NO128513B - - Google Patents

Description

Elektrisk varmeleder og fremgangsmåte til dens fremstilling.

Det er kjent elektriske motstandstråder og herav

fremstilt varmekabel som består av isolerte metalltråder med egnet elektrisk motstand. Varmetråder av denne type kan bl.a. benyttes til å oppvarme væsker idet man innbygger dem i dyppevarmelegemer eller innfører som isolert trådmateriale i væsken som skal oppvarmes.

Ved anlegg av en like- eller vekselspenning blir tråden varm på

grunn av strømgjennomgang og avgir den utviklede varme til væsken gjennom isoleringsmaterialet som omgir den. Motstandstrådens resp. dyppevarmelegemets isoleringsmateriale blir selvsagt likeledes varmt.

Det finnes imidlertid badvæske, f.eks. galvaniske bad

som inneholder aggressive medier som kromsyre og svovelsyre som de vanlige isoleringsstoffer resp. varmlegeme-mantelmaterialer ikke tåler ved de krevede temperaturer, de angripes kjemisk av dem.

Anvendelsen av polytetrafluoretylen (PTFE) som isoleringsmateriale resp. varmelegemeommantling byr seg på grunn av dette materials temperaturbestandighet inntil 250°C og den over-ordentlige høye kjemiske motstandsevne i slike tilfeller'. Det har imidlertid ikke alltid vist seg egnet i praksis av følgende grunner.

Da PTPE med 0,2-0,4 kcal/m.h.grad har en meget liten varmeledningsevne, forårsaket isoleringen av varmetråden resp.

et dyppelegemes ommantling med dette materiale en varmestuving på varmelederen resp. varmelegemeoverflaten, således at denne alltid befinner seg på høyere temperatur enn det omgivende væskemedium. Følgelig blir også isoleringsmaterialet på den mot den egentlige varmeleder vendte side varmere enn på den ytre flate. I praksis har det vist seg at ved anvendelse av PTFE-ommantlede kabler resp. dyppevarmelegemer f.eks. til oppvarming av storrommede galvaniske bad, beskadiges PTFE-ommantlingen 'på innsiden ved materialets ned-bygning. Dette er å tilbakeføre på en ved hjelp av nærvær av metaller - spesielt kobber - katalytisk akselerert termisk spaltning. Da det herved også oppstår gassformede spaltningsprodukter,frem-kommer som resultat oppblæring av ommantlingen og endelig revner og porer, hvorigjennom den omgivende væske kan trenge inn til den metalliske varmeleder resp. dyppevarmelegeme.

Det er nå blitt funnet at de omtalte ulemper med

en spaltning av isoleringsmateriale som består av PTFE, kan unngås ved at man anvender med PTFE ommantlede metallfrie motstands-materialer hvis ledningsdyktige kjerne består av en blanding av grafitt og/eller sot med PTFE. Ved egnet valg av blandingsforhold kan lederens spesifikke elektriske motstand varieres i størrelses-— 2

orden fra 10 til 10 ohm.cm.

Oppfinnelsens gjenstand er følgelig en elektrisk varmeleder med en spesifikk elektrisk motstand 1 området fra 10" til 10 ohm.cm, idet varmelederen er karakterisert ved at den har en lededyktig kjerne av en blanding av grafitt og/eller sot med PTFE i vektforhold 0,1: 1 til 2:1, fortrinnsvis 0,25:1 til 1,7:1 og en isolerende mantel av polytetrafluoretylen.

Fordelen ved varmelederen ifølge oppfinnelsen i forhold til vanlige PTFE-ommantlede metalliske trådvarmeledere ligger deri at ved dem unngås en ødeleggelse av ommantlingen i permanent drift av følgende grunner: På grunn av den store variabilitet av den spesifikke elektriske motstand kan forholdet lengde:tverrsnitt ved forhånd ønsket ledningsopptak velges innen vide områder således at det oppnås en lavest mulig energimessig flatebelastning av den isolerende ommantling. 2. En på grunn av metaller katalytisk aksellerert termisk nedbrytning er utelukket. 3. Ved anvendelse av PTFE såvel som blandingskomponent for grafitt og/eller sot som også for ommantlingen kommer det i stand en spesiell god forbindelse mellom den egentlige varmeleder og isoleringsmantelen. Derved unngås mest mulig en partiell ut-løsning av ommantlingen fra varmelederen som ville forårsake en øket varmestuvning på isoleringsmaterialet med resultat termisk beskadigelse.

Det er riktignok fra fransk patent nr. 1.177.1^0 kjent

å fremstille metallfrie motstandskabler med innen bestemte grenser innstillbar elektrisk motstand, imidlertid er den her omtalte motstandskabel ikke anvendbar som varmekabel, da den fremstilles under anvendelse av kautsjuk eller mykningsmiddelholdige kunststoffer, spesielt av mykgjort polyvinylklorid hvis temperaturmessige belast-barhet er altfor lav for et slikt anvendelsesformål. De er altså

bare anvendbare som strømtilførsler, f.eks. som tennkabel hvortil de også ble utviklet.

Ifølge US-patent nr. 3.277.^19 omtales en elektrisk varmeleder, hvor det på et substrat er påført et biaksialt orientert polytetrafluoretylensjikt, som inneholder et ledende fyllstoff. Ledesjiktet er dekket ved hjelp av en isolerende film. Her dreier

det seg om en flatevarmeleder som ikke er egnet til oppvarmning av aggressive væsker, slik varmeledningen ifølge oppfinnelsen.

Også de i det tyske patent nr. 825.4^0 omtalte varme-ledere av gummi eller gummilignende kunststoffer er bare anvendbare for sammenligningsmessig lave temperaturer.

De ifølge oppfinnelsen PTFE-ommantlede motstandslegemer kan fremstilles ved i og for sqg kjente fremgangsmåter. Egnet er f.eks. pasta- eller snekke-ekstruksjonen med samtidig eller etterfølgende påføring av isoleringsmateriale.

Til fremstilling av motstandsmaterialene ifølge oppfinnelsen lønner det seg å anvende elektrisk ledningsdyktig sot og/eller fortrinnsvis malt grafitt med korn- resp. bladdiameter under 0,5 mm, fortrinnsvis under 0,25 mm. PTPE anvendes fortrinnsvis i pulverform med gjennomsnittlig kornstørrelse fra 200 til 800^um, fortrinnsvis foretrekkes imidlertid ^50 og 750^um.

Blandingen av de pulverformede komponenter kan foregå etter vanlige fremgangsmåter, f.eks. ved kollering (rulling) eller sammenmaling.

Det er også mulig å blande en vandig PTFE-dispersjon

med gjennomsnittlig partikkeldiameter fra 0,1 til 0,5/Um, fortrinnsvis 0,2 til 0,3/Um, med grafitt og/eller sot og å utfelle bland-

ingen av de faste stoffer sammen under omrøring. Etter filtrering eller dekantering, vasking og tørking får man spesielt gode blandinger.

Til fremstilling av motstandslegemer av disse materialer er det fremfor alt egnet pasta-ekstruksjonsfremgangsmåten hvor pulver-blandingen etter pastadannelse med glidemidler, f.eks. bensin, og fremstilling av et forformlegeme som tråd eller bånd presses gjennom tilsvarende formede dyser. I en etterkoplet gjennomløpsovn fordampes glidemidlet og deretter sintres materialet ved oppvarming ved 350-420°C til det ønskede formlegeme.

Det på denne måte dannede tråd- eller båndformede mot-standslegeme kan deretter etter kjente fremgangsmåter utstyres med isolering fjsks. ved kabel-ekstruksjon eller omvikling med PTFE-bånd og etterfølgende sintring av ommantlingen.

Fortrinnsvis anvender man imidlertid en variant av pasta-ekstruksjonsfremgangsmåten som muliggjør ommantling av motstands-legemet samtidig med dets fremstilling. Herved fremstilles et forformlegeme av en sentrisk lagret kjerne av den ledhingsdyktige. pasta-dannede blanding av PTFE med grafitt og/eller sot og en ytre sylinder av en glidemiddelholdige pasta av det rene PTFE og ekstruderes gjennom en egnet dyse (enkeltheter ved denne fremgangsmåten, se eksempel 1). Denne fremgangsmåte lønner seg spesielt ved meget høyt grafitt-og/eller sotinnhold, da slike ekstrudater kan være for sprø eller ha for høy tendens til brudd for en etterfølgende, ommantling. Dessuten oppnås ved denne fremgangsmåte en spesiell god forbindelse mellom den ledende kjerne og den isolerende omhylling.

Tegningens fig. 1 til 3 viser de i eksempel 1 anvendte innretninger til samtidig ekstrudering av,ledende kjerne og isolerende mantel og til fremstilling av det dertil nødvendige forformlegeme.

Fig. 4 og 5 viser varmelederne ifølge oppfinnelsen i rund resp.

flat form.

Ved det på fig. 1 viste pressverktøy er det med 1 betegnet den ytre rørformede mantel og med 4 det indre, uttrekkbare rør. Disse to rør omslutter de to hullegemer 2 og 3. Fig. 2 viser samme pressverktøy etter ifylling av de to materialer, uttrekning av det indre rør 4 og innføring av presstemplet 5. Med 6 er det betegnet den sylindriske kjerne av ledende materiale og med 7 mantelen av ren PTFE. Fig. 3 viser pastaekstruderen hvormed det formes forformlegemet til varmelederen ifølge oppfinnelsen. Med 11 er det betegnet presstempel og med 8 sirkelhulldysen. 9 betegner den ledende kjerne og 10 den isolerende mantel av det ferdige ekstrudat.

På fig. 4 og 5 er det med 9 betegnet den ledende PTFE-sot/grafittblanding og med 10 den isolerende mantel av ren PTFE.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av følgende eksempler.

Eksempel 1.

Blanding A:

100 vektdeler av et pulverformet tetrafluoretylen-emulsjonspolymerisat (såkalt pastavare) med en gjennomsnittlig korndiameter ,på ca. 500/um og 100 vektdeler av en blanding av 70 vektprosent malt naturgrafitt og 30 vektprosent sot "Corax L"

med gjennomsnittlig kornstørrelse under lOO^um ble fylt i et sylindrisk metallkar og rullet i 30 minutter på et rullebord. Etter tilsetning av 42 vektdeler prøvebensin (kokepunkt 100 til 140°C)

ble blandingen rullet ennå 1 time.

Blanding B:

100 vektdeler av samme PTFE-pulver som anvendt i blanding A ble blandet med 21 vektdeler prøvebensin og rullet i 1 time i et jordet metallkar på et rullebord.

Av blandingene A og B ble det ved hjelp av et press-verktøy (fig. 1 og 2) fremstilt et sylinderformet formlegeme på følgende måte:

Det indre rom 2 av det rørformede, dobbeltveggede

(1 og 4) verktøy ble fylt med blanding A, "mellomrommet" 3 mellom det ytre og indre rør med blanding B. Deretter ble det indre rør 4 fjernet ved forsiktig uttrekning, hvoretter det ifylte materiale ble sammenpresset med et trykk på 30 kp/cm .

Det således fremstilte kompakte forformlegeme besto, sett i lengderetning, av en sylindrisk kjerne av blanding A med en diameter på ca. 36 mm (6) og en mantel av ca. 13,5 mm veggtykkelse av blanding B (7).

Dette forformlegeme ble deretter presset på en PTFE-pastaekstruder fra firma Havelock Engineering Co. Ltd.

(Harlow-Essex), type LP-2 A, under anvendelse av en 720 mm lang ekstruksjonssylinder av 63 mm diameter (se fig. 3) ved hjelp av et mekanisk betjent presstempel 11 gjennom en sirkelhulldyse 8. Man får et stavformet ekstrudat med en grafitt- og sotholdig PTFE-kjerne 9 og en omhylling av ufylt PTPE 10, som dessuten inneholder glidemiddel (bensin). Dette glidemiddel ble fjernet i en til ekstruderen etterkoplet passeringsovn (temperatur ca. 130°C, lengde 4 m). Deretter kom ekstrudatet i en til ca. 480°C oppvarmet 3 m lang sone av ovnen, hvori materialets sintring og fastgjøring foregikk.

Den på denne måte fremstilte motstandskabel hadde en samlet diameter på 2,3 mm ved en diameter av den ledende kjerne på 1,3 mm og en veggtykkelse av isoleringsmantelen på 0,5 mm.

Passeringsmotstandens måling ga en spesifikk elektrisk motstand på 3 s 54 . 10 <1> ohm.cm.

Eksempel 2.

Blanding A fra eksempel 1 ble alene uten blanding B på analog måte som i eksempel 1 forarbeidet til en stavformet (ikke ommantlet) ekstrudat med en diameter på 2,3 mm. Deretter ble ekstrudatet spiralformet omviklet med et lite ikke sintret PTPE-bånd og igjen "oppvarmet til 380°C.

Den målte spesifikke elektriske motstand av denne motstandstråd lå i samme størrelsesorden som i eksempel 1.

Eksempel 3-

På samme arbeidsmåte som i eksempel 1 ble en blanding A_L fremstilt av 100 vektdeler PTFE og 150 vektdeler av den i eksempel 1 nevnte grafitt/sotblanding.

Deretter ble det analogt eksempel 1 presset et forformlegeme med en indre sylinder av denne blanding A^ av 43 mm diameter og en mantel av blanding B med 10 mm veggtykkelse.

Etter ekstrudering gjennom en sirkelhulldyse (8, fig. 3) av 4 mm diameter får man en kabel med en samlet diameter på ca. 4 mm og en diameter av den ledende kjerne på 2,8 mm såvel

som en veggtykkelse av ommantlingen på 0,6 mm.

Denne kabels spesifikke motstand utgjorde 4,56.10 2 ohm.cm.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av en elektrisk varmeleder med en spesifikk motstand i området fra 10 til 10 ohm.cm ved ekstrudering, karakterisert ved at man ekstruderer en blanding av a) grafitt eller sot eller en blanding herav og b) polytetrafluoretylen i vektforhold a : b som 0,1 : 1 til 2 : 1 etter kjente fremgangsmåter og utstyrer den således fremstilte ledende kjerne av den elektriske varmeleder samtidig eller etterpå med en isoleringsmantel av polytetrafluoretylen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man fremstiller et glidemiddelholdig forformlegeme, hvis sentrisk lagrede kjerne inneholder den ledende blanding a + b og hvis ytre sone inneholder det rene polytetrafluoretylen og ekstruderer dette formlegeme og befrir ekstrudatet ved oppvarmning for glidemiddel og deretter sintrer.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man ekstruderer blanding a + b under tilsetning av et glidemiddel, befrir ekstrudatet ved oppvarming for glidemiddel, sintrer og endelig ved omvikling med båndformet polytetrafluoretylen eller ved kabel-ekstruksjon med rent polytetrafluoretylen og etter-følgende sintring utstyrer med en isoleringsmantel.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ve d at man anvender sot resp. grafitt med korn- resp. bladdjanetere på mindre enn 0,5 mm, spesielt mindre enn 0,25 mm.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man anvender polytetrafluoretylenpulver med gjennomsnittlig kornstørrelse i området fra 200-800^um, spesielt 450-750^um.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man anvender stoffene a + b i vektforhold 0,25 : 1 til 1,7 : 1.

7. Elektrisk varmeleder med en spesifikk motstand i området fra 10 <2> til 10 ohm.cm., fremstilt ved ekstrudering ved fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av en ledende kjerne av en blanding av a) grafitt eller sot eller begge og b) polytetrafluoretylen i vektforhold a : b som 0,1 : 1 til 2 : 1 og en isolerende mantel av polytetrafluoretylen.

8. Elektrisk varmeleder ifølge krav 7, karakterisert ved at den ledende kjerne består av en blanding a) grafitt eller sot eller begge og b) polytetrafluoretylen i vektforhold a : b som 0,25 : 1 til 1,7 : 1.