NO173878B

NO173878B - Ledende oppvarmingsenhet omfattende en eksoterm, ledende belegningsfilm paa en fast overflate

Info

Publication number: NO173878B
Application number: NO88882116A
Authority: NO
Inventors: Takashi Ota
Original assignee: Ask Heating Kk; Takashi Ota
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1993-11-08
Also published as: NO173878C; CA1323717C; US5407741A; DE3877314T2; KR940001521B1; EP0312688B1; DE3877314D1; EP0312688A3; KR890006768A; EP0312688A2; NO882116D0; NO882116L

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en ledende oppvarmingsenhet som kan gi en jevn temperaturfordeling ved en hvilken som helst temperatur opp til ca. 450°C og hvis temperatur kan reguleres.

Teknikkens stand

Japansk patentpublikasjon nr. 60-59131/1985 beskriver et plant, elektrisk oppvarmingselement som omfatter en syntetisk harpiksfilm med et ledende, findelt pulver av carbon, som skall-lignende, flaklignende, nållignende eller fiberlignende carbon eller grafitt, innarbeidet i dette og elektrodetråder som er lagt inn i filmen ved begge ender i dens lengderetning. En oppvarmingsenhet er kjent som omfatter et fast legeme foret med dette element og hvis temperatur kan økes til ca. 60° C. .. -I Jen... oppvarmingsenhet som inneholder carbon black og grafittpulver og den syntetiske harpiks er for eksempel avstanden mellom elektroder og en belegningsfilm snever, og en stor oppvarmingsoverflate med en jevn temperaturfordeling kan ikke oppnås. I oppvarmingsenheten i hvilken det ledende, findelte pulver, som det vanlige carbon- eller grafittpulver, anvendes, benyttes et båndformig oppvarmingselement som dannes ved smelte-ekstrudering fra den syntetiske harpiks med dette pulver innarbeidet i harpiksen. Det er ikke tidligere blitt benyttet en pasta eller et belegg som inneholder dette ledende, findelte pulver, og belegget er ikke tidligere blitt påført for å fremstille en oppvarmingsenhet med en stor oppvarmingsoverflate.

Når forhåndsregler foretas på denne oppvarmingsoverflate for å hindre varmestråling, risikerer den vanlige oppvarmingsenhet å utsettes for lokal oxydasjon eller beskadigelse på grunn av brenning. Temperaturen til denne enhet kan derfor bare økes til en temperatur til under ca. 60° C.

Ved den vanlige oppvarmingsenhet er for eksempel et substrat 1 foret med et plant oppvarmingselement (bånd) 2, som vist på fig. 10(a). Tilførselen av elektrisitet via metall-koplingsanordninger 3 forårsaker at oppvarmingdelen (elementet 2) oppvarmes til det fås en temperaturfordeling 6 på substratet som vist på Fig. 10(b).

For oppvarmingsenheten som inneholder det vanlige ledende pulver, som et skall-lignende, flaklignende, nål-lignende eller fiberlignende carbon- eller grafittpulver, kan en stor oppvarmingsoverflate med jevn temperaturfordeling ikke oppnås. Når substratet belegges med pastaen eller belegningsmidlet som inneholder et slikt ledende pulver, må beleggfilmens tykkelse kontrolleres nøyaktig. Pastaen eller belegningsmidlet må påføres nøyaktig ved hjelp av en maskin, f.eks. med en nøy-aktighet på 0,1 - 0,01 mm, og kan ikke påføres manuelt. For den vanlige oppvarmingsenhet vil mer elektrisk strøm bli til-ført til den tykkere del når belegning.s filmens tykkelse varierer, og temperaturen for denne del blir derfor høy. Dessuten tiltar motstanden svakt med en økning av temperaturen (Fig. l(b)). Lokal overopphetning er derfor å forvente når ujevn varme-strålingsvirkning utøves. For å hindre denne overopphetning kan forholdsregler, som f.eks. anvendelse av termostater og innarbeidelse av temperaturreguleringsmidler, tas. Det er imidlertid umulig å forutsi den del hvor varmestråling blir lokalt hindret på den store overflate. Det er dessuten umulig å anslå et tall for en slik lokal del og å montere en rekke følere på denne. Den plane, elektriske motstandsoppvarmingsenhet som har disse vanlige ledende, findelte pulvere, har derfor ikke fått særlig stor utbredelse.

I henhold til teknikkens stand er det nødvendig at pastaen eller belegningsmidlet påføres nøyaktig ved hjelp av en maskin. I en elektrisk motstandsoppvarmingsenhet med buet overflate, en innvendig overflate av et hull eller en ujevn overflate på hvilket pastaen eller belegningsmidlet ikke kan påføres ved hjelp av en maskin, finner den ovenfor beskrevne lokale overopphetning sted. Det er derfor meget vanskelig å lage en elektrisk motstandsoppvarmingsenhet på tilfredsstillen-de måte ved å utnytte den lære som er gitt i teknikkens stand.

Det har derfor lenge vært ønsket å tilveiebringe et eksoterirut, ledende belegningsmiddel eller pasta ved anvendelse av et lett tilgjengelig carbonholdig pulver som det ledende pulver for derved å tilveiebringe en elektrisk motstandsoppvarmingsenhet med stor oppvarmingsoverflate på hvilken en jevn temperaturfordeling kan oppnås selv dersom et substrat har en kompleks struktur, som f.eks. en krum overflate, en innvendig overflate av et hull eller en ujevn overflate, og hvor substratet belegges med pastaen eller belegningsmidlet inntil en tykkelse som ikke er nøyaktig jevn, for hånden eller ved impregnering,med unngåelse av lokal beskadigelse på grunn av smelting eller brenning og under oppnåelse av "at oppvarmings-temperaturen fritt kan reguleres.

Oppsummering av oppfinnelsen

For utviklingen av den foreliggende oppfinnelse ble forskjellige eksoterme ledende pastaer eller belegningsmidler undersøkt for å kunne komme frem til utmerkede oppvarmingsenheter, spesielt typen, formen og størrelsen til carbonpulvere som er de mest foretrukne hva gjelder kjemisk motstand og rens-lighet når de anvendes som det ledende materiale, harpiks som er bindemidler for disse, oppskriftsforholdet mellom disse og kombinasjonen av varmebehandlingsprosesser eller belegningspro-sesser etc. Resultatet er at det viste seg at de problemer som er beskrevet ovenfor, kan løses ved hjelp av en pasta eller et belegningsmiddel som hovedsakelig omfatter en syntetisk harpiks og carbonpartikler med en spesifikk form og krystal-linsk struktur, og at en utmerket oppvarmingsenhet kan produ-seres .

Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes så-ledes en ledende oppvarmingsenhet omfattende en eksoterm, ledende belegningsfilm, omfattende carbonpartikler og 25-220 vektdeler av en syntetisk harpiks pr. 100 vektdeler carbonpartikler, på en fast overflate med elektrodetilkoplingsanordninger montert på denne, og den ledende oppvarmingsenhet er særpreget ved at minst 60v#av carbonpartiklene er sfæriske partikler med en diameter på 1-500 ^um, og en avstand mellom naboplan i den krystallinske struktur av fra 0,3425 til 0,3358 nm.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et diagram som viser forholdet mellom den elektriske motstand ( Sbfa ) for oppvarmingsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse og ifølge teknikkens stand, og oppvarmingsenhetens overflatetemperatur. Fig. 2 viser skjematisk temperaturmålingssteder på belegningsfilmen, Fig. 3 er et diagram som viser forholdet mellom tiden og temperaturforskjellen når lokal varmestråling fra oppvarmingsenhetene ifølge den foreliggende oppfinnelse og i henhold til teknikkens stand hindres, Fig. 4 er et diagram som viser den elektriske motstand i forhold til størrelsen til de sfæriske carbonpartikler, og den oppskriftsmessige mengde av den syntetiske harpiks, Fig. 5 er et diagram som viser den elektriske motstand og den eksoterme temperatur i forhold til oppskriftsmengdene av carbonpartiklene og den syntetiske harpiks, Fig. 6 er et diagram som viser forholdet mellom den innbyrdes planavstand for de sfæriske carbonpartikler og den elektriske motstand, Fig. 7 er et diagram som viser forholdet mellom varme-behandlingstemperaturen og den innbyrdes planavstand i den krystallinske struktur for carbonpartiklene, Fig. 8(a) og 8(b) er diagrammer som viser oppvarmingsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse, Fig. 9 er et oppriss som viser oppvarmingsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse,

Fig. 10(a), 10(b) og 10(c) er skjematiske oppriss

som viser de vanlige oppvarmingsenheter,

Fig. 11(a) og 11(b) er oppriss som viser de forskjellige tilkoplingsanordninger anvendt for oppvarmingsenheten, og Fig. 12 er et skjematisk oppriss som viser oppvarmingsenheten som omfatter belegningsfilmer som er laminert.

På Figurene betegner 1 et substrat, 2 betegner en belegningsfilm, 3 betegner en tilkoplingsanordning, 4 betegner en varmeisolasjonsdel, 5 betegner et keramisk belegg, og A og B er temperaturmålingspunkter.

Beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer

Carbonpartikler anvendt i henhold til den foreliggende oppfinnelse må inneholde minst 60 vekt% sfæriske partikler. Carbonpartiklene som anvendes i den vanlige oppvarmingsenhet er fiakiigende, nål-lignende, fiberlignende eller skall-lignende, eller de fleste av disse har disse former. Det. har ikke vært noe tilfelle hvor sfæriske carbonpartikler er blitt anvendt som et eksotermt belegg. En oppvarmingsenhet med stor oppvarmingsoverflate uten lokal opphetning og med en jevn temperaturfordeling kan ikke oppnås ut fra de vanlige belegningsmidler i hvilke de flaklingnende, nål-lignende, fiberlignende eller skall-lignende carbonpartikler anvendes. Dessuten har en oppvarmingsenhet med temperaturselvregulerende egenskaper ikke kunnet, oppnås fordi den såkalte temperaturkoeffisient for elektrisk motstand er lav (Fig. l(b)).

Som carbonpartiklene anvendt i henhold til den foreliggende oppfinnelse foretrekkes sfæriske grafittpartikler.

De sfæriske carbonpartikler anvendt i henhold til den foreliggende oppfinnelse inneholder minst 60 vekt% partikler med en diameter på 1 - 500 um, og det er praktisk at diameteren er 1 - 200 \ xm. Dersom carbonpartiklene har en diameter på over 500 pm, blir carbonpartiklene ujevnt fordelt, og av denne grunn er det sannsynlig at en ugunstig temperaturujevnhet vil oppstå.

Som de sfæriske carbonpartikler anvendt i henhold til den foreliggende oppfinnelse anvendes partikler hvis innbyrdes planavstand er redusert til ikke over 3,425 - 3,358 Å, fortrinnsvis 3,380 - 3,358 Å, ved varmebehandling ved en temperatur av 1500 - 3500° C (Fig. 7) . Partiklene med en innbyrdes planavstand på under 3,358 Å er mer foretrukne, men prisen øker. Dersom avstanden er over 3,425 Å, øker motstanden, og W/cm 2 øker ikke selv dersom spenningen stiger (f.eks. opp til 0,05 W/cm 2 ). Dette er derfor ugunstig pa grunn av vanskeli.g-heten ved å oppnå høy temperatur (f.eks. opp til 20° C). De sfæriske grafittpartikler skal fortrinnsvis varmebehandles ved en temperatur av minst 1500° C, og de har en spesifikk motstand ikke over 1300 - 5000 \ ncm. Partiklene med spesifikk motstand på under 1300 vscm er mer foretrukne, men prisen øker.

Fremgangsmåten for fremstilling av de sfæriske carbonpartikler som anvendes i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er blitt beskrevet av Taylor et al. (Brooks and Taylor, Carbon 3, 185 (1985).]. Nylig er det blitt foreslått å anvende de sfæriske carbonpartikler for spesielle carbonmate-rialer, interkalateringsforbindelser, adsorpsjonsmaterialer eller fyllstoffer etc. Det har imidlertid ikke vært noe tilfelle hvor de sfæriske carbonpartikler anvendes som et eksotermt belegg, som beksrevet ovenfor. Det har i henhold til oppfinnelsen for første gang blitt funnet at en utmerket virkning oppnås ved anvendelse av de sfæriske carbonpartikler.

De sfæriske carbonpartikler som anvendes i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan fremstilles ved hjelp av en hvilken som helst fremgangsmåte, for eksempel ved oppvarming av petroleum, kull eller organiske forbindelser til høy temperatur, og med carbonisering eller forkoksning av disse, etter-fulgt av grafitisering.

For eksempel blir de sfæriske carbonpartikler også fremstilt, i henhold til fremgangsmåten beskrevet av Tayloir et al., ved varmebehandling av bitumen, som kulltjære, kulltjære-bek, Petroleumsolje med høy egenvekt eller lignende, ved en temperatur av 150 - 5 00° C i lang tid, gjentagelse av poly-kondensasjonsreaksjonen for at den lavmolekylære forbindelse skal polymerisere, og varmebehandling for å redusere meso-carbonmikroperler oppnådd ved å separere optiske, anisitrope, sfæriske partikler fra det erholdte carbonaktige materiale eller tilnærmet sfærisk koks oppnådd ved forkoksning av en syntetisk harpiks, ved en temperatur av 1000 og hundreder til tre tusen og hundreder for grafitisering. Den spesifikke motstand ligger innen området 1300 - 6000 pficm og er valgt i overensstemmelse med anvendelse for høy motstand eller lav motstand.

Carbonpartiklene anvendt i henhold til den foreliggende oppfinnelse skal fortrinnsvis varmebehandles ved en temperatur av minst 1500° C. De varmebehandlede carbonpartikler er nødvendige for å oppnå en praktisk elektrisk lednings-evne for belegningsfilmen og en jevn dispergering av carbonpartiklene i et væskeformig belegningsmiddel som omfatter carbonpartiklene, et oppløsningsmiddel og en syntetisk harpiks, eller et pulverformig belegg som omfatter carbonpartiklene og en syntetisk harpiks.

Den syntetiske harpiks som anvendes i henhold til den foreliggende oppfinnelse og som virker som et bindemiddel, kan være en termoplastisk harpiks, en herdeharpiks eller en harpiks som kan herdes ved elektronbestråling, og harpiksen kan på egnet måte velges i henhold til anvendelsesområdene for oppvarmingsenheten .

Som den termoplastiske harpiks anvendes en harpiks som har et mykningspunkt på minst 15° C og en gjennomsnittlig molekylvekt på fra flere tusen til flere hundrede tusen. Som herdeharpiksen eller harpiksen av reaksjonstypen anvendes en harpiks med en molekylvekt av ikke over 200 000 i form av en belegningsvæske. Denne harpiks blir oppvarmet etter belegning og tørking, og dens molekylvekt nærmer seg derfor uendelig ved reaksjonen, som kondensasjon eller addisjon. Dessuten kan harpikser som lar seg herde ved elektronbestråling anvendes, hvor radikalet som kan tverrbindes eller polymeriseres til tørrhet ved utsettelse for bestrålingen, inneholdes eller inn-føres i molekylet for den termoplastiske harpiks. Et slikt radikal innbefatter en akryldobbeltbinding som er inneholdt i akrylsyre, methakrylsyre eller i esterne av disse, som oppviser polymeriserbare radikalegenskaper, en allylisk dobbeltbinding inneholdt i diallylfthalat eller lignende, og en umettet bin-ding inneholdt i maleinsyre, derivater eller lignende.

Som den syntetiske harpiks kan for eksempel nevnes en polyimidharpiks, en polyamidharpiks, en polyfenylenoxyd-harpiks,gen siliconharpiks, en polytitancarbosilanharpiks,

en fenolharpiks, en epoxyharpiks, en polypararbansyreharpiks, en polyurethanharpiks, en polyesterharpiks, en polyetheretherketonharpiks, en polyfenylensulfidharpiks, en fluorholdig polymer, en polyolefinharpiks og en polyvinylkloridharpiks.

En harpiks med en mykningstemperatur eller en spaltningstem-peratur som er ønsket for belegningsfilmen, kan velges.

Forholdet mellom den syntetiske harpiks og carbonpartiklene velges varierbart i avhengighet av den ønskede opp-varmingstemperatur, oppvarmingsoverflatens areal, typen av carbonpartikler og syntetisk harpiks eller kombinasjonen av disse etc. Den syntetiske harpiks blir imidlertid

anvendt i ét forhold av 25 - 220 vektdeler, fortrinnsvis

30 - 200 vektdeler, pr. 100 vektdeler av carbonpartiklene.

Når forholdet for den syntetiske harpiks er under

25 vektdeler, avtar den .elektriske motstandsverdi, og oppvarmingsenhetens temperatur kan forhøyes (er derfor anvendbar for en oppvarmingsenhet med en stor oppvarmingsoverflate). Beleg-ningsf ilmens styrke er imidlertid utilstrekkelig, og temperatur-koeffisienten for den elektriske motstand avtar slik at det er tilbøyelighet til at ujevn temperatur vil oppstå. Når derimot forholdet for den syntetiske harpiks er over 22 0 vektdeler,

kan den elektriske motstandsverdi som er nødvendig for opp-varmingen ikke oppnås (på grunn av den altfor høye elektriske motstandsverdi), og dette forårsaker at belegget vil være uegnet for praktisk anvendelse. Dette innebærer at når den elektriske motstand er under 1 0,/ o ved vanlig temperatur, hvori representerer den elektriske motstandsverdi pr. kvadrat-areal, vil den elektriske strøm flyte altfor sterkt, og temperaturen blir derfor for høy og ujevn. Dersom den elektriske motstand er over 6000 fi/n , vil den elektriske strømflyt bli for liten, og varmeutviklingen vil derfor bli så sterkt undertrykket at en ønsket temperatur er vanskelig å oppnå.

For en stor oppvarmingsoverflate anvendes et belegg med lav elektrisk motstand, som 1 ^/q , ved vanlig temperatur. For en liten oppvarmingsoverflate anvendes et belegg med høy elektrisk motstand, som 6000 £!/q , ved vanlige temperaturer.

Et belegg som oppviser en mellomverdi blir i alminnelighet benyttet. I henhold til den foreliggende oppfinnelse blir oppvarmingsenhetens overflatetemperatur stabilt øket til en ønsket temperatur av høyst 450° C (en omgivelses-temperatur av fra +30° C til -40° C) i lang tid i overensstemmelse med kombinasjonen av grafittens form, oppvarmingstempe-raturen, beleggets sammensetning, beleggfilmens tykkelse og den påførte spenning etc.

Dette belegningsmiddel som omfatter carbonpulverne

og den syntetiske harpiks, blir påført ved hjelp av forskjellige belegningsmetoder, som påpensling, valsebelegning, sprøyte-belegning, elektrostatisk belegning, elektroavsetningsbeleg-ning og pulverbelegning eller ved neddypping. Til belegningsmidlet kan et annet additiv eller hjelpemiddel tilsettes.

Additivet eller hjelpemidlet innbefatter for eksempel et fortynnende oppløsningsmiddel, et suspensjonsmiddel eller et dispergeringsmiddel, et antioxydasjonsmiddel, et annet pigment og et annet nødvendig additiv.

Som det fortynnende oppløsningsmiddel anvendes det oppløsningsmiddel som er vanlig anvendt for belegning, som et alifatisk hydrocarbon, en aromatisk petroleumsnafta, et aromatisk hydrocarbon (toluen, xylen eller lignende), en alkohol (isopropylalkohol, butanol, ethylhexylalkohol eller lignende), en etheralkohol (ethyl—Cellosolve<®>, butyl-Cellosolve<®>, ethylenglycolmonoether eller lignende), en ether (butylether), et acetat, et syreanhydrid, en etherester (ethyl-Cellosolve<®->acetat), et keton (methylethylketon, methylisobutylketon), N-methyl-2-pyrrolidon, dimethylacetamid eller tetrahydrofuran. Det foretrukne oppløsningsmiddel blir på egnet måte valgt i avhengighet av den syntetiske harpiks som anvendes som binde-midlet. Mengden av det fortynnende oppløsningsmiddel velges innen området av 400 vektdeler eller derunder pr. 100 vektdeler av harpiksen.

Som suspensjonsmiddel kan nevnes methylcellulose, calsiumcarbonat eller findelt pulverformig modifisert bentonitt etc. Som dispergeringsmiddel kan forskjellige overflateaktive midler anvendes, som et anionisk overflateaktivt middel (et fettsyresalt, et flytende fettoljesulfatsalt), et kationisk overflateaktivt middel (et alifatisk aminsalt, et kvartært ammoniumsalt), et amfotært overflateaktivt middel eller et ikke-ionisk overflateaktivt middel. For lett og i løpet av kort tid å oppnå størkning av belegningsmidlet eller pastaen ved tørkning eller herding kan et herdemiddel tilsettes.

Herdemidlet velges i overensstemmelse med den an-vendte harpiks, og et vanlig herdemiddel anvendes, som et alifatisk eller aromatisk polyamin, et polyisocyanat, et polyamid, et amin eller thiourea.

I tillegg blir på egnet måte en stabilisator, et mykningsmiddel, et anti-oxydasjonsmiddel eller lignende anvendt.

Det faste materiale som består av et substrat, som

et plastmateriale, et keramisk materiale, et treaktig materiale, et fiberaktig materiale, et papirmateriale, et metall-

materiale belagt med en elektrisk isolasjon eller lignende, blir med ønsket form eller overflaten av dette, belagt med det foreliggende eksoterme ledende belegningsmiddel eller dyppet i dette for å danne oppvarmingsenheten.

For eksempel blir et substrat av et metallisk materiale belagt med en elektrisk isolasjon, et keramisk materiale, et plastmateriale, et treaktig materiale eller en kombinasjon av disse, til hvilket minst to metalltilkoplingsanordninger er sikkert festet, belagt med belegningsmidlet ifølge den foreliggende oppfinnelse inntil en tykkelse av fra 0,2 til 3,5 mm (belegningsfilmens tykkelse etter herding er 0,1 - 0,3 mm).

Formen til det ovenfor beskrevne substrats plane overflate eller krumme overflate er ikke spesielt begrenset. Oppvarmingsenheten kan lages ut fra et lineært, stanglignende, sylindrisk, plant eller annet tredimensjonalt buet substrat.

Selvom det er ønskelig å belegge substratoverflaten med et keramisk materiale, kan et treaktig materiale av og til anvendes dersom den ønskede temperatur er under 150° C. Dessuten anvendes en kombinert gjenstand, som en kompositt som omfatter et treaktig materiale, et plastmateriale eller et metallmateriale og et keramisk materiale påført på denne.

Når den faste overflate som skal belegges er stor og påpensling, valsebelegning eller sprøytebelegning anvendes,

blir belegningsmidlets flytbarhet øket for å forbedre bearbeid-barheten. I dette tilfelle blir et fortynnende oppløsningsmid-del fortrinnsvis innarbeidet i en mengde av under 400 vektdeler pr. 100 vektdeler av det ledende pulver. Dersom mer oppløs-ningsmiddel innarbeides, vil belegningsmidlet bli for flytbart, og det vil da være vanskelig å oppnå den foreskrevne type tykkelse for belegningsfilmen. Anvendelse av en for stor mengde oppløsningsmiddel er derfor uegnet for å oppnå en ønsket overflatetemperatur for belegningsfilmen.

Belegningsfilmen herdes ved en temperatur av 70 - 350° C eller den tørkes inntil den størkner eller den herdes ved hjelp av elektronståier (bestråling).

Når tørkingen inntil størkning eller herdingen utføres ved en temperatur innen området fra 70 til 350° C i tilstrekke-lig tid, kan en glatt film med en foreskrevet tykkelse oppnås.

Størkning eller herding ved en temperatur som er høyere enn

de nevnte er uønsket fordi skumning, flyting og forringelse da lett kan finne sted, og størkning eller herding ved en temperatur under 70° C er også uønsket fordi dette krever lang tid.

Når belegget påføres inntil en tykkelse av 0,2 -

3,5 mm og deretter får reagere for å herdes ved en temperatur av ikke over 350° C, blir belegningsfilmen tørket til størkning og får en tykkelse på 0,1 - 3,0 mm. Denne elektriske motstands-oppvarmingsbelegningsfilm utvikler høye temperaturer såvel som lave temperaturer. Det foretrekkes at belegget påføres inntil en tykkelse av 0,1 - 3,0 mm. Dersom tykkelsen er under 0,1 mm, vil også den elektriske motstand øke, effekten pr. arealenhet avtar slik at den blir for lav, og dessuten.blir filmstyrken utilstrekkelig. Når tykkelsen er over 3,0 mm, er det tilbøyelighet til at segregering vil finne sted ved utfel-ling av partikler, og det er derfor vanskelig å oppnå en jevn belegningsfilm. Den elektriske motstand mellom metalltilkop-lingsanordningene på denne belegningsfilm er fra 1 til 6000 ved vanlig temperatur, som beskrevet ovenfor.

Når den elektriske motstand er for lav, blir denne film også

en ledende film.

Dersom det er fare for lekkasje, blir den eksoterme belegningsfilm dekket med en tynn elektrisk isolasjonsfilm i slik grad at styrken blir bevart. En for tykk film fører til varmeoverføringsforstyrrelser.

Oppvarmingsenheten blir på lignende måte fremstilt ved behandling av et fiberaktig materiale eller et papirmateriale med_ belegningsmidlet eller pastaen i henhold til den foreliggende oppfinnelse som omfatter den sfæriske grafitt og den syntetiske harpiks.

En oppvarmingsenhet med utmerkede overflateegenskaper kan også oppnås ved anvendelse av den harpiks som herdes med elektronstråler (bestråling).

I avhengighet av det eksoterme,

ledende belegningsmiddel kan oppvarmingsen-

hetens temperatur reguleres til en ønsket temperatur ved valg av typen av carbonpartikler og syntetisk harpiks, oppskrifts-

forholdet, belegningsfilmens tykkelse og en kombinasjon av disse og dessuten ved valg av oppvarmingsareal eller påført spenning.

Dette skyldes anvendelsen i henhold til den foreliggende oppfinnelse av de sfæriske carbonpartikler. For en vanlig oppvarmingsenhet i hvilken flaklignende, nål-lignende, skall-lignende eller fiberlignende carbon eller grafitt anvendes, er det ikke mulig å oppnå denne virkning.

Når det eksoterme, ledende belegningsmiddel anvendes, kan en oppvarmingsenhet fåes ved å laminere de eksoterme filmer, hvorved den elektriske motstand blir regulerbar og det eksoterme område kan fordobles ved den samme temperatur, som beskrevet nedenfor. Dessuten kan en oppvarmingsenhet med det samme eksoterme område ved den samme temperatur oppnås ved å laminere de eksoterme filmer for å regulere spenningen.

Som elektrodetilkoplingsanordning for oppvarmingsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan en hvilken som helst type av tilkoplingsanordning anvendes. For eksempel kan en metalltråd eller et metallnett anvendes som elektrodetilkoplingsanordning (Fig. 11(a) og 11(b)). En tilkoplngsanord-ning av metallnett, som vist på Fig. 11(b), er spesielt fore-trukket og innbefatter for eksempel et kobbernett med en åpningsstørrelse på 0,3 mm x 0,3 mm og sammensatt av Ni-pletterte kobbertråder med en diameter av ca. 0,2 mm. Denne tilkoplingsanordning av metallnett gjør det mulig å oppnå en oppvarmingsenhet med mer stabil eksoterm temperatur.

Det eksoterme, ledende belegg har en temperaturselvregulerende funksjon. Spesielt er det unødvendig at belegningsfilmens tykkelse er helt jevn, og belegningsfilmen kan påføres manuelt på den faste overflate av en hvilken som helst ønsket form. Oppvarmingsenheten kan dessuten fremstilles ved neddypping av det impregnerbare faste materiale med ønsket form, som f.eks. et fiberaktig materiale eller et papirmateriale. Oppvarmingsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan derfor finne utstrakt anvendelse innen forskjellige områder, som f.eks. påføring på innvendige vegger, gulv, tak, anvendelse inne i en ovn, inne i en skorstein og for anvendelse på ytre overflater, gulvtepper, sengetepper, forenklede oppvarmingsinnretninger, varmeanordninger og anti-fryseanordninger. Oppvarmingsenheten ifølge oppfinnelsen er spesielt utmerket som en del for rom-oppvarming, varmeisolasjon og oppvarming.

Det eksoterme, ledende belegg omfatter hovedsakelig de sfæriske carbonpartikler og den syntetiske harpiks. En oppvarmingsenhet kan derfor fremstilles fra dette med temperaturselvregulerende funksjon og hvis temperatur kan reguleres etter ønske til en temperatur av opp til ca. 450° C, og den har dessuten en jevn temperaturfordeling over en stor oppvar-mingsoverf late såvel som en liten oppvarmingsoverflate med forskjellige former og overflater som inneholder en ujevn overflate eller lignende. Oppvarmingsenheten kan dessuten utgjøres av flere laminerte lag av belegningsfilmen. Den på denne måte oppnådde oppvarmingsenhet er derfor egnet for en lang rekke anvendelsesområder, nemlig for påføring på en innvendig vegg, gulv, tak, inne i piper og påføring på ytre overflater, anvendelse på den innvendige overflate i en ovn, for oppvarmingsanordninger og for gulvtepper.

Oppfinnelsen vil nu bli mer detaljert beskrevet

under henvisning til de nedenstående eksempler.

Eksempel 1

PTFE (polytetrafluorethylen) ble anvendt som syntetisk harpiks for å virke som bindemiddel, og et belegg (a) ble fremstilt ved med harpiksen å blande 1 vektdel sfæriske grafittpartikler i henhold den foreliggende oppfinnelse med en diameter på fra 20 til 50 pm, pr. 0,9 vektdel av den faste harpiks. Også et belegningsmiddel (b) ble fremstilt ved å blande 1 vektdel av et vanlig nålelignende grafittpulver med størrelser av fra 10 til 60 um, med den samme faste harpiks. Hvert belegningsmiddel ble anvendt som et eksotermt, ledende belegg.

Disse belegningsmidler (a) og (b) ble påført på hver sine faste overflater inntil en tykkelse av ca. 0,6 mm for å fremstille oppvarmingsenheter.

Forholdet mellom den elektriske motstand SI/ q for disse oppvarmingsenheter og deres overflatetemperatur er vist på fig. 1.

Det fremgår av fig. 1 at for det eksotermt,

ledende belegg (a) ble en tilnærmet

3 0 gangers økning av den elektriske motstand iakttatt ved 120° C. Den plutselige økning til den elektriske motstands temperaturkoeffisient ved 100° C viser virkningen av temperatur-selvreguleringen.

I motsetning hertil ble for belegget (b) i hvilket det vanlige nålelignende grafittpulver ble anvendt, den elektriske motstand øket lite med økning av temperatur. Dette viser at den vanlige nålelignende grafitt gir en meget lav temperaturkoeffisient for den elektriske motstand. Når derfor en varmeisolasjonsdel anbringes på oppvarmingsenheten, vil den elektriske strøm ikke avta, og den kontinuerlige temperaturøkning vil føre til at det dannes overhetede punkter. De flaklignende, fiberlignende og skall-lignende grafittpulvere oppviste også den samme tilbøyelighet som det nålelignende grafittpulver.

Det fremgår av fig. 2 at en varmeisolasjonsdel 4 (keramisk ull) ble plassert på overflaten av belegningsfilmen

2 gjennom hvilken den elektriske strøm ble ledet for oppvarming ved 12 0° C, og temperaturene på punktet A og punktet B under varmeisolasjonsdelen ble målt. Fig. 3 viser temperaturfor-skjellene mellom temperaturene på punktet B og punktet A for oppvarmingsenhetene oppnådd med belegningsmidlene (a) og (b).

i overensstemmelse med oppvarmingstiden da en elektrisk effekt på 0,55 W/cm 2 ble tilført. Oppvarmingsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnådd med det eksoterme,. ledende be-Teghingsmiddel (a) viste bare en økning på 3° C (123° C - 120° C = 3° C). I motsetning hertil oppviste oppvarmingsenheten med det vanlige eksoterme ledende belegg (b) en økning på ca. 104° C (222° C - 118° C = 104° C). Det fremgår av dette at den eksoterme film med det eksoterme, ledende belegg

(a) hadde en temperaturselvregulerende

funksjon uten at overopphetning oppsto selv dersom varmestrå-lingen lokalt ble forstyrret.

Eksempel 2

En oppvarmingsenhet med en 1,5 mm tykk belegningsfilm ble fremstilt ved å anvende et belegningsmiddel i hvilket 2,2 vektdeler fast PTFE ble blandet med 1 vektdel sfæriske grafittpartikler med en maksimumsdiameter på 600 \ im og en middeldiameter på 500 nm. Da en spenning på 100 V ble påført på denne oppvarmingsenhet, forårsaket en plutselig økning av den elektriske motstand ingen temperaturøkning. Da værelsetemperaturen var 30° C,fant en temperaturujevnhet på 70 + 30° C sted på den eksoterme overflate på 100 cm 2, og bare en lokal temperatur-økning ble iakttatt. Ved'lignende forsøk hvor 2 vektdeler fast PTFE ble blandet med 1 vekdel sfæriske grafittpartikler med en maksimumsdiameter på 500 \ iia og en middeldiameter på 400 um, ble temperaturujevnheter redusert til 75 + 12° C.

Dette eksempel viste grensene for størrelsen til grafittpartik-lene og den oppskriftsmessige mengde av den syntetiske harpiks for homogenisering av temperaturen.

Eksempel 3

En 1 mm tykk eksoterm, ledende belegningsfilm i hvilken 0,3 vektdel PEEK (polyetheretherketonharpiks) i fast tilstand ble blandet med 1 vektdel carbonpartikler inneholdende 0,6 vektdel sfæriske grafittpartikler med en gjennomsnittlig partikkeldiameter av 30 pm (en innbyrdes planavstand av 3,36 + 0,02 Å) og 0,4 vektdel nålelignedne grafittpartikler med en gjennomsnittlig partikkeldiameter av 30 pm ble dannet. Da 0,7 W/cm 2 elektrisk effekt ble påført pa denne film, var den elektriske motstand ca. 210 Q/ a selv ved 260° C, hvilket var 7 ganger den elektriske motstand ved vanlig temperatur. Da varmeisolerende ull ble lokalt plassert på filmen, øket temperaturen under ullen til 290° C. I en belegningsfilm inneholdende 0,25 vektdel PEEK ble den elektriske motstand 105 Q,/ b ved 2 60° C, hvilket var 4 ganger større enn motstanden ved vanlig temperatur. Da varmeisolerende ull ble lokalt plassert på filmen, økte temperaturen under ullen til over 300° C, og dette forårsaket forringelse av filmen. 60 vekt% av de sfæriske grafittpartikler (i carbonpartiklene) og 30 vektdeler av den syntetiske harpiks (pr. 100 vektdeler av carbonpartiklene) er nedre grenseverdier ved hvilke den temperaturselvregulerende funksjon virker.

Eksempel 4

Eksoterme ledende filmer med en tykkelse av 0,5 mm ble fremstilt av belegningsmidler som inneholdt 100 vektdeler sfæriske grafittpartikler og opp til 200 vektdeler av hver syntetisk harpiks av polyester-, epoxy-, polyamid-, polyimid-, polyethylen-, fluorholdige polymerer, polyetheretherketon-, polyfenylensulfid-, silicon- og polytitancarbonsilanharpikser. Da den elektriske motstand ved 30° C ble målt, økte deres motstand med økning av den syntetiske harpiks, som vist på

fig. 4. De grove partikler (100 pm) oppviste lavere verdier (a), og de findelte partikler (1-8 pm) oppviste høyere verdier (b). Innarbeidelse av 30 - 200 vekt% av den syntetiske harpiks gir en valgfri motstand innen området fra 1 til 6000 Q,/ Q .

Når motstanden er 6000 , kan temperaturen for et kvadrat av overflaten med hver side med en lengde på 5 cm økes til 20° C ved værelsetemperatur av 0° C, 100 V og 1,7 W (1,7 W/ 2 2 5 x 5 cm =0,07 W/cm ). Når motstanden er 3000 £2/ q , kan temperaturen for et kvadrat av overflaten ved hver side med en lengde på 7 cm økes til 20° C ved 100 V og 3,3 W.

Når dessuten motstanden er 10 °./q , økes temperaturen for et kvadrat av overflaten med hver side med en lengde på 42 cm til 120° C ved påføring en spenning på 100 V.

Eksempel 5

Ved anvendelse av eksoterme, ledende belegningsmidler inneholdende 200 vektdeler, 100 vektdeler og 70 vektdeler PTFE pr. 100 vektdeler sfæriske grafittpartikler med en diameter av ca. 50 um ble 0,5 mm tykke belegningsfilmer dannet, og motstanden og den eksoterme temperatur for disse ble målt (fig. 5). Det fremgår av fig. 5 at et høyere innhold av den syntetiske harpiks gir en lavere eksoterm temperatur. Når innholdet av PTFE er 200 vektdeler, er den maksimale eksoterme temperatur ca. 30° C ved værelsetemperatur på 0° C ((a) på Fig. 5). Den eksoterme temperatur øker med avtagende syntetisk harpiksinn-hold. Når innholdet er 100 vektdeler, er den eksoterme temperatur ca. 120° C ((b) på Fig. 5). Når dessuten innholdet er 70 vektdeler, kan temperaturen økes til ca. 220° C ((c) på

Fig. 5).

Når en varmemotstandsdyktig polytitancarbosilanharpiks anvendes som den syntetiske harpiks, kan en høy temperatur opp til ca. 450° C oppnås.

Som beskrevet ovenfor kan i henhold til den foreliggende oppfinnelse den eksoterme temperatur fritt og lett reguleres opp til 450° C i avhengighet av de sfæriske carbonpartik-lers diameter, den innblandede mengde av den syntetiske harpiks og typen av syntetisk harpiks.

Eksempel 6

Eksoterme, ledende filmer med en tykkelse på 0,5 mm ble dannet fra belegningsmidler inneholdende 100 vektdeler sfæriske graf ittpartikler med en diameter av 30 \ ira og en avstand mellom naboplanet av fra 3,358 til 3,425 Å, og 50 deler, 100 deler og 150 vektdeler av hver syntetisk harpiks av polyester-, epoxy-, polyamid-, polyimid-, polyethylen-, fluorholdig polymer, polyetheretherketon-, polyfenylensulfid, silicon- og polytitansilanharpikser. Motstanden ved 30° C

ble målt. Resultatene er vist på Fig. 6. Det fremgår av Fig.

6 at Q/ a økte hurtig ved en avstand mellom planene av fra 3,40 til 3,425 Å, og temperaturen steg ikke selv da en høy spenning ble påført. Dette er derfor uegnet for en overflate-oppvarmingsenhet.

Eksempel 7

Som vist på Fig. 8 ble et fast materiale 1 med en korrugert, uren overflate belagt med et varmemotstandsdyktig keramisk materiale 5 til hvilket Ni-pletterte kobbernettbånd med en bredde på 7 mm og en nettstørrelse på 0,2 mm ble festet parallelt i forhold til hverandre som elektrodetilkoplingsanordninger 3. Et eksotermt, ledende belegningsmiddel ble påført på dette, i hvilket 100 vektdeler av en væskeformig type av epoxyharpiks pr. 100 vektdeler sfæriske grafittpartikler med en gjennomsnittlig diameter av 30 pm var blitt innarbeidet for å feste en herdet belegningsfilm 2 med en tykkelse på ca. 0,4 mm til dette.

Når en spenning på 100 V ble påført mellom tilkop-lingsanordningene som befant seg i en avstand fra hverandre av 30 cm, ble en tilnærmet jevn temperaturfordeling 6 på 80° C (værelsetemperatur 30° C + 50° C) + 4° C oppnådd over hele overflaten.

Eksempel 8

Det fremgår av Fig. 9 at metalltilkoplingsanordningen 3 ble sikkert festet til et avkortet kjegleformig keramisk legeme 1 med bred avsmalning, hvor diameteren ved toppen var 200 mm, diameteren ved bunnen 300 mm og høyden var 500 mm.

Ved anvendelse av et eksotermt, ledende belegningsmiddel i hvilket 0,6 vektdeler PTFE pr. 1 vektdel sfæriske grafittpartikler med en gjennomsnittlig diameter av 30 \ im var til-stede, ble en herdet belegningsfilm 2 med en tykkelse på 0,5 mm festet på delen med en mindre diameter, en herdet belegningsfilm 2 med en tykkelse på 0,8 mm ble festet på delen med en større diameter, og den gjennomsnittlige tykkelse var ca. 0,65 mm. Da en spenning på 120 V ble påført mellom tilkoplingsan-ordningene, ble en tilnærmet jevn temperatur av 220 - 240° C oppnådd ved værelsetemperatur. Anvendelse av 10 Ni-pletterte kobbertråder med en diameter av 0,3 mm som tilkoplingsanord-ningene forårsaket en økning av motstanden mens de ble konti-nuerlig oppvarmet i lang tid. Anvendelsen av nett (med en nettstørrelse av 0,3 mm og en nettbredde av 7,5 mm) sammensatt av Ni-pletterte kobbertråder med en diameter av 0,2 mm stabi-liserte imidlertid motstanden som ikke forandret seg i løpet av flere tusen timer. Da de samme nettledere av kobbertråder og den samme eksoterme film ble ytterligere festet på denne eksoterme film, ble den elektriske motstand halvert. En tilnærmet lik temperatur ble derfor oppnådd selv da spenningen ble redusert fra 120 V til 85 V.

Eksempel 9

Bandledere av et med en nettstørrelse av 0,8 mm og sammensatt av Ni-pletterte kobbertråder med en diameter av 0,3 mm ble festet som tilkoplingsanordninger på begge ender av et kvadrat av en 30 mm tykk keramisk plate hvorav hver side hadde en lengde av 1 m. Da et eksotermt, ledende belegningsmiddel inneholdende 0,6 vektdel PTFE pr. 1 vektdel sfæriske grafittpartikler med en gjennomsnittlig diameter av 2 0 \ im ble anvendt, ble en belegningsfilm med en tykkelse av ca. 0,8 mm festet på disse. Da en spenning på 130 V ble påført mellom kobbernetttilkoplingsanordningene, ble en temperatur på ca. 145° C oppnådd.

Båndledere av nett med en nettstørrelse av 0,8 mm og sammensatt av. Ni-pletterte kobbertråder med en diameter av 0,3 mm ble festet som tilkoplingsanordninger på begge ender av et kvadrat av en 30 mm tykk keramisk plate hvorav hver side hadde en lengde på 1,4 m. Da et eksotermt, ledende belegningsmiddel som inneholdt 0,6 vektdel PTFE pr. 1 vektdel sfæriske graf ittpartikler med en gjennomsnittlig diameter av 20 \ xm ble anvendt, ble en belegningsfilm med en tykkelse av ca. 0,8 mm festet på disse. Når en spenning av 130 V ble påført mellom kobbernetttilkoplingsanordningene, ble en temperatur på ca. 70° C oppnådd. De samme ledere ble overlappet på disse ledere og festet på disse, og den samme 0,8 mm tykke film ble festet på disse ved anvendelse av det samme belegningsmiddel. De øvre og nedre ledere var bundet sammen til en helhet. Da en spenning på 13 0 V ble påført på disse, ble en temperatur på ca. 103° C oppnådd. Lamineringen av tre lag kunne gi en eksoterm overflate med et tre ganger så stort areal ved den samme spenning (Flg. 12).

Claims

Ledende oppvarmingsenhet omfattende en eksoterm, ledende belegningsfilm, omfattende carbonpartikler og 25-220 vektdeler av en syntetisk harpiks pr. 100 vektdeler carbonpartikler, på en fast overflate med elektrodetilkoplingsanordninger montert på denne,

karakterisert ved at minst 60 vekt% av carbonpartiklene er sfæriske partikler med en diameter på 1-500 ^um, og en avstand mellom naboplan i den krystallinske struktur av fra 0,3425 til 0,3358 nm.