HRP20000522A2 - Flat heating element and use of flat heating elements - Google Patents

Description

Ovaj izum se odnosi na jedno plošno grijaće tijelo, pogotovo grijaće tijelo s otporom te primjena plošnih grijaćih tijela.

Za stvaranje topline primjenjuju se otporna grijaća tijela u različitim područjima. Ova grijaća tijela potrebuju za stvaranje dovoljne temperature u pravilu velike napone u grijaćim tijelima. Ovi visoki naponi mogu pogotovo pri korištenju za zagrijavanje različitih medija ili kod kontakata s ljudskim tijelom predstavljati sigurnosni rizik. Osim toga su uobičajena grijaća tijela s otporom na temelju upotrijebljenih materijala, pogotovo u dugotrajnom korištenju, pogodna samo za niže temperature. Drugi prijedlozi prema stanju tehnike iziskuju kompleksnu građu grijaćih tijela s otporom i time sužavaju mogućnost primjene grijaćeg tijela s otporom.

Zadaća ovog izuma je stvoriti grijaće tijelo koje i u dugotrajnoj primjeni može stvoriti visoku plošnu djelotvornost a time se tada mogu dobiti i visoke temperature a usporedo s tim da ima niski napon u grijaćem tijelu. Nadalje, grijaće tijelo mora biti primjenjivo u različitim prigodama te mora biti lako za spajanje.

Izum se nadalje odnosi na cijev koju se može grijati kod koje se primjenjuje grijaće tijelo s otporom.

Cijevi se koriste u raznim primjenama, na primjer za prosljeđivanje medija. Ako se ove cijevi primjenjuju na primjer ispod zemlje ili u hladnim regijama vani, tada postoji opasnost, da se medij koji se nalazi u cijevi na temelju niskih temperaturu skrutne i da dođe do začepljenja cijevi.

Zbog toga postoji i daljnja zadaća izuma, izraditi cijev koju je moguće s jednostavnim sredstvima zagrijavati i da je cijev moguće svestrano primijeniti.

Izum nadalje uključuje transportnu napravu za medije koju je moguće grijati.

Mediji kao što su na primjer plinovi i tekućine se često transportiraju u cisternama, koji su pričvršćeni na željezničke vagone ili kamione. Kod niskih vanjskih temperatura može doći do smrzavanja medija a time može doći čak i do oštećenja cisterni. Pričvršćenje grijaćih tijela na ovakve vagone predstavlja velike zahtjeve na grijaće tijelo, kao i na mogući prijenos topline između grijaćeg tijela i vagona. U takvim se cisternama dijelom prevoze i opasne supstancije pa je jako bitno da ne dođe do lokalnih povišenja temperature. Također treba spriječiti i mogućnost kvara grijaćeg tijela, zbog na primjer otpadanja od cisterne, da bi se spriječilo zamrzavanje medija.

Zadaća ovog izuma je zbog toga stvoriti transportnu napravu za medije, pomoću koje se medij tijekom transporta drži na određenoj temperaturi a da se ne javi sigurnosni rizik od na primjer smrzavanja, eksplozije ili požara.

Izum nadalje uključuje grijaći valjak, pogotovo za primjenu kao valjak za kopiranje ili za folije.

U mnogim područjima toplinske tehnike je potrebno pribaviti valjak koji se može zagrijati na neku temperaturu. Do sada su takvi valjci proizvedeni iz grijaćih tijela kod kojih su otporne žice smještenu u nekoj masi koja služi kao izolator.

Drugu varijantu grijaćih valjaka koji se upotrebljavaju, u na primjer kopirnim uređajima, je ta da se halogenska lampa stavi u valjak. Obje varijante imaju nedostatak da su ili skupe u proizvodnji ili da imaju loš koeficijent prijenosa topline.

Zadaća ovog izuma bila je napraviti toplinski valjak koji će imati jednostavnu konstrukciju, upogonjenu s niskim naponom a usput da ima veliki kapacitet prijenosa topline. Nadalje bi ovaj toplinski valjak trebao biti mnogostruku upotrebljiv.

Ovaj izum temelji se na spoznaji, da se zadaća može riješiti s grijaćim tijelima s otporom kod kojeg je grijaća struja protjerana kroz pogodnu otpornu masu.

Izum se nadalje temelji na spoznaji, da se ostale zadaće mogu riješiti pogotovo uz pomoć cijevi, transportne naprave i jednog toplinskog valjka koji posjeduju grijaće tijelo s otporom, pri čemu grijaće tijelo s otporom ima pogodnu otpornu masu kroz koju teče grijaća struja i koji je plošno oblikovan i koji omogućuje ravnomjerni prijenos topline preko ploha.

Zadaća je riješena kroz plošno grijaće tijelo koje posjeduje tanki otporni sloj, koji obuhvaća intrinsični električni vodljivi polimer i najmanje dvije plošne elektrode koje su smještene na jednoj strani otpornog sloja i razmaknute jedna od druge.

Kod izumljenog grijaćeg tijela otporni sloj obuhvaća intrinsično električki vodljivi polimer. Ovi u izumu korišteni polimeri, za otporni sloj, su tako napravljeni da struja teče duž molekula polimera. Uz pomoć strukture polimera se grijaća struja vodi duž polimerna kroz otporni sloj. Na temelji električnog otpora polimera stvara se toplina koju je moguće predati na predmet koji se želi zagrijati. Ta grijaća struja ne može koristiti najkraći put između dvije elektrode već slijedi gradbenu strukturu polimera. Duljina strujnog puta je prema tome dana polimerima, tako da se i uz pomoć malih debljina slojeva mogu primijeniti relativno visoki naponi, bez da može doći do probijanja. Također i kod visokih struja, na primjer kod ukapčanja ne može doći do pregaranja. Nadalje se, uz pomoć distribucije struje u prvoj elektrodi i dalje vođenjem kroz otporni sloj duž polimerne strukture, dobiva homogena distribucija temperature u otpornom sloju. Ona se uspostavlja odmah nakon uključenja napona na elektrodama.

Na temelju ovih u izumu korištenih polimera moguće je grijaća tijela s otporom koristiti i kod visokih napona kao na primjer mrežnih napona. Kako moguća grijaća snaga raste s kvadratom korištenog napona to je s izumljenim grijaćim tijelom s otporom moguće dobiti velike grijaće snage, a time i visokih temperatura. Gustoća struja je minimizirana u ovom izumu pomoću dugačkog strujnog puta duž električki vodljivim polimerom odnosno uz stvaranje najmanje dviju zona, električno uključenih u seriju, koji posjeduju intrinsični električni vodljivi polimer prema izumu.

Nadalje su u izumu korišteni električni vodljivi polimeri vremenski stabilni. Ova se stabilnost posebno temelji na tome, da su polimeri rastezljivi, tako da povišenjem temperature ne može doći do pucanja polimernih lanaca a time do kidanja strujnog puta. Čak i višestrukim temperaturnim oscilacijama nije došlo do defekata na polimernim lancima. Kod uobičajenih grijaćih tijela s otporom kod kojih se vodljivost stvara na primjer pomoću naprava od čađe, bi takva termička ekspanzija dovela do kidanja strujnog puta a time do pregrijavanja. Zbog toga bi došlo do jake oksidacije i pregaranja otpornog sloja. Takve pojave starenja nisu poznate kod u izumu korištenih intrinsičnih električnih vodljivih polimera.

Ovi u izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimeri su također postojani na starenje u reaktivnoj okolini, na primjer u kisiku. Nadalje se kod načina vođenja struje kroz otpornu masu radi o elektronskom vođenju. Tako da ne dolazi do samouništenja otpornog sloja uslijed reakcija elektrolize utjecajem električnih struja kod grijaćeg tijela s otporom u ovom izumu. U grijaćem tijelu s otporom, u ovom izumu, su gubici u djelotvornosti plošnog grijanja tijekom vremena i pri visokim temperaturama, od na primjer 500°C i visokoj snazi plošnih grijaća, od na primjer 50 kW/m2, jako niski i skoro nula.

Ukupno gledajući, otporni sloj ovog izuma pokazuje, zbog korištenja intrinsičnih električnih vodljivih polimera homogenu građu, koja dozvoljava ravnomjerno grijanje preko cijelog sloja.

Grijaći element s otporom ovog izuma se kontaktira pomoću dvije elektrode, izrađene od materijala s visokim stupnjem električne vodljivosti i koje su smještene na jednoj strani otpornog sloja. Na ovaj način kontaktiranja se način korištenja, u ovom izumu korištenog intrinsičnog vodljivog polimera može naročito dobro iskoristiti. Narinuta struja se u početku prostire u prvoj elektrodi, teče nakon toga duž polimerne strukture kroz debljinu otpornog sloja te se tada vodi u drugu kontaktirajuću elektrodu. Strujni put je produžen u odnosu na izvedbu kada te dvije elektrode uključuju otporni sloj između njih. Na temelju tog strujnog toka se debljina otpornog sloja može držati vrlo tankom.

Grijaće tijelo ovog izuma se također odlikuje širokom mogućom primjenom. Elektrodni kontakti su na jednoj strani otpornog sloja. Druga strana otpornog sloja je slobodna od priključnih kontakata pa se može izvesti potpuno ravno. Ovakva ravna površina dozvoljava direktno naslanjanje na tijelo koje se želi grijati. Kako dodirna površina grijaćeg tijela s otporom i tijela koji se grije nije prekinuta s kontaktima za priključke moguć je idealni prijenos topline.

Prema jednom poželjnom načinu izvedbe je na strani koja leži nasuprot onoj s elektrodama stavljena plošna plivajuća elektroda.

Kao plivajuća elektroda se u smislu izuma smatra elektroda koja se ne spaja na strujni izvor. Ona može biti izolirana te time spriječiti kontakt s izvorom struje.

Ova plivajuća elektroda poboljšava strujni tok kroz otporni sloj. Kod ove izvedbe se struja prostire kroz prvu elektrodu, teče od nje kroz debljinu otpornog sloja u nasuprotnu plivajuću elektrodu, kroz nju se prosljeđuje kroz debljinu otpornog sloja k drugoj elektrodi koja se nalazi na strani otpornog sloja gdje se nalazi i prva elektroda.

Kod ove izvedbe grijaćeg tijela struja uglavnom teče okomito na površinu otpornog sloja kroz njegovu debljinu. Uglavnom se stvaraju dvije zone u otpornom sloju. U prvoj zoni teče struja uglavnom okomito od prve kontaktne elektrode k plivajućoj elektrodi a u drugoj zoni uglavnom okomito od plivajuće elektrode k drugoj kontaktnoj elektrodi. Ovim poretkom se dobiva serijski spoj više otpora. Ovaj fenomen ima za posljedicu, da se dio napona koji vlada u pojedinim zonama u odnosu na narinuti napon smanji. Napon koji vlada u svakoj pojedinoj zoni iznosi samo polovicu narinutog napona u ovoj izvedbi. Sigurnosni rizici mogu kod grijaćeg tijela ovog izuma na temelju malog napona koji vlada u otpornom sloju biti izbjegnuti pa su načini primjene raznoliki. Tako se grijaće tijelo može koristiti i u napravama kod kojih ono dolazi u neposredni dodir s medijem koji se grije ili od dodira osoba koji ovu napravu opslužuju odnosno koriste.

Nadalje, i previđeni prostor koji se nalazi između kontaktnih elektroda, djeluje kao dodatni otpor. Ako se koristi zrak kao izolacija u ovom međuprostoru, tada je otpor određen međusobnim razmakom elektroda a time površinskim otporom otpornog sloja.

Elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju uglavnom dobre temperaturne vodljivosti. Ona može biti veća od 200 W/mK, pa čak i veća od 250 W/mK. Lokalna pregrijavanja se mogu zahvaljujući ove dobre temperaturne vodljivosti u elektrodama brzo odvoditi. Pregrijavanja se zbog toga mogu javiti jedino u smjeru debljine sloja, ali se zbog relativno male debljine sloja, koja je moguće postići u grijaćim tijelima s otporom ovog izuma, ne odražavaju negativno. Druga prednost otpornog grijaćeg tijela je u tome, da se jedno vanjsko, na primjer, od tijela koji se želi grijati, izazvano lokalno temperaturno povišenje otpornim grijaćim tijelom može idealno izjednačiti.

Elektrode kao i plivajuća elektroda se prvenstveno izrađuju iz materijala koji pokazuje veliku električnu vodljivost. Tako specifični otpor elektroda može iznosi manje od 10-4 Ωcm, a još osobito manje od 10-5 Ωcm. Upotrebljive sirovine su na primjer aluminij ili bakar. Izborom jednog takvog elektrodnog materijala je omogućeno da se narinuta struja u plošnoj elektrodi predaje dalje, znači u njoj rasprostre, prije no što prolazi otpornim slojem. Na taj način se postiže ravnomjerni prolaz toplinske struje kroz otporni sloj a time ravnomjerno i uglavnom potpuno zagrijavanje otpornog sloja. Takvim otpornim grijaćim tijelom moguće je ravnomjerno stvaranje topline kao i njezina predaja. Pogotovo je izborom jednog takvog elektrodnog materijala moguća proizvodnja većih otpornih grijaćih tijela bez da se na elektrodama po dužini ili širini, na više mjesta mora narinuti napon. Vodovi za dovođenje struje duž površine se mogu izostaviti. Jedno takvo višestruko kontaktiranje u ovom izumu se koristi samo u izvedbama kod kojih otporno grijaće tijelo pokriva veliku površinu ili dužinu, na primjer površine veće od 60 cm2, osobito one veće od 80 cm2. Veličina otpornog grijaćeg tijela nakon čega je potrebno višestruko kontaktiranje ovisi osim o izboru elektrodnog materijala i o mjesto kontaktiranja. Tako može biti nepotrebno višestruko kontaktiranje i na površinama većim od gore spomenutim ako je moguć pristup elektrodi u središte plohe i tamo kontaktiranje.

Nadalje ovisi veličina koja se odnosi na jednostruko kontaktiranje otpornog grijaćeg tijela o debljini izabrane elektrode. Prema jednom načinu izvedbe elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju debljinu u području od 50 do 150 μm, osobito od 75 do 100 μm. Ove male debljine sloja su od prednosti jer se toplina od otpornog grijaćeg tijela može lako od njega predati. K tome su tanke elektrode fleksibilnije, čime zbog termičke ekspanzije otpornog sloja ne dolazi do pucanja elektroda od otpornog sloja a time do prekida električnog kontakta.

Otporni sloj u ovom izumu je tanak. On je prema dolje samo ograničen naponom probijanja i pokazuje uglavnom debljinu od 0,1 do 2 mm, osobito preferirano 1 mm. Prednost male debljine sloja otpornog sloja leži u na taj način mogućem brzom zagrijavanju, brzoj predaji topline i velikoj snazi plošnog grijanja. No, ovakvu debljinu sloja moguće je postići samo otpornim grijaćim tijelom ovog izuma. Upotrebom u ovom izumu korištenih polimera je kao prvo strujni put u otpornom sloju određen te može i kod malih debljina sloja pokazivati dovoljnu dužinu da spriječi probijanje napona. Nadalje dozvoljava jednostruko kontaktiranje otpornog grijaćeg tijela, podjelu otpornog sloja na zone s niskim naponom pri čemu se rizik probijanja dodatno smanjuje.

Prednosti otpornog grijaćeg tijela ovog izuma se još pojačavaju ako otporni sloj pokazuje pozitivni temperaturni koeficijent električnog otpora (PTC). Time se postiže samoregulirajući efekt maksimalne temperature koja se može postići. Efekt je uvjetovan time, da se na temelju PTC-a otpornog sloja protok struje kroz otpornu masu regulira u ovisnosti o temperaturi. Što se temperatura više podigne to je manja struja dok je na jednoj točno određenoj točki ravnoteže nemjerljivo mala. Time se može uspješno spriječiti lokalno prezagrijavanje te taljenje otporne mase. Ovaj samoregulirajući efekt je od velike važnosti za grijaće tijelo ovog izuma, jer zbog na primjer lošeg kontakta grijaćeg tijela ovog izuma i tijela kojeg se želi zagrijati, a time izazvanim slabim prijenosom topline, može doći do lokalnog povišenja temperature.

Izbor PTC materijala kao materijala za otporni sloj ima zbog toga za posljedicu da se cijeli otporni sloj uglavnom na istu temperaturu zagrijava. Time je omogućena ravnomjerna predaja topline koja može biti bitna za pojedina područja primjene otpornog grijaćeg tijela.

Otporni sloj ovog izuma može na površinama okrenutim prema elektrodama a i prema plivajućoj elektrodi biti metaliziran. Metaliziranjem dolazi do odlaganja metala na površinu otpornog sloja, te se na taj način poboljšava protok struje između elektroda odnosno plivajuće elektrode i otpornog sloja. Nadalje se, ovim oblikom izvedbe poboljšava i prijenos topline s otpornog sloja na plivajuću elektrodu a time i k tijelu ili predmetu koji se želi grijati. Metalizacija se može provesti naprskavanjem metala na površinu. Takav način metalizacije moguć je samo kod u ovom izumu korištenog materijala za otporni sloj. Mnogo teži način metaliziranja na primjer galvanizacijom je nepotreban a time štedi troškove izrade.

Intrinsični električni vodljivi polimer je prvenstveno dobiven dopiranjem jednog polimera. Dopiranje može biti metalno ili polumetalno dotiranje. Kod tih polimera je ometajući vodič kemijski vezan na polimerni lanac i time stvara ometajuće mjesto. Dopirajući atomi i matrična molekula čine tako zvani kompleks prijenosa naboja (Charge-Transfer Complex). Kod dopiranja se elektroni iz popunjenih vrpci polimera prenose na dopirajući materijal. Tako nastalim elektronskim rupama polimer poprima poluvodičima slična električna svojstva. Kemijskom reakcijom se kod tog načina izvedbe jedan metalni ili polumetalni atom ugrađen ili nalegnut na polimernu strukturu, tako da time nastaju slobodni naboji koji omogućuju strujni tok duž polimerne strukture. Slobodni naboju su prisutni u obliku slobodnih elektrona ili rupa. Time nastaju elektronski vodiči.

Zbog pogodnosti se dodaje toliko dopirajućeg materija u polimer za dopiranje, da je omjer atoma dopirajućeg materijala u odnosu na polimerne molekule najmanje 1:1, osobito je pogodan odnos između 2:1 i 10:1. Tim odnosom se postiže da su uglavnom sve polimerne molekule dopiramo najmanje s jednim atomom dopirajućeg materijala. Izborom omjera može se iznos vodljivosti polimera time i otpornog sloja kao i temperaturnog koeficijenta otpora otpornog sloja namjestiti.

Iako se u ovom izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimer i bez dodatka grafita koristiti kao materijal za otporni sloj u otpornom grijaćem tijelu ovog izuma, može u još jednom obliku izrade otpornog sloja biti dodatno grafitnih čestica. Ove čestice mogu doprinijeti ukupnoj vodljivosti otpornog sloja, te se ne dodiruju zbog pogodnosti i ne stvaraju rešetke ili skeletne strukture. Grafitne čestice nisu čvrsto uključene u polimernu strukturu nego leže slobodno. Ako se grafitna čestica nalazi u kontaktu s dvije polimerne molekule tada struja može iz jednog lanca preko grafita prijeći na drugi lanac. Vodljivost otpornog sloja se na taj način može još povećati. Istovremeno mogu grafitne čestice zbog slobode kretanja u otpornom sloju doći na površinu i tamo dovesti do boljeg kontakta s elektrodama ili plivajućoj elektrodi.

Grafitne čestice su preferirano prisutne u količini od maksimalno 20 vol-% a posebno preferirano maksimalno 5 vol% od ukupnog volumena otpornog sloja i pokazuju srednji promjer od maksimalno 0,1 μm. Ovom malom količinom kao i malim promjerom grafita onemogućeno je stvaranje grafitne rešetke a time i vođenje struje kroz taj grafit. Time je osigurano da struja i dalje teče uglavnom preko polimernih molekula elektronskim vođenjem a time se i postižu gore navedene prednosti. Pogotovo se vođenje ne smije ostvarivati preko grafitne rešetke odnosno skeleta, pri čemu se grafitne čestice moraju dodirivati i mogu se lako uništiti mehaničkim ili termičkim opterećenjem, nego ostvaruju se duž polimera koji su rastezljivi i na starenje postojani.

Kao intrinsični električni vodljivi polimeri mogu se koristiti električki vodljivi polimerizati kao što su polistirol, polivinilne smole, derivati poliakrilnih kiselina te mješavine tih polimerizata, polifluoro ugljikovodici, epoks i smolei poliuretan. Posebno su pogodni poliamidi, polimetilmetakrilati, epoksidi, poliuretani kao i polistirol ili njihove smjese. Kod toga poliamidi dodatno pokazuju i dobra ljepljiva svojstva koja su kod izrade otpornih grijaćih tijela ovog izuma od prednosti. Neki polimeri kao na primjer poliacetilen nije moguće koristiti u ovom izumu zbog male postojanosti na starenje zbog reaktivnosti s kisikom.

Dužina korištenih polimernih molekula varira u velikom području u ovisnosti o vrsti i strukturi polimera, ali se preferirano kreće oko 500, a posebno preferirano oko 4000 Å.

U jednom načinu izvedbe otporni sloj sadrži i potporni materijal. Taj potporni materijal može služiti i kao nosač za intrinsično vodljivi polimer a također služi i kao držač odstojanja, pogotovo između elektroda i plivajuće elektrode. Potporni materijal dodatno daje čvrstoću otpornom grijaćem tijelu zbog mogućnosti da može izdržati mehaničko naprezanje. Nadalje se korištenjem potpornog matrijala može debljina sloja otpornog sloja precizno namjestiti. Potporni sloj može biti od staklenih kuglica, staklenih niti, kamene vune, keramike, na primjer barijev titanat ili plastičnih materijala. Ako je potporni materijal prisutan u obliku tkiva ili pletiva, na primjer staklenih niti, tada se može uroniti u masu koja se sastoji od intrinsično električno vodljivih polimera, odnosno može se natopiti intrinsično električki vodljivim polimerom. Debljina sloja je tada određena debljinom rešetke ili pletiva. Mogu se koristiti postupci kao što su raklanje, mazanje ili postupak sitotiska.

Posebno je pogodno za potporni materijal koristiti plošni, porozni, električno izolirajući materijal. Takvim materijalom može se spriječiti da grijaća struja teče kroz potporni materijal a ne kroz polimernu strukturu.

Mogućnosti proizvodnje slojeva, koji preko površina odstupaju minimalnom tolerancijom na primjer 1 % od željene debljine, je pogotovo pogodno u malim slojnim debljinama ovog izuma jer bi se inače moglo dogoditi da dođe do neposrednog kontakta između kontaktirajućih elektroda i plivajuće elektrode. A također se odstupanja u debljini sloja preko površine može odraziti na temperaturu i dovesti do neravnomjerne raspodjele temperature.

Potporni sloj djeluje i tako da tok struje ne može uzeti najkraći put između elektroda i plivajuće elektrode, nego se skreće od materijala za punjene ili cijepa. Time se postiže optimalno iskorištenje dovedene energije.

Predmet izuma se nadalje objašnjava na temelju slika.

Prikazuje se:

Slika 1 presjek kroz izradbeni oblik izumljenog grijaćeg tijela;

Slika 2 shematski prikaz sa strane jednog izradbenog oblika s više plivajućih elektroda;

Slika 3 principijelna skica nastalih zona prema izradbenom obliku na slici 2.

Grijaće tijelo 1 posjeduje tanki otporni sloj 2 te dvije plošne elektrode 3 i 4, koje su smještene na nekom razmaku jedna od druge i koje otporni sloj uglavnom pokrivaju. Na suprotnoj strani otpornog sloja 2 nalazi se plivajuća elektroda 5 koja pokriva cijelu površinu otpornog sloja od elektroda 3 i 4 kao i ono područje između njih. Kada se dovede napon iz izvora (nije ovdje prikazan) na elektrode 3 i 4, tada se struja prvo širi u elektrodi 3, teče kroz otporni sloj 2 uglavnom okomito na njenu površinu k plivajućoj elektrodi 5, te se kroz nju predaje u otporni sloj 2 kroz koju teče ka elektrodi 4 i od tamo izlazi. Ovisno o kontaktima strujni tok može teći i u suprotnom smjeru. U prikazanom izradbenom obliku je izolacija između elektroda 3 i 4 od zraka.

Na slici 2 je prikazano grijaće tijelo koje posjeduje tanki otporni sloj 2. Na strani otpornog sloja 2 su predviđene dvije plošne elektrode 3 i 4 te više između njih smještene plivajuće elektrode. Elektrode 3, 4 i plivajuća elektroda 5 su odmaknute jedna od druge i smještene na nasuprotnoj strani od plivajuće elektrode 5 koja se nalazi na otpornom sloju 2. Struja koja se dovede na elektrode 3, 4 kod ovog načina gradnje teče kroz otporni sloj 2 i plivajuću elektrodu 5 u smjeru kako je naznačeno strelicama na crtežu. Kod ovog toka struje otporni sloj 2 služi kao serijski spoj više električnih otpora, pri čemu se postiže velika snaga te osim toga u pojedinim područjima odnosno zonama otpornog sloja vlada mali napon. Pri tome se iskorištava otpor u debljini otpornog sloja 2 kao i otpor površine u razmacima između plivajućih elektroda 5 odnosno plivajućih elektroda 5 i elektrode 3 odnosno 4. Osim toga veliku prednost pruža razmak između kontaktirajućih elektroda jer ne može doći do neposrednog kontakta između njih.

Slika 3 prikazuje principijelnu skicu pomoću koje se može objasniti elektrotehničko dimenzioniranje jednog načina izvedbe otpornog grijaćeg tijela ovog izuma. Najprije se određuje, polazeći od u pojedinom slučaju zahtijevanoj plošnoj snazi cijelog otpornog grijaćeg tijela, iz kvocijenta ukupnog napona kontaktirajućih elektroda i maksimalnog podijeljenog napona pojedinih u seriju priključenih zona broj u širinu potrebnih grijaćih zona otpornih grijaćih tijela. Dužina grijaće zone se označava sa S, širina B pojedinih zona se tada izračunava prema izrazu:

[image]

Pri čemu je:

B = ukupna širina plošnog grijaćeg tijela (mm),

A = razmak između plivajućih elektroda odnosno plivajuće elektrode i elektrodama jednoj strani

otpornog sloja (mm),

K = širina rubnog sloja (mm),

n = broj pojedinih u seriju priključenih grijaćih zona

Širina pojedinih elektroda koje se izmjenjuju na jednoj odnosno drugoj strani površine otpornog sloja odnosno plivajućih elektroda dobiva se iz zbroja dviju širina zona u razmaka A na jednoj strani otpornog sloja smještenih elektroda.

Snaga grijanja NZ pojedinih zona otpornog grijaćeg elementa dobiva se iz:

[image]

Pri čemu je:

U = na temelju u pojedinim slučajevima primjene potrebna električna izolacija (čvrstoća na

proboj) otpornog grijaćeg sloja na pojedinom otporu dozvoljen maksimalni električni

zonski napon (V)

I = jakost struje, koja je na temelju serijskog priključka na svim pojedinim otporima

konstantna i jednaka ukupnoj struji (A)

ρ = specifični otpor polimernog sloja (Ω·mm)

S = dužina elektrode otpornog grijaćeg tijela (mm)

Z = širina pojedinih grijaćih zona (mm)

D = debljina otpornog sloja (mm)

Elektrode kao i plivajuća elektroda mogu u grijaćim tijelima ovog izuma biti od na primjer metalnih folija ili metalnih limova. Nadalje može električni vodljivi sloj na suprotnoj strani otpornog sloja biti zatvorena s crnim plastičnim materijalom. S ovim dodatnim slojem grijaće tijelo ovog izuma može poprimiti funkciju tijela s crnim zračenjem te proizvesti dubinsko djelovanje proizvedenog zračenja.

Na grijaćem tijelu ovog izuma može biti predviđen veliki broj elektroda na jednoj strani otpornog sloja. Predviđanjem više elektroda koje su rastavljene pomoću izolacije jedna od druge, smještene su jedna kraj druge i služe kao elektrodni parovi, na koji se može dovesti napon, može se postići zonsko zagrijavanje grijaćeg tijela.

Također je u okviru ovog izuma izrada izolacije između elektroda pomoću izolacionog materijala, koja se dodaje u razrez koji postoji između elektroda. Kao izolacioni materijal mogu se koristiti uobičajeni dielektrici, pogotovo plastični materijali.

Ako se površina grijaćeg tijela, koja je okrenuta ka tijelu koje se želi grijati, želi držati u beznaponskom stanju, može se otporni sloj odnosno plivajuća elektroda obući poliesterom, PTFE-om, poliimidom ili drugim folijama. Korištenje uobičajenih izolacionih materijala i jednostavnog oblika, na primjer jedne folije, omogućeno je kod grijaćih tijela ovog izuma time, da plivajuća elektroda nema kontakte a time posjeduje glatku površinu.

Otporni sloj može pokazivati izradu u kojem su prisutni različiti slojevi s različitim otpornim materijalima s različitim specifičnim električnim otpornostima.

Ovaj način izrade pokazuje prednost da izborom odgovarajućeg materijala za otporni sloj one strane otpornog sloja koji je okrenut prema tijelu koji se želi grijati može imati višu temperaturu, bez različitih grijaćih struja, na primjer pomoću grijaćih žica u pojedinim slojevima otpornog sloja. Ovaj efekt se postiže na taj način da se specifični električni otpor korištenog polimera sloja koji je okrenut prema elektrodama u odnosu na onaj okrenut prema tijelu odnosno predmetu uvijek odabire s većom vrijednošću.

Otporno grijaće tijelo ovog izuma može se zahvaljujući korištenom otpornom sloju i kontaktiranja pogoniti s niskim naponima od na primjer 24 V kao i s vrlo visokim naponima kao na primjer 240, 400 pa sve do 1000 V.

S otpornim grijaćim tijelom ovog izuma mogu se dobiti plošne grijaće snage od iznad 10 kW/m2, osobito većim od 30 kW/m2. S grijaćim tijelima mogu se postići snage od do 60 kW/m2. Ove grijaće snage od do 60 kW/m2 mogu se dobiti s otpornim slojem od 1 mm. Pad snage s vremenom može biti manje od 0,01 % po godini kod stalnog opterećenja s naponom od 240 V.

Temperatura koja se može postići s otpornim grijaćim tijelom je ograničena s izborom polimera a može iznositi od više od 240°C pa sve do 500°C. Pogotovo treba polimer odabrati tako, da se željena temperatura u vodovima i dalje dobiva elektronskim vođenjem.

Korištenjem izumljenog otpornog sloja grijaće tijelo može poprimiti različite oblike. Otporno grijaće tijelo može biti u obliku trake, čija je duljina veća no širina i kod kojeg su elektrode u obliku traka koje se prostiru duž cijele dužine trake i koje su smještene po širini otpornog grijaćeg tijela jedna do druge. Kvadratni oblici su mogući s izumljenim grijaćim tijelom.

Otporno grijaće tijelo se može na primjer staviti na cijev s vanjske ili unutarnje strane. Kod toga je jednostrano kontaktiranje grijaćeg tijela od posebne pogodnosti, jer izmjena topline od otpornog grijaćeg tijela ka tijelu koji se želi grijati, na primjer cijevi, nije ometana kontaktima. A i električna izolacija između tijela koji se grije i otpornog grijaćeg tijela je pojednostavljena izostavljanjem kontaktnih mjesta na električki vodljivom sloju.

Intrinsični električni vodljivi polimer može u okviru izuma biti i tako odabran, da pokazuje negativan temperaturni koeficijent u nekom temperaturnom području. Tako temperaturni koeficijent može postati pozitivan iznad određene temperature, na primjer 80°C.

Druga zadaća ovog izuma je riješena kroz cijev koju se može grijati, kod koje je jedna unutarnja cijev na vanjskoj strani djelomično direktno ili preko međusloja s tankim otpornim slojem, koji obuhvaća intrinsični električni vodljivi polimer, prekrivena a na vanjskom dijelu otpornog sloja ima najmanje dvije plošne elektrode koje su razmaknute jedna od druge i koje djelomično prekrivaju taj sloj.

Kod izumljene grijaće cijevi otporni sloj obuhvaća intrinsično električki vodljivi polimer. Ovi u izumu korišteni polimeri, za otporni sloj, su tako napravljeni da struja teče duž molekula polimera. Uz pomoć strukture polimera se grijaća struja vodi duž polimerna kroz otporni sloj. Na temelji električnog otpora polimera stvara se toplina koju je moguće predati na unutarnju cijev koju se želi zagrijati. Ta grijaća struja ne može koristiti najkraći put između dvije elektrode već slijedi gradbenu strukturu polimera. Duljina strujnog puta je prema tome dana polimerima, tako da se i uz pomoć malih debljina slojeva mogu primijeniti relativno visoki naponi, bez da može doći do probijanja. Također i kod visokih struja, na primjer kod ukapčanja ne može doći do pregaranja. Nadalje se, uz pomoć distribucije struje u prvoj elektrodi i dalje vođenjem kroz otporni sloj duž polimerne strukture, dobiva homogena distribucija temperature u otpornom sloju. Ona se uspostavlja odmah nakon uključenja napona na elektrodama.

Na temelju ovih u izumu korištenih polimera moguće je grijaću cijev koristiti i kod visokih napona kao na primjer mrežnih napona. Kako moguća grijaća snaga raste s kvadratom korištenog napona to je s izumljenim grijaćim tijelom s otporom moguće dobiti velike grijaće snage, a time i visokih temperatura. Gustoća struja je minimizirana u ovom izumu pomoću dugačkog strujnog puta duž električki vodljivim polimerom odnosno uz stvaranje najmanje dviju zona, električno uključenih u seriju, koji posjeduju intrinsični električni vodljivi polimer prema izumu.

Nadalje su u izumu korišteni električni vodljivi polimeri vremenski stabilni. Ova se stabilnost posebno temelji na tome, da su polimeri rastezljivi, tako da povišenjem temperature ne može doći do pucanja polimernih lanaca a time do kidanja strujnog puta. Čak i višestrukim temperaturnim oscilacijama nije došlo do defekata na polimernim lancima. Kod uobičajenih grijaćih tijela s otporom kod kojih se vodljivost stvara na primjer pomoću naprava od čađe, bi takva termička ekspanzija dovela do kidanja strujnog puta a time do pregrijavanja. Zbog toga bi došlo do jake oksidacije i pregaranja otpornog sloja. Takve pojave starenja nisu poznate kod u izumu korištenih intrinsičnih električnih vodljivih polimera.

Ovi u izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimeri su također postojani na starenje u reaktivnoj okolini, na primjer u kisiku. Nadalje se kod načina vođenja struje kroz otpornu masu radi o elektronskom vođenju. Tako da ne dolazi do samouništenja otpornog sloja uslijed reakcija elektrolize utjecajem električnih struja kod grijaćeg tijela s otporom u ovom izumu. U grijaćem tijelu s otporom, u ovom izumu, su gubici u djelotvornosti plošnog grijanja tijekom vremena i pri visokim temperaturama, od na primjer 500°C i visokoj snazi plošnih grijaća, od na primjer 50 kW/m2, jako niski i skoro nula.

Ova vremenska postojanost to jest postojanost na starenje je za cijev ovog izuma od posebne važnosti, pošto cijevi koje se mogu grijati, na primjer kada se koristi pod zemljom ili na drugim teško dostupnim mjestima je česti popravak nepoželjan a ponekad čak i nemoguć.

Ukupno gledajući, otporni sloj ovog izuma pokazuje, zbog korištenja intrinsičnih elekričnih vodljivih polimera homogenu građu, koja dozvoljava ravnomjerno grijanje preko cijelog sloja.

Grijaća cijev ovog izuma se kontaktira pomoću dvije elektrode, izrađene od materijala s visokim stupnjem električne vodljivosti i koje su smještene na jednoj strani otpornog sloja. Na ovaj način kontaktiranja se način korištenja, u ovom izumu korištenog intrinsičnog vodljivog polimera može naročito dobro iskoristiti. Narinuta struja se u početku prostire u prvoj elektrodi, teče nakon toga duž polimerne strukture kroz debljinu otpornog sloja te se tada vodi u drugu kontaktirajuću elektrodu. Strujni put je produžen u odnosu na izvedbu kada te dvije elektrode uključuju otporni sloj između njih. Na temelju tog strujnog toka se debljina otpornog sloja može držati vrlo tankom.

Grijaća cijev ovog izuma se također odlikuje širokom mogućom primjenom. Elektrodni kontakti su na jednoj strani otpornog sloja. Strana okrenuta od unutarnje cijevi je slobodna od priključnih kontakata pa se može izvesti potpuno ravno. Ovakva ravna površina dozvoljava direktno naslanjanje na cijev. Kako dodirna površina grijaćeg tijela s otporom i cijevi koja se grije nije prekinuta s kontaktima za priključke moguć je idealni prijenos topline.

Ovim izumljenim načinom izrade mogu se cijevi jednostavno grijati. Unutarnja cijev se već na mjestu izrade može načiniti s otpornim slojem i elektrodama a i međuslojem koji se tada na mjesto postave u gotovom stanju može u cjevovod ugraditi.

Prema jednom načinu izrade izumljena cijev ima međusloj od materijala koji pokazuje veliku električnu vodljivost između unutarnje cijevi i otpornog sloja.

Međusloj ovdje služi kao plivajuća elektroda. S plivajuća elektroda se u smislu izuma smatra elektroda koja se ne spaja na strujni izvor. Ona može biti izolirana te time spriječiti kontakt s izvorom struje.

Ova plivajuća elektroda poboljšava strujni tok kroz otporni sloj. Kod ove izvedbe se struja prostire kroz prvu elektrodu, teče od nje kroz debljinu otpornog sloja u nasuprotnu plivajuću elektrodu, kroz nju se prosljeđuje kroz debljinu otpornog sloja k drugoj elektrodi koja se nalazi na strani otpornog sloja gdje se nalazi i prva elektroda. Međusloj se može od unutarnje cijevi izolirati folijama. Izolacija nekontaktirajučeg međusloja može se izvesti poznatim folijama od poliimida, poliestera ili silikonskog kaučuka.

Kod ove izvedbe grijaće cijevi struja uglavnom teče okomito na površinu otpornog sloja kroz njegovu debljinu. Uglavnom se stvaraju dvije zone u otpornom sloju. U prvoj zoni teče struja uglavnom okomito od prve kontaktne elektrode k plivajućoj elektrodi a u drugoj zoni uglavnom okomito od plivajuće elektrode k drugoj kontaktnoj elektrodi. Ovim poredkom se dobiva serijski spoj više otpora. Ovaj fenomen ima za posljedicu, da se dio napona koji vlada u pojedinim zonama u odnosu na narinuti napon smanji. Napon koji vlada u svakoj pojedinoj zoni iznosi samo polovicu narinutog napona u ovoj izvedbi. Sigurnosni rizici mogu kod grijaće cijevi ovog izuma na temelju malog napona koji vlada u otpornom sloju biti izbjegnuti pa su načini primjene raznoliki.

Tako se može izumljena cijev koristiti i u mokrom području ili na primjer mokroj zemlji ili dana na korištenje tamo gdje osobe moraju doticati cijev.

Nadalje, i previđeni prostor koji se nalazi između kontaktnih elektroda, djeluje kao dodatni otpor. Ako se koristi zrak kao izolacija u ovom međuprostoru, tada je otpor određen međusobnim razmakom elektroda a time površinskim otporom otpornog sloja. Razmak je preferirano veći od debljine otpornog sloja i iznosi dvostruko od debljine otpornog sloja.

Elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju uglavnom dobre temperaturne vodljivosti. Ona može biti veća od 200 W/mK, pa čak i veća od 250 W/mK. Lokalna pregrijavanja se mogu zahvaljujući ove dobre temperaturne vodljivosti u elektrodama brzo odvoditi. Pregrijavanja se zbog toga mogu javiti jedino u smjeru debljine sloja, ali se zbog relativno male debljine sloja, koja je moguće postići u grijaćoj cijevi ovog izuma, ne odražavaju negativno. Druga prednost cijevi je u tome, da se jedno vanjsko, na primjer od unutarnje cijevi izazvanog lokalnog temperaturngo povišenja, otpornim grijaćim tijelom može idealno izjednačiti. Takva povišenja temperature mogu se na primjer dogoditi u djelomično zapunjenim cijevima, jer je u onom dijelu koji sadrži zrak prijenos topline od cijevi prema zraku manji.

Cijev koja se može grijati nadalje pokazuje prednost, da otporni sloj koji je smješten na unutarnjoj cijevi pokazuju da može podnositi i velika opterećenja bez da dođe do lokalnog povišenja temperature. Mehanička opterećenja koja su prisutna u ugrađenom stanju pogotovo pod zemljom, javljaju se u pravilu u radijalnom smjeru. Taj smjer odgovara smjeru toka struje u otpornom sloju otpornog grijaćeg tijela. Kod takvih opterećenja ne dolazi do povišenja otpora na mjestima na kojima se javlja pritisak kao što bi bio slučaj kod otpornog grijaćeg tijela kod kojeg bi struja tekla okomito na mjesto tlačnog opterečenja.

U jednom daljnjem obliku izvedbe izumljene cijevi koja se može grijati je otporni sloj smješten neposredno na unutarnju cijev koja se sastoji od električki vodljivog materijala.

Strujni tok se kod ove izvedbe vodi od jedne elektrode drugoj najprije preko otporne mase i unutarnje cijevi. Zahvaljujući niskim naponima koji vladaju u otpornom sloju izumljene cijevi, može se unutarnja cijev, koja se u ovom slučaju ponaša kao plivajuća elektroda, uključiti u vođenje struje bez sigurnosnog rizika. Istovremeno se proizvedena toplina kod ovog načina izvedbe može dobro predati na medij koji se nalazi u cijevi. Kod ove izvedbe može unutarnja cijev biti u potpunosti prekrivena otpornim slojem a elektrode pokrivati u potpunosti taj sloj. Razmak koji se mora predvidjeti zbog električnih razloga postoji i u ovom načinu izvedbe.

Prema jednom drugom načinu izvedbe širi se, otporni sloj kao i elektrode koje se na njemu nalaze, u aksijalnom smjeru po dužini a elektrode su smještene u smjeru obujma razmaknute jedna od druge na tom otpornom sloju.

Tim dužinskim širenjem otpornog sloja i elektroda može se grijati točno određena dužina cijevi pri čemu je potrebno dovesti struju samo na jednom mjestu te dvije elektrode.

Prema jednom preferiranom načinu izvedbe otporni sloj pokriva samo dio obujma unutarnje cijevi i prostire se duž aksijalnog smjera. Preferirano iznosi dužina otpornog sloja i elektroda dužini cijevi.

Kod ovog izvedbenog načina može se preko definiranog područja, u kojem otporni sloj ili eventualno međusloj leži na unutarnjoj cijevi, predati toplina na cijev. Kod cijevi kod kojih unutarnja cijev pokazuje dobru toplinsku vodljivost, se od otpornog sloja predana toplina raspoređuje preko cijelog obujma unutarnje cijevi i može tako medij koji se nalazi u cijevi preko cijelog volumena zagrijavati. Kod ovakvog načina izvedbe može se medij dobro zagrijavati uz mali konstruktivni trošak. Ovaj način izvedbe je moguć samo s izumljenim načinom izrade grijaće cijevi. Samo ovakvom izradom se može postići velika plošna snaga, bez da otporni sloj bude oštećen dužom primjenom ili utjecajima reaktivnih tvari kao što su voda ili kisik.

Otporni sloj preferirano pokriva samo dio obujma koji se nalazi u ugrađenom stanju na donjoj strani cijevi. Time je omogućeno da i kod nepotpune zapunjenosti cijevi medij koji se želi grijati bude u kontaktu i time se može pouzdano i brzo zagrijati.

Kod izumljene cijevi su elektrode i međusloj preferirano od materijala sa specifičnim električnim otporom koji je manji od 10-4 Ωcm, preferirano manjim od 10-5 Ωcm. Podesni izradbeni materijali su na primjer aluminij ili bakar. Ovo je kod izumljene cijevi od posebne važnosti. Cijevi se koriste u pravilu za izradu cijevnih vodova na primjer cjevovoda (pipeline). Kako otporni sloj i elektrode kod takvih cjevovoda, koji se sastoje od izumljenih cijevi, ima velike dužine, od prednosti je ako električni otpor elektroda bude malen. S takvim elektrodnim materijalom može se spriječiti pad napona preko površine elektrode koji bi doveo do ukupnog smanjenja snage. Osim toga je s tom vodljivošću omogućeno brzo raspoređivanje struje u elektrodi, koji omogućuje brzo i ravnomjerno zagrijavanje u cijelosti ukupnog otpornog sloja a time i dužine cijevi, bez da se mora dovesti dodatni napon preko dužine ili širine na više dijelova. Vođenje žica za napajanje duž cijevi je time nepotrebno. Takve cijevi mogu imati dužinu i do 1 m. Jedno takvo kontaktiranje u ovim izumu se koristi samo u oblicima izvedbe kod kojih dužina cijevi pokazuje veću dužinu. Dužina kod koje takvo višestruko kontaktiranje ima smisla ovisi o elektrodnom materijalu kao i o mjesto kontaktiranja. Tako može višestruko kontaktiranje biti nepotrebno i kod dužina koje su veće od gore navedenih, ako je elektroda dostupna na sredini dužine i ako se tamo može kontaktirati.

Nadalje ovisi veličina koja se odnosi na jednostruko kontaktiranje upotrijebljene cijevi o debljini izabrane elektrode. Prema jednom načinu izvedbe elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju debljinu u području od 50 do 150 μm, osobito od 75 do 100 μm. Ove male debljine sloja su od prednosti jer se toplina od cijevi može lako od nje predati. K tome su tanke elektrode fleksibilnije, čime zbog termičke ekspanzije otpornog sloja ne dolazi do pucanja elektroda od otpornog sloja a time do prekida električnog kontakta.

Kod cjevovoda velikih dužina ipak može biti neophodno višestruko kontaktiranje elektroda. Ono se kod izumljenih cijevi može lako postići. Elektrode se kontaktiraju izvana tako da su lako dostupne. Kod cjevovoda može se predvidjeti strujni vod koji se prostire duž cijevi, te se na određenim razmacima elektrode spajaju na izvor struje. Time se mogu koristiti dugačke cijevi prema ovom izumu.

Otporni sloj u ovom izumu je tanak. On je prema dolje samo ograničen naponom probijanja i pokazuje uglavnom debljinu od 0,1 do 2 mm, osobito preferirano 1 mm. Prednost male debljine sloja otpornog sloja leži u na taj način mogućem brzom zagrijavanju, brzoj predaji topline i velikoj snazi plošnog grijanja. No, ovakvu debljinu sloja moguće je postići samo otpornim grijaćim tijelom ovog izuma. Upotrebom u ovom izumu korištenih polimera je kao prvo strujni put u otpornom sloju određen te može i kod malih debljina sloja pokazivati dovoljnu dužinu da spriječi probijanje napona. Nadalje dozvoljava jednostruko kontaktiranje otpornog grijaćeg tijela, podjelu otpornog sloja na zone s niskim naponom pri čemu se rizik probijanja dodatno smanjuje.

Prednost cijevi ovog izuma je još pojačana, ako otporni sloj pokazuje pozitivni temperaturni koeficijent električnog otpora (PTC). Time se postiže samoregulirajući efekt maksimalne temperature koja se može postići. Tim efektom mogu se izbjeći prezagrijavanja cijevi i time potaknute reakcije u cijevi. Efekt je uvjetovan time, da se na temelju PTC-a otpornog sloja protok struje kroz otpornu masu regulira u ovisnosti o temperaturi. Što se temperatura više podigne to je manja struja dok je na jednoj točno određenoj točki ravnoteže nemjerljivo mala. Time se može uspješno spriječiti lokalno prezagrijavanje te taljenje otporne mase. Ovaj efekt je kod ovog izuma od velikog značaja. Ako je cijev na primjer samo popunjena do polovice s jednim tekućim medijem, može se lakše odvoditi toplina u to područje cijevi nego u područje u kojem je zrak u cijevi. Na temelju nedostatnog odvođenja temperature bi se uobičajeno otporno grijaće tijelo zagrijalo a eventualno i rastopilo. Kod izumljene grijaće cijevi se to taljenje sprečava samoregulirajućim efektom.

Izbor PTC materijala kao materijala za otporni sloj ima zbog toga za posljedicu da se cijeli otporni sloj uglavnom na istu temperaturu zagrijava. Time je omogućena ravnomjerna predaja topline koja može biti bitna za pojedina područja primjene cijevi, na primjer, kada se vodi medij osjetljiv na temperaturu kroz cijev.

Otporni sloj ovog izuma može na površinama okrenutim prema elektrodama a i prema plivajućoj elektrodi biti metaliziran. Metaliziranjem dolazi do odlaganja metala na površinu otpornog sloja, te se na taj način poboljšava protok struje između elektroda odnosno plivajuće elektrode i otpornog sloja. Nadalje se, ovim oblikom izvedbe poboljšava i prijenos topline s otpornog sloja na plivajuću elektrodu a time i k unutarnjoj cijevi. Metalizacija se može provesti naprskavanjem metala na površinu. Takav način metalizacije moguć je samo kod u ovom izumu korištenog materijala za otporni sloj. Mnogo teži način metaliziranja na primjer galvanizacijom je nepotreban a time štedi troškove izrade.

Intrinsični električni vodljivi polimer je prvenstveno dobiven dopiranjem jednog polimera. Dopiranje može biti metalno ili polumetalno dotiranje. Kod tih polimera je ometajući vodič kemijski vezan na polimerni lanac i time stvara ometajuće mjesto. Dopirajući atomi i matrična molekula čine tako zvani kompleks prijenosa naboja (Charge-Transfer Complex). Kod dopiranja se elektroni iz popunjenih vrpci polimera prenose na dopirajući materijal. Tako nastalim elektronskim rupama polimer poprima poluvodičima slična električna svojstva. Kemijskom reakcijom se kod tog načina izvedbe jedan metalni ili polumetalni atom ugrađen ili nalegnut na polimernu strukturu, tako da time nastaju slobodni naboji koji omogućuju strujni tok duž polimerne strukture. Slobodni naboju su prisutni u obliku slobodnih elektrona ili rupa. Time nastaju elektronski vodiči.

Zbog pogodnosti se dodaje toliko dopirajućeg materija u polimer za dopiranje, da je omjer atoma dopirajućeg materijala u odnosu na polimerne molekule najmanje 1:1, osobito je pogodan odnos između 2:1 i 10:1. Tim odnosom se postiže da su uglavnom sve polimerne molekule dopiramo najmanje s jednim atomom dopirajućeg materijala. Izborom omjera može se iznos vodljivosti polimera time i otpornog sloja kao i temperaturnog koeficijenta otpora otpornog sloja namjestiti.

Iako se u ovom izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimer i bez dodatka grafita koristiti kao materijal za otporni sloj u otpornom grijaćem tijelu ovog izuma, može u još jednom obliku izrade otpornog sloja biti dodatno grafitnih čestica. Ove čestice mogu doprinijeti ukupnoj vodljivosti otpornog sloja, te se ne dodiruju zbog pogodnosti i ne stvaraju rešetke ili skeletne strukture. Grafitne čestice nisu čvrsto uključene u polimernu strukturu nego leže slobodno. Ako se grafitna čestica nalazi u kontaktu s dvije polimerne molekule tada struja može iz jednog lanca preko grafita prijeći na drugi lanac. Vodljivost otpornog sloja se na taj način može još povećati. Istovremeno mogu grafitne čestice zbog slobode kretanja u otpornom sloju doći na površinu i tamo dovesti do boljeg kontakta s elektrodama ili međuslojem odnosno unutarnje cijevi.

Grafitne čestice su preferirano prisutne u količini od maksimalno 20 vol-% a posebno preferirano maksimalno 5 vol% od ukupnog volumena otpornog sloja i pokazuju srednji promjer od maksimalno 0,1 μm. Ovom malom količinom kao i malim promjerom grafita onemogućeno je stvaranje grafitne rešetke a time i vođenje struje kroz taj grafit. Time je osigurano da struja i dalje teče uglavnom preko polimernih molekula elektronskim vođenjem a time se i postižu gore navedene prednosti. Pogotovo se vođenje ne smije ostvarivati preko grafitne rešetke odnosno skeleta, pri čemu se grafitne čestice moraju dodirivati i mogu se lako uništiti mehaničkim ili termičkim opterećenjem, nego ostvaruju se duž polimera koji su rastezljivi i na starenje postojani.

Kao intrinsični električni vodljivi polimeri mogu se koristiti električki vodljivi polimerizati kao što su polistirol, polivinilne smole, derivati poliakrilnih kiselina te mješavine tih polimerizata, polifluoro ugljikovodici, epoks i smolei poliuretan. Posebno su pogodni poliamidi, polimetilmetakrilati, epoksidi, poliuretani kao i polistirol ili njihove smjese. Kod toga poliamidi dodatno pokazuju i dobra ljepljiva svojstva koja su kod izrade cijevi ovog izuma od prednosti, jer su time nanošenja na unutarnju cijev ili međusloj olakšana. Neki polimeri kao na primjer poliacetilen nije moguće koristiti u ovom izumu zbog male postojanosti na starenje zbog reaktivnosti s kisikom.

Dužina korištenih polimernih molekula varira u velikom području u ovisnosti o vrsti i strukturi polimera, ali se preferirano kreće oko 500, a posebno preferirano oko 4000 Å.

U jednom načinu izvedbe otporni sloj sadrži i potporni materijal. Taj potporni materijal može služiti i kao nosač za intrinsično vodljivi polimer a također služi i kao držač odstojanja, pogotovo između elektroda i međusloja odnosno električki vodljivoj unutarnjoj cijevi.

Potporni materijal dodatno daje čvrstoću otpornom grijaćem tijelu zbog mogućnosti da može izdržati mehaničko naprezanje. Nadalje se korištenjem potpornog matrijala može debljina sloja otpornog sloja precizno namjestiti. Potporni sloj može biti od staklenih kuglica, staklenih niti, kamene vune, keramike, na primjer barijev titanat ili plastičnih materijala. Ako je potporni materijal prisutan u obliku tkiva ili pletiva, na primjer staklenih niti, tada se može uroniti u masu koja se sastoji od intrinsično električno vodljivih polimera, odnosno može se natopiti intrinsično električki vodljivim polimerom. Debljina sloja je tada određena debljinom rešetke ili pletiva. Mogu se koristiti postupci kao što su raklanje, mazanje ili postupak sitotiska.

Posebno je pogodno za potporni materijal koristiti plošni, porozni, električno izolirajući materijal. Takvim materijalom može se spriječiti da grijaća struja teče kroz potporni materijal a ne kroz polimernu strukturu.

Mogućnosti proizvodnje slojeva, koji preko površina odstupaju minimalnom tolerancijom na primjer 1 % od željene debljine, je pogotovo pogodno u malim slojnim debljinama ovog izuma jer bi se inače moglo dogoditi da dođe do neposrednog kontakta između kontaktirajućih elektroda i plivajuće elektrode. A također se odstupanja u debljini sloja preko površine može odraziti na temperaturu i dovesti do neravnomjerne raspodjele temperature.

Potporni sloj djeluje i tako da tok struje ne može uzeti najkraći put između elektroda i plivajuće elektrode, nego se skreće od materijala za punjene ili cijepa. Time se postiže optimalno iskorištenje dovedene energije.

Daljnji predmet ovog izuma se nadalje objašnjava na temelju priloženih crteža.

Pokazan je:

Slika 4 presjek jednog izvedbenog oblika izumljene cijevi bez toplinskog izolacionog sloja

Slika 5 presjek jednog izvedbenog oblika izumljene cijevi s toplinskim izolacionim slojem;

Na slici 4 prikana cijev 10 se sastoji od unutarnje cijevi 11 i jednog na nju stavljenog otpornog sloja 12, koji potpuno volumno prekriva unutarnju cijev 11. Na otpornom sloju 12 su naslonjene elektrode 13 i 14, koje su plošno napravljene i pomoću električne izolacije 16 odvojene jedna od druge. Ako se struja iz strujnog izvora (nije ovdje prikazan) dovede na elektrode 13, 14, tada on prolazi kroz otporni sloj 12 te prelazi preko elektrode 13 na unutarnju cijev 11. Unutarnja cijev je kod ovog izvedbenog oblika preferirano izrađena od električni vodljivog materijala. Struja se vodi kroz stjenku unutarnje cijevi 11 te teče dalje kroz otporni sloj 12 k drugoj elektrodi 14. Ovom toplinskom strujom se zagrijava cijeli otporni sloj 12 te može predati toplinu preko unutarnje cijevi 11 na unutrašnjost cijevi.

Na slici 5 je na jednom dijelu obujma unutarnje cijevi 11 naslonjeno otporno grijaće tijelo 12, 13, 14, 15, 16. Ono posjeduje k unutarnjoj cijevi okrenuti električni vodljivi sloj 15. Ovaj sloj 15 izrađen je ravan i na suprotnoj strani unutarnje cijevi 11 pokriven otpornim slojem 12. Na ovom otpornom sloju 12 nalaze se dvije elektrode 13 i 14 razmaknute jedna od druge. Unutarnja cijev je pokrivena toplinskim izolacijskim slojem 17 na području koji nije u kontaktu s otpornim grijaćim tijelom. Oko ovog toplinskog izolacijskog sloja 17 je stavljen izolacioni oblog 18 koji okružuje toplinski izolacioni sloj 17 kao i otporna grijaća tijela 12, 13, 14, 15, 16. Cijev nadalje posjeduje napravu za napajanje strujom 19. Ove naprave za napajanje strujom su spojene s dovodima 19a, koji su smješteni paralelno osi unutarnje cijevi 11 i idu duž izolacionog obloga 18. Ovi dovodi 19a idu duž cijele dužine cijevi te se mogu priključiti na strujni izvor (nije ovdje prikazan) ili spojiti na dovode 19a slijedeće cijevi. Između električnog vodljivog sloja 15 koji je okrenut prema unutarnjoj cijevi 11 i unutarnje cijevi 11 mogu biti predviđeni materijali koji služe za poboljšavanje toplinskog prijenosa. Oni mogu biti: termički vodljive paste, jastuci s toplinski vodljivim materijalom, silikonska guma i drugo. Otporno grijaće tijelo 12, 13, 14, 15, 16 se kod ovog izvedbenog oblika može prilagoditi i na zaobljenja unutarnje cijevi 11 čime je omogućen neposredni prijenos topline.

Elektrode 13, 14 su kod ovog prikazanog izvedbenog oblika smještene smjerom dužine cijevi i smještene su jedna pored druge preko obujma. Također je u okviru ovog izuma i razmjestiti elektrode 13, 14 na otpornom sloju 12 tako da su na obujmu cijevi i idu aksijalno jedna pored druge.

Zbog dovoda koji idu paralelno osi cijevi može se više cijevi koje su smještene jedna za drugom i koje pokazuju izumljeni oblik, priključiti strujno napajanje paralelno na otporna grijaća tijela. Dovodi su zaštićeni od oštećenja odnosno kontakata na primjer s vodom s izolacionim oblogom.

Toplinski izolacioni sloj služi za sprječavanje gubitka topline zbog emisije u smjeru suprotnom od unutarnje cijevi te toplinu koja se stvara na otpornom grijaćem tijelu usmjeriti uglavnom u smjeru unutarnje cijevi. Toplinski izolacioni sloj može biti od izolacionog materijala i eventualno može imati refleksni sloj.

Također je moguće cijelu cijev umotati s izolacionim otpornim slojem, dok se otporni sloj kao i plošne elektrode te međusloj trebaju smjestiti u utor otpornog sloja, koji se proteže dužinom unutarnje cijevi. Time se sprječava prijenos topline pomoću otpornog sloja preko ostalog područja obima unutarnje cijevi koji nije pokriven otpornim slojem odnosno međuslojem. Razmještajem otpornog grijaćeg tijela u izolacionom oblogu dobiven je dobar kontakt izolacionog obloga preko ostalog područja unutarnje cijevi. Izvedbeni oblici prikazani na slikama 4 i 5 mogu imati i dodatnu napravu za pritiskanje. Ove naprave za pritiskanje mogu se prema želji dodati izvana na prikazane grijaće cijevi na primjer pomoću ljepljivih traka ili prstenova ili kao što je prikazano izvedbenom obliku na slici 5, neposredno na vanjsku stranu otpornog grijaćeg tijela. U ovoj zadnjem slučaju se naprave mogu izraditi od mekane gume. Pogotovo kod velikih cijevi mogu se predvidjeti komore koje je moguće napuhati ili zapjeniti na otpornom grijaćem tijelu na strani suprotnoj od unutarnje cijevi. Napravom za pritiskivanje se dobiva konstantni pritisak a time i dobri toplinski prijelaz od otpornog grijaćeg tijela ka unutarnjoj cijevi.

Također se može naći primjena i za otporno grijaće tijelo prikazano na slici 2. Otporno grijaće tijelo se koristi u izumljenoj cijevi tako da je strana otpornog grijaćeg tijela na kojoj se nalaze kontaktirajuće elektrode okrenuta od unutarnje cijevi. Elektrode i plivajuća elektroda se smještaju preferirano tako, da su razmaknute preko obujma cijevi jedna od druge i prostiru se u aksijalnom smjeru. Time se preko obujma stvara više zona u kojima vlada napon koji je manji u prvoj od onog u drugoj. Električno dimenzioniranje se vrši uz korištenje jednog ovakvog otpornog grijaćeg tijela prema principijelnoj skici 3 i odgovarajuće formule za izračunavanje.

Unutarnja cijev ove izumljene grijaće cijevi može biti od na primjer metala ili umjetnog materijala, pogotovo polikarbonata. Ako se za unutarnju cijev odabere materijal koji ne posjeduje električnu vodljivost, tada otporno grijaće tijelo može imati međusloj između unutarnje cijevi i otpornog sloja. Također je u okviru ovog izuma predvidjeti jedno otporno grijaće tijelo kod takve unutarnje cijevi koje uključuje samo elektrode i otporni sloj. Kod takvog izvedbenog oblika se grijaća struja vodi preko jedne elektrode preko otporne mase otpornog sloja, to znači preko vodljivi polimer, ka drugoj elektrodi. Jedno takvo vođenje je kod izumljene cijevi moguće jer struktura polimera dozvoljava dovoljan tok struje kroz otpornu masu a time i zadovoljavajuće stvaranje topline.

U okviru ovog izuma leži i dovođenje dovoda na vanjski dio izolacione obloge koji su spojeni s elektrodama otpornog grijaćeg tijela preko naprave za napajanje strujom.

Kao izolacioni dio između elektroda pod strujom može poslužiti obični dielektrik, pogotovo umjetni materijal.

Priključci za napajanje grijaćeg tijela sa strujom su naređeni prema želji s prema potrebi dugačkim licnama ali i čvrsto nalijepljenim kontaktima, pri čemu se mogu koristiti poznati načini kontaktiranja.

Također se nalazi u okviru ovog izuma materijal koji se koristi za otporni sloj kod kojeg je temperaturni koeficijent električnog otpora negativan.

Kod negativnog temperaturnog koeficijenta električnog otpora potrebna je mala struja ukapčanja. Nadalje može materijal za izradu otpornog sloja biti tako odabran da se otporna masa koja se koristi u izumu nakon određene temperature regulira unatrag, na primjer kod 80°C, tako da je iznad ove temperature temperaturni koeficijent električnog otpora pozitivan.

Otporni sloj može pokazivati izradu u kojem su prisutni različiti slojevi s različitim otpornim materijalima s različitim specifičnim električnim otpornostima.

Ovaj način izrade pokazuje prednost da izborom odgovarajućeg materijala za otporni sloj one strane otpornog sloja koji je okrenut prema tijelu koji se želi grijati može imati višu temperaturu, bez različitih grijaćih struja, na primjer pomoću grijaćih žica u pojedinim slojevima otpornog sloja. Ovaj efekt se postiže na taj način da se specifični električni otpor korištenog polimera sloja koji je okrenut prema elektrodama u odnosu na onaj okrenut prema cijevi uvijek odabire s većom vrijednošću.

Cijev ovog izuma može se zahvaljujući korištenom otpornom sloju i kontaktiranja pogoniti s niskim naponima od na primjer 24 V kao i s vrlo visokim naponima kao na primjer 240, 400 pa sve do 1000 V.

S izumljenom cijevi mogu se dobiti plošne grijaće snage od iznad 10 kW/m2, osobito većim od 30 kW/m2. S cijevima mogu se postići snage od do 60 kW/m2. Ove grijaće snage od do 60 kW/m2 mogu se dobiti s otpornim slojem od 1 mm. Pad snage s vremenom može biti manje od 0,01 % po godini kod stalnog opterećenja s naponom od 240 V.

Temperatura koja je moguće postići s cijevi je ograničena s izborom polimera a može iznositi od više od 240°C pa sve do 500°C.

Cijev prema ovom izumu može biti cijevni komad dužine po želji. Ovakvi cijevni komadi mogu se po želji spojiti, s cijevima prema izumu ili običnim cijevnim komadima koje se ne može grijati, u cjevovode. Na taj način je moguće zagrijavati one dijelove voda kod kojih je potrebno namjestiti točnu temperaturu da bi se na primjer izbjeglo zamrzavanje. Takvim selektivnim grijanjem se mogu optimizirati troškovi za cjevovod. Mogu se izraditi cijevi prema izumu u dužinama od 10 cm ali i do 2 m.

Također je moguće samo jedan dio cijevi načiniti s izvedbom prema izumu. Također se može smjestiti jedan ili više otpornih grijaćih tijela u termički izolacioni sloj izumljene cijevi. One se mogu prostirati u radijalnom ili aksijalnom smjeru. Kod toga mogu otporna grijaća tijela biti raspoređena preko obima u na primjer više utora izolacione obloge.

Ako se na elektrode grijaćeg tijela dovede istosmjerna struja i unutarnja cijev je izrađena od električki vodljivog materijala, može se na unutarnjoj cijevi načiniti katodni zaštitni napon koji sprečava koroziju cijevi.

Cijev može pokazivati i izradu kod koje se unutarnja cijev tvori iz obične cijevi i koja je obuhvaćena s dvije polovice obujmice, pri čemu najmanje jedna polovična obujmica obuhvaća otporno grijaće tijelo. Ove poluobujmice se preferirano izrađene od izolacionog materijala kao što su na primjer staklene niti ili umjetni materijal.

Sa cijevima, prema ovom izumu, mogu se izraditi cjevovodi (pipeline) i u područjima gdje se može očekivati smrzavanje cijevi.

Daljnja zadaća ovog izuma je riješena kroz transportnu napravu za medije koju je moguće grijati, koja sadrži posudu za prihvat medija, pri čemu je posuda na vanjskoj strani pokrivena neposredno ili preko međusloja s tankim otpornim slojem koji sadrži intrinsički električni vodljivi polimer, i koja ima na vanjskoj strani otpornog sloja najmanje dvije plošne elektrode koje najmanje djelomično prekrivaju i koje su odmaknute jedna od druge.

Izumljenom transportnom napravom se posuda može jednostavno i sigurno zagrijavati.

Kod izumljene transportne naprave otporni sloj obuhvaća intrinsično električki vodljivi polimer. Ovi u izumu korišteni polimeri, za otporni sloj, su tako napravljeni da struja teče duž molekula polimera. Uz pomoć strukture polimera se grijaća struja vodi duž polimerna kroz otporni sloj. Na temelji električnog otpora polimera stvara se toplina koju je moguće predati na posudu koji se želi zagrijati. Ta grijaća struja ne može koristiti najkraći put između dvije elektrode već slijedi gradbenu strukturu polimera. Duljina strujnog puta je prema tome dana polimerima, tako da se i uz pomoć malih debljina slojeva mogu primijeniti relativno visoki naponi, bez da može doći do probijanja. Također i kod visokih struja, na primjer kod ukapčanja ne može doći do pregaranja. Nadalje se, uz pomoć distribucije struje u prvoj elektrodi i dalje vođenjem kroz otporni sloj duž polimerne strukture, dobiva homogena distribucija temperature u otpornom sloju. Ona se uspostavlja odmah nakon uključenja napona na elektrodama.

Na temelju ovih u izumu korištenih polimera moguće je transportnu napravu koristiti i kod visokih napona kao na primjer mrežnih napona. Kako moguća grijaća snaga raste s kvadratom korištenog napona to je s izumljenom transportnom napravom moguće dobiti velike grijaće snage, a time i visokih temperatura. Gustoća struja je minimizirana u ovom izumu pomoću dugačkog strujnog puta duž električki vodljivim polimerom odnosno uz stvaranje najmanje dviju zona, električno uključenih u seriju, koji posjeduju intrinsični električni vodljivi polimer prema izumu.

Nadalje su u izumu korišteni električni vodljivi polimeri vremenski stabilni. Ova se stabilnost posebno temelji na tome, da su polimeri rastezljivi, tako da povišenjem temperature ne može doći do pucanja polimernih lanaca a time do kidanja strujnog puta. Čak i višestrukim temperaturnim oscilacijama nije došlo do defekata na polimernim lancima. Kod uobičajenih grijaćih tijela s otporom, koji se koriste za transportne naprave, kod kojih se vodljivost stvara na primjer pomoću naprava od čađe, bi takva termička ekspanzija dovela do kidanja strujnog puta a time do pregrijavanja. Zbog toga bi došlo do jake oksidacije i pregaranja otpornog sloja. Takve pojave starenja nisu poznate kod u izumu korištenih intrinsičnih električnih vodljivih polimera.

Ovi u izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimeri su također postojani na starenje u reaktivnoj okolini, na primjer u kisiku. Nadalje se kod načina vođenja struje kroz otpornu masu radi o elektronskom vođenju. Tako da ne dolazi do samouništenja otpornog sloja uslijed reakcija elektrolize utjecajem električnih struja kod transportnih naprava koje se mogu grijati u ovom izumu. U grijaćem tijelu s otporom, u ovom izumu, su gubici u djelotvornosti plošnog grijanja tijekom vremena i pri visokim temperaturama, od na primjer 500°C i visokoj snazi plošnih grijaća, od na primjer 50 kW/m2, jako niski i skoro nula.

Ukupno gledajući, otporni sloj ovog izuma pokazuje, zbog korištenja intrinsičnih elekričnih vodljivih polimera homogenu građu, koja dozvoljava ravnomjerno grijanje preko cijelog sloja.

Transportna naprava ovog izuma se kontaktira pomoću dvije elektrode, izrađene od materijala s visokim stupnjem električne vodljivosti i koje su smještene na jednoj strani otpornog sloja. Na ovaj način kontaktiranja se način korištenja, u ovom izumu korištenog intrinsičnog vodljivog polimera može naročito dobro iskoristiti. Narinuta struja se u početku prostire u prvoj elektrodi, teče nakon toga duž polimerne strukture kroz debljinu otpornog sloja te se tada vodi u drugu kontaktirajuću elektrodu. Strujni put je produžen u odnosu na izvedbu kada te dvije elektrode uključuju otporni sloj između njih. Na temelju tog strujnog toka se debljina otpornog sloja može držati vrlo tankom.

Transportna naprava ovog izuma se također odlikuje širokom mogućom primjenom. Elektrodni kontakti su na jednoj strani otpornog sloja. Ona je okrenuta od posude i time je lako dostupna za kontaktiranje. Druga strana otpornog sloja okrenuta prema posudi je slobodna od priključnih kontakata pa se može izvesti potpuno ravno. Ovakva ravna površina dozvoljava direktno naslanjanje na posudu. Kako dodirna površina grijaćeg tijela s otporom i posude nije prekinuta s kontaktima za priključke moguć je idealni prijenos topline.

Prema jednom načinu izrade izumljena cijev ima međusloj od materijala koji pokazuje veliku električnu vodljivost između posude i otpornog sloja.

Kao plivajuća elektroda se u smislu izuma smatra elektroda koja se ne spaja na strujni izvor. Ona može biti izolirana te time spriječiti kontakt s izvorom struje.

Ova plivajuća elektroda poboljšava strujni tok kroz otporni sloj. Kod ove izvedbe se struja prostire kroz prvu elektrodu, teče od nje kroz debljinu otpornog sloja u nasuprotnu plivajuću elektrodu, kroz nju se prosljeđuje kroz debljinu otpornog sloja k drugoj elektrodi koja se nalazi na strani otpornog sloja okrenutog od posude gdje se nalazi i prva elektroda. Međusloj se može od posude izolirati folijama. Izolacija nekontaktirajučeg međusloja može se izvesti poznatim folijama od poliimida, poliestera ili silikonskog kaučuka.

Kod ove izvedbe grijaće transportne naprave, struja uglavnom teče okomito na površinu otpornog sloja kroz njegovu debljinu. Uglavnom se stvaraju dvije zone u otpornom sloju. U prvoj zoni teče struja uglavnom okomito od prve kontaktne elektrode k plivajućoj elektrodi a u drugoj zoni uglavnom okomito od plivajuće elektrode k drugoj kontaktnoj elektrodi. Ovim poredkom se dobiva serijski spoj više otpora. Ovaj fenomen ima za posljedicu, da se dio napona koji vlada u pojedinim zonama u odnosu na narinuti napon smanji. Napon koji vlada u svakoj pojedinoj zoni iznosi samo polovicu narinutog napona u ovoj izvedbi. Sigurnosni rizici mogu kod transportne naprave ovog izuma na temelju malog napona koji vlada u otpornom sloju biti izbjegnuti pa su načini primjene raznoliki. Tako se izumljena transportna naprava može koristiti i za posude koju osobe moraju doticati. Kod transporta medija je izumljena naprava izložena vremenskim prilikama. Pogotovo za vrijeme padanja kiše ili snijega može doći do kontakta naprave s vodom. Zbog ekstremno niskih napona, koji se koristi u otpornom sloju izumljene naprave, ne dolazi do sigurnosnog rizika. Nadalje je moguće napajanje izumljene naprave iz uobičajenih izvora napajanja, na primjer baterije. Ona se može vrlo jednostavno pričvrstiti na željeznički vagon ili na kamion. U ovom zadnjem primjeru se izumljena naprava može napajati i iz akumulatora kamiona s naponom, čime je konstrukcija dodatno pojednostavljena.

Nadalje, i previđeni prostor koji se nalazi između kontaktnih elektroda, djeluje kao dodatni otpor. Ako se koristi zrak kao izolacija u ovom međuprostoru, tada je otpor određen međusobnim razmakom elektroda a time površinskim otporom otpornog sloja. Razmak je preferirano veći od debljine otpornog sloja i iznosi dvostruko od debljine otpornog sloja.

Elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju uglavnom dobre temperaturne vodljivosti. Ona može biti veća od 200 W/mK, pa čak i veća od 250 W/mK. Lokalna pregrijavanja se mogu zahvaljujući ove dobre temperaturne vodljivosti u elektrodama brzo odvoditi. Pregrijavanja se zbog toga mogu javiti jedino u smjeru debljine sloja, ali se zbog relativno male debljine sloja, koja je moguće postići u transportnim napravama ovog izuma, ne odražavaju negativno. Druga prednost transportne naprave je u tome, da se jedno vanjsko, na primjer, od tijela koji se želi grijati, izazvano lokalno temperaturno povišenje otpornim grijaćim tijelom može idealno izjednačiti. Takvi porasti temperature mogu se pojaviti iznutra, na primjer kod djelomično napunjenih posuda, jer je u dijelovima napunjenim zrakom prijenos topline od posude na zrak puno manje.

Transportna naprava nadalje pokazuje prednost, da otporni sloj koji je smješten na posudi pokazuju da može podnositi i velika opterećenja bez da dođe do lokalnog povišenja temperature. Mehanička opterećenja koja djeluju na posudu, javljaju se u pravilu u radijalnom smjeru. Taj smjer odgovara smjeru toka struje u otpornom sloju otpornog grijaćeg tijela. Kod takvih opterećenja ne dolazi do povišenja otpora na mjestima na kojima se javlja pritisak kao što bi bio slučaj kod otpornog grijaćeg tijela kod kojeg bi struja tekla okomito na mjesto tlačnog opterećenja.

U jednom daljnjem obliku izvedbe izumljena transportna naprava koja se može grijati je otporni sloj smješten neposredno na posudu koja se sastoji od električki vodljivog materijala.

Strujni tok se kod ove izvedbe vodi od jedne elektrode drugoj najprije preko otporne mase i posude. Zahvaljujući niskim naponima koji vladaju u otpornom sloju izumljene cijevi, može se posuda, koja se u ovom slučaju ponaša kao plivajuća elektroda, uključiti u vođenje struje bez sigurnosnog rizika. Istovremeno se proizvedena toplina kod ovog načina izvedbe može dobro predati na medij koji se nalazi u posudi. Kod ove izvedbe može posuda biti u potpunosti prekrivena otpornim slojem a elektrode pokrivati u potpunosti taj sloj. Razmak koji se mora predvidjeti zbog električnih razloga postoji i u ovom načinu izvedbe.

Prema jednom drugom načinu izvedbe širi se, otporni sloj kao i elektrode koje se na njemu nalaze, u aksijalnom smjeru po dužini a elektrode su smještene u smjeru obujma razmaknute jedna od druge na tom otpornom sloju.

Zbog dužinskog širenja otpornog grijaćeg tijela koji nastaje iz otpornog sloja i elektroda i eventualno međusloja, može se zagrijavati točno određeni dio posude, pri čemu je potrebno dovesti struju samo na jednom dijelu elektroda.

Prema jednom preferiranom načinu izvedbe otporni sloj pokriva samo dio obujma posude i prostire se duž aksijalnog smjera. Preferirano iznosi dužina otpornog sloja i elektroda dužini posude.

Kod ovog izvedbenog načina može se preko definiranog područja, u kojem otporni sloj ili eventualno međusloj leži na posudi, predati toplina na posudu. Kod transportne naprave kod koje posuda pokazuje dobru toplinsku vodljivost, se od otpornog sloja predana toplina raspoređuje preko cijelog obujma posude i može tako medij koji se nalazi u posudi preko cijelog volumena zagrijavati. Kod ovakvog načina izvedbe može se medij dobro zagrijavati uz mali konstruktivni trošak. Ovaj način izvedbe je moguć samo s izumljenim načinom izrade transportne naprave. Samo ovakvom izradom se može postići velika plošna snaga, bez da otporni sloj bude oštećen dužom primjenom ili utjecajima reaktivnih tvari kao što su voda ili kisik.

Otporni sloj preferirano pokriva samo dio obujma koji se nalazi u ugrađenom stanju na donjoj strani posude. Time je omogućeno da i kod nepotpune zapunjenosti posude medij koji se želi grijati bude u kontaktu i time se može pouzdano i brzo zagrijati.

Kod izumljene transportne naprave su elektrode i međusloj preferirano od materijala sa specifičnim električnim otporom koji je manji od 10-4 Ωcm, preferirano manjim od 10-5 Ωcm. Podesni izradbeni materijali su na primjer aluminij ili bakar. Ovo je kod izumljene transportne naprave od posebne važnosti. Posude za transportne naprave se u pravilu izrađuju s velikim dužinama. Kako otporno grijaće tijelo kod takvih transportnih naprava posjeduje velike dužine je od prednosti ako je otpor elektroda malen. S takvim elektrodnim materijalom može se spriječiti pad napona preko površine elektrode koji bi doveo do ukupnog smanjenja snage. Osim toga je s tom vodljivošću omogućeno brzo raspoređivanje struje u elektrodi, koji omogućuje brzo i ravnomjerno zagrijavanje u cijelosti ukupnog otpornog sloja a time i dužine posude, bez da se mora dovesti dodatni napon preko dužine ili širine na više dijelova. Vođenje žica za napajanje duž posude je time nepotrebno. Takve posude mogu imati dužinu i do 1 m. Jedno takvo kontaktiranje u ovim izumu se koristi samo u oblicima izvedbe kod kojih dužina posude pokazuje veću dužinu. Dužina kod koje takvo višestruko kontaktiranje ima smisla ovisi o elektrodnom materijalu kao i o mjesto kontaktiranja. Tako može višestruko kontaktiranje biti nepotrebno i kod dužina koje su veće od gore navedenih, ako je elektroda dostupna na sredini dužine i ako se tamo može kontaktirati.

Nadalje ovisi veličina koja se odnosi na jednostruko kontaktiranje transportne naprave o debljini izabrane elektrode. Prema jednom načinu izvedbe elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju debljinu u području od 50 do 150 μm, osobito od 75 do 100 μm. Ove male debljine sloja su od prednosti jer se toplina od otpornog grijaćeg tijela može lako od predati na posudu. K tome su tanke elektrode fleksibilnije, čime zbog termičke ekspanzije otpornog sloja ne dolazi do pucanja elektroda od otpornog sloja a time do prekida električnog kontakta.

Kod posuda velikih dužina ipak može biti neophodno višestruko kontaktiranje elektroda. Ono se kod izumljenih transportnih naprava može lako postići. Elektrode se kontaktiraju izvana tako da su lako dostupne. Kod posuda može se predvidjeti strujni vod koji se prostire duž posude, te se na određenim razmacima elektrode spajaju na izvor struje. Time se mogu koristiti dugačke transportne naprave prema ovom izumu.

Otporni sloj u ovom izumu je tanak. On je prema dolje samo ograničen naponom probijanja i pokazuje uglavnom debljinu od 0,1 do 2 mm, osobito preferirano 1 mm. Prednost male debljine sloja otpornog sloja leži u na taj način mogućem brzom zagrijavanju, brzoj predaji topline i velikoj snazi plošnog grijanja. No, ovakvu debljinu sloja moguće je postići samo otpornim grijaćim tijelom ovog izuma. Upotrebom u ovom izumu korištenih polimera je kao prvo strujni put u otpornom sloju određen te može i kod malih debljina sloja pokazivati dovoljnu dužinu da spriječi probijanje napona. Nadalje dozvoljava jednostruko kontaktiranje otpornog grijaćeg tijela, podjelu otpornog sloja na zone s niskim naponom pri čemu se rizik probijanja dodatno smanjuje.

Prednosti transportne naprave ovog izuma se još pojačavaju ako otporni sloj pokazuje pozitivni temperaturni koeficijent električnog otpora (PTC). Time se postiže samoregulirajući efekt maksimalne temperature koja se može postići. Ovim efektom se mogu pregrijavanja posude izbjeći a time potaknute reakcije. Efekt je uvjetovan time, da se na temelju PTC-a otpornog sloja protok struje kroz otpornu masu regulira u ovisnosti o temperaturi. Što se temperatura više podigne to je manja struja dok je na jednoj točno određenoj točki ravnoteže nemjerljivo mala. Time se može uspješno spriječiti lokalno prezagrijavanje te taljenje otporne mase. Ovaj efekt je kod ovog izuma od velikog značaja. Ako je posuda na primjer samo popunjena do polovice s jednim tekućim medijem, može se lakše odvoditi toplina u to područje posude nego u područje u kojem je zrak u posudi. Na temelju nedostatnog odvođenja temperature bi se uobičajeno otporno grijaće tijelo zagrijalo a eventualno i rastopilo. Kod izumljene posude se to taljenje sprečava samoregulirajućim efektom.

Izbor PTC materijala kao materijala za otporni sloj ima zbog toga za posljedicu da se cijeli otporni sloj uglavnom na istu temperaturu zagrijava. Time je omogućena ravnomjerna predaja topline koja može biti bitna za pojedina područja primjene posude, na primjer kada se transportiraju temperaturno osjetljivi mediji u posudi.

Otporni sloj ovog izuma može na površinama okrenutim prema elektrodama a i prema plivajućoj elektrodi biti metaliziran. Metaliziranjem dolazi do odlaganja metala na površinu otpornog sloja, te se na taj način poboljšava protok struje između elektroda odnosno plivajuće elektrode i otpornog sloja. Nadalje se, ovim oblikom izvedbe poboljšava i prijenos topline s otpornog sloja na plivajuću elektrodu a time i k posudi. Metalizacija se može provesti naprskavanjem metala na površinu. Takav način metalizacije moguć je samo kod u ovom izumu korištenog materijala za otporni sloj. Mnogo teži način metaliziranja na primjer galvanizacijom je nepotreban a time štedi troškove izrade.

Intrinsični električni vodljivi polimer je prvenstveno dobiven dopiranjem jednog polimera. Dopiranje može biti metalno ili polumetalno dotiranje. Kod tih polimera je ometajući vodič kemijski vezan na polimerni lanac i time stvara ometajuće mjesto. Dopirajući atomi i matrična molekula čine tako zvani kompleks prijenosa naboja (Charge-Transfer Complex). Kod dopiranja se elektroni iz popunjenih vrpci polimera prenose na dopirajući materijal. Tako nastalim elektronskim rupama polimer poprima poluvodičima slična električna svojstva. Kemijskom reakcijom se kod tog načina izvedbe jedan metalni ili polumetalni atom ugrađen ili nalegnut na polimernu strukturu, tako da time nastaju slobodni naboji koji omogućuju strujni tok duž polimerne strukture. Slobodni naboju su prisutni u obliku slobodnih elektrona ili rupa. Time nastaju elektronski vodiči.

Zbog pogodnosti se dodaje toliko dopirajućeg materija u polimer za dopiranje, da je omjer atoma dopirajućeg materijala u odnosu na polimerne molekule najmanje 1:1, osobito je pogodan odnos između 2:1 i 10:1. Tim odnosom se postiže da su uglavnom sve polimerne molekule dopiramo najmanje s jednim atomom dopirajućeg materijala. Izborom omjera može se iznos vodljivosti polimera time i otpornog sloja kao i temperaturnog koeficijenta otpora otpornog sloja namjestiti.

Iako se u ovom izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimer i bez dodatka grafita koristiti kao materijal za otporni sloj u otpornom grijaćem tijelu ovog izuma, može u još jednom obliku izrade otpornog sloja biti dodatno grafitnih čestica. Ove čestice mogu doprinijeti ukupnoj vodljivosti otpornog sloja, te se ne dodiruju zbog pogodnosti i ne stvaraju rešetke ili skeletne strukture. Grafitne čestice nisu čvrsto uključene u polimernu strukturu nego leže slobodno. Ako se grafitna čestica nalazi u kontaktu s dvije polimerne molekule tada struja može iz jednog lanca preko grafita prijeći na drugi lanac. Vodljivost otpornog sloja se na taj način može još povećati. Istovremeno mogu grafitne čestice zbog slobode kretanja u otpornom sloju doći na površinu i tamo dovesti do boljeg kontakta s elektrodama ili međusloja odnosno posude.

Grafitne čestice su preferirano prisutne u količini od maksimalno 20 vol-% a posebno preferirano maksimalno 5 vol% od ukupnog volumena otpornog sloja i pokazuju srednji promjer od maksimalno 0,1 μm. Ovom malom količinom kao i malim promjerom grafita onemogućeno je stvaranje grafitne rešetke a time i vođenje struje kroz taj grafit. Time je osigurano da struja i dalje teče uglavnom preko polimernih molekula elektronskim vođenjem a time se i postižu gore navedene prednosti. Pogotovo se vođenje ne smije ostvarivati preko grafitne rešetke odnosno skeleta, pri čemu se grafitne čestice moraju dodirivati i mogu se lako uništiti mehaničkim ili termičkim opterećenjem, nego ostvaruju se duž polimera koji su rastezljivi i na starenje postojani.

Kao intrinsični električni vodljivi polimeri mogu se koristiti električki vodljivi polimerizati kao što su polistirol, polivinilne smole, derivati poliakrilnih kiselina te mješavine tih polimerizata, polifluoro ugljikovodici, epoks i smolei poliuretan. Posebno su pogodni poliamidi, polimetilmetakrilati, epoksidi, poliuretani kao i polistirol ili njihove smjese. Kod toga poliamidi dodatno pokazuju i dobra ljepljiva svojstva koja su kod izrade transportne naprave ovog izuma od prednosti, pošto se olakšava nanošenje na posudu ili međusloj. Neki polimeri kao na primjer poliacetilen nije moguće koristiti u ovom izumu zbog male postojanosti na starenje zbog reaktivnosti s kisikom.

Dužina korištenih polimernih molekula varira u velikom području u ovisnosti o vrsti i strukturi polimera, ali se preferirano kreće oko 500, a posebno preferirano oko 4000 Å.

U jednom načinu izvedbe otporni sloj sadrži i potporni materijal. Taj potporni materijal može služiti i kao nosač za intrinsično vodljivi polimer a također služi i kao držač odstojanja, pogotovo između elektroda i međusloja odnosno posude. Potporni materijal dodatno daje čvrstoću otpornom grijaćem tijelu zbog mogućnosti da može izdržati mehaničko naprezanje. Nadalje se korištenjem potpornog matrijala može debljina sloja otpornog sloja precizno namjestiti. Potporni sloj može biti od staklenih kuglica, staklenih niti, kamene vune, keramike, na primjer barijev titanat ili plastičnih materijala. Ako je potporni materijal prisutan u obliku tkiva ili pletiva, na primjer staklenih niti, tada se može uroniti u masu koja se sastoji od intrinsično električno vodljivih polimera, odnosno može se natopiti intrinsično električki vodljivim polimerom. Debljina sloja je tada određena debljinom rešetke ili pletiva. Mogu se koristiti postupci kao što su raklanje, mazanje ili postupak sitotiska.

Posebno je pogodno za potporni materijal koristiti plošni, porozni, električno izolirajući materijal. Takvim materijalom može se spriječiti da grijaća struja teče kroz potporni materijal a ne kroz polimernu strukturu.

Mogućnosti proizvodnje slojeva, koji preko površina odstupaju minimalnom tolerancijom na primjer 1 % od željene debljine, je pogotovo pogodno u malim slojnim debljinama ovog izuma jer bi se inače moglo dogoditi da dođe do neposrednog kontakta između kontaktirajućih elektroda i plivajuće elektrode. A također se odstupanja u debljini sloja preko površine može odraziti na temperaturu i dovesti do neravnomjerne raspodjele temperature.

Potporni sloj djeluje i tako da tok struje ne može uzeti najkraći put između elektroda i plivajuće elektrode, nego se skreće od materijala za punjene ili cijepa. Time se postiže optimalno iskorištenje dovedene energije.

Izumljena transportna naprava se u nastavku opisuje preko danih crteža.

Prikazuje se:

Slika 6 presjek izvedbenog oblika izumljene naprave bez toplinskog izolacionog sloja;

Slika 7 presjek izvedbenog oblika izumljene naprave s otpornim grijaćim tijelom koji je smješten u toplinskom izolacionom sloju;

Slika 8 perspektivni prikaz izvedbenog oblika prikazanog na slici 7 izumljene naprave;

Na slici 6 prikazana naprava 20 se sastoji od posude 21 u obliku cijevi i na njemu stavljenog otpornog sloja 22, koji okružuje u potpunosti posudu 22. Na otpornom sloj 22 stavljene su dvije elektrode 24 i 24 koje su plošno napravljene i električnom izolacijom 26 odvojene jedna od druge. Ako se priključi struja iz strujnog izvora (nije ovdje prikazana) na elektrode 23, 24, tada ona protiče kroz otporni sloj 22 i ide od jedne elektrode 23 ka posudi 21. Posuda 21 se kod ovog izvedbenog oblika preferirano sastoji od električni vodljivog materijala. Struja se dalje vodi u stjenku posude 21 te protiče kroz otporni sloj 22 ka drugoj elektrodi 24. Ovom toplinskom strujom se zagrijava cijeli otporni sloj 22 te može preko posude 21 predati toplinu ka unutrašnjosti posude.

Na slici 7 je na jednom dijelu obujma posude u obliku cijevi 21 dodano otporno grijaće tijelo. Ono posjeduje električni sloj 25 koji je okrenut prema posudi 21. Taj sloj 25 je ravan i na suprotnoj strani posude 21 pokriven s otpornim slojem. Na otpornom sloju 22 su naslonjene dvije elektrode 23 i 24 koje su razmaknute jedna od druge. Posuda 21 je pokrivena toplinskim izolacijskim slojem 27 na mjestima koje nisu u kontaktu s otpornim grijaćim tijelom. Oko ovog toplinskog izolacionog sloja 27 stavljen je izolacioni omotač 28, koji je smješten oko toplinskog izolacionog sloja 27 kao i otpornih grijaćih tijela 22, 23, 24, 25, 26. Naprava nadalje posjeduje napravu za dovod struje 29. Naprave za dovod struje 29 su priključene s dovodima 29a, koji idu paralelno osi cjevaste posude 21 kroz izolacioni omotač 28. Ovi dovodi 29a prostiru se po cijeloj dužini izolacionog omotača 28 i mogu biti na kraju priključeni na izvor struje (nije ovdje prikazano) ili s dovodima 29a na slijedeći na posudi 21 priključeni izolacioni omotač 28 s otpornim grijaćim tijelom i toplinskim izolacionim slojem 27. Između one strane električnog vodljivog sloja 25 koji je okrenut prema posudi 21 i posude 21 mogu biti predviđeni materijali za poboljšanje prijenosa topline. Oni mogu biti: termički vodljive paste, jastuci s termički vodljivim materijalima, silikonska guma i drugo. Otporno grijaće tijelo 22, 23, 24, 25, 26 se kod ovog izvedbenog oblika može prilagoditi i na zaobljenja posude 21, čime je omogućen neposredni prijenos topline.

Elektrode 23, 24 su kod ovog prikazanog izvedbenog oblika smještene smjerom dužine posude 21 i smještene su jedna pored druge preko obujma. Također je u okviru ovog izuma i razmjestiti elektrode 23, 24 na otpornom sloju 22 tako da se prostiru duž obujma posude 21 i idu aksijalno jedna pored druge.

Zbog dovoda koji idu paralelno osi posude može se više izolacionih posuda s otpornim grijaćim tijelom i termičkim izolacionim slojem biti smještenih jedna iza druge na posudu i dovod struje priključiti paralelno na pojedina otporna grijaća tijela. Dovodi su zaštićeni od oštećenja odnosno kontakata na primjer s vodom s izolacionim oblogom.

Otporno grijaće tijelo je preferirano tako stavljeno u izolacioni omotač, da leži na dnu posude. Ovaj položaj grijaćeg tijela pokazuje prednost da, i kod posude koja je samo djelomično napunjena, toplina može biti dobro predana s grijaćeg tijela.

Na slici 8 je posuda 21 većim dijelom dužine obavijena s izolacionim omotačem 28. U taj izolacioni sloj 28 je smješteno otporno grijaće tijelo 22, 23, 24, 25, 26 kao i dovodi 29a i naprava za dovod struje 29. Otporno grijaće tijelo se pruža duž velikog područja dužine izolacionog omotača 28 i završava u izolacionom omotaču 28. Dovodi 29a izlaze na kraju izolacionog omotača te se mogu spojiti na izvor struje (nije ovdje prikazan). Naprave za pričvršćenje, kojem se mogu izumljene transportne naprave smjestiti na vagon ili kamion, su prikazane shematski na slici 8. Ove naprave za pričvršćenje treba tako da ne prave opterećenja pritiskom na izolacioni omotač niti na otporno grijaće tijelo ležanjem posude na napravi za pričvršćenje.

Također se može naći primjena i za otporno grijaće tijelo prikazano na slici 2. Otporno grijaće tijelo se koristi u izumljenoj transportnoj napravi tako da je strana otpornog grijaćeg tijela na kojoj se nalaze kontaktirajuće elektrode okrenuta od posude. Električno dimenzioniranje se vrši uz korištenje jednog ovakvog otpornog grijaćeg tijela prema principijelnoj skici 3 i odgovarajuće formule za izračunavanje. Otporno grijaće tijelo se koristi u izumljenoj transportnoj napravi tako da je strana otpornog grijaćeg tijela na kojoj se nalaze kontaktirajuće elektrode okrenuta od posude. Elektrode i plivajuća elektroda se smještaju kod jedne cilindrične posude preferirano tako da su razmaknute preko obujma posude jedna od druge i prostiru se u aksijalnom smjeru. Time se preko obima stvaraju više zona u kojima vlada napon koji je manji u prvoj od onog u drugoj.

Toplinski izolacioni sloj služi da bi spriječio toplinske gubitke emisijom u suprotan smjer onog od posude te usmjerio dobivenu toplinu s otpornog grijaćeg tijela u smjeru unutrašnjosti cijevi. Toplinski izolacioni sloj može biti od izolacionih materijala i eventualno refleksnog sloja.

Također je moguće cijelu posudu umotati s izolacionim otpornim slojem dok se otporni sloj kao i plošne elektrode te međusloj trebaju smjestiti u utor otpornog sloja koji se proteže dužinom unutarnje cijevi. Ovim izvedbenim oblikom može se preko definiranog područja, u kojem grijaće tijelo leži na posudi, toplina predati na posudu. Ujedno se sprječava prijenos topline preko ostalog područja obima posude kroz toplinski izolacioni sloj. Razmještajem otpornog grijaćeg tijela u izolacionom oblogu dobiven je dobar kontakt izolacionog obloga preko ostalog područja posude. Ovakav izvedbeni oblik može se koristiti i za naprave kod kojih posuda pokazuje dobru toplinsku vodljivost. Kod tih posuda se toplina stvorena otpornim grijaćim tijelom preko cijele plohe raspoređena te može dodatno zagrijati medij koji se nalazi u posudi. Ovom izvedbom nastaje k jednom ugrijanje medija pomoću infracrvenih zraka iz otpornog grijaćeg tijela i k drugom uz neposredno zagrijavanje otpornog grijaćeg tijela i stijenke posude.

Prikazani načini izvedbe mogu imati dodatne naprave za pritisak. Ove naprave za pritiskanje mogu se prema želji dodati izvana na prikazane izumljene naprave na primjer pomoću ljepljivih traka ili prstenova ili kao što je prikazano izvedbenom obliku na slikama 7 i 8 neposredno na vanjsku stranu otpornog grijaćeg tijela. U ovoj zadnjem slučaju se naprave mogu izraditi od mekane gume. Pogotovo se mogu predvidjeti komore koje je moguće napuhati ili zapjeniti na otpornom grijaćem tijelu na strani suprotnoj od posude. Napravom za pritiskivanje se dobiva konstantni pritisak a time i dobri toplinski prijelaz od otpornog grijaćeg tijela ka posudi.

Posuda je preferirano okruglog oblika. Ona može imati i druge oblike, na primjer pravokutni.

Posuda ove izumljene naprave može biti od na primjer metala ili umjetnog materijala, preferirano polikarbonata. Ako se za posudu odabere materijal koji ne posjeduje električnu vodljivost, tada otporno grijaće tijelo može imati međusloj između posude i otpornog sloja. Također u okviru ovog izuma predvidjeti jedno otporno grijaće tijelo kod takve posude koje uključuje samo elektrode i otporni sloj. Kod takvog izvedbenog oblika se grijaća struja vodi preko jedne elektrode preko otporne mase otpornog sloja, to znači preko vodljivog polimera, ka drugoj elektrodi. Jedno takvo vođenje je kod izumljene naprave moguće jer struktura polimera dozvoljava dovoljan tok struje kroz otpornu masu a time i zadovoljavajuće stvaranje topline.

U okviru ovog izuma leži i dovođenje dovoda na vanjski dio izolacione obloge koji su spojeni s elektrodama otpornog grijaćeg tijela preko naprave za napajanje strujom.

Kao izolacioni dio između elektroda pod strujom može poslužiti obični dielektrik, pogotovo umjetni materijal.

Priključci za napajanje grijaćeg tijela sa strujom su naređeni prema želji s prema potrebi dugačkim licnama ali i čvrsto nalijepljenim kontaktima, pri čemu se mogu koristiti poznati načini kontaktiranja.

Također se nalazi u okviru ovog izuma materijal koji se koristi za otporni sloj kod kojeg je temperaturni koeficijent električnog otpora negativan.

Kod negativnog temperaturnog koeficijenta električnog otpora potrebna je mala struja ukapčanja. Nadalje može materijal za izradu otpornog sloja biti tako odabran da se otporna masa koja se koristi u izumu nakon određene temperature regulira unatrag, na primjer kod 80°C, tako da je iznad ove temperature temperaturni koeficijent električnog otpora pozitivan.

Otporni sloj može pokazivati izradu u kojem su prisutni različiti slojevi s različitim otpornim materijalima s različitim specifičnim električnim otpornostima.

Ovaj način izrade pokazuje prednost da izborom odgovarajućeg materijala za otporni sloj one strane otpornog sloja koji je okrenut prema posudi koji se želi grijati može imati višu temperaturu, bez različitih grijaćih struja, na primjer pomoću grijaćih žica u pojedinim slojevima otpornog sloja. Ovaj efekt se postiže na taj način da se specifični električni otpor korištenog polimera sloja koji je okrenut prema elektrodama u odnosu na onaj okrenut prema posudi koju se želi grijati uvijek odabire s većom vrijednošću.

Transportna naprava ovog izuma može se zahvaljujući korištenom otpornom sloju i kontaktiranja pogoniti s niskim naponima od na primjer 24 V kao i s vrlo visokim naponima kao na primjer 240, 400 pa sve do 1000 V.

S transportnom napravom ovog izuma mogu se dobiti plošne grijaće snage od iznad 10 kW/m2, osobito većim od 30 kW/m2. S grijaćim tijelima mogu se postići snage od do 60 kW/m2. Ove grijaće snage od do 60 kW/m2 mogu se dobiti s otpornim slojem od 1 mm. Pad snage s vremenom može biti manje od 0,01 % po godini kod stalnog opterećenja s naponom od 240 V.

Temperatura koja se može postići s transportnom napravom je ograničena s izborom polimera a može iznositi od više od 240°C pa sve do 500°C.

Također je moguće samo dio duljine posude pokriti izolacionim omotačem koji sadrži otporno grijaće tijelo i otporni sloj. Nadalje je moguće veličinu otpornog grijaćeg tijela odabrati prema primjeni tako, da jedan ili više otpornih grijaćih tijela mogu biti smještena u termičkom izolacionom sloju. Oni se mogu prostirati u cjevastoj posudi u radijalnom ili aksijalnom smjeru. Kod toga mogu otporna grijaća tijela biti na primjer smještena u utorima izolacionog omotača po dužini.

Naprava može pokazivati i izradu kod koje se unutarnja cijev tvori iz obične cijevi i koja je obuhvaćena s dvije polovice obujmice, pri čemu najmanje jedna polovična obujmica obuhvaća otporno grijaće tijelo. Ove poluobujmice se preferirano izrađene od izolacionog materijala kao što su na primjer staklene niti ili umjetni materijal.

Daljnja zadaća ovog izuma je riješena grijaćim valjkom koji sadrži omotač valjka i najmanje jedno na omotaču valjka smješteno otporno grijaće tijelo, pri čemu se otporno grijaće tijelo sastoji od najmanje dvije plošne elektrode i tankog otpornog sloja koji okružuje intrinsični električki vodljivi polimer.

Kod izumljenog valjka otporni sloj obuhvaća intrinsično električki vodljivi polimer. Ovi u izumu korišteni polimeri, za otporni sloj, su tako napravljeni da struja teče duž molekula polimera. Uz pomoć strukture polimera se grijaća struja vodi duž polimerna kroz otporni sloj. Na temelji električnog otpora polimera stvara se toplina koju je moguće predati na omotač valjka. Ta grijaća struja ne može koristiti najkraći put između dvije elektrode već slijedi gradbenu strukturu polimera. Duljina strujnog puta je prema tome dana polimerima, tako da se i uz pomoć malih debljina slojeva mogu primijeniti relativno visoki naponi, bez da može doći do probijanja. Također i kod visokih struja, na primjer kod ukapčanja ne može doći do pregaranja.

Nadalje se, uz pomoć distribucije struje u prvoj elektrodi i dalje vođenjem kroz otporni sloj duž polimerne strukture, dobiva homogena distribucija temperature u otpornom sloju. Ona se uspostavlja odmah nakon uključenja napona na elektrodama.

Na temelju ovih u izumu korištenih polimera moguće je valjak s otporom koristiti i kod visokih napona kao na primjer mrežnih napona. Kako moguća grijaća snaga raste s kvadratom korištenog napona to je s izumljenim grijaćim valjkom moguće dobiti velike grijaće snage, a time i visokih temperatura. Gustoća struja je minimizirana u ovom izumu pomoću dugačkog strujnog puta duž električki vodljivim polimerom odnosno uz stvaranje najmanje dviju zona, električno uključenih u seriju, koji posjeduju intrinsični električni vodljivi polimer prema izumu.

Nadalje su u izumu korišteni električni vodljivi polimeri vremenski stabilni. Ova se stabilnost posebno temelji na tome, da su polimeri rastezljivi, tako da povišenjem temperature ne može doći do pucanja polimernih lanaca a time do kidanja strujnog puta. Čak i višestrukim temperaturnim oscilacijama nije došlo do defekata na polimernim lancima. Kod uobičajenih grijaćih valjaka kod kojih se vodljivost stvara na primjer pomoću naprava od čađe, bi takva termička ekspanzija dovela do kidanja strujnog puta a time do pregrijavanja. Zbog toga bi došlo do jake oksidacije i pregaranja otpornog sloja. Takve pojave starenja nisu poznate kod u izumu korištenih intrinsičnih električnih vodljivih polimera.

Ovi u izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimeri su također postojani na starenje u reaktivnoj okolini, na primjer u kisiku. Tako da ne dolazi do samouništenja otpornog sloja uslijed reakcija elektrolize utjecajem električnih struja kod grijaćeg valjka u ovom izumu. U grijaćem tijelu s otporom, u ovom izumu, su gubici u djelotvornosti plošnog grijanja tijekom vremena i pri visokim temperaturama, od na primjer 500°C i visokoj snazi plošnih grijaća, od na primjer 50 kW/m2, jako niski i skoro nula.

Sveukupno izumljeni otporni sloj korištenjem intrinsičnih električnih vodljivih polimera pokazuje homogenu građu koja dozvoljava ravnomjerno zagrijavanje cjelokupnog sloja.

Izborom intrinsično električki vodljivog polimera kao materijala za otporni sloj je k jednom zadovoljena dovoljna fleksibilnost grijaćeg tijela, zbog koje ono dobro naliježe na unutarnji sloj valjka, k drugom se preko velike površine ravnomjerno stvara toplina. Stavljanjem otpornog grijaćeg tijela na unutarnju stranu omotača valjka se ono u primjeni štiti od mehaničkog opterećenja.

Nadalje otporno grijaće tijelo s električni vodljivim polimerom može služiti kao “crno tijelo”. Ovo tijelo može predati zračenje svih valnih duljina. Smanjenjem temperature se valna duljina predanog zračenja sve više približava infracrvenom. Ako se valjak sastoji od materijala koji transmitira to zračenje, kao na primjer staklo ili umjetni materijali, tada infracrvene zrake mogu dobro djelovati s valjka na tijelo koje se želi grijati. Dubinskim djelovanjem nisu potrebne velike temperature unutar otpornog sloja.

Prema jednom izvedbenom načinu je otporni sloj smješten između elektroda koje su priključene na izvor struje i koje taj otporni sloj djelomično prekrivaju. Kod ovog načina izvedbe može na primjer omotač valjka sam služiti kao elektroda. Kod toga se otporni sloj, zadane debljine, neposredno stavlja na unutarnju stranu valjka. Na suprotnoj strani omotača valjka se na otporni sloj tada stavlja protuelektroda. Toplinska struja narinuta na elektrodu i omotač valjka koji služi kao elektroda protiče kroz otpornu masu uglavnom po debljini. Ovim načinom izvedbe se dobiva dobar prijenos topline na ono što se želi grijati jer je omotač valjka u neposrednom kontaktu s otpornim slojem.

Prema ovom načinu izvedbe može na unutarnjoj strani omotača valjka biti i plošna elektroda koja je na suprotnoj strani omotača valjka pokrivena otpornim slojem. Na ovaj otporni sloj se tada smješta druga elektroda. U tom slučaju grijaća struja teče između dvije elektrode te se površina valjka može držati bez napona. Ovaj način izvedbe je u prednosti kod svih primjena kod kojih može postojati neposredan kontakt između grijaćeg valjka i na primjer korisnika te naprave.

Prema jednom drugom izvedbenom načinu smještene su najmanje dvije plošne elektrode, razmaknute jedna od druge, na omotaču valjka koji se nalazi na suprotnoj strani otpornog sloja.

Valjak se u izumu spaja preko dvije elektrode koje su smještene na jednoj strani otpornog sloja. Ovim načinom spajanja može se način djelovanja u izumu korištenog intrinsičnog vodljivog polimera posebno efikasno koristiti. Narinuta struja se najprije širi u prvoj elektrodi, prolazi duž polimerne strukture kroz debljinu otpornog sloja okomito na površinu, te se provodi do druge spojene elektrode. Strujni put je prema tome kod ove izvedbe, kod koje ove dvije elektrode okružuju otporni sloj, dodatno povećan. Na temelju ovog toka struje se debljina otpornog sloja može držati posebno tankom.

Ovaj izvedbeni način izumljenog valjka nadalje pokazuje prednost da se spajanje elektrode izvode preko jedne strane otpornog sloja.

Ona je okrenuta od omotača valjka i time lako dostupna za kontaktiranje. Druga strana otpornog sloja koja je okrenuta od omotača valjka je slobodna od priključnih kontakata pa se može izvesti potpuno ravno. Ovakva ravna površina dozvoljava direktno naslanjanje otpornog sloja na omotač valjka. Kako dodirna površina grijaćeg tijela s otporom i tijela koji se grije nije prekinuta s kontaktima za priključke moguć je idealni prijenos topline na omotač valjka od preko 98 %. Pri tome može doći do pouzdanog ravnomjernog prijenosa topline s otpornog grijaćeg tijela na omotač valjka, a time, na ono što se želi grijati.

Na suprotnoj strani otpornog sloja od onog gdje se nalaze elektrode može se predvidjeti međusloj od materijala s velikom električnom vodljivošću koji se nalazi između otpornog sloja i omotača valjka. Ovaj međusloj služi kao plivajuća elektroda. Također je u okviru ovog izuma otporni sloj kod ovog izvedbenog načina smjestiti neposredno na omotač valjka. Također se može izraditi električna izolacija međusloja to jest otpornog sloja od omotača valjka jednostavnim sredstvima kao na primjer folijom.

Kod ove izvedbe grijaćeg valjka struja uglavnom teče okomito na površinu otpornog sloja kroz njegovu debljinu. Uglavnom se stvaraju dvije zone u otpornom sloju. U prvoj zoni teče struja uglavnom okomito od prve kontaktne elektrode k plivajućoj elektrodi a u drugoj zoni uglavnom okomito od plivajuće elektrode k drugoj kontaktnoj elektrodi. Ovim poretkom se dobiva serijski spoj više otpora. Ovaj fenomen ima za posljedicu, da se dio napona koji vlada u pojedinim zonama u odnosu na narinuti napon smanji. Napon koji vlada u svakoj pojedinoj zoni iznosi samo polovicu narinutog napona u ovoj izvedbi. Sigurnosni rizici mogu kod grijaćeg valjka ovog izuma na temelju malog napona koji vlada u otpornom sloju biti izbjegnuti.

Nadalje, i previđeni prostor koji se nalazi između kontaktnih elektroda, djeluje kao dodatni otpor. Ako se koristi zrak kao izolacija u ovom međuprostoru, tada je otpor određen međusobnim razmakom elektroda a time površinskim otporom otpornog sloja. Razmak je preferirano veći od debljine otpornog sloja i iznosi dvostruko od debljine otpornog sloja.

Elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju uglavnom dobre temperaturne vodljivosti. Ona može biti veća od 200 W/mK, pa čak i veća od 250 W/mK. Lokalna pregrijavanja se mogu zahvaljujući ove dobre temperaturne vodljivosti u elektrodama brzo odvoditi. Pregrijavanja se zbog toga mogu javiti jedino u smjeru debljine sloja, ali se zbog relativno male debljine sloja, koja je moguće postići u grijaćem valjku s otporom ovog izuma, ne odražavaju negativno. Druga prednost grijaćeg valjka je u tome, da se jedno vanjsko, na primjer, od tijela koji se želi grijati, izazvano lokalno temperaturno povišenje otpornim grijaćim tijelom može idealno izjednačiti. Ovakva povišenja temperature mogu biti izazvane i iznutra kada dođe do na primjer zaustavljanja topline u valjku. Iz tog razloga može se predvidjeti to sprečavanje u unutrašnjosti valjka.

Valjak koji se može grijati nadalje pokazuje prednost, da otporni sloj koji je smješten na omotaču valjka pokazuju da može podnositi i velika opterećenja bez da dođe do lokalnog povišenja temperature. Mehanička opterećenja koja djeluju na omotač valjka, javljaju se u pravilu u radijalnom smjeru. Taj smjer odgovara smjeru toka struje u otpornom sloju otpornog grijaćeg tijela. Kod takvih opterećenja ne dolazi do povišenja otpora na mjestima na kojima se javlja pritisak kao što bi bio slučaj kod otpornog grijaćeg tijela kod kojeg bi struja tekla okomito na mjesto tlačnog opterećenja.

Prema izumu mogu elektrode smještene aksijalno razmaknute jedna od druge, koje su smještene na omotaču valjka i koje se nalaze na suprotnoj strani otpornog sloja, prostirati preko cijelog obujma.

Ovaj način smještaja je pogodan, jer se kod grijaćih valjaka koji su u primjeni u kružnom pokretu može dovesti struja preko dva završetka valjka.

Prema jednom drugom izvedbenom načinu ovog izuma može otporni sloj pokazivati građu u kojoj postoje različiti otporni materijali s različitim specifičnim električnim otporima u slojevima. Kod ovog izvedbenog načina može otporni sloj koji je okrenut k unutrašnjosti valjka biti napravljen od materijala koji pokazuje mali otpor. Na tom sloju su stavljeni drugi materijali u slojevima kojima specifični otpor raste od sloja do sloja. Strana koja je okrenuta omotaču valjka pokazuje kod ovakvog rasporeda najveći specifični otpor otpornog sloja, tako da se površina jače grije jer ovdje dolazi do najvećeg pada napona.

Kod izumljenog valjka elektroda i međusloja može biti od materijala koji ima specifični otpor koji je manji od 10-4 Ωcm, a još osobito manji od 10-5 Ωcm. Upotrebljive sirovine su na primjer aluminij ili bakar. Kod izumljenog valjka je to od posebne važnosti. Grijaći valjci na primjer koji se koriste kao kopirni valjci ili valjci za folije moraju biti u stanju brzo se zagrijati i posjedovati po cijeloj dužini ravnomjernu temperaturu. Elektrodnim materijalom s takvim specifičnim otporom može se spriječiti pad napona preko površine elektrode koji bi doveo do pada snage i do različitih temperatura preko površine. Nadalje je tom vodljivošću omogućeno brzo širenje struje u elektrodi, koje omogućava brzo i ravnomjerno zagrijavanje uglavnom cijelog otpornog sloja bez da se elektrode preko dužine odnosno širine mora na više mjesta dodavati dodatno napon.

Nadalje je brzina zagrijavanja i dobivanje topline preko površine valjka ovisno o debljini izabrane elektrode. Prema jednom načinu izvedbe elektrode kao i plivajuća elektroda pokazuju debljinu u području od 50 do 150 μm, osobito od 75 do 100 μm. Ove male debljine sloja su od prednosti jer se toplina stvorena u otpornom sloju lako može predati od međusloja na omotač valjka. K tome su tanke elektrode fleksibilnije, čime zbog termičke ekspanzije otpornog sloja ne dolazi do pucanja elektroda od otpornog sloja a time do prekida električnog kontakta.

Otporni sloj u ovom izumu je tanak. On je prema dolje samo ograničen naponom probijanja i pokazuje uglavnom debljinu od 0,1 do 2 mm, osobito preferirano 1 mm. Prednost male debljine sloja otpornog sloja leži u na taj način mogućem brzom zagrijavanju, brzoj predaji topline i velikoj snazi plošnog grijanja. No, ovakvu debljinu sloja moguće je postići samo otpornim grijaćim tijelom ovog izuma. Upotrebom u ovom izumu korištenih polimera je kao prvo strujni put u otpornom sloju određen te može i kod malih debljina sloja pokazivati dovoljnu dužinu da spriječi probijanje napona. Nadalje dozvoljava jednostruko kontaktiranje otpornog grijaćeg tijela, podjelu otpornog sloja na zone s niskim naponom pri čemu se rizik probijanja dodatno smanjuje.

Prednosti valjka ovog izuma se još pojačavaju ako otporni sloj pokazuje pozitivni temperaturni koeficijent električnog otpora (PTC). Time se postiže samoregulirajući efekt maksimalne temperature koja se može postići. Ovim efektom se mogu spriječiti lokalna prezagrijavanja omotača valjka. Efekt je uvjetovan time, da se na temelju PTC-a otpornog sloja protok struje kroz otpornu masu regulira u ovisnosti o temperaturi. Što se temperatura više podigne to je manja struja dok je na jednoj točno određenoj točki ravnoteže nemjerljivo mala. Time se može uspješno spriječiti lokalno prezagrijavanje te taljenje otporne mase. Ovaj efekt je kod ovog izuma od posebne važnosti.

Izbor PTC materijala kao materijala za otporni sloj ima zbog toga za posljedicu da se cijeli otporni sloj uglavnom na istu temperaturu zagrijava. Time je omogućena ravnomjerna predaja topline koja može biti bitna za pojedina područja primjene valjka, jer inače ne bi na nekim mjestima na primjer folija koju treba nanijeti valjcima držala na supstratu jer ne bi bila dovoljno zagrijana.

Otporni sloj ovog izuma može na površinama okrenutim prema elektrodama a i prema plivajućoj elektrodi biti metaliziran. Metaliziranjem dolazi do odlaganja metala na površinu otpornog sloja, te se na taj način poboljšava protok struje između elektroda odnosno plivajuće elektrode i otpornog sloja. Nadalje se, ovim oblikom izvedbe poboljšava i prijenos topline s otpornog sloja na plivajuću elektrodu a time i omotaču valjka. Metalizacija se može provesti naprskavanjem metala na površinu. Takav način metalizacije moguć je samo kod u ovom izumu korištenog materijala za otporni sloj. Mnogo teži način metaliziranja na primjer galvanizacijom je nepotreban a time štedi troškove izrade.

Intrinsični električni vodljivi polimer je prvenstveno dobiven dopiranjem jednog polimera. Dopiranje može biti metalno ili polumetalno dotiranje. Kod tih polimera je ometajući vodič kemijski vezan na polimerni lanac i time stvara ometajuće mjesto. Dopirajući atomi i matrična molekula čine tako zvani kompleks prijenosa naboja (Charge-Transfer Complex). Kod dopiranja se elektroni iz popunjenih vrpci polimera prenose na dopirajući materijal. Tako nastalim elektronskim rupama polimer poprima poluvodičima slična električna svojstva. Kemijskom reakcijom se kod tog načina izvedbe jedan metalni ili polumetalni atom ugrađen ili nalegnut na polimernu strukturu, tako da time nastaju slobodni naboji koji omogućuju strujni tok duž polimerne strukture. Slobodni naboju su prisutni u obliku slobodnih elektrona ili rupa. Time nastaju elektronski vodiči.

Zbog pogodnosti se dodaje toliko dopirajućeg materija u polimer za dopiranje, da je omjer atoma dopirajućeg materijala u odnosu na polimerne molekule najmanje 1:1, osobito je pogodan odnos između 2:1 i 10:1. Tim odnosom se postiže da su uglavnom sve polimerne molekule dopiramo najmanje s jednim atomom dopirajućeg materijala. Izborom omjera može se iznos vodljivosti polimera time i otpornog sloja kao i temperaturnog koeficijenta otpora otpornog sloja namjestiti.

Iako se u ovom izumu korišteni intrinsični električni vodljivi polimer i bez dodatka grafita koristiti kao materijal za otporni sloj u valjku ovog izuma, može u još jednom obliku izrade otpornog sloja biti dodatno grafitnih čestica. Ove čestice mogu doprinijeti ukupnoj vodljivosti otpornog sloja, te se ne dodiruju zbog pogodnosti i ne stvaraju rešetke ili skeletne strukture. Grafitne čestice nisu čvrsto uključene u polimernu strukturu nego leže slobodno. Ako se grafitna čestica nalazi u kontaktu s dvije polimerne molekule tada struja može iz jednog lanca preko grafita prijeći na drugi lanac. Vodljivost otpornog sloja se na taj način može još povećati. Istovremeno mogu grafitne čestice zbog slobode kretanja u otpornom sloju doći na površinu i tamo dovesti do boljeg kontakta s elektrodama ili međusloja odnosno omotača valjka.

Grafitne čestice su preferirano prisutne u količini od maksimalno 20 vol-% a posebno preferirano maksimalno 5 vol% od ukupnog volumena otpornog sloja i pokazuju srednji promjer od maksimalno 0,1 μm. Ovom malom količinom kao i malim promjerom grafita onemogućeno je stvaranje grafitne rešetke a time i vođenje struje kroz taj grafit. Time je osigurano da struja i dalje teče uglavnom preko polimernih molekula elektronskim vođenjem a time se i postižu gore navedene prednosti. Pogotovo se vođenje ne smije ostvarivati preko grafitne rešetke odnosno skeleta, pri čemu se grafitne čestice moraju dodirivati i mogu se lako uništiti mehaničkim ili termičkim opterećenjem, nego ostvaruju se duž polimera koji su rastezljivi i na starenje postojani.

Kao intrinsični električni vodljivi polimeri mogu se koristiti električki vodljivi polimerizati kao što su polistirol, polivinilne smole, derivati poliakrilnih kiselina te mješavine tih polimerizata, polifluoro ugljikovodici, epoks i smolei poliuretan. Posebno su pogodni poliamidi, polimetilmetakrilati, epoksidi, poliuretani kao i polistirol ili njihove smjese. Kod toga poliamidi dodatno pokazuju i dobra ljepljiva svojstva koja su kod izrade valjka ovog izuma od prednosti, jer se time omogućava lakše nanošenje na omotač valjka ili međusloja. Neki polimeri kao na primjer poliacetilen nije moguće koristiti u ovom izumu zbog male postojanosti na starenje zbog reaktivnosti s kisikom.

Dužina korištenih polimernih molekula varira u velikom području u ovisnosti o vrsti i strukturi polimera, ali se preferirano kreće oko 500, a posebno preferirano oko 4000 Å.

U jednom načinu izvedbe otporni sloj sadrži i potporni materijal. Taj potporni materijal može služiti i kao nosač za intrinsično vodljivi polimer a također služi i kao držač odstojanja, pogotovo između elektroda i međusloja odnosno omotača valjka. Potporni materijal dodatno daje čvrstoću otpornom grijaćem tijelu zbog mogućnosti da može izdržati mehaničko naprezanje. One mogu nastati na primjer napravama za pritisak kao što su na primjer prstenovi za spajanje koji služe za pritiskivanje grijaćeg tijela na omotač valjka. Nadalje se korištenjem potpornog matrijala može debljina sloja otpornog sloja precizno namjestiti. Potporni sloj može biti od staklenih kuglica, staklenih niti, kamene vune, keramike, na primjer barijev titanat ili plastičnih materijala. Ako je potporni materijal prisutan u obliku tkiva ili pletiva, na primjer staklenih niti, tada se može uroniti u masu koja se sastoji od intrinsično električno vodljivih polimera, odnosno može se natopiti intrinsično električki vodljivim polimerom. Debljina sloja je tada određena debljinom rešetke ili pletiva. Mogu se koristiti postupci kao što su raklanje, mazanje ili postupak sitotiska.

Posebno je pogodno za potporni materijal koristiti plošni, porozni, električno izolirajući materijal. Takvim materijalom može se spriječiti da grijaća struja teče kroz potporni materijal a ne kroz polimernu strukturu.

Mogućnosti proizvodnje slojeva, koji preko površina odstupaju minimalnom tolerancijom na primjer 1 % od željene debljine, je pogotovo pogodno u malim slojnim debljinama ovog izuma jer bi se inače moglo dogoditi da dođe do neposrednog kontakta između kontaktirajućih elektroda i plivajuće elektrode. A također se odstupanja u debljini sloja preko površine može odraziti na temperaturu i dovesti do neravnomjerne raspodjele temperature.

Potporni sloj djeluje i tako da tok struje ne može uzeti najkraći put između elektroda i plivajuće elektrode, nego se skreće od materijala za punjene ili cijepa. Time se postiže optimalno iskorištenje dovedene energije.

Izumljeni valjak je nadalje opisan na temelju priloženih crteža:

Prikazan je:

Slika 9 izvedbeni oblik izumljenog grijaćeg valjka s otpornim slojem koji je smješten između elektroda;

Slika 10 presjek po dužini kroz izumljeni grijaći valjak s dvije elektrode koje su smještene s jedna pored druge a nalaze se na jednoj strani otpornog sloja;

Na slici 9 je prikazan grijaći valjak 30 kod kojeg je unutarnji dio omotača valjka 31 pokriven s plošnom elektrodom 33. Na toj elektrodi 33 nalazi se otporni sloj 32 koji na suprotnoj strani elektrode 33 posjeduje drugu elektrodu 34. U unutrašnjosti valjka je stavljen toplinski izolacijski materijal 37, koji u potpunosti ispunjava unutrašnjost grijaćeg valjka i naliježe na unutarnju elektrodu 34. Kod ovog izvedbenog oblika se elektrode 33 i 34 spajaju na izvor struje (nije ovdje prikazano). Struja koja protiče kroz otporni sloj 32 ga zagrijava, a time dovodi do zagrijavanja omotača valjka 31.

Na slici 10 je prikazan jedan oblik izvedbe izumljenog grijaćeg valjka 30. Kod ovog izvedbenog oblika je otporni sloj 32 postavljen neposredno na omotač valjka 31 te je uglavnom potpuno pokriven s dvije elektrode 33 i 34 s njegove suprotne strane. Elektrode 33 i 34 su električki odvojene pomoću izolacije 36.

Kao materijal za izolaciju 36 može poslužiti obični dielektrik kao što je zrak ili umjetni materijali.

Elektroda 34 može se spojiti s lijeve, a elektroda 33 s desne strane kopirnog valjka, s izvorom struje (nije ovdje prikazano). Toplinska struja kod ovog izvedbenog oblika teče od prve elektrode 33 k omotaču valjka, koji se preferirano sastoji od električki vodljivog materijala, pa od njega kroz otpornu masu 32 natrag k drugoj elektrodi 34 ili obrnuto.

Ako se ove najmanje dvije elektrode smjeste na jednoj strani otpornog sloja a na drugoj strani postoji međusloj od materijala s velikom vodljivošću, tada grijaća struja teče od jedne elektrode kroz otporni sloj ka međusloju, u njemu se dalje predaje te teče kroz otporni sloj ka drugoj elektrodi. Na temelju izbora otpornog materijala moguće je također raditi i bez međusloja i onda ako je omotač valjka od nevodljivog materijala. Grijaća struja u tom slučaju teče kroz otporni sloj, pri čemu dolazi, zbog polimerne strukture, do zagrijavanja cjelokupne otporne mase. Nadalje može i omotač valjka biti izrađen od vodljivog materijala i služiti za vođenje struje. Narinuta struja na elektrode u tom slučaju teče od jedne elektrode kroz otpornu masu te dalje kroz omotač valjka, da bi ponovno prešla kroz otpornu masu na drugu elektrodu.

Kod svih ovih izvedbenih oblika, kod kojih se struja dovodi s jedne strane otporne mase je napon koji vlada u zonama u odnosu na dvostrani dovod struje smanjen za polovicu.

Razmak koji je predviđen između elektroda služi dao dodatni paralelno priključeni otpor. Ako se zrak izabere kao izolacija 36 tada je otpor od međusobnog razmaka elektroda određen površinskim otporom.

Također se može naći primjena i za otporno grijaće tijelo prikazano na slici 2. Otporno grijaće tijelo se koristi u izumljenom valjku tako da je strana otpornog grijaćeg tijela, na kojoj se nalaze kontaktirajuće elektrode, okrenuta od unutarnje cijevi. Električno dimenzioniranje se vrši uz korištenje jednog ovakvog otpornog grijaćeg tijela prema pincipijelnoj skici 3 i odgovarajuće formule za izračunavanje.

Ako površinu grijaćeg valjka treba držati u beznaponskom stanju može se predvidjeti poznata izolacija u obliku poliestera, poliimida ili drugih folija koje se nalaze između otpornog grijaćeg tijela i omotača valjka. Napajanje elektroda strujom izvodi se preferirano preko poznate tehnike spajanja kod plošnih grijaćih tijela ili brusnih prstena ili ležajeva koji služe kao električni kontakt.

Kao elektrode mogu služiti ovisno o načinu uporabe na primjer metalne folije ili limovi. Također leži u okviru ovog izuma da se otporno grijaće tijelo pritiskom spoji na omotač valjka pomoću naprave za pritiskivanje. Kao naprave za pritiskivanje mogu se koristiti na primjer prsteni za zatezanje, koji ujedno mogu služiti i kao elektrode. Za poboljšavanje prijenosa topline između otpornog grijaćeg tijela i omotača valjka mogu se predvidjeti termo-plastični umjetni materijali u obliku folija ili termo-vodljivih pasta između otpornih grijaćih tijela i omotača valjka.

Kod izumljenog valjka može se predvidjeti i više međusobno odvojenih otpornih grijaćih tijela koji se nalaze po dužini razmješteni po valjku u unutrašnjosti valjka. Također leži u okviru izuma predvidjeti jedan jedinstveni otporni sloj u unutrašnjosti valjka na kojem je smješteno više elektroda u obliku segmenata. Ovi segmenti se prostiru po cijelom unutarnjem opsegu omotača valjka koji je prekriven otpornim slojem te mogu biti lako uvedeni u valjak. Time omogućuju laku montažu. Nadalje se predviđanjem više elektroda u izumljenom grijaćem valjku, koji služe kao elektrodni parovi i koji mogu biti prema želji stavljeni pod napon dobiti zagrijavanje pojedinih područja valjka. Ove elektrode se također preferirano prostiru po cijelom obujmu i razmaknute su jedna od druge u aksijalnom smjeru. Kod korištenja grijaćeg valjka kao valjak za folije mogu se na primjer rubna područja valjka dodatno zagrijavati. Tim dodatnim dovodom topline mogu se dobiti ravnomjerna raspodjela topline po području koji je u dodiru s tijelom koji se grije jer se padovi temperature na rubnim područjima dodatnim grijanjem izjednačuju.

Otporna masa se u okviru izuma može i tako odabrati, da posjeduje negativni temperaturni koeficijent električnog otpora. Kod takvog načina izvedbe su potrebne male struje ukapčanja. Kod izumljene otporne mase može nakon neke određene temperature, na primjer 80°C, temperaturni koeficijent električnog otpora postati pozitivan.

U unutrašnjosti valjka može se predvidjeti na suprotnoj strani otpornog sloja s elektrodama toplinski izolacioni materijal koji unutrašnjost valjka eventualno potpuno ispunjava. Ovaj termički izolacioni sloj sprečava isijavanje topline od otpornog grijaćeg tijela u smjeru unutrašnjosti valjka i time zastoj topline u valjku.

Valjak ovog izuma može se zahvaljujući korištenom otpornom sloju i kontaktiranja pogoniti s niskim naponima od na primjer 24 V kao i s vrlo visokim naponima kao na primjer 240, 400 pa sve do 1000 V.

S valjkom ovog izuma mogu se dobiti plošne grijaće snage od iznad 10 kW/m2, osobito većim od 30 kW/m2. S grijaćim valjkom mogu se postići snage od do 60 kW/m2. Ove grijaće snage od do 60 kW/m2 mogu se dobiti s otpornim slojem od 1 mm. Pad snage s vremenom može biti manje od 0,01 % po godini kod stalnog opterećenja s naponom od 240 V.

Temperatura koja se može postići s grijaćim valjkom je ograničena s izborom polimera a može iznositi od više od 240°C pa sve do 500°C.

Izumljeni valjak je posebno pogodan za primjenu kao valjak za kopiranje u fotokopirnim uređajima ili kao valjak za folije za izoliranje materijala s folijama.

Kao električni vodljivi polimeri u izumljenim otpornim slojevima otpornog grijaćeg tijela cijevi koja se može grijati ili grijaćeg valjka mogu koristiti polimeri koji su vodljivi zbog dodatka metalnih ili polumetalnih atoma. Ovi polimeri preferirano posjeduju specifični prolazni otpor u području koji ima vrijednosti koje se postižu poluvodičima. On može iznositi 102 preferirano najviše 105 Ωcm. Takvi se polimeri mogu dobiti jednim postupkom kod kojeg polimerne disperzije, polimerne otopine ili polimeri budu tretirani s metalnim ili polumetalnim spojevima ili njihovim otopinama, tako da na jednu molekulu polimera dođe skoro jedan metalni ili polumetalni atom. Ovoj mješavini se dodaje redukcijsko sredstvo u suvišku ili se stvara poznatim termičkim raspadom metalnih ili polumetalnih atoma. Nakon toga se stvoreni ili još postojeći ioni isperu, a tada se disperziona otopina ili granulat može s grafitom ili čađom dopirati.

Izumljeni upotrijebljeni električni vodljivi polimeri su preferirano slobodni od iona. Maksimalno je sadržaj slobodnih iona 1 tež. % u odnosu na ukupnu težinu otpornog sloja. Ioni se ili kako je gore opisano isperu ili se dodaje pogodno redukcijsko sredstvo. Redukcijsko sredstvo se dodaje u takvom omjeru da se ioni mogu u potpunosti reducirati. Mali udio iona, preferirano oslobođeno od iona u izumu korištenog električki vodljivog polimera, dovodi do dugotrajnosti otpornog sloja pod utjecajem električnih struja. Kako se pokazalo posjeduju polimeri koji sadrže ione u većem postotnom udjelu malu trajnost na starenje utjecajem struje, jer dolazi do reakcija elektrolize, te time do samouništenja otpornog sloja. Izumljeni upotrijebljeni električki vodljivi polimer je na temelju male ionske koncentracije i kod dužih strujnih opterećenja postojan na starenje. Kao redukcijska sredstva za gore opisan postupak za izradu u izumu korištenog električki vodljivog polimera se koriste redukcijska sredstva koja, ili ne stvaraju ione jer se termički razgrađuju tijekom procesa priprave kao što je na primjer hidrazin, ili kemijski reagiraju s polimerom kao na primjer formaldehid, ili takva kod kojih se suvišak ili reakcijski produkti mogu lako isprati kao na primjer hipofosfit. Kao metali ili polumetali se preferirano koristi srebro, arsen, nikal, grafit ili molibden. Posebno su preferirani oni metalni ili polumetalni spojevi koji kroz čistu termičku razgradnju daju metale ili polumetala bez reakcijskih produkata koji bi smetali. Pogotovo su se arseno-vodik ili niklov karbonil pokazali kao pogodni. U izumu korišteni električni vodljivi polimeri se mogu na primjer proizvesti doda mješavina koja se priređuje na dolje opisani način u polimer u 1-10 tež.-% (odnosi se na polimer).

Primjer 1: 1470 tež. udjela disperzije polimera fluorougljikovodika (55 % krutine u vodi), 1 tež. udio sredstva za umrežavanje, 28 tež. udjela 10 %-ne otopine srebrovog nitrata, 6 tež. udjela krede, 8 tež. udjela amonijaka, 20 tež. udjela čađe, 214 tež udjela grafita, 11 tež. udjela hidrazinhidrata.

Primjer 2: 1380 tež. udjela disperzije akrilne smole 60 tež. % u vodi, 1 tež. udio sredstva za umrežavanje, 32 tež. udjela 10 %-ne otopine srebrovog nitrata, 10 tež. udjela krede, 12 tež. udjela amonijaka, 6 tež. udjela čađe, 310 tež udjela grafita, 14 tež. udjela hidrazinhidrata.

Primjer 3: 2200 tež. udjela destilirane vode, 1000 tež. udjela stirola (monomer), 600 tež. udjela amfolitnog sapuna (15 %-nog), 2 tež. udjela natrijevog pirofosfata, 2 tež. udjela kalijevog persulfata, 60 tež. udjela niklovog sulfata, 60 tež. udjela natrijevog hipofosfita, 30 tež. udjela adipinske kiseline, 240 tež. udjela grafita.

Claims (29)

1. Plošno grijaće tijelo (1), koje se sastoji od tankog otpornog sloja (2), koji sadrži elektrovodljivi polimer, i barem dvije plošne elektrode (3,4) postavljene na jednu stranu vodljivog sloja (2) udaljeno jedna od druge, naznačeno time, da polimer posjeduje intrinsičnu električnu vodljivost zbog sadržaja metala ili polumetalnih dopanata.

2. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je plivajuća elektroda (5) postavljena na stranu vodljivog sloja (2) koji je nasuprotan dvjema plošnim elektrodama (3,4).

3. Grijaće tijelo prema zahtjevu 2, naznačeno time, da se elektrode (3,4,5) sastoje od materijala čija je specifična otpornost manja od 10-4 Ω⋅cm, poželjno manja od 10-5 Ω⋅cm.

4. Grijaće tijelo prema zahtjevu 2, naznačeno time, da elektrode (3,4,5) posjeduju debljinu u opsegu od 50 do 150 μm.

5. Grijaće tijelo prema zahtjevu 4, naznačeno time, da elektrode (3,4,5) posjeduju debljinu u opsegu od 75 do 100 μm.

6. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da otporni sloj posjeduje debljinu od 0,1 do 2 mm.

7. Grijaće tijelo prema zahtjevu 6, naznačeno time, da otporni sloj posjeduje debljinu oko 1 mm.

8. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da otporni sloj (2) posjeduje pozitivni temperaturni koeficijent električne otpornosti.

9. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je otporni sloj (2) metaliziran na površinama koje su okrenute prema elektrodama (3,4) i plivajućoj elektrodi (5).

10. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je udaljenost među elektrodama po prilici dvije debljine otpornog sloja (2).

11. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je odnos između broja atoma dopanta i broja molekula polimera barem 1:1.

12. Grijaće tijelo prema zahtjevu 11, naznačeno time, da je odnos između broja atoma dopanta i broja molekula polimera između 2:1 i 10:1.

13. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da otporni sloj (2) dodatno sadrži grafitne čestice.

14. Grijaće tijelo prema zahtjevu 13, naznačeno time, da se grafitne čestice nalaze u količini od najviše 20 volumnih postotnih dijelova prema cjelokupnom volumenu otpornog sloja, i da posjeduju srednji promjer od najviše 0,1 μ.

15. Grijaće tijelo prema zahtjevu 13, naznačeno time, da se grafitne čestice nalaze u količini od najviše 5 volumnih dijelova.

16. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je sadržaj slobodnih iona u otpornom sloju najviše 1 težinskih postotaka od totalne težine otpornog sloja.

17. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je polimer odabran iz skupine koja sadrži poliamid, akrilne smole, epokside i poliuretane.

18. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da otporni sloj (2) sadrži nosivi materijal.

19. Grijaće tijelo prema zahtjevu 18, naznačeno time, da je nosivi materijal plošni, porozan, električki izolator.

20. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da otporni sloj (12,22,32) sadrži više nego jedan sloj, gdje svaki od spomenutih slojeva se sastoji od različitih otpornih materijala sa različitom specifičnom električnom otpornošću.

21. Grijaće tijelo prema zahtjevu 1, naznačeno time, da je otporni sloj (12,22,32) postavljen na površinu šuplje strukture koja posjeduje os i gdje je ista odabrana od skupine koja se sastoji od cijevi (10), kontejnera (21) i ljuske grijaćeg valjka (30).

22. Grijaće tijelo prema zahtjevu 21, naznačeno time, da se međusloj (15,25,35) sastoji od materijala sa visokom električnom vodljivošću gdje je isti postavljen u strukturne šupljine otpornog sloja (12,22,32).

23. Grijaće tijelo prema zahtjevu 22, naznačeno time, da je otporni sloj (12,22,32) metaliziran na svojoj površini okrenutoj elektrodama (13,14;23,24;33,34) i međusloju (15,25,35).

24. Grijaće tijelo prema zahtjevu 21, naznačeno time, da je otporni sloj (12,22,32) postavljen izravno na površinu šuplje strukture koja se sastoji od materijala koji posjeduje visoku električku vodljivost.

25. Grijaće tijelo prema zahtjevu 20, naznačeno time, da se otporni sloj (12,22) i elektrode (13,14;23,24) na istom tijelu pružaju uzdužno u osnom smjeru prema vanjskoj površini cijevi (10) ili kontejnera (21) i da su elektrode (13,14;23,24) postavljene na otporni sloj (12,22) u rubom razmaknutom odnosu.

26. Grijaće tijelo prema zahtjevu 25, naznačeno time, da kontejner (21) dalje sadrži instalaciju izvora napajanja (29) koja se pruža u uzdužnom smjeru izvan samog kontejnera (21), preko cijele svoje dužine i koja se spaja sa svakom od elektroda (23,24) u barem dvije kontaktne točke.

27. Grijaće tijelo prema zahtjevu 20, naznačeno time, da se otporni sloj (32) i elektrode (33,34) postavljene na to tijelo pružaju uzdužno u osnom smjeru na unutrašnjoj površini ljuske grijaćeg valjka (31) i da su elektrode (33,34) postavljene na otporni sloj (32) u rubom razmaknutom odnosu.

28. Grijaće tijelo prema zahtjevu 27, naznačeno time, da posjeduje barem dvije plošne elektrode (33,34) postavljene na stranu otpornog sloja (32) okrenute od spominjane unutrašnje površine i da su međusobno udaljene.

29. Grijaće tijelo prema zahtjevu 27, naznačeno time, da posjeduje elektrode (33,34) koje se uglavnom pružaju preko cijelog rubnog područja i koje su postavljene u uzdužan međusobno razmaknut položaj.