meter, preferably at least
230 watts/mètre.230 watts / meter.
L'organe de chauffage peut être utilisé pour chauffer un substrat solide, auquel cas l'enveloppe est de préférence façonnée pour épouser le substrat; ou il peut être utilisé comme organe de chauffage d'ambiance, auquel cas l'ensemble est de préférence sous la forme d'une bobine, avec un espace entre les spires en vue The heater can be used to heat a solid substrate, in which case the casing is preferably shaped to match the substrate; or it can be used as a space heater, in which case the assembly is preferably in the form of a coil, with a space between the turns in view
d'une circulation d'air ou autre liquide. air or other liquid circulation.
Selon un autre aspect, l'invention réalise un organe de chauffage à autorégulation comportant un According to another aspect, the invention provides a self-regulating heating member comprising a
organe de chauffage à coefficient de température po- heating element with temperature coefficient for
sitif CTP et une enveloppe telle que définie ci-des- CTP and an envelope as defined above
sus, l'organe de chauffage ayant une puissance de sor- sus, the heater having a power output
tie passive à 120 volts d'au moins 165 watts/mètre. passive tie at 120 volts of at least 165 watts / meter.
L'organe de chauffage CTP comporte de pré- The PTC heater includes pre-
férence deux (ou plusieurs) électrodes sous la forme de fils qui sont noyés dans et en contact physique avec la bande CTP. Cependant, l'invention englobe ference two (or more) electrodes in the form of wires which are embedded in and in physical contact with the PTC strip. However, the invention encompasses
d'autres types d'organes de chauffage CTP, par exem- other types of PTC heaters, e.g.
ple ceux dans lesquels une ou plusieurs des électrodes est séparée de la bande CTP par une bande d'un autre ple those in which one or more of the electrodes is separated from the PTC strip by a strip from another
matériau conducteur, par exemple une composition po- conductive material, for example a composition po-
lymère conductrice présentant un comportement à coef- conductive lymer exhibiting a coef-
ficient de température nul, et ceux qui comportent un élément CTP laminaire et deux ou plusieurs électrodes laminaires. La puissance de sortie passive de l'organe de chauffage dépend de la résistivité de la composition CTP et de la dimension et de la forme des électrodes zero temperature, and those which include a laminar PTC element and two or more laminar electrodes. The passive output power of the heater depends on the resistivity of the PTC composition and the size and shape of the electrodes
et de l'élément CTP. Pour une bande de chauffage ordi- and the CTP element. For an ordinary heating strip
naire, par exemple tele que décrite dans l'exemple ci- nary, for example tele as described in the example above
dessous, la puissance de sortie passive est de préfé- below, the passive output power is preferably
rence de 165 à 655 watts/mètre, de préférence 230 à rence from 165 to 655 watts / meter, preferably 230 to
655 watts/mètre. Pour l'ensemble des organes de chauf- 655 watts / meter. For all the heating organs
fage entrant dans le cadre de l'invention, la gamme fage within the scope of the invention, the range
r préférée de puissance de sortie passive est mieux ex- r preferred passive output power is better ex-
primée par une expression qui inclut la largeur de l'élément CTP sur lequel est produitela chaleur. Ainsi la puissance de sortie passive des éléments de chauffage selon l'invention est de préférence de 2170 D à 862 D, awarded by an expression that includes the width of the CTP element on which the heat is produced. Thus the passive output power of the heating elements according to the invention is preferably from 2170 D to 862 D,
particulièrement 302 D à 862 D watts/mètre, dans la- particularly 302 D to 862 D watts / meter, in the-
quelle D est la dimension transversale maximum (en cen- which D is the maximum transverse dimension (in cent
timètre) de la bande CTP qui se trouve entre les élec- meter) of the PTC strip which is located between the elect
trodes. La puissance de sortie active d'un organe trodes. The active output power of an organ
de-chauffage CTP est sensiblement accrue par la présen- de-chauffage CTP is significantly increased by the presen-
ce de l'enveloppe, et des organes de chauffage préférés ont une puissance de sortie active à 100C qui est au moins 1,5 fois la puissance de sortie active à 101C de ce of the enclosure, and preferred heaters have an active output power at 100C which is at least 1.5 times the active output power at 101C
l'organe de chauffage CTP sans l'enveloppe. the PTC heating element without the envelope.
L'enveloppe est de préférence constituée par une paire de feuilles allongées, l'organe de chauffage The envelope is preferably constituted by a pair of elongated sheets, the heating member
étant intercalé entre elles, les feuilles venant au con- being interposed between them, the leaves coming into contact
tact l'une de l'autre de part et d'autre de l'organe de chauffage. Les feuilles ont de préférence 0,025 à tact of each other on either side of the heating member. The sheets preferably have 0.025 to
1,3 mm, par exemple 0,075 à 0,2 mm d'épaisseur et com- 1.3 mm, for example 0.075 to 0.2 mm thick and com-
posées d'un matériau ayant une conductibilité thermi- laid with a material having thermal conductivity
que d'au moins 0,3, par exemple de l'aluminium. Elles peuvent être fixées l'une à l'autre et/ou à l'organe de chauffage au moyen d'une colle, par exemple une than at least 0.3, for example aluminum. They can be fixed to each other and / or to the heating element by means of an adhesive, for example a
colle epoxy.epoxy glue.
Il est important que l'enveloppe et l'organe de chauffage CTP soient en contact thermique intime, et l'enveloppe se trouve de préférence au contact (soit directement, soit par l'intermédiaire d'une colle) au moins des zones de la gaine isolante adjacente à ces parties de l'organe de chauffage dans lesquelles la chaleur est engendrée. De préférence, il n'y a pas It is important that the casing and the PTC heating element are in intimate thermal contact, and the casing is preferably in contact (either directly or via an adhesive) at least in the areas of the insulating sheath adjacent to those parts of the heater in which heat is generated. Preferably, there is no
de vides entre l'enveloppe et l'organe de chauffage. voids between the casing and the heater.
Il est préférable que l'enveloppe s'étende vers l'ex- It is preferable that the envelope extends towards the ex-
térieur de l'organe de chauffage CTP sous la forme d'ailettes, de sorte que la zone superficielle exposée de l'enveloppe soit au moins 1,5 fois, par exemple inside of the PTC heating element in the form of fins, so that the exposed surface area of the envelope is at least 1.5 times, for example
au moins 2 fois, la zone superficielle de la gaine i- at least 2 times, the surface area of the sheath i-
solante de l'organe de chauffage CTP, en particulier au moins 2 fois. L'enveloppe peut également servir pour limiter un accès de l'oxygène à la composition CTP comme enseigné par la demande de brevet français solante of the PTC heating element, in particular at least twice. The envelope can also be used to limit access of oxygen to the CTP composition as taught by the French patent application
No 79/29556.No 79/29556.
Les organes de chauffage peuvent comporter deux ou plusieurs éléments chauffants CTP. Les organes de chauffage peuvent être espacés l'un de l'autre et réunis par une enveloppe qui entoure chacun d'eux, par exemple un ensemble d'organes de chauffage sous forme de bandes parallèles intercalées entre une paire de The heating elements may include two or more PTC heating elements. The heating elements can be spaced from each other and joined by an envelope which surrounds each of them, for example a set of heating elements in the form of parallel strips inserted between a pair of
feuilles métalliques.metal sheets.
L'invention est illustrée sur les dessins The invention is illustrated in the drawings
annexés.attached.
La figure lest un vue isométrique, en coupe Figure lest isometric view, in section
partielle, d'un organe de chauffage selon l'invention. partial, of a heating device according to the invention.
La figure 2 est un graphique montrant la re- Figure 2 is a graph showing the re-
lation entre le courant électrique et la température du substrat dans les essais décrits dans l'exemple; relationship between the electric current and the temperature of the substrate in the tests described in the example;
On se réfère à présent à la figure 1 qui re- We now refer to Figure 1 which
présente un organe de chauffage CTP comportant des élec- presents a PTC heating element comprising elec
trodes 1 et 2 noyées dans une bande 3 d'une composition trodes 1 and 2 embedded in a strip 3 of a composition
polymère conductrice CTP qui est entourée par une gai- conductive polymer CTP which is surrounded by a gai-
ne isolante 4. L'organe de chauffage est intercalé en- tre une paire de feuilles d'aluminium 5 et 6 qui sont insulating 4. The heating element is interposed between a pair of aluminum sheets 5 and 6 which are
fixées l'une à l'autre et à l'organe de chauffage au mo- attached to each other and to the heater at the mo-
yen d'une colle (non représentée). yen of an adhesive (not shown).
L'invention est en outre illustrée par l'e- The invention is further illustrated by e-
xemple suivant.next example.
EXEMPLEEXAMPLE
L'organe de chauffage CTP utilisé était une longueur de 61 cm d'un organe de chauffage en forme de The PTC heater used was a length of 61 cm of a shaped heater
bande CTP comme représenté sur la figure 1. Les élec- CTP tape as shown in Figure 1. The elect
trodes étaient des fils de cuivre de 1,3 mm de diamè- trodes were copper wire 1.3 mm in diameter
tre, avec un espacement entre les axes de 7,6 mm. L'é- be, with a spacing between the axes of 7.6 mm. The-
lément CTP avait 10 mm de large et 1,8 mm d'épaisseur CTP element was 10mm wide and 1.8mm thick
et était constitué d'une composition comportant une dis- and consisted of a composition comprising a dis-
persion de noir de carbone dans un mélange de polyéthy- carbon black persion in a polyethylene blend
lène et d'un copolymère d'éthylène/acrylate d'éthyle. La gaine isolante était constituée d'un polyuréthane et avait environ 0,25 mm d'épaisseur. L'organe de chauffage avait une puissance de sortie passive d'environ 250275 watts/mètre. La puissance de sortie active de cet organe de chauffage, seul ou en tant que partie d'un ensemble lene and an ethylene / ethyl acrylate copolymer. The insulating sheath was made of polyurethane and was about 0.25 mm thick. The heater had a passive output power of approximately 250,275 watts / meter. The active output power of this heater, alone or as part of an assembly
de chauffage, a été mesurée en fixant l'organe de chauffa- heater, was measured by fixing the heater
ge ou l'ensemble à une plaque d'aluminium de 1,25 x ge or the whole to a 1.25 x aluminum plate
,25 x 61 cm, en reliant l'organe de chauffage à une ali- , 25 x 61 cm, by connecting the heating element to a supply
mentation de 120 volts alternatifs et laissant le systè- 120 volts AC and leaving the system
me atteindre son équilibre tout en maintenant la plaque à une température désirée. Au cours des essaisq l'organe de chauffage seul (Echantillon A) ou l'organe de chauffage intercalé entre deux feuilles d'aluminium identiques de 61 cm de long et de 0,03 cm d'épaisseur, et ayant des largeurs de 11,4; 6,3; 3,8 et 1,9 cm (Echantillons BsC, 24640b06 me reach his balance while maintaining the plate at a desired temperature. During the tests, the heating element alone (Sample A) or the heating element interposed between two identical aluminum sheets, 61 cm long and 0.03 cm thick, and having widths of 11, 4; 6.3; 3.8 and 1.9 cm (BsC samples, 24640b06
D et E) fut utilisé. La figure 2 montre la relation en- D and E) was used. Figure 2 shows the relationship between-
tre la température de la plaque et le courant traversant l'organe de chauffage. Le Tableau ci-après montre la puissance de sortie active calculée (courant x tension appliquée) de l'organe de chauffage lorsque la plaque se be the temperature of the plate and the current passing through the heating element. The table below shows the calculated active output power (current x applied voltage) of the heater when the plate is
trouve à 10OC.found at 10OC.
TABLEAUBOARD
Echantillon A B C DSample A B C D
EE
Largeur de l'enveloppe de métal (cm) néant 11,4 6,3 3,8 1,9 Puissance active Metal shell width (cm) none 11.4 6.3 3.8 1.9 Active power
à 10 Cat 10 C
(watts/mètre).(watts / meter).
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