NO742650L - - Google Patents

Description

Elektrisk_yarmeelement

Foreliggende oppfinnelse angår elektriske varmeelementer særlig men ikke utelukkende beregnet for anvendelse til romoppvar-mingsapparater og særlig i slike apparater som er. konstruert for an-bringelse på veggene i et rom, for eksempel som et varmepanel, eller langs de nedre partier av veggene som normalt opptas av fotlister eller gulvlister, eller også som varmepaneler i frittstående varmeapparat .

I britisk patent 1.296.397 er det for eksempel beskrevet

et romoppvarmningsapparat, hvor et platemotstandselement er innkapslet i en masse av elektrisk isolerende ildfast materiale inneholdende en syntetisk harpiks. Ved konvensjonelle varmeelementer har det imidlertid vist seg at den vanlige masse av innkapslingsmateriale er

hovedsakelig bestemt av selve materialets styrkeegenskaper, slik at et bestemt materiale som forovrig har vist' seg dnskelig for formålet, kan kreve en stdrre masse enn det ellers ville være nddvendig.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å skaffe et varmeelement som kan lages i mange former for ovennevnte og andre formål og anvendelser og som kan dekke et stort temperaturområde,

for eksempel fra 10° C eller mindre opp til 1100° C eller mer.

Et annet formål med oppfinnelsen er å skaffe et varme-.element som når det er innkapslet vil vesentlig forbedre styrkeegen-skapene for den innkapslede enhet som en helhet .

Det er kjent å fremstille karbonfibre med stor strekkfasthet ved karbonisering av organiske polymere fibre, for eksempel poly-acfylnitril, som under prosessen utsettes for den kombinerte virkning av varme og strekk. Slike fibre er tilgjengelige på markedet i form-av kontinuerlige flate bunter eller bånd som på dette område betegnes et "tau". Foreliggende oppfinnelse befatter seg med bruken av slike fibre med stor strekkstyrke eller strekkfasthet.' Slike fibre kan for enkelhets skyld betegnes "sterke" karbonfibre og det må forstås at alle henvisninger i det folgende til "karbonfibre" er ment å betegne slike sterke karbonfibre.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse omfatter et elektrisk varmeelement en kontinuerlig bunt av sterke karbonfibre som utgjor en elektrisk motstandskrets og organer for tilkopling av kretsen til en kilde for elektrisk energi. Oppfinnelsen inkluderer varmeapparater som omfatter slike varmeelementer. Tilkoplingsorganehe er hensiktsmessig utformet ved å anordne klemmedeler (eller andre deler når det er påkrevet ). med en hylse av kobberfletning som kan festes til fibrene ved å klemmes flat og stiftes eller loddes.

Fibrene kan ha forskjellige lengder og være anordnet tilfeldig langs buntens lengde-, i hvilke tilfelle tettheten pr. lengde-enhet av bunten fortrinnsvis er hovedsakelig konstant.

Den totale masse av karbonfibre og anordningen av fibrene i massen vil selvfølgelig avhenge av den art varmeelement som er påkrevet og den onskede temperatur. Det er imidlertid foretrukket å anvende komersielt tilgjengelige tau som nevnt ovenfor.

Slike tau inneholder et stort antall filamenter med meget liten diameter, for eksempel 10.000 fibre som hver har en diameter på 9 H dannet til et tau med bredde tilnærmet 6,3 mm. Et slikt tau har vist seg å ha en spesifikk motstand på'omkring 35 ohm/m og har vist seg meget hensiktsmessig i dimensjon og kapasitet for fremstil-lingen av et stort antall forskjellige varmeelementer i samsvar med oppfinnelsen. For å lette håndteringen av en bunt fibre i denne form i utformning av elementene er fibrene i tauet fortrinnsvis på forhånd klebet sammen med en ikke herdet syntetisk harpiks for å danne et boyelig halvfabrikat.

I et eksempel på et egnet element for bruk i et romoppvarmningsapparat i form av et veggpanel eller en frittstående radia-tor er tauet festet til et underlag av rigidiserte glassfibre og folger en samlet bane som består av en rekke rette lengder adskilt av intervaller langs lengden eller bredden av underlaget, med avvekslende lengder som går over i hverandre ved lokkedannelse av tauet ved vekslende ender. De to ender av tauet er forsynt med kobberflettede forbindelser som beskrevet ovenfor, idet forbindelsene er forsynt med isolerte ledere for tilkopling til en nettilforsel. Tauet kan være festet til underlaget ved stifting med mellomrom eller ved binding med syntetisk harpiks eller et egnet klebemiddel.

For oppnåelse av de beste resultater bor et varmepanel ha en varmefordeling som nærmer seg en jevn spredning og da en slik varmefordeling avhenger av den innbyrdes avstand for taulengdene i panelet, må det tas hensyn til slik avstand både når det gjelder varmefordelingen og dkonomien i lengden av tau som er nodvendig for å gi den påkrevede motstand for en bestemt overflatetemperatur på panelet, og da motstanden varierer omvendt proposjonalt med strøm-styrken, folger derav at jo storre panelet er, desto mindre blir motstanden og desto storre belastningen for samme overflatetemperatur.

Med det ovennevnte element innkapslet i et panel med elektrisk isolerende ildfast materiale som har en K-verdi på tilnærmet 10 B.T.U., kan således for eksempel den maksimale dnskede overflatetemperatur være i størrelsesordenen 82° C og således kreve en bela-stning ved 240 V på omkring 1290 w/m det vil si en motstand på

480 ohm, slik at den påkrevede lengde av tau med en'spesifikk motstand på 35,7 ohm/m vil være tilnærmet 144 meter for hver kvadrat-meter panel. For et panel på tilnærmet 0,176 m vil derfor 6,38 m tau som byr en motstand på 231 ohm, være nodvendig for den samme overflatetemperatur, idet belastningen oker til ca. 250 W. Under disse omstendigheter vil underlaget være tilnærmet 9154ganger 15,2 cm og

de 6,38 m tau ville være festet til underlaget i lengderetningen i rekker på 7 sldyfelengder med innbyrdes avstand ca. 19 mm, idet en slik avstand gir en god varmefordeling, idet forsok har vist at en avstand på opp til 25 mm kan tåles med tilfredsstillende resultater.

For samme overflatetemperatur i storre paneler har det imidlertid vist seg under anvendelsen av et tau med de samme egenska-per at den kortere samlede lengde tau som er nodvendig for den påkrevede mindre motstand, kan fore til at avstanden mellom taulengdene blir storre enn den ovennevnte akseptable grenseverdi. Under disse forhold kan tilfredsstillende varmefordeling oppnås ved å anordne på underlaget to eller flere taukretser som er parallellkoplet. I det ovenfor nevnte eksempel kan således panelet okes i dimensjon til 99 ganger 35,5 cm (i det foregående, eksempel var panelets dimensjoner 99 ganger 17,8 cm) og et par identiske taukretser som er parallellkoplet på et tilsvarende utvidet underlag vil gi et panel med den dobbelte kapasitet, det vil si tilnærmet 500 W.

I et ytterligere eksempel kan et underlag av glassfiber være forsynt med et par adskilte langsgående ledere som ved hver ende avsluttes med en elektrisk tilkopling for forbindelse med ytterligere elementer i serie, idet lederne er festet til motsatte ender av et karbonfibertau ved hjelp av kobberfletninger som allerede beskrevet,idet tauet er viklet omkring underlaget fra den ene ende til den annen på

en spirallignende måte for å danne en rekke rette lengder adskilt i bredden av underlaget.

I dette eksempel er elementet igjen egnet for innkapsling på den beskrevne måte ifolge det i det foregående nevnte patent, og i dette tilfelle beregnet til å danne platemotstanden for en "gulv-listoppvarming" som beskrevet i det nevnte patent.

Ennå et eksempel på et varmeelement i samsvar med foreliggende oppfinnelse er skaffet til veie. ved å vikle et karbonfiber-produkt omkring en sjablon langs en på forhånd fastlagt bane og der-.etter oppvarme fibermaterialet en kort tid ved å tilkople endene til"en strdmkilde med nettspenning, idet en slik funksjon vil fore til at det formede tau blir en hovedsakelig stiv masse som deretter kan for-synes med klemmeforbindelser og anbringes i en form for stoping av materiale omkring det. Slikt stdpemateriale kan for eksempel være i form av smeltede gjennomskinnelige kvartsgranulater farget etter smaken hvis onsket, mens formen kan være slik laget at den gir et stopiestykke i form av en stokk eller et storre kul 1 stykke . I sist-nevnte tilfelle kan en rekke stive formede' tauer med forskjellig form, for eksempel forestillende kull, være elektrisk koplet og anbragt i tilstotende former for stdping av materialet omkring dem. På denne måte kan der fremstilles et varmeelement utformet som en fullstendig brennende kullild og det vil forstås at den spesifikke motstand og stromegenskapene kan beregnes slik at elementet vil "glode" gjennom kvartsen når strommen er satt på.

Det vil forstås at temperaturen av smeltet kvarts er så-vidt hoy at hvis stopeprosessen utfores under atmosfæriske betingel-ser, ville karbonfiberelementet forvitre. Det har imidlertid vist seg at en slik stdpeprosess med hell kan utfores i en oksygenfri at-mosfære, for eksempel i argongass.

Som et alternativ kan anvendes et stdpemateriale som be--står av aluminatsement og en tilsetning av silicium-aluminiumoksyd og dette har vist seg å glode hvis elementet er tilstrekkelig belas-tet .

De ovennevnte eksempler er alle beregnet for anvendelse

i romoppvarmningsapparater. Det vil imidlertid forstås at elementer for boye temperaturer, for eksempel som er i stand til å holde over-flatetemperaturer på over 205° C, for eksempel til bruk som kokepla-ter, kokeringer, grillplater og ovnsplater, kan fremstilles ved innkapsling' av en passende lengde av tau i en blanding med egnet varme-motstand. En slik blanding kan for eksempel bestå av tre deler aluminiumoksyd-tilslag, en del aluminiumholdig sement og opptil ti vekt-prosent av det hele med oksydert aluminiumpulver,idet det hele blandes med vann og tillates å herdne etter innkapsling av elementet.

Som et ytterligere eksempel på et varmeelement med karbonfibre kan et tau vikles i form av en spiral omkring en rdrformet flu-idumledning med en elektrisk isolerende ytre overflate, idet tauet festes til overflaten for eksempel ved hjelp av en elektrisk isolerende syntetisk harpiks og er forsynt som beskrevet ovenfor, med klemmer for tilkopling av elementet til en elektrisk strdmkilde.

En ytterligere viktig fordel som fremkommer ved bruken av sterke karbonfibre på den ovenfor beskrevne måte, er at sammenlignet med konvensjonelt trådelement for en bestemt spesifikk motstand, vil fibertauet dekke mange ganger storre varmeoverflate og således gi en jevnere adskilt oppvarming av overflaten pr. enhet masse, hvilket er meget onskelig ved romoppvarming med oppvarmede overflater. I det lavere temperaturområde for en tålelig varmefordeling og en gitt spesifikk motstand kan en tråd så fin som 0,013 mm i diameter være nodvendig med de derav folgende vanskeligheter ved praktisk hånd-tering, såsom altfor tidlig brudd.

Ytterligere anvendelse av varmeelementer i samsvar med oppfinnelsen er beregnet i form av oppvarmede klær, for eksempel fly-eller kjdredrakter, tepper, pledd og andre gjenstander. Således kan karbonfibertau være "innsydd" i klær eller lignende og tilkoplet en lavspent strdmkilde, for eksempel med 35 til 50 V spenning for sikker funksjon. På lignende måte kan gulvmatter for biler "vikles" på denne måte og drives fra bilbatteriet for forhåndsoppvarmning av bil-kabinen under oppvarmingstrinnet for den normale bilvarmer. Kretsen kan også inkludere en tidsbryter for innkopling av kretsen for bilen brukes.

Et meget onskelig trekk i varmepaneler av den ovenfor beskrevne art er imidlertid at de skal ha en hovedsakelig positiv temperatur-motstandskoeffisient og det har nå vist seg at varmeelementer av ovenfor beskrevne art kan modifiseres på en slik måte at de gir ovennevnte fordeler takket være bruken av sterke karbonfibre samtidig som de har en hovedsakelig positiv temperatur-motstandskoeffisient.

Oppfinnelsen inkluderer en slik modifikasjon, ifdlge hvilken en elektrisk oppvarmingsenhet er forsynt- med et fdrste mot-stan dselement som omfatter en kontinuerlig bunt av sterke karbonfibre, et annet motstandselement som omfatter en polymerisert masse med på forhånd fastlagt form, inneholdende et elektrisk ledende ildfast materiale og en syntetisk harpiks, og et par elektroder med innbyrdes avstand i massen og forbundet med nevnte fdrste motstandselement for å danne et sammensatt element og en anordning for tilkopling av det sammensatte element til en kile for elektrisk energi. Oppfinnelsen inkluderer varmeapparater med slike modifiserte varmeenheter.

Det fdrste motstandselement (i det folgende betegnet som "karbonfiber-elementet") kan ha en hvilken som helst av de ovenfor beskrevne former, mens det annet motstandselement (i det folgende betegnet "massivt" element) kan ha en hvilken som helst av de former som er beskrevet i britisk patentansdkning nr. 39756-72 som også gir ytterligere detaljer, idet alle de nevnte utforelser har vist seg

å ha en hovedsakelig positiv temperatur-motstandskoeffisient.

Slike sammensatte elementer kombinerer således i varmeenheter som anvender slike elementer, karbonfiberelementets fordeler med de for det massive element for å gi en varmeenhet av en meget effektiv og okonomi.sk art.

Det har vist seg at med den mindre masse som er mulig-gjort med innkapslede varmeenheter som har sammensatte elementer som beskrevet ovenfor, har enhetene for en bestemt kapasitet og den tilsvarende mindre varmeisolering skaffet tilveie ved det innkapslende materiale en hurtigere temperaturreaksjon og er mer dkonomiske i frem-stilling enn enheter som krever storre masse. Dessuten opptas mindre plass for eksempel vil veggpaneler strekke seg mindre avstand ut fra veggen og enheter som har en hurtigere reaksjon på den omgivende tem-peraturs forandringer, blir også mer dkonomiske i strdmforbruk.

Det sammensatte element kan inneholde karbonfiberelemen-ter og massive elementer i serie eller parallell bestemt av dimensjo-nen og den påkrevede kapasitet og fullstendige varmeenheter utformes mest hensiktsmessig ved hjelp av de fremgangsmåter som er beskrevet i ovennevnte patentansdkning.

Når de massive og karbonfiberelementene er anordnet i serie, kan det massive element være slik konstruert og dimensjonert i forhold til karbonfiberelementet at der dannes en automatisk arbei-dende motstand, det vil si at i kald tilstand vil den for maksimal strdmstyrke til karbonfiberelementet og i en mettet omgivelse vil den fore minimal strdmstyrke fordi den vil ha maksimal motstand.

Det vil forstås at det sammensatte element kan anvendes

i mange former i samsvar med formen av det dnskede varmeapparat. Dimensjonene av det massive element kan beregnes på den måte som er beskrevet i ovennevnte patentansdkning, mens formen og mengden av karbonfibre i karbonfiberelementet kan beregnes på den måte som er beskrevet ovenfor.

Oppfinnelsen skal i det folgende beskrives mer detaljert

i form av rene eksempler under henvisning til tegningene, hvor fig. 1 er et perspektivisk riss av et frittstående varmeapparat som anvender to varmepaneler, fig. 2 er et perspektivriss av en form og viser et delvis utformet varmepanel for bruk i varmeapparatet på fig. 1, fig.

■3 er et snitt etter linjen B-B på fig. 2, fig. 4 er et perspektivriss av et ferdig panel, delvis gjennombrutt, fig. 5 er et perspek-

riss av et karbonfiberelement beregnet for bruk i en gulvlist-varmeenhet, fig. 6 er et perspektivriss av en jigg for å lette utformningen av elementet vist på fig. 5 og fig. 7 er et perspektivriss av en delvis utformet gulvlist-varmeenbet og viser en modifisert form av elementet .

På fig. 1 er vist et frittstående varmeapparat som består hovedsakelig av et par radiatorpaneler 11 montert på et rammeverk som består av et par motstående endeholdere 12 avstivet ved strevere 13>idet panelene 11 oventil er dekket av et dekorativt deksel 14 som passer til rammeverket, og idet undersiden av dekslet 14 er forsynt med en reflekterende overflate l6 av for eksempel polert aluminium, idet dekslet har en avstand fra panelene for å skaffe luftgjennom-ganger 17. Panelene 11 har en innbyrdes avstand og er anordnet over-for hverandre med helning oppover og utover en liten vinkel, for eksempel 5° i forhold til vertikalen. De ytre overflater av panelene 11 virker således som radiatoroverflater, mens de indre overflater og rommet mellom dem danner en konveksjonskanal, idet luft trer inn gjennom det åpne rammeverk og passer til atmosfæren gjennom kanalene 17.-

Konstruksjonen av panelene 11 er vist på fig. 2, 3 og 4-Således er et tau 21 av karbonfibre i form av sammenhengende filamen-tér som beskrevet i det foregående, dannet ved hjelp av en jigg som skal beskrives i det folgende, til en elektrisk motstandskrets som består av en sammenhengende rekke av adskilte lokker 22, idet endene av tauet anordnet i diagonalt motsatt forhold, er forsynt med flettede kobberforbindelser 23 som på sin side er forsynt med glassfiber-isolerte trådledere 24 for tilkopling til nettilfdrselen, idet trådlederne 24 er festet etterat karbonkretsen er fjernet fra jiggen. Jiggen er forsynt med en bæreplate 26 av fiberglass, på hvilken lok-kene dannes.

For å lette håndteringen av kretsen og bibehold av lok-kenes 22 avstand blir tauet som på dette trinn er i form av et halv-fabrikata som beskrevet i det foregående, utsatt for en hdyspent strdm, for eksempel 175 V gjennom en kort tid. Denne operasjon be-virker at den ikke herdede harpiks stivner og tauet 21 blir hovedsakelig stivt og binder seg likeledes til fiberglassplaten 26. Kretsen og dens bæreplate 26 fjernes nå fra jiggen og trådlederne 24 monteres, idet en av lederne er forsynt med en termostat 27 med automatisk tilbakefdring og som virker som en overbelastningsbryter.

Det hele anbringes deretter på toppen av et lag 28 av mastiks av ildfast materiale som inneholder en syntetisk' harpiks som på forhånd er utformet i en formkasse 29 og med endedelene av trådlederne 24 hensiktsmessig ragende ut fra den ene side av formkassen 29, blir ytterligere ildfast materiale tilstrekkelig til å kapsle inn kretsen til-satt og hele massen av materiale tillates å herdne for å fullfore dannelsen av panelet 11. Stope- eller formeteknikken og det innkapslende materiale som her er kort beskrevet, er som angitt i den ovennevnte patentansdkning, hvor ytterligere detaljer kan finnes.

For anvendelse i en fotlist-varmeenhet som beskrevet i den ovennevnte patentansdkning, anvendes den modifiserte form av elementet vist på fig. 5 og 6. Halvfabrikat 31 av karbonfiber anvendes som for og formes til en rekke lokker 32 ved å bli fort omkring et antall avtagbare tapper 33 som rager opp fra en treplate 34 og danner en jigg, idet et antall underlagsstrimler 36 av glassfiber forst er lagt på bunnplaten 34. Tilkoplinger 37 av kobberfletning festes deretter til de motsatte ender av tauet 31 og en hdyspent strdm fores gjennom som tidligere. Tappene 33 fjernes deretter for å tillate ldfting av det stivnede element fra jiggen. Langsgående metallstrim-ler 38 bdyd til U-form festes til de flettede tilkoplinger 37 og til fiberglasstrimlene 38, idet ytterligere flettede tilkoplinger 39 er festet til strimlene 38. Tilkoplingene 37 og 39 er enkeltvis forsynt med en koplingshylsé 4l• Det fullforte element blir nå innkapslet i en masse av elektrisk isolerende ildfast materiale for å danne en

fotlistenhet som beskrevet i den ovennevnte ansdkning.

En modifisert form av elementet med en hovedsakelig positiv temperatur-motstandskoeffisient som beskrevet i det foregående, skal nå beskrives med henvisning til fig. 7 som viser et fotlist-varmepanel 42 i lengdesnitt og viser et sammensatt motstandselement på' plass i det innkapslende medium.

Elementet består hovedsakelig av et karbonfiberelement 43 parallellkoplet med et massivt element 44, idet det sammensatte

element er forsynt med lederstaver 46 som ender i koplingshylser 47

som også tjener til å forbinde panelet L\ 2 med tilstdtende paneler langs veggene i et rom.

Claims (8)

1. Elektrisk varmeelement, karakterisert ved en kontinuerlig bunt av sterke karbonfibre som utgjor en elektrisk motstandskrets og organer for tilkopling av kretsen til en kilde for elektrisk energi.

2. Element ifdlge krav 1, karakterisert ved at fibrene har forskjellig lengde og er anordnet tilfeldig langs buntens lengde.

3. Element ifdlge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fibrene er i form av et tau av sammenhengende filamenter.

4. Element ifdlge et av de foregående krav, karakterisert ved at fibrene er limt sammen med en uherdet syntetisk harpiks for kretsen dannes.

5. Element ifdlge krav 3. eller 4, karakterisert ved at tauet tvinges til å folge en samlet bane bestående av en rekke rette lengder adskilt med mellomrom med vekslende lengder som går over i hverandre ved ldkkedannelser på tauet ved vekslende ender .

6. Elektrisk varmeelement ifdlge et av kravene 4 og 5, karakterisert ved at kretsen er gjort stiv ved å utsette den for en hdyspent strdm.

7. Elektrisk varmeelement ifdlge et av de foregående krav, karakterisert ved at der i kretsen for karbonfiberelementet er innkoplet et massivt element som omfatter en polymerisert masse med på forhånd fastlagt form inneholdende et elektrisk ledende ildfast materiale og en syntetisk harpiks, og et par inbyrdes adskilte elektroder i massen og forbundet med karbonfiberelementet for å danne et sammensatt element.

8. Elektrisk varmeelement ifdlge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at elementet kapsles inn i en masse av elektrisk isolerende materiale.