KR20230121802A - 자가-조절 히터 - Google Patents

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KR20230121802A
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페르-올라 하그스트란드
니클라스 토른
아네테 요한쓴
미카엘 크레버스
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보레알리스 아게
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Abstract

플랫 시트(flat sheet) 전기 히터로서, 바람직하게는 공압출에 의해 수득될 수 있고, 서로에 대해 실질적으로 평행하고 균등 이격된 복수의 세장형(elongate) 전도체를 포함하며, 이때 상기 전도체는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수(positive temperature coefficient)를 갖는 전기 반-전도성 조성물 내에 매립되고 이와 접촉하며, 세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150 mm이고, 상기 전도체는 바람직하게는 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행한, 플랫 시트 전기 히터.

Description

자가-조절 히터
본 발명은 플랫 시트 자가-조절 히터(flat sheet self-regulating heater) 및 그러한 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플랫 시트 자가-조절 히터를 제조하기 위한 공-적층(colamination)의 사용, 또는 바람직하게는 플랫 시트 자가-조절 히터를 제조하기 위한 공압출의 사용, 및 따라서, 이러한 플랫 시트 자가-조절 히터를 연속적으로 따라서 저렴하게 제조하는 능력에 관한 것이다.
병렬 저항 자가-조절형 가열 케이블이 알려져 있다. 이러한 케이블은 일반적으로 케이블을 따라 종방향으로 연장되는 두 개의 전도체로 구성된다. 일반적으로, 상기 전도체는 저항성 중합체 가열 부재(resistive polymeric heating element) 내에 매립되며, 상기 부재는 전도체의 길이를 따라 연속적으로 압출된다. 따라서, 상기 케이블은 병렬 저항 형태를 가지며, 전력은 상기 두 전도체를 통해 상기 두 전도체를 가로질러 병렬로 연결된 가열 부재에 적용된다. 상기 가열 부재는 일반적으로 저항의 정 온도 계수(positive temperature coefficient)를 갖는다. 따라서, 가열 부재의 온도가 상승하면, 전도체들 사이에 전기적으로 연결된 재료의 저항이 증가하여, 전력 출력이 감소한다. 온도에 따라 전력 출력이 달라지는 이러한 가열 케이블을 자가-조절형 또는 자가-제한형이라고 한다.
따라서, 물체의 과열 및 잠재적인 파괴를 방지하기 위해, 이것은 자가-제한적이며, 조절용 전자 장치를 필요로 하지 않는다.
자가-조절은, 정상 상태에 도달할 때까지(자가-조절), 물체 온도를 그 주위의 온도보다 높게 올리는 정 온도 계수(positive temperature coefficient, PTC) 특성을 가진 반도체 매질에 전류를 통과시킴으로써 전기 에너지를 열 에너지로 전환시키는 것을 활용한다. PTC를 가진 물질은, 전기 저항이 온도에 따라 증가하며 자가-조절 기능의 메커니즘이다. 이러한 PTC 케이블은 종종 바닥(underfloor) 난방에 사용되거나 예를 들어 부동(anti-freeze) 목적을 위해 파이프 주위에 감긴다. 그러나, 상기 케이블은 열 표면적을 그다지 제공하지 않으므로, 예를 들어 바닥 난방을 제공하려면 많은 수의 케이블이 필요하다.
따라서, 본 발명자들은 케이블이 아닌 플랫 시트 히터를 제공하고자 하였다. 이러한 플랫 시트는 케이블이 아니라 단면이 직사각형 또는 정사각형일 수 있다.
그러나, 플랫 시트 히터에 대한 개시는 문헌에 나와 있다. WO2014/188190에는, 전도체 및 전도체들 사이에 배치된 가열 부재를 포함하는 전기 히터가 설명되어 있으며, 여기서 가열 부재는 제1 전기 절연 재료 내에 분포된 전기전도성 재료를 포함한다. 상기 절연 재료는 상기 전도체를 상기 전기전도성 재료와 분리한다. 그러나,이 복잡한 설정이 필요치 않다.
US6512203은 유리 기판을 전기적으로 가열하기 위한 장치를 기술하며, 여기서는 전도체가 표면에 부착되고 저항성 필름이 상기 표면에 부착된다.
US7250586은 지지체, 및 전기전도성 플라스틱을 포함하는 가열층을 포함하는 카시트 등을 위한 표면 가열 시스템을 기술하고 있으며, 이것은 상기 가열층이 가요성 필름에 의해 형성되고 상기 지지체가 가요성이라는 사실을 특징으로 한다.
US4247756은 2개의 전기전도성 내부 층이 전도체를 개재시키는(sandwich) 가열식 바닥 매트를 기술한다. 이 전도체는 내부 층에 부착된다.
US7053344는 패브릭(fabric)용 가요성 히터를 기술한다. 이 구성은 공압출에 의해 제조될 수 있는 것이 아니다.
EP0731623은 PVC 및 전도성 충전제가 존재하는 PTC 케이블을 기술한다. 이 케이블은 성능을 향상시키기 위해 미세결정성 규산질 제품으로 둘러싸인다.
US5451747은 절연 재료로 둘러싸인 PTC 재료를 사용한 열 매트(heat mat)를 기술한다. 상기 매트는 중간 밀도의 매우 가요성인 PTC 재료로 둘러싸인 두 개의 전도체를 포함한다.
WO2008/133562는, PTC 발열 재료 내에 2개의 전극을 갖는 가열 장치를 기술하며, 여기서 상기 PTC 재료는 발열 재료의 나머지 부분에 비해 저항률이 낮은 PTC 재료의 전극 상호 연결부를 포함한다. 상기 '562 특허에서 전극 사이의 거리는 380mm이다. 이러한 큰 갭은, 가열 공정이 느리기 때문에 장치 가열에 문제를 야기한다. 또한, 상기 장치에 충분한 열을 보장하기 위해 예컨대 주 전원으로부터의 고전압이 필요하다. 따라서, 상기 '562 특허에서의 장치는 제한된 수의 응용 분야(예컨대, 바닥 난방)에 적합하기는 하지만, 높은 전압이 필요하기 때문에, 실수로 제품에 구멍이 나면 심각한 감전을 초래할 수 있다는 상기 제품에 내재되어 있는 안전 위험이 있다.
본 발명자들은, 전도체 및 전도체가 매립되어 있는 중합체 조성물이 공-적층되거나 공압출되어 표적 물질을 형성하는 경우, 간단하고 가요성이며 저렴한 히터를 제조할 수 있음을 인식하였다. 후자의 실시양태에서, 이는, 연속적인 시트가 다수의 평행하고 균등 간격인 전도체로 제조될 수 있음을 의미한다. 또한, 이 플랫 시트는 두께, 맞춤형 전도체 이격도, 및 생성된 열을 조정할 수 있게 하는 다양한 충전제 수준으로 제조될 수 있다. 특히, 상기 전도체는, 서로 가깝게 (예를 들어 2 내지 15cm 떨어져) 유지된다. 생성 장치는 매우 빠르게 가열되며, 제품에 더 낮은 전압을 사용할 수 있으므로 감전 위험을 피할 수 있다. 따라서 이 장치는, 재료를 가열하는데 배터리 전원 또는 낮은 위험 전압이면 충분하기 때문에, 온열 의류(heated clothing) 또는 카시트(car seat)와 같은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다.
하나의 양태에서 볼 때, 본 발명은, 바람직하게는 공압출(coextrusion)에 의해 수득될 수 있는, 서로에 대해 실질적으로 평행하게 균등하게 이격된 복수의 세장형(elongate) 전도체를 포함하는, 플랫 시트 전기 히터를 제공하며, 이때
세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150mm이고,
상기 전도체는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제(filler)를 포함하는, 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성(electrically semiconductive) 조성물 내에 매립되어(embedded) 그와 접촉하고,
상기 전도체는 바람직하게는, 상기 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행하다.
또 다른 양태에서 볼 때, 본 발명은, 바람직하게는 공압출에 의해 수득될 수 있는 다층 플랫 시트 전기 히터를 제공하며, 이는
폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제1 층;
서로 실질적으로 평행한 균등 이격된 복수의 세장형 전도체를 포함하고, 이때 세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150mm인, 전도체 층;
폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제2층
을, 이 순서로, 상기 전도체 층이 상기 제1 층과 제2 층들 사이에 개재되고 이들과 접촉하여 위치하도록 포함하며, 상기 전도체는 바람직하게는, 상기 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행하다.
또 다른 양태에서 볼 때, 본 발명은 바람직하게는 공압출에 의해 수득될 수 있는 다층 플랫 시트 전기 히터를 제공하며, 이는
폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제1 층;
서로 실질적으로 평행한 균등 이격된 복수의 세장형 전도체를 포함하고, 이때 세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150mm인, 전도체 층;
폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제2층
을, 이 순서로, 상기 전도체 층이 상기 제1 층과 제2 층들 사이에 개재되고 이들과 접촉하여 위치하도록 포함하며, 상기 전도체는 바람직하게는, 상기 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행하고, 상기 히터의 임의의 층들 사이에는 접착제가 없다.
또 다른 양태에서 볼 때, 본 발명은
(a) - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고,
- 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하는 단계,
(b) 공압출에 의해, 복수의 균등 이격된 세장형 전도체에,
단계 (a)에서 얻은 제1 전기 반-전도성 조성물의 용융혼합물(meltmix), 및
단계 (a)에서 얻은 제2 전기 반-전도성 조성물의 용융 혼합물
을 적용하여, 3개의 층을 갖는 다층 플랫 시트 히터를 형성하는 단계로서, 이때 복수의 평행한 균등 이격된 세장형 전도체를 포함하는 코어 층이 제1 및 제2 전기 반-전도성 조성물 층 내에 매립되고 이들과 접촉하며, 세장형 전도체들 사이의 거리가 20 내지 150 mm인, 단계
를 포함하고; 이때 상기 세장형 전도체는 상기 반-전도성 층의 기계 방향에 평행한, 다층 플랫 시트 전기 히터의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 양태에서 볼 때, 본 발명은
(a) - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고, 상기 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출하여 제1 층을 형성하고,
- 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고, 상기 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출하여 제2 층을 형성하는 단계,
(b) 상기 제1 및 제2 층을 복수의 균등 이격된 세장형 전도체와 공-적층(colaminating)하여, 3개의 층을 갖는 다층 플랫 시트 히터를 형성하는 단계로서, 세장형 전도체들 사이의 거리가 20 내지 150 mm이고; 복수의 균등 이격된 세장형 전도체를 포함하는 코어 층이 제1 및 제2 전기 반-전도성 조성물 층 사이에 개재되고 이들과 접촉하는, 단계
를 포함하고, 이때 상기 세장형 전도체는 상기 반-전도성 층의 기계 방향에 평행한, 다층 플랫 시트 전기 히터의 제조 방법을 제공한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은, 안전하고 저렴하며 간단한 방식으로 열을 제공하기 위해 다양한 목적에 사용될 수 있는 플랫 시트 전기 히터에 관한 것이다. 본 발명의 플랫 시트 전기 히터는 정 온도 계수(PTC)의 원리를 사용한다. 물체의 과열 및 잠재적인 파괴를 방지하기 위해 상기 히터는 자가-제한적이며 조절 전자장치가 필요하지 않다. 따라서, 일 실시양태에서, 본 발명의 플랫 시트 히터는 조절 전자장치, 예를 들어 과열을 방지하기 위한 열 컷오프(cut off)를 포함하지 않는다.
상기 전기 반-전도성 조성물은 과열될 수 없으며 과열 보호가 필요하지 않다. 본 특정 발명의 기술 해결책은, PTC 특성을 가진 반도체 매질에 전류가 통과하도록 함으로써, 전기 에너지에서 열 에너지로의 전환을 활용하며, 상기 매질은 정상 상태(steady state)에 도달할 때까지 물체 온도를 주변 온도보다 높게 올린다 (자가-조절).
상기 전도체는 상기 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행한 것이 바람직하다. 기계 방향은 압출된 필름이 압출기를 통해 이동하는 방향이다. 필름은, 최종 제품에서도 배향을 결정할 수 있도록 열에 노출될 때, 가로 방향보다 기계 방향으로 더 많이 수축되는 경향이 있다.
상기 전기 반-전도성 조성물은 폴리올레핀 및 전도성 충전제(예를 들어, 카본 블랙)를 포함한다. 자가-조절 열 현상은 하기 두 가지의 병렬적인 반대작용(antagonistic) 프로세스로 인해 발생한다:
a. 반도체 매질을 통한 전자의 불량한 전도가 전기 손실을 발생시키는(열 방출로 나타남) 프로세스, 및
b. 재료의 비전도성 부분의 열 팽창이 전도성 충전제 입자의 분리에 의해 전도도를 추가로 감소시키는 프로세스.
상기 두 프로세스가 동등하면 안정적인 고온 플래토(plateau)에 도달한다.
전기 반-전도성 조성물의 온도 증가는 주로, 병렬 전도체들 사이의 거리, 전기 반-전도성 조성물의 두께, 존재하는 전도성 충전제의 양, 및 인가된 전압에 의해 좌우된다. 전도체가 더 가까울수록 안정적인 고온 플래토에 도달할 때의 온도가 높아진다.
플랫 시트에서 더 두꺼운 반-전도성 조성물은 안정적인 고온 플래토에 도달하는 온도를 높인다.
전도성 충전제 함량이 증가하면 안정적인 고온 플래토에 도달할 때의 온도가 증가한다.
정상 상태 승온은 50℃ 이하, 예컨대 45℃ 이하인 것이 바람직하다. 히터는 이상적으로 적어도 30℃의 온도에 도달해야 한다.
이를 통해 제품 설계자는 사전-결정된 목표 온도에 도달하기 위해 전도도, 물체의 크기 및 모양, 또는 인가된 전압을 자유롭게 변경할 수 있다.
전기 반-전도성 조성물
상기 전기 반-전도성 조성물은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적합한 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌(밀도 940kg/m3 이상), 중밀도 폴리에틸렌(밀도 930 내지 940kg/m3) 및 저밀도 또는 선형 저밀도 폴리에틸렌(밀도 910 내지 930kg/m3)을 포함한다.
적합한 폴리프로필렌은 폴리프로필렌의 단독 중합체 및 공중합체를 포함한다. 적합한 공단량체는 에틸렌을 포함한다.
폴리에틸렌을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 히터가 다수의 반-전도성 층을 포함하는 경우, 이러한 모든 층에 폴리에틸렌, 바람직하게는 동일한 폴리에틸렌이 사용되는 것이 바람직하다.
폴리에틸렌이 LDPE 단독 중합체 또는 공중합체와 같은 고온 오토클레이브(autoclave) 또는 튜브(tubular) 공정에서 제조된 것이 더욱 바람직하다.
LDPE라는 용어는 저밀도 폴리에틸렌의 약어이지만, 이 용어는 밀도 범위를 제한하는 것이 아니라 LDPE-유사 고압(HP) 폴리에틸렌을 포함하는 것으로 이해된다. LDPE라는 용어는, 단지, 올레핀 중합 촉매의 존재 하에서 제조된 폴리에틸렌과 비교되는, 다양한 분지 구조와 같은 전형적인 특징을 가진 HP 폴리에틸렌의 특성을 설명하고 차별화한다.
상기 폴리올레핀으로서의 LDPE는 에틸렌의 저밀도 단독중합체(본원에서는 LDPE 단독중합체라고 함) 또는 에틸렌과 하나 이상의 공단량체(들)의 저밀도 공중합체(본원에서는 LDPE 공중합체라고 함)를 의미한다.
전기 반-전도성 조성물은 LDPE 공중합체를 포함하는 것이 바람직하다. LDPE 공중합체의 하나 이상의 공단량체는 바람직하게는 극성 공단량체(들), 비극성 공단량체(들), 또는 극성 공단량체(들)과 비극성 공단량체(들)의 혼합물로부터 선택된다. 또한, 상기 LDPE 단독중합체 또는 LDPE 공중합체는 임의적으로 불포화될 수 있다.
LDPE 공중합체에 대한 극성 공단량체로서는, 카르복실 및/또는 에스테르 기(들)을 함유하는 공단량체(들)가 상기 극성 공단량체로 사용된다. 훨씬 더 바람직하게는, LDPE 공중합체의 극성 공단량체(들)는 아크릴레이트(들), 메타크릴레이트(들) 또는 아세테이트(들), 또는 이들의 임의의 혼합물의 군으로부터 선택된다.
극성 공단량체(들)는, 상기 LDPE 공중합체에 존재하는 경우, 바람직하게는 알킬 아크릴레이트, 알킬 메타크릴레이트 또는 비닐 아세테이트, 또는 이들의 혼합물의 군으로부터 선택된다.
더 바람직하게는, 극성 공단량체는 C1-C6-알킬 아크릴레이트, C1-C6-알킬 메타크릴레이트 또는 비닐 아세테이트로부터 선택된다. 훨씬 더 바람직하게는, 상기 LDPE 공중합체는 에틸렌과, C1-C4-알킬 아크릴레이트, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필 또는 부틸 아크릴레이트, 또는 비닐 아세테이트 또는 이들의 혼합물의 공중합체이다. 에틸렌 메틸 아크릴레이트(EMA), 에틸렌 에틸 아크릴레이트(EEA), 에틸렌 부틸 아크릴레이트(EBA) 또는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)를 사용하는 것이 바람직하다.
LDPE 공중합체에 대한 비극성 공단량체(들)로서 바람직한 옵션은 C 및 H 원자만을 포함하는 다중불포화 공단량체이다. 바람직한 실시양태에서, 다중불포화 공단량체는, 8개 이상의 탄소 원자, 및 비공액 이중 결합 사이의 4개 이상의 탄소 원자(이들 중 적어도 하나는 말단에 있음)를 갖는 직쇄 탄소 사슬로 구성된다.
바람직한 디엔 화합물은 1,7-옥타디엔, 1,9-데카디엔, 1,11-도데카디엔, 1,13-테트라데카디엔 또는 이들의 혼합물이다. 또한, 7-메틸-1,6-옥타디엔, 9-메틸-1,8-데카디엔 또는 이들의 혼합물과 같은 디엔을 언급할 수 있다.
LDPE 중합체가 공중합체인 경우, 이는 바람직하게는 0.001 내지 40 중량%, 보다 바람직하게는 0.05 내지 40 중량%, 더욱 더 바람직하게는 1 내지 30 중량%의 하나 이상의 공단량체(들)를 포함한다. 극성 공단량체가 존재하는 경우, 이 공단량체 함량은 바람직하게는 5 내지 30 중량%, 예컨대 7.5 내지 20 중량%이다.
폴리올레핀은 임의적으로 불포화될 수 있으며, 예를 들어 LDPE 중합체는 탄소-탄소 이중 결합을 포함할 수 있다. 본원에서 용어 "불포화"는 폴리올레핀이 적어도 0.2개/(1000개 탄소 원자), 예컨대 적어도 0.4개/(1000개 탄소 원자)의 총량으로 탄소-탄소 이중 결합/(1000개 탄소 원자)를 함유함을 의미한다.
폴리올레핀은 단일모드(unimodal) 또는 다중모드(multimodal), 예를 들어 이중모드일 수 있다.
바람직하게는, 폴리올레핀은 0.1 내지 50 g/10분, 보다 바람직하게는 0.3 내지 20 g/10분, 보다 더 바람직하게는 1.0 내지 15 g/10분, 가장 바람직하게는 2.0 내지 10 g/10분의 용융 유속 MFR(2.16/190℃)를 갖는다.
임의의 LDPE 단독 중합체 또는 공중합체는 905 내지 935 kg/m3, 예를 들어 910 내지 925 kg/m3의 밀도를 가질 수 있다.
폴리올레핀은 임의의 통상적인 중합 공정에 의해 제조될 수 있다. 바람직하게는 이것은 LDPE이고 고압 라디칼 중합과 같은 라디칼 중합에 의해 제조된다. 고압 중합은 튜브형 반응기 또는 오토클레이브 반응기에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 이는 튜브형 반응기이다. 일반적으로 압력은 1200 내지 3500 bar 범위 내일 수 있고 온도는 150℃ 내지 350℃ 범위 내일 수 있다. 고압 라디칼 중합에 대한 추가 세부사항은, 본원에 참조로 인용되어 포함되는 WO93/08222에 제공되어 있다. 반-전도성 조성물의 중합체는 잘 알려져 있고 상업적으로 입수가능하다.
전기 반-전도성 조성물은 적어도 50 중량%, 예컨대 적어도 60 중량%의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 전기 반-전도성 조성물이 존재하는 임의의 층이 상기 전기 반-전도성 조성물로 구성될 수 있다. 전기 반-전도성 조성물이 존재하는 임의의 층은 적어도 50 중량%, 예컨대 적어도 60 중량%의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌은 다른 모든 성분이 결정되면 전기 반-전도성 조성물의 나머지를 형성할 것이다.
전도성 충전제
본 발명에 따르면, 전기 반-전도성 조성물은 카본 블랙과 같은 전도성 충전제(filler)를 추가로 포함한다.
적합한 전도성 충전제는 흑연, 그래핀(graphene), 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 금속 분말, 금속 스트랜드 또는 카본 블랙을 포함한다. 카본 블랙을 사용하는 것이 바람직하다.
반-전도성 특성은 첨가된 전도성 충전제로 인해 발생한다. 따라서, 전도성 충전제의 양은, 적어도 반-전도성 조성물이 얻어지도록 하는 양이다. 상기 조성물의 원하는 용도 및 전도성에 따라 전도성 충전제의 양이 달라질 수 있다. 바람직하게는, 전기 반-전도성 조성물은 5 내지 50 중량%의 전도성 충전제를 포함한다. 다른 바람직한 실시양태에서, 전도성 충전제의 양은 전기 반-전도성 조성물의 중량을 기준으로 5 내지 48 중량%, 10 내지 45 중량%, 20 내지 45 중량%, 25 내지 45 중량% 또는 30 내지 41 중량%이다.
전기 전도성인 임의의 카본 블랙이 사용될 수 있다. 적합한 카본 블랙의 예는 퍼니스 블랙, 채널 블랙, 가스 블랙, 램프(lamp) 블랙, 서멀(thermal) 블랙 및 아세틸렌 블랙을 포함한다. 또한, 흑연화된 퍼니스 블랙(예컨대, Imerys에서 생산) 및 하이 스트럭쳐 블랙(high structure black)(Nouryon에서 생산되는 Ketjenblacks로 알려짐)도 사용될 수 있다. 혼합물도 또한 사용될 수 있다. 카본 블랙 혼합물이 사용되는 경우 이 백분율은 존재하는 카본 블랙의 총량을 나타낸다.
카본 블랙은 ASTM D3037-93에 따라 결정될 때 5 내지 1500 m2 /g, 예를 들어 10 내지 300 m2/g, 예를 들어 30 내지 200 m2/g의 질소 표면적(BET)을 가질 수 있다. 또한, 카본 블랙은 다음 특성 중 하나 이상을 가질 수 있다:
i) ASTM D3849-95a에 따른 수평균 입자 직경으로 정의되는, 5nm 이상의 1차(primary) 입자 크기,
ii) ASTM D-1510에 따라 측정할 때, 적어도 10mg/g, 예를 들어 10 내지 300mg/g, 예를 들어 30 내지 200mg/g의 요오드 흡착가(IAN); 및/또는
iii) ASTM D 2414에 따라 측정할 때, 적어도 30 cm3/100g, 예를 들어 60 내지 300 cm3/100g, 예를 들어 70 내지 250 cm3/100g, 예를 들어 80 내지 200 cm3/100g, 예를 들어 90 내지 180 cm3/100g의 DBP(디부틸 프탈레이트) 흡수가(= 오일 흡수가).
또한, 카본 블랙은 다음 특성 중 하나 이상을 가질 수 있다:
a) ASTM D3849-95a에 따른 수평균 입자 직경으로 정의되는, 15 nm 이상의 1차 입자 크기;
b) ASTM D1510에 따른, 적어도 30mg/g의 요오드가;
c) ASTM D2414에 따라 측정된, 30ml/100g 이상의 오일 흡수가.
퍼니스 카본 블랙이 바람직하다. 이는 일반적으로, 퍼니스-유형 반응기에서 연속적으로 생산되는 잘 알려진 카본 블랙 유형에 대한 공지된 용어이다. 카본 블랙, 그의 제조 방법 및 반응기의 예로서, Cabot의 EP-A-0629222, US 4,391,789, US 3,922,335 및 US 3,401,020을 참조할 수 있다. ASTM D 1765-98b i.a. N351, N293 및 N550에 기술된 상업용 퍼니스 카본 블랙 등급의 예가 언급될 수 있다.
기타 성분
상기 조성물은 과산화물 또는 실란 수분 경화 시스템을 사용하여 가교결합될 수 있다. 가교결합은 또한 가교결합제의 필요성을 피하기 위해 조사(irradiation)를 이용하여 수행될 수 있다.
바람직하게는 가교결합은 회피되고, 생성된 시트는 더 재활용가능한 제품이다. 본 발명의 반-전도성 조성물은 바람직하게는 가교결합되지 않는다.
산화방지제
상기 반-전도성 조성물은 산화방지제를 함유할 수 있다. 산화방지제로서는, 입체 장애 또는 반-장애 페놀, 방향족 아민, 지방족 입체 장애 아민, 유기 인산염, 티오 화합물, 중합된 2,2,4-트리메틸-1,2-디히드로퀴놀린 및 이들의 혼합물을 언급할 수 있다.
보다 바람직하게는, 산화방지제는 4,4'-비스(1,1'-디메틸벤질)디페닐아민, 파라-배향된 스티렌화된 디페닐아민, 4,4'-티오비스 (2-tert-부틸-5-메틸페놀), 중합된 2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린, 4-(1-메틸-1-페닐에틸)-N-[4-(1-메틸-1-페닐에틸)페닐]아닐린 또는 이들의 유도체의 군으로부터 선택된다.
보다 바람직하게는, 산화방지제는, 비제한적으로, 4,4'-비스(1,1'-디메틸벤질)디페닐아민, 파라-배향된 스티렌화된 디페닐아민, 4,4'-티오비스(2-tert-부틸-5-메틸페놀), 2,2'-티오비스(6-tert-부틸-4-메틸페놀), 디스테아릴티오디프로피오네이트, 2,2'-티오-디에틸-비스-(3-(3,5-디-tert-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트, 중합된 2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린 또는 이들의 유도체의 군으로부터 선택된다. 물론, 상기 산화방지제 중 1종 뿐만 아니라 이들의 혼합물도 사용될 수 있다.
산화방지제, 임의적으로 둘 이상의 산화방지제의 혼합물의 양은 반-전도성 조성물의 중량을 기준으로 0.005 내지 2.5 중량%, 예를 들어 0.01 내지 2.5 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 2.0 중량%, 더 바람직하게는 0.03 내지 2.0 중량%, 특히 0.03 내지 1.5 중량%, 보다 특히 0.05 내지 1.5 중량%, 또는 0.1 내지 1.5 중량% 범위일 수 있다.
상기 반-전도성 조성물은 추가의 첨가제를 포함할 수 있다. 가능한 첨가제로서는, 안정화제, 가공 보조제, 난연성 첨가제, 산 스캐빈저, 무기 충전제, 전압 안정제 또는 이들의 혼합물이 언급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 반-전도성 조성물은 90℃에서 측정된 체적 저항률이 500000 오옴·cm 미만, 더 바람직하게는 100000 오옴·cm 미만, 더욱 더 바람직하게는 50000 오옴·cm 미만이다.
전도체
본 발명의 히터는 복수의 전도체를 포함한다. 여기서 복수라는 용어는 적어도 2개, 예컨대 적어도 4개의 전도체를 의미하는 데 사용된다. 이상적으로는, 본 발명의 시트는 짝수의 전도체를 포함한다. 이상적으로는, 사용시, 상기 전도체는 바람직하게는 교번되는 극성을 갖는다.
세장형 전도체는 임의의 적합한 전도성 금속, 전형적으로 구리 또는 알루미늄으로부터 제조될 수 있다. 상기 전도체는 테이프, 호일 또는 와이어 형태일 수 있다. 상기 전도체는 직경 또는 두께가 0.05 내지 2.0mm일 수 있다. 상기 전도체는 0.5 내지 15mm, 예컨대 1.0 내지 10mm의 폭을 가질 수 있다. 세장형 전도체의 길이는 플랫 시트의 크기에 따라 결정된다. 상기 세장형 전도체는 시트의 대부분, 예컨대 전체를 지나가야 한다. 각각의 전도체에는 전극이 제공되어 복수의 전도체가 상호 연결될 수 있도록 하고 외부 전원이 인가되어 회로를 생성하고 가열할 수 있도록 할 수 있다. 상기 전도체는 설치 용이성을 위해 직접 납땜할 수 있도록 설계될 수 있다.
플랫 시트 히터는 최소 4개의 별개의 전도체를 포함할 수 있지만 더 많은 전도체를 포함할 수도 있다. 상기 전도체는 서로 이격되어 있으며, 따라서 서로 닿지 않는다. 상기 전도체는 서로 실질적으로 평행하다. 모든 전도체는 서로 균등 간격으로 배치되어야 한다. "균등 간격"이란 인접한 전도체들 사이의 거리가 항상 동일함을 의미한다. 상기 전도체는 바람직하게는 선형이고, 바람직하게는 상기 반-전도성 조성물에 대해 기계 방향으로 배향된다. 그러나, 이론적으로, 상기 전도체는 항상 서로 등거리(equidistant)를 유지하도록 구부러진 형상(예컨대, SS 모양)일 수도 있다. 본 발명자들은 이것을 "병렬"로 간주한다.
세장형 전도체는 20 내지 150mm 간격으로 배치된다. 일 실시양태에서, 전도체들 사이의 갭은 20 내지 100mm, 예컨대 30 내지 90mm, 바람직하게는 40 내지 80mm이다. 전도체들 사이의 이러한 갭은 PTC 재료 내에서 열이 빠르게 생성되도록 하는 데 중요하다. 전도체가 너무 멀리 떨어져 있으면 PTC 재료가 예열되는 데 오랜 시간이 걸린다. 전도체를 더 가깝게 배치하면 장치에서 더 낮은 전압을 사용할 수 있다. 이것은, 히터가 감전의 위험 없이 열을 발생시킬 수 있으므로 중요하다. 예를 들어 히터가 주 전류에 연결되어 있는 곳에서, 더 높은 전압이 사용되면 감전의 위험이 더 커진다. 전도체들 사이의 갭이 줄어들면, 예를 들어 배터리에서, 충분한 열이 발생할 수 있다. 따라서, 일 실시양태에서, 히터에는 직류가 공급된다. 이는 본 발명의 추가 양태를 형성한다. 히터에 직류가 공급되는 경우가 특히 바람직하다.
상기 전도체는 상기 전기 반-전도성 조성물과 직접 접촉한다. 따라서, 상기 전도체로부터 전기 반-전도성 조성물을 분리하는 층이 없어야 한다. 상기 전도체는 또한 전기 반-전도성 조성물 내에 매립되어야 한다. 즉, 상기 전도체는 전기 반-전도성 조성물의 위나 아래에 위치해서는 안되고, 그에 의해 둘러싸여야 한다. 이것은, 상기 전도체가 전기 반-전도성 조성물과 함께 공압출될 때 달성된다. 이것은 또한, 전기 반-전도성 조성물의 두 층들 사이에 전도체를 개재시킴으로써 달성될 수 있다.
상기 전도체는 전기 반도체 성분 내에 매립된 것으로 간주될 수 있으므로, 재료의 핫 스팟 또는 국소적 과열이 방지된다.
상기 전도체는 바람직하게는 상기 반-전도성 조성물의 기계 방향에 평행하게 정렬된다.
상기 전도체 층은 연속적이지 않고 평행한 균등 이격된 복수의 별도의 전도체로 형성된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 별도의 전도체들 사이의 갭은, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 공-적층 또는 공압출 공정 동안 전기 반-전도성 조성물에 의해 충전된다(filled).
제조
본 발명에서 청구된 플랫 시트 히터는 공-적층에 의해 제조되는 것이 가능하다. 그러한 공정에서, 2개의 전기 반-전도성 층은 예를 들어 압출을 통해 제조될 수 있다. 이들은 공-적층이 발생하기 전에 냉각될 수도 있다. 상기 층들은 동일하거나 다를 수 있다. 이상적으로는 동일하다. 이들 층은 바람직하게는 동일한 두께이다.
이어서, 이러한 층을 전도체 층을 개재시키는데 사용할 수 있다. 따라서, 한 층은 위에 배치되고 한 층은 아래에 배치되며, 합쳐진 층들은 함께 압축된다. 따라서, 전도체들 사이의 갭은 전기 반-전도성 층으로 충전된다. 상기 전도체 층은 종종 전기 반-전도성 층에 비해 매우 얇음을 알 것이다.
전기 반-전도성 층 중 하나 또는 둘 다의 한 표면을 공-적층 전에 가열하여, 함께 공-적층될 때, 별도의 접착제를 사용하지 않고도 전기 반-전도성 층이 전도체에 부착되고 다른 전기 반-전도성 층에 부착되도록 하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로 전도체 층은 전기 반-전도성 조성물 내에 매립된다.
특히 바람직한 실시양태에서, 층들 사이의 적층은 단지 전도체 가까이에서만 발생한다. 예를 들어, 각 전도체의 어느 쪽 스트립을 용융시켜 두 층이 서로에 대해 부착되도록 할 수 있다. 예를 들어, 플랫 시트 히터에서 전도체 위치의 양쪽 5mm 스트립은 상기 층들이 부착되도록 층들 중 하나 또는 둘 모두에서 용융될 수 있다. 용융 스트립의 폭은 전도체 위치의 어느 쪽으로든 5 내지 20mm, 예컨대 10 내지 30 mm일 수 있다. 용융 스트립의 폭은 전도체들 사이의 간격에 따라 조정될 수 있다.
전도체가 위치하게 될 시트 영역도 용융되어 적층 공정 동안 전도체가 플랫 시트 히터에 점착되도록 할 수 있다. 따라서, 용융될 스트립의 전체 두께는 전도체 자체의 직경을 고려할 수 있다. 따라서, 적층을 위해 용융된 전도체의 어느 한 쪽이 5mm인 직경 2mm 전도체의 경우, 용융된 스트립의 전체 폭은 12mm이다.
이 용융된 스트립 외부에서, 상기 두 층이 함께 적층되지 않아 독립적으로 움직일 수 있다. 이는, 플랫 시트 히터에 향상된 가요성을 제공하며, 이는, 히터가 가요성이어야 하는 온열 의류와 같은 응용 분야에 있어서 중요하다.
도 5는, 플랫 시트 히터의 한 층에 전도체를 배치하고 전도체의 양쪽 스트립을 용융시켜 제2 시트가 제1 시트에 접착되도록 하는 제안된 공정을 예시한다. 편리하게는, 상기 전도체는 적층 공정 중에 시트에 부착되어, 전도체 위치 아래 영역도 또한 용융된다.
용융된 스트립은 적층체의 한 층 또는 두 층 모두에 있을 수 있음을 이해할 것이다.
또 다른 양태에서 볼 때, 본 발명은
(a) - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고, 상기 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출하여 제1 층을 형성하고,
- 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고, 상기 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출하여 제2 층을 형성하는 단계,
(b) 상기 제1 및 제2 층을 복수의 균등 이격된 세장형 전도체와 공-적층하여, 3개의 층을 갖는 다층 플랫 시트 히터를 형성하는 단계로서, 세장형 전도체들 사이의 거리가 20 내지 150 mm이고; 복수의 균등 이격된 세장형 전도체를 포함하는 코어 층이 제1 및 제2 전기 반-전도성 조성물 층 사이에 개재되고 이들과 접촉하는, 단계
를 포함하고, 이때 상기 제1 및 제2 층은, 각각의 전도체의 양 측부에서 50 내지 200 cm 연장되는 스트립을 통해서만 부착되는, 다층 플랫 시트 전기 히터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 핵심 양태는, 본원에서 청구된 플랫 시트 히터가 공압출을 이용하여 제조될 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명의 히터는 바람직하게는, 다양한 층이 별도로 제조되고 아마도 접착제를 사용하여 함께 적층되는 전형적인 적층체가 아니다. 본 발명의 제품에는 필요한 히터를 형성하기 위해 접착제가 필요하지 않다.
따라서, 본 발명의 히터는 연속적으로 제조될 수 있다.
중요하게는, 상기 반-전도성 조성물은 상기 전도체 상에 압출될 수 있고, 이에 따라서, 이것은 반-전도성 조성물에 별도로 부착되기보다는 압출 공정 동안 반-전도성 조성물 내에 매립된다. 따라서, 복수의 전도체 위 및 아래에 층을 형성하는 반-전도성 조성물이 이들 전도체 상에 연속적으로 압출될 수 있다.
따라서, 본원에 기술된 방법은, 형성된 제품의 가치를 최대화하면서 연속적으로 실시될 수 있는 공정이다. 본 발명의 히터는 저렴하다. 이것은 또한 얇고 가요성이다.
따라서, 도 3과 같이 두 개의 반-전도성 층이 중심 전도체를 둘러싸도록 공압출되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 방법은
(a) - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고,
- 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하는 단계,
(b) 공압출에 의해, 복수의 균등 이격된 세장형 전도체에,
단계 (a)에서 얻은 제1 전기 반-전도성 조성물의 용융혼합물, 및
단계 (a)에서 얻은 제2 전기 반-전도성 조성물의 용융 혼합물
을 적용하여, 3개의 층을 갖는 다층 플랫 시트 히터를 형성하는 단계로서, 복수의 평행한 균등 이격된 세장형 전도체를 포함하는 코어 층이 제1 및 제2 전기 반-전도성 조성물 층 내에 매립되고 이들과 접촉하는, 단계
를 포함하며, 이때 상기 세장형 전도체는 상기 반-전도성 층의 기계 방향에 평행하다.
이 방법은 상기 반-전도성 층의 위 또는 아래에 추가 층을 포함하도록 쉽게 구성될 수 있다.
일 실시양태에서, 이어서, 가교결합 반응을 일으키기 위해 가교결합 조건을 적용할 수 있다.
용융 혼합은 혼합물의 적어도 주요 중합체 성분(들)의 융점 이상에서 혼합하는 것을 의미하며, 일반적으로 중합체 성분(들)의 융점 또는 연화점보다 적어도 10 내지 15℃ 높은 온도에서 수행된다.
공압출이라는 용어는, 본원에서, 2개 이상의 층이 동일한 압출 단계에서 압출되는 것을 의미한다. 공압출이라는 용어는 층(들)의 전부 또는 일부가 하나 이상의 압출 헤드를 사용하여 동시에 형성됨을 의미한다. 예를 들어, 삼중 압출은 세 개의 층을 형성하는 데 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 히터는,
폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제1 층;
복수의 이격된 전도체를 포함하는 전도체 층;
폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 도전성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제2 층
을, 이 순서로, 상기 전도체 층이 상기 제1 및 제2 층 내에 매립되어 이와 접촉하도록 포함하는 다층 플랫 시트 히터로서 볼 수 있다.
상기 전극들은 상기 반-전도성 층 내에 매립되어 있으며 상기 중합체 층의 기계 방향과 평행하게 위치된다. 2개의 반-전도성 조성물은 동일하거나 상이할 수 있으며, 바람직하게는 동일하다.
일단 공압출이 수행되면, 필요한 경우, 재료를 공지된 가교결합 조건으로 처리함으로써, 형성된 플랫 시트를 가교결합시킬 수 있다.
플랫 시트 히터
상기 히터는 가요성이고 경량이며 저렴한 플랫 시트 형태이다. 상기 반-전도성 조성물의 손상을 방지하기 위해 상기 히터에는 하나 이상의 추가 층이 제공될 수 있다. 예를 들어, 심미적 상부 층은 섬유 직물, 부직포 또는 솔리드 시트(고무, 플라스틱, 종이, 목재, 금속 등)일 수 있다. 임의적으로는, 상부 층(들)이 사용되지 않는다. 상기 상부 층은 예를 들어 폴리올레핀 층과 같이 압출가능한 것일 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 히터에는 히터의 기재(base)에 절연층 또는 열 반사층이 제공된다. 이러한 절연층은 전기 절연성, 열 절연성 또는 둘 모두일 수 있다. 이러한 층은 히터의 효율성을 증가시킨다. 그러한 층은 폴리에틸렌, 특히 LDPE, 예를 들어 LDPE 단독 중합체와 같은 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 바람직한 절연층은 LDPE를 유일한 중합체 성분으로 사용한다. 이러한 층은 공압출될 수 있는 것이 바람직하지만, 이 층의 적층도 또한 옵션이다.
임의의 추가적인 층 또한 공압출되는 것이 가장 바람직하다. 일 실시양태에서, 상기 히터는 5층 구조를 포함하며, 이때 전도체가 중심층을 형성하여 2개의 전기 반-전도성 층 내에 매립되고, 이들은 차례로 추가의 층으로 보호된다. 이것은 ABCDE 유형 구조이다. 층 A/E와 층 B/D는 동일할 필요는 없다.
상기 전기 반-전도성 층이 실질적으로 동일한 두께를 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 절연 및/또는 열 반사 층이 반-전도성 조성물(들) 아래에 위치할 수 있다. 이 층은 열 손실을 줄일 수 있다. 이는 또한, 반-전도성 층(들)의 기계적 보호 및 플랫 시트에 대한 강도를 제공할 수 있다.
특히 바람직한 실시양태에서는, 추가적인 절연층의 사용이 회피된다. 이것은 히터를 더욱 저렴하게 만든다. 본원에서 청구된 발명에서 전도체들은 서로 근접하고, 이는 히터에 전력을 공급하는 데 필요한 전압을 감소시킬 수 있으므로, 절연층의 사용이 필요하지 않다. 더 높은 전압이 사용되는 경우, 절연층은 PTC 재료를 보호하고 사용자를 가능한 쇼크로부터 보호하는 역할을 한다. 본 발명의 장치에서는 이러한 층을 사용할 필요가 없다. 따라서, 본 발명의 히터는 필요한 전도체 층 및 반-전도성 층으로 이루어질 수 있다.
사용시 전류가 전도체를 통해 히터에 인가되어 열을 발생시킨다. 통상적으로 전압은 10 내지 70V, 예컨대 10 내지 55V, 바람직하게는 10 내지 40V, 예컨대 12 내지 30V이다. 플랫 시트 히터에 전력을 인가하면 거의 즉각적인 열이 발생한다. 사용 전압이 높지 않아도 되므로 감전사의 위험이 없다. 상기 히터는 배터리를 통해 전기를 공급받거나 적절한 어댑터를 사용하여 주 전원에서 직접 전기를 공급받을 수 있다.
히터 자체는 전기 인가 후 300초 이내에 최대 온도에 도달할 수 있다. 바람직하게는, 상기 히터는 전기 인가 후 50초 내지 250초에 최대 온도에 도달한다. 따라서, 상기 히터는 믿을 수 없을 정도로 빠르게 작동 온도에 도달한다.
따라서, 전술한 바와 같이, 정상 상태 승온은 바람직하게는 50℃ 이하, 예컨대 45℃ 이하이다. 상기 히터는 이상적으로 적어도 30℃의 온도에 도달해야 한다.
정상 상태의 승온은 50℃ 이하, 예컨대 45℃ 이하인 것으로 이해될 것이다. 상기 히터는 이상적으로 적어도 30℃의 온도에 도달해야 한다.
히터 자체는 바람직하게는 20mm 이하, 바람직하게는 10mm 이하, 예를 들어 0.25 내지 5mm 두께를 갖는다. 핵심 반-전도성 조성물 층의 두께는 100 내지 900 ㎛, 예를 들어 125 내지 800 ㎛일 수 있다.
히터의 폭은 가능한 모든 용도에 맞게 쉽게 조정할 수 있다. 상기 폭은 공압출 장치의 함수일 수 있으며, 5cm 내지 5m의 시트를 쉽게 생산할 수 있다.
앞서 논의한 바와 같이, 플랫 시트 히터의 가열 전력은 시트의 두께, 전도체들의 간격, 전도성 충전제 함량 및 인가된 전압을 통해 제어될 수 있다. 전도체를 서로 더 가깝게 이동하면 와트량이 증가하고 따라서 생성되는 열이 증가한다. 이 관계는 전력 = [전압]2/저항으로 표현될 수 있다.
상기 반-전도성 조성물 층이 얇기 때문에, 본 발명의 플랫 시트 히터는 매우 가요성이어서, 가요성이 필수적인 환경에서 사용하기에 이상적이다. 이러한 환경은, 플랫 시트 히터가 효율적으로 작동하기 위해 구부러져야 하는 온열 의류 또는 온열 카시트를 포함한다.
두꺼운 플랫 시트는 전력 출력을 증가시키는 경향이 있다.
청구된 플랫 시트 히터의 단순성은 제조 비용이 매우 저렴하기 때문에 중요하다. 전체 장치는 공압출을 사용하여 제조할 수 있다. 적층 단계, 접착제 등이 필요하지 않다.
적용
본 발명의 플랫 시트 히터는 많은 분야에서 활용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 기술의 적용 분야는 매우 넓다.
사람들은 종종 방이나 건물의 전체 공기를 가열하여 겨울에 열 쾌적성을 제공한다. 예전에 난방에 대한 우리 조상의 개념은 보다 국지적이었다. 즉, 장소가 아니라 사람을 따뜻하게 하는 것이었다. 이들은 방의 특정 부분만 따뜻하게 하는 복사열원을 사용하여 안락한 작은-기후 환경을 만들었다. 이 사람들은 후드형 의자와 병풍과 같은 단열 가구로 큰 온도차에 대응했고, 특정 신체 부위를 따뜻하게 하는 개인 열원을 추가로 사용했다. 특히 현대 기술로 이것은 훨씬 더 실용적이고 안전하며 효율적으로 되었기 때문에, 이 오래된 가온(warming) 방법을 복원하는 것이 합리적일 것이다.
따라서, 본 발명의 히터는 스크린, 의자 또는 소파와 같은 가구 품목 내에 사용될 수 있다.
일 실시양태에서, 본 발명의 히터는 온열 의류에 사용될 수 있다. 오늘날 사용 가능한 온열 의류에는 (종종 부서지기 쉬운 탄소 섬유로 만들어진) 작은 와이어가 매립되어 있다. 저전압 전류가 흐르면 이것은 가열된다. 온열 의류에는 배터리 전원형 또는 차량 전원형(예컨대, 모터사이클의 온열 장갑)의 두 가지 주요 유형이 있다. 본 발명의 히터는 이러한 두 가지 용도 모두에 사용하기에 이상적으로 적합하다.
상기 히터는 담요에도 사용할 수 있다. 오늘날 시장에 나와 있는 전기 가열 담요의 주요 관심사는 화재 위험이다. 이 담요는 과열되는 경향이 있다. 본 발명의 히터를 사용하면 그러한 위험이 제거된다.
라디에이터는 크고 고정성이며 종종 미관상 좋지 않다. 세계의 많은 지역에서 라디에이터는 다양한 디자인의 보다 미관상 멋있는 덮개 뒤에 숨겨져 있다. 이러한 덮개는 또한 소음을 줄이거나 과도하게 뜨거워진 라디에이터에 대한 접촉을 방지할 수 있다. 그러나, 라디에이터 덮개를 추가하면 라디에이터에서 실내로 열이 이동하는 속도가 느려지기 때문에 라디에이터를 은폐하는 것은 효율적이지 않다. 건물 외벽을 통한 열 손실률도 마찬가지로 증가할 가능성이 높다.
본 발명의 시트는 라디에이터를 대체하거나, 히터로서 벽, 바닥, 천장에서 사용될 수 있다. 상기 히터는 카펫이나 양탄자 또는 기타 바닥 덮개 내에 포함될 수도 있다.
내부를 가열하기에 충분한 것 이상의 엔진 열을 생성하는 기존 승용차와 달리 전기 자동차는 열을 거의 발생시키지 않는다. 따라서, 내부 가열을 위해 전기 자동차에는 추가의 전기 히터가 필요하다.
이 히터는 엔진에 에너지를 공급하는 동일한 배터리에 의해 전원이 공급된다. 이것은 최대 가능 주행 거리를 상당히 단축시킬 수 있다.
따라서, 가능한 한 효율적으로 전기 자동차를 가열할 필요가 있다. 본 발명은 차량 내의 스티어링 휠, 팔걸이, 도어 패널, 시트와 같은 내부 접촉면을 가열하는데 사용될 수 있다. 특히, 짧은 여행의 경우, 차량 내부 전체를 가열하는 것과 비교하여 더 효율적인 가열을 고려할 수 있다.
본 발명의 히터는 태양 전지판과 같은 중요한 표면에 얼음이나 눈이 쌓이는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 히터는 제빙 작업에 유용할 수 있다. 다른 표면은 사이드 미러(wing mirror)일 수 있다.
상기 히터는 또한 가요성이며 파이프 주위를 감싸서 내부 액체 동결을 방지할 수 있다. 히터는 또한, 예를 들어 수영장이나 액체 용기에서 유체를 가열하는 데 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 플랫 시트 히터의 이론적 이미지이다. 반-전도성 층 A와 B는 시트에 균등 분포된 전도체를 개재시킨다. 상부 및 하부 층은 반-전도성 층을 개재시킨다. 상부 층은 심미적이며 하부 층은 절연 또는 열 반사 층 역할을 한다. 일부 실시양태에서, 상부 및/또는 하부 층은 제거될 수 있다. 따라서, 특히 바람직한 구조는 전도체 층을 갖는 반-전도성 층 A 및 B이다. 추가로, 반-전도성 층 물질이 층 A 및 B 모두에서 동일하고 층 A 및 B의 두께가 동일한 경우가 바람직하다.
도 2는 도 1의 본 발명 플랫 시트 히터의 위에서 본 단면이다. 복수의 전도체가 전기 반-전도성 층 내에 매립된다. 이들 층은 반-전도성 조성물 및 전도체의 공-적층 또는 공압출을 통해 형성된다. 이들은 교번되는 극성을 가지고 있다.
도 3은 제조 공정의 개략도이다. 도 3의 설정은 심미적 상부 층, 제1 반-전도성 층, 전도체 층, 제2 반-전도성 층 및 절연 층이 있는 5 층 유형 구조로 이어진다. 상기 전도체는 금속 전극 테이프로서 분배되어 공압출 또는 공-적층 시트의 중심 층을 형성한다. 반-전도성 조성물들은 공압출되거나 공-적층되어 전도체의 양 쪽에 층을 형성하고, 상부 및 하부 층이 상기 반-전도성 층의 상부 및 하부 표면 상에 공압출되거나 공-적층된다. 공압출의 경우, 관련 중합체가 용융되고 다이를 통해 닙 롤러로 공압출된 다음, 추가 롤러 위를 통과하여 다층 플랫 시트를 형성한다. 닙 롤러는 가열 및/또는 코팅되어 중합체 용융물이 롤러에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
가장 하부 층은 전형적으로, 아래의 층과 직접 접촉하는 다른 층과 함께, 가열된 롤과 1/4 회전 동안 만난다. 대부분의 열은 상기 가장 하부 층에 제공된다. 회전이 시작될 때 두 개의 롤은, 예를 들어 0.3mm의 거리만큼 이격된다. 이어서 3개의 층은 절반 회전 동안 제2 롤에 정렬된 다음, 1/4 회전 동안 제3 롤을 통과하게 된다.
이어서, 전도체를 전원 공급 장치에 연결하여 전류를 적용할 수 있다.
도 4는 40mm 간격으로 알루미늄 전극(폭 1.7mm, 두께 0.3mm)이 구비된 시험 시편(LE7710)(두께 0.8mm, 폭 52mm)을 도시한다.
도 5는 전도체의 양쪽 측부에 있는 스트립이 용융되어 제2 시트에 공-적층되는 플랫 시트 히터의 한 층의 단면을 도시한다.
도 6 내지 도 15는 상이한 층 두께, 인가된 전압 및 전도체 이격을 이용한 본 발명의 다양한 플랫 시트 히터에 대한 열 대 시간 곡선을 보여준다. 표 2에 이 데이터가 요약되어 있다.
실시예
제조 공정
연속 공정을 사용하여 자가-조절 가열 적층체를 제조하였다.
LE7710은 약 60 중량%의 에틸렌과 부틸 아크릴레이트의 공중합체 및 약 39 중량%의 카본 블랙을 함유하는 반-전도성 조성물이다. 이는 보레알리스 아게(Borealis AG)에서 상업적으로 입수할 수 있다. 이는 다음 실시예에서 사용된다.
실시예 1 - 연속 공정 설명
3층 플랫 시트(반도체 필름/전극/반도체 필름)을, 2개의 가열된 회전 금속 롤러 사이에 상기 3층을 동시에 연속적으로 공급하고 개재시킴으로써 제조하였다. 금속 롤러에 반도체 필름이 점착되는 것을 방지하기 위해 이는 0.05mm 두께의 테플론 필름으로 피복되었다.
Collin W 150 AP 2-롤 밀 기계가 사용되었다. 폭이 400mm인 두 개의 롤이 나란히 위치되었다.
설정은 다음과 같았다:
- 금속 롤의 온도: 96℃
- 금속 롤의 회전 속도: 0.2rpm
- 금속 롤 사이의 간격: 0.3mm.
제조된 플랫 시트의 전체 두께는 0.4mm였다. 전극 이격 거리는 약 30mm였다.
상기 3개의 층은 2개의 롤 밀의 한쪽으로부터 공급되었다. 하부 층은 직접 접촉하는 다른 층과 함께 1/4 회전 동안 가열된 롤과 접촉하였다. 대부분의 열은 하부 층에 제공되었다. 그 1/4 회전에서 두 롤이 만났다(0.3mm의 거리). 이때, 상기 3층은 절반 회전 동안 제2 롤에 정렬되었다. 350mm 폭의 스풀(spool) 상에서 Collin Teach-Line CR 72T의 권취 부분을 사용하였다.
실시예 1에 따라 제조된 플랫 시트를 후속적으로, 하기 표 1에 따라 온도 상승을 생성하는 DC 전원(23.9 V)에 연결하였다.
표 1
온도 1이 측정된 전극 거리: 약 30mm
온도 2가 측정된 전극 거리: 약 30mm
적층체의 길이: 700mm
실시예 2
실시예 1의 프로토콜에 따라, 전도체들 사이의 거리를 변경하고 전도체의 수를 달리하여 추가의 플랫 시트 히터를 제조하였다. 이러한 플랫 시트 히터의 가열 프로파일은 다양한 인가 전압을 사용하여 설정되었다.
실행 1 내지 4: 250 μm 층, 2 개의 전도체
실행 1: 250 μm의 층들이 2개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.5 mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 12V의 전압이 인가된 채 30mm 이격되어 있다. 도 6은 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 상기 히터는 약 45℃의 최대 열에 도달하는 데 약 200초가 걸린다.
실행 2: 250 μm의 층들이 2개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.5 mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 24V의 전압이 인가된 채 60mm 이격되어 있다. 도 7은 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 45℃의 최대 열에 도달하는 데 약 200초가 걸린다.
실행 3: 250 μm의 층들이 2개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.250 mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 12V의 전압이 인가된 채 60mm 이격되어 있다. 도 8은 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 34℃의 최대 열에 도달하는 데 약 200초가 걸린다.
실행 4: 250 μm의 층들이 2개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.250 mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 24V의 전압이 인가된 채 30mm 이격되어 있다. 도 9는 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 42℃의 최대 열에 도달하는 데 약 200초가 걸린다.
실행 5 및 6: 125 μm 층, 2 개의 전도체
실행 5: 125μm의 층들이 2개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.250 mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 12V의 전압이 인가된 채 30mm 이격되어 있다. 도 10은 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 30℃의 최대 열에 도달하는 데 약 150초가 걸린다.
실행 6: 125μm 층이 2개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.250mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 24V의 전압이 인가된 채 60mm 이격되어 있다. 도 11은 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 40 ℃의 최대 열에 도달하는 데 약 150초가 걸린다.
실행 7 및 8: 125 μm 층, 4 개의 전도체
4개의 전도체가 존재하는 경우 전도체들 사이에 3개의 가열 영역이 있다. 보고된 온도 증가는 모든 영역의 평균이다.
실행 7: 125μm 층이 4개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.250mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 24V의 전압이 인가된 채 53mm 이격되어 있다. 도 12는 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 42℃의 최대 열에 도달하는 데 약 200초가 걸린다.
실행 8: 125μm 층이 4개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.250mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 24V의 전압이 인가된 채 30mm 이격되어 있다. 도 13은 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 40℃의 최대 열에 도달하는 데 약 150초가 걸린다.
실행 9 및 10: 250 μm 층, 4 개의 전도체
실행 9: 250μm 층이 4개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.5mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 24V의 전압이 인가된 채 30mm 이격되어 있다. 도 14는 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 45℃의 최대 열에 도달하는 데 약 70초가 걸린다.
실행 10: 250μm 층이 4개의 전도체를 개재시켜 전체 두께가 0.5mm가 되도록 한다. 상기 전도체는 12V의 전압이 인가된 채 30mm 이격되어 있다. 도 15는 이 히터에 대한 시간에 따른 가열 프로파일을 보여준다. 히터는 약 38℃의 최대 열에 도달하는 데 약 140초가 걸린다.
표 2: 실행 1 내지 10의 요약

Claims (24)

  1. 플랫 시트(flat sheet) 전기 히터로서,
    바람직하게는 공압출에 의해 수득될 수 있고,
    서로에 대해 실질적으로 평행하고 균등 이격된(evenly spaced) 복수의 세장형(elongate) 전도체를 포함하며, 이때
    상기 전도체는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는, 정 온도 계수(positive temperature coefficient)를 갖는 전기 반(semi)-전도성 조성물 내에 매립되고(embedded) 이와 접촉하며,
    세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150 mm이고,
    상기 전도체는 바람직하게는 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행한, 플랫 시트 전기 히터.
  2. 다층 플랫 시트 전기 히터로서,
    바람직하게는 공압출에 의해 수득될 수 있고,
    폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제1 층;
    서로 실질적으로 평행한 균등 이격된 복수의 세장형 전도체를 포함하는 전도체 층으로서, 이때 세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150mm인, 전도체 층;
    폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제2 층
    을, 이 순서로, 상기 전도체 층이 상기 제1 및 제2 층들 사이에 개재되고(sandwitched) 이와 접촉하도록 포함하며; 이때,
    상기 전도체는 바람직하게는 반-전도성 조성물의 기계 방향과 평행한, 다층 플랫 시트 전기 히터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플랫 시트 전기 히터에, 상기 제1 층 위에 적어도 하나의 추가 층 및/또는 상기 제2 층 아래에 적어도 하나의 추가 층, 바람직하게는 절연(insulation)층, 예를 들어 열 절연층이 구비되는, 플랫 시트 전기 히터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 반-전도성 조성물은 LDPE 단독 중합체 또는 LDPE 공중합체를 포함하는, 플랫 시트 전기 히터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 반-전도성 조성물은 에틸렌 알킬 아크릴레이트 또는 에틸렌 비닐 아세테이트 중합체를 포함하는, 플랫 시트 전기 히터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 충전제는 카본 블랙을 포함하는, 플랫 시트 전기 히터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 반-전도성 조성물은 15 내지 50 중량%의 전도성 충전제를 포함하는, 플랫 시트 전기 히터.
  8. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 층은 동일한 것인, 다층 플랫 시트 전기 히터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 6개 초과의 전도체를 포함하는 플랫 시트 전기 히터.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반-전도성 조성물 층은 두께가 100 내지 900㎛, 예컨대 125 내지 800㎛일 수 있고/있거나 상기 히터는 0.25 내지 20mm의 두께를 갖는, 플랫 시트 전기 히터.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랫 시트 히터에 전류가 인가될 때, 상기 히터는 히터 전체에 걸쳐 동일한 열을 발생시키는, 플랫 시트 전기 히터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 접착제를 함유하지 않는 플랫 시트 히터.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터를 가열하는데 필요한 전압이 10 내지 70 v, 예를 들어 10 내지 55 v, 바람직하게는 10 내지 40 v, 예를 들어 12 내지 30 v인, 플랫 시트 히터.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터는 전력이 인가된 후 50초 내지 250초 사이에 최대 정상 상태(maximum steady state) 온도에 도달하는, 플랫 시트 히터.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 정상 상태 온도가 50℃ 이하, 예를 들어 45℃ 이하, 예를 들어 30 내지 45℃인, 플랫 시트 히터.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랫 시트 히터는, 서로에 대해 실질적으로 평행하고 균등 이격된 복수의 세장형 전도체로 이루어지고,
    상기 전도체는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물 내에 매립되고 이와 접촉하며,
    세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150mm인, 플랫 시트 히터.
  17. 제2항에 있어서, 공압출에 의해 수득될 수 있고,
    폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제1 층;
    서로 실질적으로 평행한 균등 이격된 복수의 세장형 전도체를 포함하는 전도체 층으로서, 이때 세장형 전도체들 사이의 거리는 20 내지 150mm인, 전도체 층;
    폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 정 온도 계수를 갖는 전기 반-전도성 조성물을 포함하는 제2 층
    을, 이 순서로, 상기 전도체층이 상기 제1층과 제2층들 사이에 개재되고 이들과 접촉하도록 구성되는 다층 플랫 시트 히터.
  18. 다층 플랫 시트 전기 히터의 제조 방법으로서,
    (a) - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고,
    - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하는 단계,
    (b) 공압출에 의해, 복수의 균등 이격된 세장형 전도체 상에,
    - 단계 (a)에서 얻은 제1 전기 반-전도성 조성물의 용융혼합물(meltmix), 및
    - 단계 (a)에서 얻은 제2 전기 반-전도성 조성물의 용융 혼합물
    을 적용하여, 3개의 층을 갖는 다층 플랫 시트 히터를 형성하는 단계로서, 복수의 평행한 균등 이격된 세장형 전도체를 포함하는 코어 층이 상기 제1 및 제2 전기 반-전도성 조성물 층 내에 매립되고 이들과 접촉하며, 상기 세장형 전도체는 상기 반-전도성 층의 기계 방향에 평행한, 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 하나 이상의 추가 층이 상기 제1 반-전도성 층 또는 제2 반-전도성 층 외부에서 공압출되거나 공-적층되고, 예를 들어 절연층이 상기 제2 층 아래에서 공압출되는, 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 플랫 시트 전기 히터를 포함하는 물품, 예를 들어 온열 의류(heated clothing) 또는 카시트(car seat).
  21. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 플랫 시트 전기 히터를 포함하는 물품에 전류를 인가하는 것을 포함하는 물품 가열 방법으로서, 전도체가 교번되는(alternate) 극성을 갖는 것인, 물품 가열 방법.
  22. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 플랫 시트 전기 히터의, (예를 들어, 온열 의류 또는 온열 카시트에서) 물체를 가열하거나 또는 환경(예를 들어, 방)을 가열하기 위한 용도로서, 이때 상기 플랫 시트 전기 히터에 인가된 전압이 10 내지 70 v, 예컨대 12 내지 40 v인, 용도.
  23. 제22항에 있어서, 상기 히터에 직류(direct current)가 공급되는, 용도.
  24. 다층 플랫 시트 전기 히터의 제조 방법으로서,
    (a) - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고, 상기 제1 전기 반-전도성 조성물을 압출하여 제1 층을 형성하고,
    - 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 및 전도성 충전제를 포함하는 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출기에 제공하고 용융 혼합하고, 상기 제2 전기 반-전도성 조성물을 압출하여 제2 층을 형성하는 단계,
    (b) 상기 제1 및 제2 층을 복수의 균등 이격된 세장형 전도체와 공-적층하여, 3개의 층을 갖는 다층 플랫 시트 히터를 형성하는 단계로서, 세장형 전도체들 사이의 거리가 20 내지 150 mm이고; 복수의 균등 이격된 세장형 전도체를 포함하는 코어 층이 제1 및 제2 전기 반-전도성 조성물 층 사이에 개재되고 이들과 접촉하며, 상기 제1 및 제2 층은 각각의 전도체의 양 측부에서 50 내지 200 cm 연장되는 스트립을 통해서만 부착되는, 단계
    를 포함하는 제조 방법.
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