NO801208L - Lagdelt elektrisk motstandselement og anvendelse av dette - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår formede strukturer av elektrisk ledende polymere komposisjoner med en positiv temperaturmotstandskoeffisient (PTC), og spesielt varmeelementer omfattende PTC-materialer.

En forbedring innen elektriske oppvarmingsanordninger i de siste år har vært tilveiebringelse av selv-regulerende varmesystemer som gjør bruk av materialer som utviser bestemte typer av PTC-karakteristikker,.nemlig at det ved oppnåelse av en

bestemt temperatur finner sted en betydelig stigning i motstand.

Varmere som gjør bruk av PTC-materialer utviser mer eller mindre skarpe stigninger i motstand innen et snevert temperaturområde,

men utviser under dette temperaturområde relativt små forandringer i motstand med temperaturen. Temperaturen ved hvilken motstanden begynner å stige skarpt er ofte angitt som bryte- eller uregelmessighetstemperaturen (T ) da oppvarmeren hår den når denne temperatur utviser en uregelmessig forandring i motstanden, og av- praktiske formål bryter av. Selv-regulerende oppvarmere

som gjør bruk av PTC-materialer har fordeler overfor konvensjo-nelle oppvarmingsapparaturer ved at de generelt sett nødvendig-gjør behovet for separate termostater, sikringer eller "in-line"-elektriske motstander.

Det mest utbredt anvendte PTC-materiale har vært behandlet bariumtitanat som har vært anvendt for selv-regulerende keramiske oppvarmere anvendt innen slike bruksområder som mat-oppvarmingsbrett og andre små portable oppvarmingsanordninger. Selv om slike keramiske PTC-inaterialer er i alminnelig bruk for oppvarmingsformål, begrenser deres stivhet betydelig det bruks-område innen hvilket de kan anvendes. PTC-materialer omfattende elektrisk ledende polymere komposisjoner er også kjent,, av hvil-k.e noen er angitt å utvise de spesielle karakteristica som er beskrevet ovenfor. Imidlertid har anvendelsen av slike polymere. PTC-materialer vært relativt begrenset, i første rekke på grunn av deres lave varmekapasitet. Slike materialer omfatter generelt en eller flere ledende fyllstoffer, f.eks. carbonsort eller pulverformet metall, dispergert i en krystallinsk termoplastisk polymer. PTC-komposisjoner fremstilt fra høykrystallinske polymerer utviser generelt en bratt stigning i motstands som starter noen få grader under deres krystallinske smeltepunkt lik den adferd til deres keramiske motparter ved Curie-temperaturen (T for keramikkmaterialer). PTC-komposisjoner avledet fra homo-polymerer og copolymerer med.lavere.krystallinitet, f.eks. mindre enn. 50 %, utviser en noe mindre bra tt økning, i motstand, hvilken økning starter ved en mindre vel definert temperatur i et område ofte betydelig under polymerens krystallinske smeltepunkt. I det ekstreme tilfelle gir enkelte polymerer med lav krystallinitet motstand vs temperaturkurver som er mere eller mindre konkave (sett ovenfra). Andre typer av termoplastiske polymerer gir motstander som øker relativt jevnt og mer eller mindre bratt mén kontinuerlig med temperaturen. Fig. 1 i de medfølgende tegninger viser karakteristiske kurver for de ovenfor angitte forskjellige typer av PTC-komposisjoner. I fig. 1 •utviser kurve I den skarpe faktisk øyeblikkeligeøkning i motstand (heretter kjent som type I adferd) som generelt er karakteristisk for blandt annet polymerer med høy krystallinitet, kurve II viser den mere gradvise økning ved lavere temperatur (i forhold til polymerens smeltepunkt), heretter kjent som type II adferd som generelt sett er karakteristisk for polymerer av lavere krystallinitet. Kurve III illustrerer den konkave.kurve (sett ovenfra) (Type III adferd) som er karakteristisk for mange meget lavkrystallinske polymerer mens kurve IV illustrerer den store økning i motstand uten et område mer mer eller mindre konstant motstand (Type IV adferd) i det minste i det temperaturområde av kommersiell interesse som sees hos enkelte materialer. Kurve V illustrerer den svakt økende motstand-temperaturkarakteristikk (Type V adferd) som utvises av.mange "normale" elektriske motstander. Selv om de ovenfor angitte typer av adferd har vært illustrert ved henvisning til spesifike typer av polymere materialer vil det forståes av fagmannen at den spesielle type av adferd ogsa er meget avhengig av typen og mengden av ledende fyllstoff, og i særdeleshet når det gjelder carbonsort, av dets partikkelstørrelse og form, overflatekarakteristikk, tendens til å agglomerere og formen av partikkelagglomeratene (dvs. dens tendens til struktur).

Det skal bemerkes at de foretrukne PTC-komposisjoner beskrevet innen teknikkens stand alle er angitt å utvise hovedsakelig Type I adferd. Faktisk er det innen teknikkens stand ikke spesifikt erkjent Type II til IV adferd til tross for det faktum at mange av de PTC-komposisjonene som er beskrevet innen teknikkens stand, faktisk ikke utviser Type I, men heller Type II, III eller IV adferd.

Med motstand-temperaturkarakteristikk av Type I er økningen i motstand over Tg hurtig slik at Tg kan betraktes som

den temperatur ved hvilken anordningen bryter av. Med Type II eller Type.III PTC-materialer er imidlertid overgangen fra en motstand som er relativt stabil ettersom temperaturen økes til en motstand som stiger bratt med temperaturen meget mindre vel definert, og den uregelmessige temperatur eller Ts er hyppig ikke en eksakt temperatur. Selv om en anordning i den foreliggende beskrivelse kan beskrives som å bryte av ved en gitt Ts, skal det forståes at i mange praktiske tilfeller kan det være mer hensiktsmessig å forstå Tg som den laveste temperatur av et temperaturområde over hvilket anordningen bryter av, eller å betrakte Tg å være et relativt snevert temperaturområde heller enn en spesifikk temperatur.

Tidligere beskrevne selv-regulerende termiske anordninger som gjør bruk av et.PTC-materiale er beskrevet å ha ekstremt bratt (Type I) T = f (T) kurver slik at anordningen

over en bestemt temperatur faktisk vil"bryte av, mens det under denne temperatur oppnås en relativt konstant effektytelse ved en konstant spenning. Ved temperaturer under Tg er motstand ved et relativt lavt og konstant nivå og strømstyrken er således relativt høy for en gitt påtrykt spenning. Effekten som utvikles av denne strøm.oppløses som varme, dvs. varme utvikles ved elektrisk motstand og varmer opp PTC-materialet. Ettersom temperaturen stiger, forblir motstanden ved denne relativt lave verdi inntil rundt Ts~temperaturen, ved hvilket punkt en hurtig

økning i motstand finner sted. Med økningen i motstand er det en medfølgende synkning i effekt, som dermed begrenser mengden

av utviklet varme slik at når Tg .nåes, stoppes hovedsakelig opp-varmingen. Deretter vil ved en senkning av temperaturen på anordningen under Tg ved avgivelse av varme til omgivelsene, motstanden.falle og derved øke effektytelsen.

Ved en stabil tilstand vil den varme som utvikles hovedsakelig balansere den varme som avgis. Når således en på-ført spenning ledes over et PTC-oppvarmingselement, bevirker Joule-varmen en oppvarmin- av PTC-elementet opp til dets T idet hurtigheten av slik oppvarming avhenger av den påtrykte spenning og typen av PTC-element, hvoretter liten ytterligere temperatur-stigning vil finne sted på grunn av økningen i motstanden. På grunn av motstandsstigningen, vil et PTC-oppvarmingselement vanligvis nå en stabil tilstand tilnærmet ved T og derved selv-regulere varmeytelsen til elementet uten at man må ty til sikringer eller termostater. Fordelene ved et slikt selv-varme-regulerende element vil være innlysende innen mange bruksområder.

Kohler, US patentskrift 3,243 753 beskriver carbonfylt polyethylen hvori de ledende carbonpartikler er i hovedsakelig kontakt med hverandre. Kohler beskriver et produkt inneholdende 40 % polyethylen og 60 % carbonpartikler for å gi en resistans ved romtemperatur på 0,4 ohm/cm. Typisk for den påståtte yteevne til kjente materialer er Kohler'sPTC-produkt beskrevet som å ha en relativt flat kurve for elektrisk resi-stansversus .temperatur under brytetemperaturen, etterfulgt av

en skarp stigning i resistivitet på minst 250 % over et 14° C-område. Mekanismen foreslått av Kohler for den skarpe stigning i resistivitet er at en slik forandring er en funksjon av for-skjellen i termisk ekspansjon til materialene, dvs. polyethylen og partikkelformet carbon. Det er foreslått at komposisjonens høye nivå av ledende fyllstoff danner et ledende nettverk

gjennom polyethylenmatrisen, som derved gir eh konstant begyn-nelsesresistivitet ved lavere temperatur. Rundt dets krystallinske smeltepunkt ekspanderer imidlertid polyethylenmatrisen hurtig, og en slik ekspansjon bevirker en oppbrekking av mange

av de ledende nettverk som i sin tur fører til en skarp økning i komposisjonens resistans.

Andre teorier som er blitt foreslått for å forklare PTC-fenomenet i ledende partikkel-fylte polymerkomposisjoner innbefatter komplekse mekanismer basert på elektronvandring gjennom kornspalter mellom partiklene av ledende fyllstoff eller en slags mekanisme basert på . en faseforandring fra krystallinske til amorfe regioner i polymermatrisen. En bakgrunnsdiskusjon av-et utall foreslåtte alternative mekanismer for PTC-fenoiuenet finnes i "Glass Transition Temperature as A Guide to the Selection of Polymers Suitable for PTC Materials", J. Meyer, Polymer Engineering and Science, November, 1973 , 13_, Nr. 6. I US patentskrift .3 673 121 har Meyer basert på en faseforandrings-teori foreslått at for å oppnå et bratt skrått PTC med skarp brytepunkt (Type I) skal polymermatrisen omfatte en krystallinsk polymer med en snever molekylvektfordeling. Kawashima et al, i US patent 3 591 526, beskriver en PTC-støpekomposisjon i hvilken de ledende partikler, slik som carbon-sort, først er dispergert - i et termoplastisk materiale, og deretter er denne dispérgerte blanding blandet inn i en støpeharpiks. Kawashima et al har likeledes antydet ønskeligheten av en ekstremt bratt temperatur-resistanskurve (dvs. R = f (T) ).kurve ved Tg på ca. 100 - 130° C.

På grunn av deres fleksibilitet, relativt lave pris og installasjonsletthet, har PTC-båndoppvarmere omfattende ledende

partikler dispergert i en krystallinsk polymer i det siste funnet bred anvendelse som rørsøkende (tracing) oppvarmere på industrielle rørledningsnett og i beslektede bruksområder. Eksempelvis har slike, polymere PTC-oppvarmere på grunn av deres selv-regulerende trekk, blitt anvendt for vipping av rør i kjemiske

anlegg for å beskytte mot frysing, eller for å opprettholde en konstant temperatur som i sin tur tillater vandige eller andre løsninger å strømme gjennorn rørene uten "utsaltning" .

I slike anvendelser opprettholdes oppvarmeren ideelt ved en temperatur ved hvilken energitapet gjennom varmeoverføring til omgivelsene er lik den som fåes fra strømmen. Slike oppvarmere består vanligvis av relativt snevre og tynne bånd eller remser av carbon-fylte polymere materialer med elektroder (slik som innstøpte kobberwirer) ved motsaLte kanter langs remsens lengdeakse. Således har en elektrisk spénningsgradient langs flaten av, og på tvers av lengdeaksen av remsen generelt sett vært tatt i betraktning, og en påtrykt spenning mellom de motsatte'elektroder som fører til gjenoppvarming av hele remsen, vanligvis til tilnærmet dets T .

Fra den foregående diskusjon er det innlysende at materialer av Type I har tydelige fordeler overfor de andre typer av PTC-materialer som tidligere er angitt i de fleste anvendelser. Type II og III har den ulempe at på grunn av meget mindre skarp overgang er likevektstemperaturen til oppvarmeren mer avhengig av den termiske belastning på denne. Slike komposisjoner lider også av et strømtilstrømningsproblem som beskrevet nærmere i detalj senere. Type IV og V-materialer har på grunn av mangel av et anvendbart temperaturområde i hvilket utgangseffekten forandrer fra å være uavhengig av temperaturen til<*-.>være avhengig av temperaturen, hittil ikke vært betraktet som egnede materialer for praktiske oppvarmere under vanlige omstendigheter..

For slike anvendelsesområder som ovenfor beskrevet bg i andre bruksområder foreligger det et behov for fleksible remseoppvarmere med meget høyere utgangseffekttetthet og/eller høyere. driftstemperaturer enn hva som taes i betraktning innen teknikkens stand. Det synes ikke mulig å drive oppvarmere, spesielt, remseoppvarmere fremstilt fra kjente komposisjoner og .ifølge kjente utførelsesformer ved høyere utgangseffekter, dvs. høyere wattforbruknivåer (over 1,5 watt/kvadrat tomme) og/eller høyere temperaturer (over ca. 100° C).- Det virkelige wattforbruk som avgis av de kjente oppvarmere er langt mindre enn hva som ville kunne ventes basert på oppvarmerens areal og varmeoverførings-.betraktninger, tilsynelatende på grunn av et varmen utvikles i et meget tynt bånd nedover lengdeaksen av remsen mellom de to elektroder. Et slikt fenomen er'her angitt som en varmelinje. Denne varmelinje fører til en utilstrekkelig og ujevn varmeytelse og gjør hele oppvarmingsanordningen ubrukelig i det meste av oppvarmings syklusen innen bruksområder hvor høye utgangseffekter, spesielt ved temperaturer over 100° C er ønskelig. På grunn av at varmeytelsen er begrenset til et snevert bånd eller linje på tvers av strømbanen, forhindrer den høye resistans av denne linje flyten av strøm over veien, og bevirker at hele oppvarmeren, brytes av inntil temperaturen på varmelinjen igjen faller under Tg .

Det er nå funnet at denne varmelinjetilstand finner sted i de fleste om ikke alle tidligere kjente polymere PTC-remseoppvarmere hvor en spenning påtrykkes, og strømmen flyter på tvers av remsen, og hvor graden av en slik tilstand generelt er avhengig av mengden av påtrykt spenning såvel som den termiske ledningsevne til polymeren og graden av ujevn varmeoppløsning. Varmelinjen langs remsens lengdeakse mellom elektrodene■bryter effektivt ned varmeanordningen selv om bare en liten del av overflatearealet av filmen, dvs. varmelinjen har nådd T ■. Dette vil i mange tilfelle ødelegge oppvarmeren eller til sist gjøre den så ue-fektiv at den synes å utvise den meget lave varmekapasitet som generelt er funnet tilknyttet med PTC-polymerremseoppvarmeren innen teknikkens stand.

Fra den foregående diskusjon er det innlysende åt eli-minering av varmelinjen ér vikrig for effektiv drift av en PTC-selv-regulerende oppvarmer, spesielt en med en høy utgangseffekt og/eller høy driftstemperatur.

Det vil også være meget fordelaktig hvis en PTC-selv-regulerende oppvarmer kunne fabrikeres hvori varmeoverflaten var av en form forskjellig fra on relativt lang, snever remse, f.eks. en kvadratisk eller rund varmepute. Det vil også være ønskelig med en PTC-selv-regulerende oppvarmer som kunne fabrikeres til relativt komplekse tredimensjonale konfigurasjoner, f.eks. en som er istand til å komme effektivt i kontakt med hovedsakelig hele utsideoverflaten av et kjemisk prosesskar. Uheldigvis er tendensen til varmelinje særlig fremherskende når strømveiavstanden, dvs. avstanden mellom elektrodene er stor i forhold til tverrsnittsarealet pr. lengdeenhet av PTC-materialet gjennom hvilket strømmen må flyte. Når det gjelder en varme-remse med elektroder ved remsekantene har f .eks. en relativt bred, kort remse større tendens til varmelinje enn en snever remse méd samme lengde, komposisjon og tykkelse. Likeledes er for samme lengde og bredde tendensen til varmelinje større jo tynnere remsen er. Øking av remsens lengde samtidig som bredden og tykkelsen holdes konstant, har ingen merkbar effekt på varme-linjetendensen. Problemet med varmelinje har tilsynelatende, ikke tidligere vært omhyggelig erkjent, og selvsagt har det ikke vært foreslått noen komposisjon eller konstruksjon for å redusere denne.

Tolymere PTC-komposisjoner har også vært foreslått for<y>armekrympbare gjenstander. Eksempelvis foreslår Day i US

Eatent Office Defensive Publica.tion T905 /001 anvendelse av en

PTC-varmekrympbar plastfilm. Imidlertid lider den krympbare film av den relativt alvorlige ulempe at da Tg ikke er større enn det krystallinske smeltepunkt til filmen, kan- meget liten gjenvin-ningskraft utvikles. Buiting et al i US patentskrift nr. 3 413 442 foreslår en varmekonstruksjon som innbefatter innleg-ging åv et polymert lag mellom sølvelektroder. En merkbar ulempe ved Buiting et al konstruksjonen er dets mangel på fleksibilitet. I tillegg har hverken Buiting et al eller noen annen av de tidligere diskuterte publikasjoner hverken påpekt eller løst andre ytterligere problemer som er tilknyttet alle tidligere kjente PTC-oppvarmere.

For det første gjelder dette problemet med strømtil-gang. Dette problem er særlig alvorlig når det ønskes å tilveiebringe en oppvarmer med en Tsover 100° C. Innen mange bruksområder kunne man med fordel anvende selv-regulerende oppvarmere med en Tspå 200° C eller mer. Uheldigvis som tidligere angitt, er de tidligere foreslåtte PTC-oppvarmerkonstruksjoner hovedsakelig uegnet for slike høye Ts~anvendelser.

Med materialer med en T sbetydelig over 100° C kan resistansen til et slikt materiale ved eller like nedenfor Tg Være så meget som 10 ganger dets resistans ved omgivende temperatur. Da PTC-oppvarmeren vanligvis virker ved eller ubetydelig nedenfor dets Tg, bestemmes dens effektive varmeytelse av dens resistans ubetydelig nedenfor T . Derfor vil en PTC-oppvarmer som trekker f.eks. 15 amp. ved 200° C lett kunne trekke 150 amp. ved omgivende temperatur. Et slikt varmesystem ville kreve en strømbærende kapasitet enormt i overskudd av hva som er nødven-dig for drift ved stabil tilstand, eller alternativt kreve in-stallasjon av komplekse og vanligvis spinkle eller dyre kontroll-kretser for å forhindre den 150 amperes startstrømtilgang fra å brenne ut oppvarmeren eller lede wirene dertil når oppvarmeren først kobles til en elektrisk kilde.

Fig. 2 i de vedfølgende tegninger er en kurve for resistansen not temperaturen har den foretrukne type av oppvar-.merkarakteristikk (linje ABC) i dens ideelle form en konstant resistans (angitt av linje AB) opp til T-, og en resistans som øker ekstremt hurtig (angitt av linje BC) over Tg. Således er driftsområdet fra dets maksimumverdi til tilnærmet null strøm-forbruk (current drawn) vist med de stiplede linjer som skjærer motståndstemperaturkurven ved B og D. Effektytelsen til den ideelle oppvarmer er upåvirket av forandringer i temperatur

under Tg men endres over dets hele område i et meget lite område av temperaturer over T . Som tidligere beskrevet utviser uheldigvis meget få, om noen i det hele tatt, av PTC-materialer virkelig denne ideelle karakteristikk. Det nærmest mulige man vanligvis kan oppnå med praktiske oppvarmere er vist ved linjene AB'C'. Hvis den maksimale tillatelige effekt som trekkes fra den elektriske krets er gitt ved resistansen ved A, er da driftsområdet for selv-begrensning ellei "regulering" gitt ved den del av linjen B'C' som ligger mellom de stiplede linjer. Selvsagt varierer oppvarmertemperaturen når det drives under "regulerings"-betingelser meget mer i dette sistnevnte tilfelle og det tilgjengelige effektområde i det "regulerte" område er mindre enn for det ideelle tilfelle. Hvis et effektområde lik det i det ideelle tilfelle ønskes, er en resistanskarakteristikk slik som A'B"C" nød-vendig.

På fig. 2 representere! kurven AEF en del av motstands-.karakteristikken for et PTC-materiåle av typen II. Hvis effekt-området, slik som i foregående tilfelle, er angitt av stiplede resistanslinjer, vil det lett forståes at temperaturen.på oppvarmeren vil variere over relativt vide grenser i drift avhengig av den termiske belastning.

Selv om som tidligere angitt teknikkens stand har erkjent den tydelige fordel med en oppvarmingskomposisjon som utviser en resistans temperaturkarakterisertav Type I, °PP~ Viser mange av de komposisjoner som det er henvist til innen teknikkens stand en adferd som er mer lik Type II eller til og med Type III. Den optimale (Type I) karakteristikk er vist bare av et begrenset utvalg komposisjoner og det har vært et lenge

følt behov for midler for modifisering av komposisjoner som utviser Type II eller III adferd slik at adferden blir som Type I eller i det minste mer tilnærmet adferden for Type I .

Et y.tterligere iboende problem med alle kjente PTC-renseoppvarmere er at når det ønskes å oppvarme et uregelmessig formet substrat må oppvarmeren vikles rundt substratet, hvilket vanligvis fører til at visse deler av remsen fullt eller delvis overlapper andre deler. Denne overlapping kan fremkalle uregelmessig oppvarming.

Det er således innlysende at selv om et utall PTC-komposis j oner og konstruksjoner er velkjent innen faget, utviser alle slike komposisjoner og konstruksjoner og enhver tenkelig kombinasjon derav, alvorlige ulemper som strengt begrenser anvendelsen av selv-regulerende PTC-oppvarmingsgjenstander .

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en gjenstand omfattende minst et første elektrisk motstandslag og i det'minste et annet elektrisk motstandslag hvor i det minste en del av overflaten av et første lag er tilgrensende til i det minste en del av overflaten av ét annet lag og tilveiebringer elektrisk og termisk kontakt mellom dem, det første lag utviser en -ositiv motstandstemperaturskoeffisient (heretter PTC) og ved en uregelmessig (anomaly) temperatur over hvilken det er hovedsakelig ikke-ledende, og hvor det andre lag har en hovedsakelig konstant resistans (heretter CW) i det minste under den uregelmessige temperatur til det første lag.

Ifølge oppfinnelsen tilveiebringes det også en selv-regulerende varmégjenstand omfattende et laminat og i det minste et par elektroder slik anbragt at når det er én spenningsfor-skjell mellom elektrodene vil strømmen ved omgivende temperatur passere mellom elektrodene gjennom i det minste en del av i det minste et første lag og i det minste et annet lag.

Når imidlertid temperaturen på oppvarmeren, eller varmegjenstanden, når høyere enn

(A) temperaturen ved hvilken resistansen av første lag overskrider den av det andre lag (dvs. resistansene av deres

respektive deler av strømvei mellom elektrodene)

(B) den uregelmessige temperatur for det første lag, vil det dominerende flyt av strøm mellom elektrodene være langs

en linje som nedsetter veilengden gjennom det første lag til et minimum.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer.også en selv-regulerende oppvarmingsgjenstand omfattende et første lag av materiale som utviser en positiv temperaturmotstandskoeffisient og som har i. det minste delvis tilstøtende derved et annet lag av et materiale med konstant wattforbruk, og hvor første lag er kobbelbart til en elektrisk, effektinngangskilde hvorved strøm-flyt er gjennom i det minste en del av første lag og gjennom i det minste en del av annet lag, hvorved det er både direkte elektrisk og termisk kobling mellom første og annet lag og hvorved ved en temperatur høyere enn den temperatur ved hvilken resistansen av første lag overskrider resistensen av annet lag eller den uregelmessige temperatur av første lag, følger strømflytet hovedsakelig en vei hvis lengde gjennom første , lag 'er så kort som mulig.

Fortrinnsvis overskrider lengden av veien gjennom PTC-laget ikke'dets tykkelse (målt perpendikulært til linjen mellom elektrodene) ved mere enn. 50 %, fortrinnsvis ikke mer enn 20 %.

Fortrinnsvis har PTC-laget to hovedsakelig plane overflater som kan være parallelle, hvor hver av disse er i det minste i delvis kontakt med en overflate av CW-laget.

I en serie av utførelsesformer er ledningsevnen til CW-laget eller lagene slik valgt at materialet, selv om det er et tilstrekkelig risistivt til å utvikle varme når det kobles til den egnede elektriske kilde, er tilstrekkelig ledende til å virke som elektrodemateriale også.

Alternativt kan elektroden være et metall, som kan være innestøpt i eller i kontakt med en overflate av enten PCT-laget eller CW-laget, eller i kontakt med en overflate av en

(dvs. ved en overflate fjernt fra den tilstøtende overflate)

eller begge, ved en grenseflate mellom dem. Elektroden kan være en vevet elektrode, en flettet elektrode, et gitter (f.eks. en serie av parallelle elektroder eller en sikt eller nettverk), og i form av wirer, remser eller ark. Den kan også være en fiber. Når gjenstanden skal anbringes over et ledende substrat, f .eks. et metallrør, kan substratet i seg selv danne en elektrode.

Gjenstanden kan omfatte et flertall elektroder bereg- . net til tilkobling til hver av endepunktene på den elektriske effektkilde, og hvor et flertall heretter angis som et sett. Elektrodene i et gitt sett er fortrinnsvis parallelle og adskilt Ved like stor avstand. De ' to sett kan være anbragt parallelle med hverandre, eller på tvers, spesielt perpendikulært, fortrinnsvis liggende i parallle plan. Hvor settene er parallelle kan en elektrode i et sett være anordnet motsatt en elektrode i det annet sett, eller det kan være anordnet motsatt et rom mellom to elektroder i det andre sett. Avstanden mellom tilstøtende elektroder i et gitt sett, og avstanden mellom elektrodene i det ene sett og i det andre, sammen med anbringelsen av settene i forhold til CW- eller PTC-lagene, og grenseflaten mellom dem, kan alle influere på oppvarmerens yteevne som beskrevet mer i detalj i det etterfølgende.

Gjenstanden kan omfatte en enkel elektrode med en polaritet, og et sett av elektroder av den andre polaritet. På lignende måte kan CW-materialet tjene som i det minste et sett, •eller kan virke som en enkel elektrode for en polaritet.

Gjenstanden ifølge oppfinnelsen kan ha en hvilken som helst av et stort antall konfigurasjoner, hvor enkelte er beskrevet og illustrert i det etterfølgende. Eksempelvis kan den omfatte et laminat av to lag eller ark, et CW og det annet PTC-materiale, eller et innlegg av et enkelt lag av én av materialene mellom to lag av det andre. Laget av den ene materiale kan væire fullstendig omgitt av det andre, PTC-materialet kan være i form av et lag bare direkte omgivende den ene eller begge av ét par av langstrakte elektroder, eller PTC-materialet kan være i form av et enkeLt lag som omgir de langstrakte elektroder og danner en bane mellom dem.

I en ytterligere utførelsesform har gjenstanden en generell regulær tverrseksjon med et diagonallag av et materiale, fortrinnsvis PTC-materiale, hvor én elektrode er i hver av gjen-værende hovedsakelig trinaulære regioner. I et materiale med lignende totale tverrseksjon kan det være en triangulær region av hvert materiale. Det vil forståes at mange konfigurasjoner av én eller flere CW-lag og én eller flere PTC-lag kan anvendes, med elektroden anbragt deri idet det taes hensyn til kravene med hensyn til egnet strømflyt.

Gjenstanden kan være dekket på én eller flere eller alle sider med et isolerende lag. Det kan alternativt også vsere utstyrt på minst én overflate med fortrinnsvis ett varme-aktivert klebemiddel eller forseglingsmiddel. I enkelte utfø-

relsesformer kan CW-laget tjene for dette formål.

Fordelaktig er det første og andre lag polymere materialer med ledende partikler, f.eks. carbonsort, metallpulvere

eller ledende fibre eller fibriller dispergert deri. CW-laget kan i en foretrukket utførelsesform ha fibre eller fibriller såvel som carbonpartikler. På den annen side kan laget omfatte bariumtitanat.

Fortrinnsvis er gjenstanden varmegjenvinnbar. Fortrinnsvis er'hele gjenstanden varmegjenvinnbar, dvs. alle lagene er individuelt istand til å vende tilbake til eller mot en varmestabil konfigurasjon, men i enkelte utførelsesformer kan enkelte lag være passive og tillate gjenvinning av gjenstanden

som en enhet. Fortrinnsvis er gjenvinningstemperaturen for gjenstanden innen driftsområdet for gjenstanden som oppvarmer.

Gjenstanden kan lamineres til varmegjenvinnbare gjenstander når gjenstanden i seg selv fortrinnsvis er varmegjenvinnbar.

Gjenstanden kan ha en hvilken som helst av flere konfigurasjoner, men er fortrinnsvis en langstrakt fleksibel remse hvor strømmen i drift går i retning hovedsakelig på tvers av lengdeaksen istedenfor langs denne.

Fortrinnsvis har gjenstanden en effektiv Tg over 90° C, hvilket er større enn den iboende Tg for det første lag, hvor dette lag fortrinnsvis er et polymert lag, fortrinnsvis et tverrbundet polymert lag og hvor dets krystallinske smeltepunkt er lavere enn den. effektive T .

Ved omgivende temperaturer.re resistiviteten til det

første og annet lag innen forholdet 0.1:1,0 til 20'. 0:1,0.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for oppvarming av et substrat som omfatter anbringelse av gjenstanden ifølge oppfinnelsen i termisk og om nødvendig, elektrisk kontakt med dette, og hvor varmeelementet tilføres energi ved kobling til en elektrisk effektkilde.

Oppfinnelsen angår ennvidere en fremgangsmåte for gjenvinning av en gjenstand ifølge oppfinnelsen som er varmegjenvinnbar ved kobling til en effektikilde i et .tidsrom tilstrekkelig til å bevirke gjenvinning.

Oppfinnelsen angår ennvidere en fremgangsmåte for dekking av et substrat som omfatter påføring av en varmegjenvinnbar gjenstand ifølge oppfinnelsen på substratet og bevirke gjenvinning derav, fortrinnsvis ved levering av energi til varmeelementet og substrat dekket derved.

Konfigurasjonen og; stillingsforholdet av PTC- og CW-. lagene og elektrodene er gjenstand for visse begrensninger, og følgende krav skal oppfylles: 1. Ved enhver temperatur er i det minste noe av strøm-flytet mellom elektrodene av motsatt polaritet gjennom i det minste en del av minst ett PTC-lag og også gjennom minst en del av minst ett CW-lag. 2. Det er både elektrisk og termisk kontakt (og således kobling) mellom PTC- og CW-lagene. De elektriske og termiske gradienter kan være parallelle eller ikke parallelle i forhold til hverandre.

Som tidligere beskrevet med detaljert, utviser visse gjenstander konstruert ifølge oppfinnelsen en uregelmessig (anomyaiy) temperatur høyere enn grense Tg for PTC-laget i seg selv. Gjenstandens Tg er uttrykt som den 'e£fektive( Tg.

Fordelaktig er de termiske og elektriske gradienter i PTC-laget hovedsakelig langs samme linje eller akse ved eller over Tstil PTC-laget eller den effektive Tg hvis den sistnevnte er ..større . 3. Ved eller over Tg, eller den effektive Tg hvis den sistnevnte er større, er linjen av maksimal strømflyt linjen med den minimale veilengde gjennom PTC-laget eller lagene, selv om en lenger veilengde gjennom CW-laget eller lagene derved bevirkes .

Konfigurasjonen av gjenstanden vil i visse tilfeller fortrinnsvis være slik at den retningsmensige korteste strømvei gjennom PTC-laget ikke dimensjonsmessig overskrider den maksimale tykkelse av PTC-laget i et plan vinkelrett på planet som forener elektrodene og vinkelrett på strømflyten med mer enn 50 %, fortrinnsvis med mer enn 20 %.

Uttrykket tykkelse som brukt her er beregnet på å innebære dimensjonen mellom to overflater (indre og ytre) av

PTC-laget som er den djjnensjon med minst mål. I de fleste opp-varmerkonfigurasjoner ifølge oppfinnelsen vil strømflytet gjennom PTC-materialet ved eller over T være hovedsakelig vinkelrett på grenseflaten mellom PTC- og CW-lagene.

Blandt andre fordeler som oppnås med foreliggende oppfinnelse reduseres varmelinjer.vesentlig•eller elimineres til og med, selv ved ekstremt høye wattforbruk og/eller drifttempe-raturer, ved at det tilveiebringes strømflyt gjennom tykkelsen av PTC-laget i stedet for langs dens lengde eller bredde.

En annen uventet fordel ved forming av et laminat av PTC-laterialet med minst ett CW-materiale, er at oppvarmeren kan anvendes ved ytelser og bruksområder som tidligere ikke har

vært tatt i betraktning og som heller ikke var oppnåelig ved tidligere foreslåtte konstruksjoner.

CW-laget eller lagene kan - hvis de er tilstrekkelig ledende. - være koblet direkte til en effektkilde for å virke som og betraktes som en elektrode. Alternativt kan CW-laget ha impregnert deri eller derover elektroder for å lede strøm derigjen-nom. Slike CW-lag-elektrodekombinasjoner avviker vesentlig fra tidligere foreslåtte elektrode-PTC-innlegg da elektrodelaget ved siike tidligere konstruksjoner bare tjente som ledere og ikke som ytterligere resitive varmeelementer. I motsetning til dette er CW-laget i strukturene ifølge oppfinnelsen, som er i direkte kontakt med PTC-laget, virkende både som en elektrode og også som en effektiv varmeytende kilde.

Ifølge oppfinnelsen kan termoplastiske polymerkomposisjoner med PTC-karakteristikk hensiktsmessig anvendes som et varmeelement som nærmer seg mer type I karakteristikk enn PTC-materialet per se, som vanligvis ville utvise Type II, III eller IV karakteristikk. I realiteten.kan alle av de tidligere foreslåtte polymere PTC-materialer anvendes som PTC-laget i et .varmeelement konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse. I tillegg er de nye PTC-materialer som er beskrevet i norsk patent-søknad med titel("Positive Temperature Coefficient of. . Resistance Compositions") egnet for anvendelse innen foreliggende oppfinnelse.

Egnede ledende fyllstoffer for den polymere PTC- komposisjon egnet ved foreliggende oppfinnelse i tillegg til partikkelformet carbon-sort innbefatter grafitt, metallpulvere, ledende metallsalter og oxyder, og bor eller fosfor-behandlet silicium eller germanium.

Fortrinnsvis utviser PTC-materialet en økning i resistans på minst en faktor på seks for en temperaturøkning på

30° C startende ved T , eller utviser en økning av en faktor på seks for en temperaturøkning på minst 30° C startende ved T ■.

Selv om tidligere kjente publikasjoner understreker de praktiske fordeler og betydningen av å tilveiebringe resistive komposisjoner som utviser en Type I resistanstemp<p>raturkarakte-ristikk, er antall av slike tilgjengelige komposisjoner relativt lite til tross for kravene angitt i de kjente publikasjoner. Mesteparten av de hittil beskrevne komposisjoner utviser faktisk Type II og Type III resistanskarakteristikk. Således vil en metode som muliggjør et PTC-materialkomposisjon med en iboende Type II eller III resistanskarakteristikk å utvise mer tilnærmet Type I adferd sterkt øke antallet av komposisjoner som er tilgjengelige for anvendelse ved oppvarming eller andre resistive anordninger. Således kan man velge et PTC-materiale på basis

av dets Tg og/eller andre ønskelige fysikalske og/eller kjemiske egenskaper og ved anvendelse av foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en varmegjenstand som mer klart utviser Type I adferd.

Den elektriske resistivitet til de fleste elektriske

ledende materialer, båddPTC og ikke PTC ble funnet å øke eller avta mer eller mindre markert med denne temperatur. Graden av denne variasjon varierer fra mindre enn +0,5 % pr. °C for de fleste metaller til +1 til 5 % eller høyere pr. °C utvist av de fleste ledende termoplastiske polymerkomposisjoner. Med de fleste materialer er imidlertid retningen og graden av forandringen slik at når de drives som en elektrisk resistansoppvarmer bestemmes den temperatur som nåes av oppvarmeren i første rekke av graden av termisk ledning eller stråling til dens omgivelser og ikke i første rekke av den tidligere beskrevne brytemekanisme for kommersielt anvendbare PTC-oppvarmermaterialer. Således angir uttrykket CW-materiale eller CW-ytelsemateriale som anvendt heri. et materiale hvis resistans ikke øker med mer enn en faktor på seks i et hvilket som helst 30° C segment under Tg for det

PTC-materiale det er i kontakt med. Fortrinnsvis har CW-mate-ri.alet en resistivitet på minst 1 ohm/cm ved 25° C. Det skal selvsagt bemerkes at når det kombineres med et PTC-materiale kan CW-laget eller lagene gi en oppvarmer som, under dets T , vil vise forandring i resistivitet innen de ovenfor angitte grenser selv om'slikt lag eller lag omfatter materialer som, hvis deres gre.nseresistivitet måles uavhengig, vil utvise resistivitet-forandringer utenfor disse grenser. Da i tillegg mange PTC-materialer er materialer med konstant wattforbruk opp til deres Tg, omfatter uttrykket konstant wattforbruk som anvendt her, materialer som utviser PTC-karakteristikk, forutsatt imidlertid at de anvendes i forbindelse med et PTC-materiale som har en lavere T . Under disse omstendigheter vil PTC-materialer med høyere Tsikke nå dets Tg og vil således i bruk utvise bare hovedsakelig konstant wattforbruk.

Materialer med konstant wattforbruk og som er egnet for anvendelse i foreliggende oppfinnelse er vel kjent innen faget. Egnede i dette henseende er polymerer, spesielt termoplastiske polymerer inneholdende høye konsentrasjoner av ledende partikkelformede materialer, f .eks. carbon-sort eller metaller. Hvor det termoplastiske materiale gjennomgår en stor forandring i volum ved dets smelte- eller mykningspunkt slik- at det er tilbøyelig til å nedsette antallet av ledende'veier mellom partiklene ved eller over denne temperatur og derved bevirke at dets resistans øker, kan slike økninger unngåes ved å mange-doble antallet av alternative ledende veier, f.eks. ved økning av konsentrasjonen av ledende materiale og/eller anvendelse av en mer strukturert form av det ledende materiale. Uttrykket strukturert som anvendt her innebærer både formen av de individuelle partikler (f.eks. kuleformet, linseformet eller fibrillær) og tendensen for slike partikler til å agglomerere når de inkor-poreres i den polymere matrise. Også egnet er hovedsakelig uorganiske fleksible materialer med konstant wattforbruk innbe-fattende carbon-belagt asbestpapir som beskrevet f .eks. av Smith-Johannsen i. US patentskrift 2 952 761. Selvsagt er deti enkelte bruksområder ikke nødvendig at en høy grad av fleksibilitet er tilstede og resistive metallwireoppvarmere understøttet a& uorganiske isolerende materialer kan anvendes som laget med konstant wattforbruk. I et slikt tilfelle kan en endewire av den resistive metalloppvarmer være elektrisk koblet til PTC-laget via en elektrode som er i samme plan med PTC-lagoverflaten men som ikke nødvendigvis har samme utstrekning som PTC-laget. For andre bruksområder kan en høy grad av fleksibilitet bare være fordelaktig eller ønsket ved prosessen for forming av gjenstanden, f.eks. ved vakuum eller termoforming. I slike tilfeller kan PTC-laget være formet over et lag eller lagt mellom, lagene av det relativt stive materiale med konstant wattforbruk i den ønskede konfigurasjon for gjenstanden for å opprettholde god termisk kobling mellom lagene, og hvor strømflyten enten er ret-tet over det tilstøtende grénseflatelag eller ved hjelp av en mellomliggende elektrode på overflaten av PTC-laget innskutt mellom PTC-laget og laget eller lagene med konstant wattfobruk. I disse typer av utførelsesformer kan praktisk talt enhver type av materiale med konstant wattforbruk som er tatt i betraktning innen teknikkens stand vedrørende elektriske oppvarmere hensiktsmessig anvendes.

I enkelte tilførelsesformer av foreliggende oppfinnelse kan laget med konstant wattforbruk tjene som en elektrode ved at det er ledende koblet direkte til den elektriske effektkilde. Hvis det oppvarmede lag med konstant wattforbr-uk ikke er tilstrekkelig ledende til å virke som enelektrode, kan en mepall-eller annen høytledende materialelektrode, f.eks. et metallgit-ter være innstøpt deri, og hvor en slik elektrode er ledende koblet til en ytre effektkilde. I visse utførelsesformer kan det. være fordelaktig å dispergere i laget med konstant wattforbruk (som allerede kan inneholde et ledende fyllstoff) en ytterligere .mengde av høyt ledende (fortrinnsvis metall) fyllstoff i form av fibre eller fibriller. Denne utf ørelsesf orrn er særlig fordelaktig når eléktrodene ikke har samme utstrekning som den hele. plane overflate til laget med konstant v/attforbruk men er stø-tende til enten denne overflate eller grenseflaten mellom laget med konstant wattforbruk cg.PTC-laget eller er innstøpt i laget med konstant wattforbruk.

Det skal bemerkes at strukturen konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse kan lia en hvilken som helst av et stort antall ele.ktrodekonf iguras joner, typer, plassering og materialer. Eksempelvis er vevet metallsikt eller gitter, fleksible metall- . remser, brettede wirer, ledende maling, .fast carbon f.eks. carbonfibre, grafitt-impregnerte fibre,. metall-belagte fibre f.eks. kobber eller rustfritt stål, f aste- metalledere av forskjellige geometri og andre elektroder kjent innen faget alle egnet. En elektrode kan enten den er koblet til laget med u konstant wattforbruk eller til PTC-laget tiller begge, være helt eller delvis i samplan med dén ytre overflate derav. Ved ytre overflate av PTC-laget menes en overflate derav som ikke er støtende til et lag med konstant wattforbruk, og omvendt for laget med konstant wattforbruk, er den ytre overflate en overflate som ikke støter til PTC-laget. Alternativt kan elektroden være innstøpt i PTC eller laget med konstant wattforbruk. En annen konstruksjon innbefatter en elektrode som er innstøpt i eller på den ytre overflate av PTC-laget og hvor den andre elektrode er lokalisert ved grenseflaten mellom PTC-laget og laget med konstant wattforbruk. Om ønsket kan et flertall elektroder som er shunt-koblet for hver polaritet anvendes hvor samme variasjon av plaseringer er egnet.

Som tidligere angitt vil med kjente PTC-komposisjoner og også med de; nye •PTV-komposisjoner ifølge "Positive Temperature Coefficient of Resistance Compositions" visse utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse betydelig påvirke driftskarakteri-stikken' til en oppvarmer som anvender PTC-komposisjonen. Nærmere bestemt når det anvendes innstøpte eller tilstøtende elektroder hvis overflate ikke har samme utstrekning som CW eller PTC-laget, kan plaseringen av elektrodene med en motsatt polaritet i. forhold til hverandre betydelig modifisere driftskarakte-ristikken til. apparaturen. Således hvis remseelektroder med motsatt polaritet, som er samplane men ikke har samme utstrekning som de ytre overflater av CW og PTC-lagene, er plasert direkte motsatt og parallelt med hverandre erholdes forskjellige driftskarakteristikk fra de som oppnås når elektrodene er parallelle men lateralt forskjøvet i forhold til hverandre eller når de vinkelrette fremspring av elektrodene skjærer hverandre. Selv om oppfinnelsen ikke er begrenset til noen spesiell teoretisk, forklaring er det antatt åt elektrodeplaseringen har en effekt på den ønskede strømvei ved forskjellige temperaturer. Når det gjelder elektroder direkte motsatt hverandre er strøm- flytet hovedsakelig normalt på planet av PTC-laget. Hvis imidlertid elektrodene er.forskjøvet på en eller annere 'måte fra dette arrangement og resistansen til CW-laget i starten ■ (dvs.. ved lavere temperaturer) er større enn for PTC-laget, kan den dominerende strømvei ved lavere temperaturer være normal til planet av og gjennom tykkelsen av CW-laget og diagonalt gjennom tykkelsen av PTC-laget. Ved noe høyere temperatur hvor resistansen av CV? og PTC-lagene blir lik, skjer ledning hovedsakelig diagonalt gjennom tykkelsen av begge lag mens ved enda høyere temperaturer kan den foretrukne ledende vei være normalt til planet og gjennom tykkelsen av PTC-laget men diagonalt gjennom tykkelsen av CW-laget.

En plasering av elektrodene overfor hverandre vil gi en apparatur med en resistans-temperaturkurve lignende men ikke identisk med den som erholdes med elektrodene tilgrensende med den hele overflate av hvert ytre lag. Når. den laterale og/eller vinkélforskyvning av elektrodene fra en oppstående parallell konfigurasjon økes, er de elektriske karakteristikker tilbøye-lige til å avvike mer enn hva som er ventet for en enkel serie-kobling, som beskrevet mer i detalj i eksemplene.

Når par av elektroder er anbragt overfor hverandre (dvs. deres sentre er på en linje vinkelrett på grenseflaten mellom PTC- og CW-lagene, og strømveien er vinkelrett gjennom PTC- og CW-lagene, vil den effektive Tg være karakteristisk for den spesielle kombinasjon av lagdelte materialer. Hvis imidlertid én elektrode (eller elektrodene av én polaritet) forflyttes i planet, dvs. parallelt med grenseflaten av lagene slik at strømveien er diagonal, økes den effektive T . Jo mer diagonal (jo mer forskjøvet fra tverretningen til grenseflaten) strømveien mellom elektrodene er, jo høyere er den effektive T . Hvor resistansen av CW overskrider den av PTC-laget ved den sistnevnte grense Tg og hvor slik elektrodeplasering anvendes kan den effektive Tg være betydelig over det krystallinske smeltepunkt, for PTC-materialet. Uten hensyn til den relative plasering av motstående elektroder vil ettersom resistiviteten av laget med konstant wattforbruk heves i forhold til resistiviteten til PTC-laget, er den effektive Tg også tilbøyelig til å øke.

Elektroden kan ha et utall av former, f.eks. kan deres tverrsnittseksjoner være kvadratiske, rektangulære eller sirku-lære, de kan være rettlinjede, plane eller kurvede remser, spiral (hvor stigningen av spiralen for hver.elektrode er lik eller, forskjellig) eller rettlinjet spiral, og som' tidligere angitt, . kan elektrodene være direkte anbragt overfor hverandre eller lateralt eller på annen måte forskjøvet i forhold til hverandre og den ene eller begge elektroder kan være ensartet eller sammen-satt i natur. Det er således innlysende at varmeytelsen og Tg-karakteristikken til gjenstanden ifølge oppfinnelsen kan varieres ved hensiktsmessig valg av eléktrodeform og/eller stilling, idet valget er avhengig av den anvendelse som strukturen er beregnet på og et egnet arrangement kan fastslås ved rutineekspe-rimentering.

Selv om i de fleste utførelsesformer PTC-laget og CW-laget eller lagene vil være fullstendig tilstøtende (dvs. det hele av én flate av det ene lag vil være i kontakt med det hele av den tilsvarende flate av det andre) er det i enkelte tilfeller fordelaktig at PTC- og CW-lagene ikke er fullstendig tilstø- ■ tende over hele de respektive motstående overflater. Spesielt hvor høye Joule-yteiser ved høye temperaturer ønskes, er det fordelaktig å utvikle hovedmengden .av varmeytelsen i laget med konstant wattforbruk. I mange slike tilfeller vil PTC-laget fortrinnsvis være tilstøtende med bare en del av den motstående overflate av CW-laget. Slike arrangementer er tilbøyelige til å redusere den effektive Tg. Når PTC-laget er tilstøtende >med bare en del av overflaten av laget med konstant wattforbruk, kan PTC-laget gjennomgå store variasjoner i effektgenerering. Derfor er god termisk kobling og balansering av de relative effektnivåer ønskelige.

Gjenstandene ifølge foreliggende oppfinnelse kan anvendes innen et utall forskjellige bruksområder. Eksempelvis kan de anvendes som oppvarmere for å fremkalle varme gjenvinnbare'gjenstander å gjenvinne på et substrat enten ved å være en inte-grert del av den gjenvinnbare gjenstand eller ved å være plasert hovedsakelig tilstøtende varmeoverførende forhold dertil.

I bruksområder hvor varmeaktivering av et klebemiddel er krevet, gjør de høye temperaturer og høye ytelser som er oppnåelig med oppvarmere konstruert ifølge oppfinnelsen dem særlig fordelaktig. Gjenstandene er også anvendbare når jevn oppvarming av et betydelig areal er nødvendig, slik som f.eks. i oppvarmede kanaler for væskestrømning eller som lukkevegger -eller paneler slik som •

i ovner, boliger eller transportmidler. Andre anvendelsesområder innbefatter oppvarmere for industrielle prosessrør og kar som krever jevn oppvarming og/eller temperaturregulering, og avisen-de oppvarmere på veier og flyvinger. Den laminære form og jevne oppvarmingskaråktefistikk til mange av disse gjenstander gjør dem særlig egnede som oppvarmere for vannbad, varmetrau og kar og varmeputer for medisinsk bruk mens deres kapasitet til å gi høye wattforbruk ved høye temperaturer i tillegg gjør dem særlig attraktive som oppvarmere for matlaging slik som stekeplater og stekepanner.

De fleste PTC-materialer omfatter en krystallinsk termoplastisk matrise med et ledende, vanligvis partikkelformet fyllstoff dispergert deri. Eksempelvis beskrives det i det tidligere angitte US patentskrift 3 243 753 en polyethylen eller polypropylencarbon-sort-komposisjon hvori polyolefinet er blitt polymerisert in situ, og hvor slike materialer utviser den PTC-uregelmessige temperatur nær smeltetemperaturen av polymerene, dvs. ca. 110 - 120° C. Likeledes beskriver Kohler et al i US patentskrift 3 351 882 carbonpartikler dispergert i polyethylen hvori komposisjonen kan være tverrbundet, eller kan inneholde termoherdende harpikser for å tilføre styrke eller stivhet til systemet. Imidlertid forblir Tg-temperaturen fremdeles like under det krystallinske smeltepunkt til den termoplastiske poly-olefin. Hummel et al i US patentskrift 3 412 358 beskriver et PTC-polymert materiale omfattende carbon-sort eller andre ledende partikler som på forhånd é.r. dispergert i et isolerende materiale, og.hvor den homogene blanding i sin. tur er dispergert i en termoplastisk harpiksbinder. PTC-karakt.eristikken oppnås tilsynelatende ved en gjensidig virkning mellom.carbon-sort og det isolerende materiale og det er foreslått av Hummel et al at det isolerende materiale må ha en spesifik elektrisk resistans og en varmeutvidelseskoeffisient høyere enn for det ledende partikkelformede materiale.

US patentskrift 3 823 217 beskriver et vidt område av ledende partikkelfylte krystallinske polymerer som utviser PTC- karakteristikk.. Disse polymerer innbefatter polyolefiner, f.eks. Id, md og hd polyethylener og polypropylener, poly-(buten-1) , pbly(dod.ecamethylen-pyromellitimid) , ethylenpropylen-copolymerer og terpolymerer med ikke-konjugerte diener, poly-(vinylidenfluorid) og vinylidenfluorid-tetrafluorethylencopoly-merer. Det er også foreslått at blandinger av polymerer inneholdende carbon-sort kan hensiktsmessig anvendes, f.eks. polyethylen med en ethylen-ethylacrylatcopolymer. Kampe oppnår lavere resistansnivåer ved-å la produktene veksle over og under smeltetemperaturen til polymerene. Forandringer i resistans bevirket av det termiske hendelsesforløp for prøven er også blitt funnet å kunne nedsettes til et minimum ved termisk syklus-befiandling. US patentskrift 3 793 716 beskriver ledende polymere komposisjoner som utviser PTC-karakteristikk hvori en krystallinsk polymer med carbon-sort dispergert deri er oppløst i et egnet løsningsmiddel og løsningen impregnert i et substrat etterfulgt av fordampning av løsningsmidlet hvilket gir gjenstander som har nedsatt romtemperaturresistiviteter for en gitt kon-sentrasjon av ledende fyllstoff. Imidlertid er Tg fremdeles like under det krystallinske smeltepunkt til polymeren. Tilsvarende beskriver Kawashima et al i US patentskrift 3 591 526 carbon-sort-holdige polymerblandinger som utviser PTC-karakteristikk hvor Tg-temperaturen fremkommer ved det krystallinske smeltepunkt til et termoplastisk materiale tilsatt til et annet

.materiale med det formål å støpe blandingen.

Et særlig uventet trekk ved foreliggende oppfinnelse er at når komposisjoner av den type som er beskrevet innen teknikkens, stand som må være anvendbare for PTC eller for CW-oppvarmere anvendes i flerlagsoppvarmere konstruert ifølge disse-utførelsesformer av oppfinnelsen utviser de resistans/temperaturkarakteristikk som på ingen måte ville være ventet ut fra be-traktninger av resistans/temperaturkarakteristikkene til de individuelle lag eller hva som ville være ventet som resultat hvis-slike lag er koblet sammen i serier under dannelse av en elektrisk krets. Fabrikasjon av en flerlags oppvarmer ifølge foreliggende oppfinnelse under anvendelse av lag med hensiktsmessig valgt spesifike resistiviteter kan vesentlig forandre Tg til gjensatnder inneholdende PTC-laget til en temperatur ved eller over smelte- eller mykningspunktet til den polymere be-

standdel i-PTC-laget.

Selv om det innen teknikkens stand er foreslått at Ts er uavhengig av den geometriske konfigurasjon av oppvarmeren, er det meget uventet funnet at visse av de geometriske arrangementer, som er tatt i betraktning her kan føre til en betydelig økning i Tg selv over polymerens smeltepunkt, og således sterkt øke anvendbarheten og allsidigheten av både tidligere foreslåtte og andre komposisjoner.

I en foretrukket utførelsesform omfatter en lagdelt gjenstand ifølge oppfinnelsen et midtlag av ledende polymert PTC-materiale lagt mellom to CW-lag. CW-lagene kan ha innstøpt deri eller avsatt der over elektroder (vanligvis metall) slik at ved påføring av en spenning over elektrodene vil strømmen flyte gjennom PTC-laget og derved bevirke oppvarming av både PTC-laget og CW-lagene.

I en annen foretrukket utførelsesform kan varmeelementet være bundet til et varmegjenvinnbart materiale eller kan selv gjøres varmegjenvinnbart, for å tilveiebringe en varmegjenvinnbar gjenstand som kan gjenvinnes ved hjelp av indre utviklet varme i motsetning til ytre påført varme.. En slik gjenstand har således det- fordelaktige trekk at den ikke krever en ytre varme-kilde for å bevirke gjenvinning, men krever bare kobling til en elektrisk effektkilde.

I en særlig foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse av stor anvendbarhet for fabrikanten av varmegjenvinnbare anordninger, anvendes det PTC-komposisjoner som beskrev vet i "Docket 146/290". Slike komposisjoner omfatter blandinger av termoplastiske og elastomere materialer med ledende materialer dispergert deri. Som påpekt i den ovenfor angitte beskrivelse

utviser slike blandinger en bratt stigning i resistans rundt smeltepunktet til den termoplastiske komponent, og hvor resistansen fortsetter å stige med temperaturen deretter. På grunn av den økte sikkerhetsmargin gitt ved den ytterligere økning i. resistans over smeltepunktet kan slike oppvarmere konstrueres til å regulere temperaturen over Tg og ved resistanser godt over den ved Tg men likevel unngå, risikoen for at en termisk løper løpsk og/eller brenner uty hvilket skjer når kjente PTC-

komposisjoner anvendes i slike konstruksjoner.

Slike foretrukne oppvarmere, spesielt.når økningen i resistans med temperaturen over Tg er meget bratt, er meget krav--følsomme, dvs. driftstemperaturen til PTC-materialet varierer meget lite .med termisk belastning. De kan også utformes til å utvikle meget høye effekter opp til T når de elektrisk kobles til en effektkilde. På grunn av deres utmerkede temperaturregulering, kan de anvendes for å aktivere klebemidler og bevirke at varmegjenvinnbare gjenstander gjenvinnes rundt substrater, f^eks. termoplastiske telefonkabelmantler uten fare for smelting eller • deformering av substratet selv om det etterlates koblet .i bety-delige tidsrom.

I denne foretrukne utførelsesform er en PTC-oppvarmer-kjerne ifølge læren beskrevet i Docket 146/250 kombinert med et ytre lag med konstant wattforbruk hvis termoplastiske polymer-bestanddeler, hvis slike er tilstede, har et smeltepunkt som ikke er større enn for den termoplastiske polymerkomponent i PTC-komposis jonen . Laget med konstant wattforbruk kan hvis det omfatter termoplastiske polymerer, gjøres varmegjenvinnbart og/ eller men valgfritt er fortrinnsvis en ytterligere del omfattende et lag av en varmegjenvinnbar polymerkomposisjon med en gjenvinningstemperatur lavere enn smeltepunktet for den termoplastiske komponent i PTC-komposisjonen også tilveiebragt.

Et ytterligere lag av et varmesmeltende klebemiddel eller kitt

kan også være anordnet, hvor det varmtsméltende middel hvis dette anvendes, har et smeltepunkt lik det til den varmegjenvinnbare del og en aktiveringstemperatur lavere enn smeltepunktet til den termoplastiske komponent- i PTC-komposisjonen. Elektrodene er fordelaktig formet fra flatklemte.flettede wirer som fremstilles ved ekstrudering av en flette over en termoplastisk kjerne,- hvoretter produktet flatklemmes mens termoplasten er myk. En slik utførelsesform er funnet å være særlig fordelaktig hvor substratet er varmefølsomt, dvs. hvis det over.dets smeltepunkt vil deformere eller flyte. Slike bruksområder innbefatter telefonskjøtemuffer og mange andre, bruksområder innen kommunikasjonsindustrien.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere under henvisning til de medfølgende, tegninger hvori: Fig. 1 og 2 som tidligere er blitt omtalt, illustrerer resistanstemperaturkarakteristikken til forskjellige PTC-materialer, fig. 3 - 5 er perspektivtegninger av kjente strukturer hvor det anvendes PTC-komposisjoner,

fig. 6-12, 13b og 15 - 34 er perspektivtegninger

som tjener til å illustrere og forklare forskjellige gjenstander konstruert ifølge oppfinnelsen,

fig. 13a er et tverrsnitt av den utførelsesform som

er vist på fig. 13b, mens fig. 14 er et tverrsnitt av den utfø-relsesform som er vist på fig. 15,

fig. 35 illustrerer en utførelsesform hvori punktelek-troder er anbragt i intervaller langs gjenstandens lengde,

fig. 36 og 37 illustrerer effekt-temperaturforholdet for produkte"r beskrevet i enkelte av eksemplene.

I figurene 3 - 5 er det vist forskjellige kjente strukturer, hvor det gjøres bruk av PTC-komposisjoner. Fig. 3 viser en remseoppvarmer iik den som er beskrevet avBuiting et al i US patentskrift 3 413 442 hvori tynne ark av sølv, 1 og 3, er anbragt på hver side av et PTC-materiale 2. Dette er ikke i samsvar med foreliggende oppfinnelse selv om en laminert konfigurasjon er beskrevet, da materialet støtende til PTC-laget er så ledende at det selv ikke vil virke' som en oppvarmer. Fig. 4 viser en remseoppvarmer ifølge Kohler, US patentskrift 3 243 753 hvori et PTC-materiale 6 har på hver kant derav ledende gitterelektroder 5 og 7. Fig. 5 representerer en tidligere foreslått remseoppvarmer hvori et PTC-materiale 10 med et tverrsnitt i form av en manual har ledende wireelektroder 8, 9 anbragt langs dens lengde.

Vedrørende konfigurasjoner konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse viser fig. 6 et PTC-lag 11 med tilstøtende, eller delvis tilstøtende derved et CW-oppvarmende lag 12. Liggende over overflaten av laget med konstant wattforbruk er en gitterelektrode 13 mens den andre gitterelektrode 14 ér tilstø-tende til overflaten av PTC-laget fjernest fra laget 12 med konstant wattforbruk.

I fig. 7 er et flertall strimmelelektroder 16 koblet parallelt,innstøpt i et CW-lag 15. Den motstående elektrode 18 er et kontinuerlig ark, påført den fjerneste overflate av PTC-m materialet 17.

Fig. 8 viser en ytterligere variant hvori.elektroder 20 og 22 er remseelektroder (elektroder 20 er parallelle, eller

shuntkoblet, elektroder 22 likeledes), hvor elektrodene 20 er lagt mellom et PTC-lag 21 og et CW-lag 19. I denne konfigurasjon er et CW-lag med lav resistans ønskelig på grunn av at potensialgradienten langs grenseflaten mellom lagene 21 og 19 reduseres.

Fig. 9 viser en konfigurasjon lik den på fig. 6, med en gitterelektrode 23 liggende over CW-laget 24 som i sin tur er tilstøtende med et PTC-lag 25. Imidlertid er den andre elektrode som er en gitterelektrode .26, lagt inn mellom PTC-laget.

I fig. 10 har et CW-lag 27 innstøpt deri et første sett av elektroder 28, mens et PTC-lag 29 har innstøpt deri et andre sett av elektroder 30.

Det vil forståes at de forskjellige utførelsesformer som er vist i fig. 6-10 kan anvendes ifølge foreliggende oppfinnelse i en hvilken somhelst kombinasjon. Mer spesifikt kan gitterelektrodene som vist i fig. 6 og 9, filmelektrodene som vist i fig. 7 eller remseelektrodene som vist i fig. 8 anvendes ■ i hvilke som helst av utførelsesformene, og kombinasjon av to eller flere forskjellige typer elektroder kan anvendes i en gitt konfigurasjon. En første elektrode kan være anbragt over CW-laget, innstøpt i CW-laget eller anbragt mellom CW-laget og PTC-laget. En andre elektrode kan være anbragt på den motsatte side av PTC-laget over, innen eller mellom et annet CW-lag eller under eller, istøpt i PTC-laget. Fig. 11 viser remseelektroder 32 og 34 innstøpt-i to CW-lag 31 og 35 hvor CW-elektrodelagene ligger mellom et PTC-lag 33. Som tidligere angitt kan selvsagt elektroden ha form som et gitter, film eller annen konstruksjon.. Fig. 12 representerer en spesiell utførelsesform for foreliggende oppfinnelse som er funnet anvendbar for å øke Tg. yed å forskyve elektrodene, som tidligere diskutert, slik at strømveien har en komponent over lagene i motsetning til å være vinkelrett gjennom, kan den effektive Tg økes. Således er i fig. 12 remseelektrodene 37 forskjøvet mellom de geometrisk vinkelrette fremspring av elektrodene, og settene av elektroder 37 og 39 er innstøpt i CW-lag 36 og 40 hvor.et PTC-lag 38 ler lagt. mellom disse.

Figurene 13a og 13b er et tverrsnitt og perspektivteg-ning av en foretrukket utførelsesform. Et flertall av wireelektroder 42 som er shuntkoblet, er -innstøpt i et CW-lag 41 og på lignende måte er et flertall 45 innstøpt i laget 44, mens et PTC-lag 43 er lagt mellom lagene.41 og 44.. Wirene 42 er fortrinnsvis hovedsakelig alle i en retning, og wirene 45 er i en annen retning hovedsakelig vinkelrett på den første. Den totale lagkonfigurasjon kan ennvidere ta form av en skive idet en slik form er særlig godt egnet for et utall av oppvarmingsanvendelses-områdene.

I figurene 14 og i5 er det vist en lagdelt konfigurasjon som er spesielt egnet for fremstilling av varmegjenvinnbare innkapslende gjenstander slik som beskrevet i norsk patentsøknad 75 3277 (Docket 146/288) . For dette formål er lagene generelt av et fleksibelt, polymert materiale hvor enkelte eller alle av lagene er gjort varmegjenvinnbare. For en mer detaljert beskrivelse av varmegjenvinnbare gjenstander og deres anvendelsesområder henvises til den ovenfor angitte patentsøknad. Hvis gjen- . standen skal anvendes for forsegling av en elektrisk skjøt, under anvendelse av den lagdelte sammensetning ifølge oppfinnelsen, er et ytre. lag 46 tilveiebragt som kan være et isolerende materiale, som kan eller kan ikke være varmegjenvinnbar. I laminatet er det deretter et klebemateriale som har innstøpt deri elektroder 48 som kan være flettet, serratert eller ha sammen-brettet konfigurasjon, og som er shuntkoblet til en effektkilde. Et PTC-materiallag 49 følger deretter med et andre sett av elektroder 51 innstøpt innen et andre CW-lag 50. Et andre isolerende materiallag 53, som kan være varmegjenvinnbart, er plasert støtende, til de oppvarmende lag, og på den tilstøtende overflate av dette lag 53 ér det anbragt et klebelag 54 som varmeaktiveres av oppvarmingselementet ifølge oppfinnelsen. '

I fig. 16 - 34 er elektrodene, uansett form, angitt med referansetall 55 og 56, CW-lag er angitt med 57 og 58, PTC- lag med 59 og 60 og et ledende substrat, f.eks. et rør ved 61. Fig. 16 representerer en utførelsesform hvor dimensjonene (f .eks. tykkelsen) av et bestemt lag, og følgelig, den relative tykkelse av CW og PTC-lagene, lokalt er variert for å forr andre effektutgangstettheten og/eller den effektive T . Fig. 17 representerer en utførelsesform hvori PTC- og/eller CW-laget har forskjellige sammensetninger i forskjellige områder, for å forandre wattettheten og/eller den effektive Tg. Fig. 18 er et tverrsnitt av en utførelsesform hvori substratet, f.eks. et metallrør, er en del av den elektriske krets, dvs. den danner én av elektrodene. Fig. 19 representerer en utførelsesform hvor de individuelle lag er viklet fortløpen-de rundt en gjenstand som skal oppvarmes under dannelse av en lagdelt oppvarmer in situ. Lagene kan bevirkes til å addere sammen ved oppvarming enten eksternt eller ved passasje av en elek trisk strøm, eller lagene kan formes fra materialer som adderer sammen ved den temperatur til hvilken gjenstanden bringes. Dette er et eksempel på en utførelsesform hvor det kan være spesielt anvendelig at substratet utgjør en del av den elektriske krets. Fig. 20'- 26 viser en annen gruppe av utførelsesformen. I en modifikasjon av den konstruksjon som er vist i fig. 20. kan elektroden 56 også ha et koaksialt lag 60 av PTC-materiale som vist for elektroden 55. Konstruksjoneneer vist i fig. 23 - 25 er eksempler.på oppvarmere hvori ledning under den effektive Tg (avhengig av den relative resistivitet til PTC og CW-lagene) kan være hovedsakelig over PTC-materialet mellom elektrodene. Når imidlertid PTC-laget oppvarmes til en temperatur over dets Tg finner ledningen deretter sted hovedsakelig eller praktisk talt fullstendig fra én elektrode gjennom tykkelsen av PTC-laget ved hjelp av den kortest mulige vei fra denne elektrode til laget med konstant wattforbruk, deretter gjennom laget med konstant wattforbruk til den andre elektrode (igjen gjennom.den minimale tykkelse av et hvert PTC-materiale som kan være mellomliggende).

Det skal forståes at den. "dominerende" strømflyt som det henvises til her angir den vei langs hvilken den største strømflyt eksisterer. Selv om teoretisk denne vei ikke alltid Vil være eksakt den kortest vei i PTC-laget på grunn av at selv yed eller over Tg vil det være en viss del av strømmen som bæres av resten av PTC-materialet/ kan denne del ignoeres for praktiske formål f.eks. i en konfigurasjon slik som den i fig. 24, hvor strømmen i største utstrekning vil strømme vinkelrett oppover og nedover gjennom PTC-laget 59, og langs lagene 57 og 58, selv pm. det må være en meget svak komponent mot den andre elektrode i veien av det dominerende strømflyt i PTC-laget. Denne er liten nok til å ignoreres for praktiske formål.

I en variasjon av konstruksjonen illustrert i fig. 25 kan laget 59 være utelatt, og elektroden 56 anbragt i kontakt med lagene 57 og 58 adskilt fra elektroden 55. Fig. 26 og 27 illustrerer utførelsesformer hvori PTC-laget er tilstøtende bare med en del av CW-laget. Det er funnet at når fraksjonen av det totale CW-overflateareal i kontakt med PTC-overflatearealet reduseres, blir den omgivende temperatur ved hvilken, for en gitt påtrykt spenning oppvarmeren begrenser sin utgangseffekt, også redusert. Fig. 28 viser en annen variant av utførelsesformen vist i fig. 21, i en variant av fig. 28, kan det være et enkelt CW-lag 57 som er anbragt hvor laget 59 er vist og et par PTC-lag 59, 60. som erstatter de viste CW-lag 57 , 58. Fig. 29 og 30 viser ytterligere varianter av den lagdelte basisoppvarmer som har samme form og virkemåte som vist i fig. 23 - 25. Fig. 31 og 32 viser andre former av utførelsesformen vist i fig. 12 hvori den effektive Tg til oppvarmeren kan fordelaktig avvike fra den til PTC-materialet alene som tidligere beskrevet. Fig. 33 og 34 viser hvor anvendbare lagdelte oppvarmere kan formes ved kombinasjon av ekstrusjonsbelagte wirer hvori beleggene har PTC- eller CW-karakteristikk.

I fig. 35 er det vist en ytterligere gjenstand konstruert ifølge oppfinnelsen hvori ledere 55 og 56, som i drift er av forskjellig polaritet, har et konsentrisk lag av isola-sjon 62 rundt disse. Referansetall 59 representerer PTC-materialet og 57 CW-materialet. Laget 62 er diskontinuerlig over overflaten av lederen ved at, som vist i en gjensatnd av hovedsakelig lineær langstrakt konfigurasjon, segmenter av isolasjo nen er fjernet med mellomrom langs lengden av lederne. Hvor

. isolasjonen er blitt fjernet er lederen i direkte ledende kontakt med selve .materialet. Slike kontaktområder for hver elektrode er ikke rett overfor hverandre men -faktisk diagonalt overfor og langs lengdeaksen av gjenstanden. Fordelen med den foreliggende utførelsesform er at den nødvendige strømflyt mellom

elektrodene med motsatt polaritet ikke bare er over gjenstandens bredde, dvs. distansen X men.faktisk må strømmen flyte distansen Y slik at strømveien er nedover en del av gjenstandens lengde. En lang strømvei er fordelaktig ved at den muliggjør anvendelse av et CW-materiale med lav resistivitet (muliggjør at høyere spenninger kan anvendes) uten å utvise en tendens til å brenne av. Selvsagt kan alternative konfigurasjoner som sikrer at

strømflytet er i det minste delvis nedover gjenstandens lengde lett å konstruere. I en konstruksjon hvori et PTC-lag er lagt mellom to CW-lag med remseelektroder anbragt på den ytre overflate av CW-lagene, kan f.eks, et intermitterende isolerende lag anbringes.mellom hvert lag med konstant wattforbruk og elektroden anbragt på overflaten derav. Hvor et kontinuerlig isolerende lag er anbragt på den ytre overflate, kan elektrodene alternativt

passere gjennom det isolerende lag og kontakte CW-laget.

De følgende eksempler illustrerer oppfinnelsen: Gjenstander konstruert ifølge oppfinnelsen kan fremstilles på et utall måter som i og for seg er kjent per se. For polymere oppvarmere kan de individuelle lag være separat ekstrudert og deretter laminert, bundet eller på annen måte festet sammen, elektrodene kan være innført under ekstrudering eller laminering om ønsket. Lagene kan ellers være fremstilt ved calendrering eller koekstrusjon, idet elektrodene som tidligere angitt, kan være innført ved et hvilket som helst trinn i prosessen. En foretrukket metode for fremstilling av en bestemt utførelsesform av en oppvarmer ifølge oppfinnelsen er beskrevet i den tidligere angitte norske patentsøknad 75 3277.

Metoder for konstruksjon av ikke-polymere ledende komposisjoner som er egnet for anvendelse i foreliggende oppfinnelse, f.eks. keramikk eller carbonfylt asbestpapir, er vel kjent

innen faget. Lagene kan festes til andre lag ved binding, svei-sing, liming eller andre velkjente prosesser som. preserverer

eller opprettholder ledende kontakt mellom lagene.

Eksempel 1

Et laminat ble konstruert- som vist i fig. 14 med et PTC-lag som beskrevet i eksempel 5, blanding 2 og et lag med konstant wattforbruk som beskrevet i eksempel 3, med det isolerende lag.omfattende en blanding av polyethylen og carbonsort med lav ledningsevne og en lav struktur. Klebelaget var et varmtsmeltende klebemiddel med en "ring and ball"-mykningstempe-ratur på 110° C. Laminatet ble bestrålet for å bevirke tverrbinding før belegging med klebemiddel, ble varmestrukket vinkelrett på de brettede v/ireelektroder og avkjølt. Det ekspanderte' art ble viklet rundt en polyethylenbelagt telefonkabel og motstående ender holdt sammen. Ved kobling av elektrodewirene til et 12 volts bly-syrebatteri, krympet laminatet glatt og jevnt på telefonkabelen.

Eksempel 2

En 2,5 x 15,2 x 0,05 cm remse til hvilken var forbun-det på motsatte kanter langs dens lengde kobberelektroder og som hadde en sammensetning av 70 % md-polyethylen, 18 % ethylen/ ethylacrylatcopolymer og 12 % XC72 carbonsort fra Cabot Corp. ble varmebehandlet ved 150° C i vakuum i 16 -.timer og deretter bestrålet til en dose på 20 Mråds og belagt med en temperatur-indikerende maling (Templade 76° C indikerende maling). Elektrodene ble koblet til et 110 volts A.C. nett.. Innen mindre enn 1 minutt hadde den hvite maling smeltet i et tynt område med ca. en tiendedels inch vidde og praktisk talt like langt mellom elektrodene, dvs. en varmelinje. Overflatetemperaturen i midten av varmelinjen ble beregnet til å være nær 85° C som er like over Tg for denne spesielle komposisjon.

Områder bare 0,5 cm. fra varmelinjen var under 50° C.

I. denne tilstand utviklet elementet hovedsakelig alle dets effekt fra varmelinjeområdet. I et lignende forsøk hvori elementet var isolert, plasert i vann og koblet til en. effektkilde, ble en lignende varmelinje observert. Deretter ble komposisjonen ifølge dette eksempel fabrikert i en laminert kjerne lagt mellom CW-lag av carbonsort-fylt silicongummi, idet hvert CW-lag bar én 20 AWG (ca. 0,081 cm i diameter) flerstrenget kobber-skinne i dets sentrum. Elementet oppvarmet glatt til en jevn overflatetemperatur på 65Q C i luft,.hvor kjerne-temperaturen var ca. 80° C. Ved å legge PTC-laget mellom lag med konstant wattforbruk. ble varmelinjen for denne PTC-komposisjon således elimi-nert.

Eksempel 3

En serie av laminerte oppvarmere ble konstruert under anvendelse av et lag med konstant wattforbruk bestående av ethylen-propylengummi, 35 deler, ethylen-vinylacetatcopolymer, 30 deler, og carbonsort, 35 deler og en PTC-kjernekomposisjon som beskrevet i tabell I nedenfor hvori carbonsort var dispergert i<p>olypropylenet før TPR 1900 gummien var blandet inn.

CW- og PTC-materialene ble hydraulisk presset ved. 200° C til 15,2 x 15,2 x 0,05 cm plater i 1 minutt og oppvarmer-konstruksjonene omfattende ét PTC-lag lagt mellom to CW-lag laminert ved 200° C i 2 minutter og deretter varmebehandlet ved 200° C i 10 minutter og bestrålte. Oppvarmersegmenter på 2,5 x 3,75 cm ble kuttet fra hver prøve og 2,5 x 0 ,635 cm' s elektroder av ledende sølvmaling ble malt tilstøtende til diagonalt motsatte 2,5 cm's kanter av CW-lagene,.én elektrode til hvert CW-lag', hvilket resulterte i en oppvarmerkonstruksjon lik den som er vist i fig. 12. Effekten av varierende komposisjon på tilstrøm-nings (inrush)/driftstrømforholdet og selvregulerende temperatur fremgår .av tilstrømningsforholdet og T i den etterfølgende

. tabell II.

Som det fremgår kan en mindre forandring i komposisjonen av PTC-materialet hvor CW-materialet holdes konstant betydelig forandre Tg og "inrush"-forholdet når det anvendes i en oppvarmer konstruert ifølge oppfinnelsen. Spesifikt kan. Tg varieres til over smeltepunktet til PTC-materialet. Når enn-vider.e et PTC-materiale med en Tg på 85° C og' inneholdende 12,5 % carbonsort ble lagt mellom CW-lagene, ble den effektive Tshevet til 125° C, hvor resistanstemperaturkarakteristikken til den sistnevnte som vist ved "inrush"-forholdet var meget nærmere Type I adferd (som ifølge definisjon har et "inrush"-forhpld på 1).

Eksempel 4

En 0,063 cm tykk plate av PTC-materiale med den sammensetning som er beskrevet i eksempel 2 ble laminert mellom to 0,063 cm tykke CW-lag med den sammensetning som CW-lagene i eksempel 3. Laminatet ble varmebehandlet ved 150° C i 16 timer og deretter bestrålet til en dose på ca. 10 megrad. Et 2,5 cm's kvadratisk stykke kuttet fra laminatet og malt med ledende sølvmaling over den hele ytre overflate av CW-lagene, dvs. av lignende konstruksjon som fig. 11, ble funnet å ha én Tspå 70° C. En lignende prøve i'hvilken to 2,5 x 0,63 cm's remse elektroder ble festet til diagonalt motsatte plane overflater av laget med konstant wattforbruk. (én til hvert lag) (lik fig. 12). ble funnet å ha en T over 90° C. Det er således innlysende at elektrodeplaseringen betydelig kan forandreTg til konstruksjoner ifølge foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 5

PTC-komposisjoner med samme formulering og karakteristikk som vist i tabell III ble fremstilt ved mølleblanding, deretter hydraulisk presset til plater med 0,025 cm tykkelse-og bestrålet for å bevirke- tverrbinding. Lagdelte oppvarmere ble konstruert vdd å legge PTC-platen mellom to CW—lag med resistivitet på 7 ohm-cm fremstilt fra eh ledende silicongummi (Rl'515) enten 0,025 eller 0,10 cm tykk.

Elektroder på 2,5 x 0,63 cm ble påført til den ytre overflate av oppvarmersegmenter som beskrevet i eksempel 4. Oppvarmeren ble deretter plasert på og i god termisk kontakt med en rustfri stålblokk utstyrt med et termometer anbragt på en temperaturregulert varmeplate hvorved temperaturen på blokken kunne varieres. Oppvarmeren ble koblet til en spenningskilde av en slik størrelsesorden at den utviklet ca. 0,31 watt/cm<2>ved omgivende temperatur. Oppvarmerens effektytelse ble over-våket ettersom temperaturen på metallbokken ble hevet. Resultatene fremgår av fig. 36.

Fig. 37 viser hvorden effekt/temperaturkurven til en oppvarmer konstruert fra et 0,025 cm lag av komposisjon 5-2 med et ubestrålet 0,025 cm's lag av Silicon med konstant wattforbruk varierer med elektrodekorifigurasjonen . Ubestrålet silicon-lag med konstant wattforbruk ble valgt på grunn av at deres resistans varierer meget lite med temperaturen slik at obser-verte forandringer kan tilskrives geometriske effekter og for- andrlrtger i PTC-lagrasi.stansen. Tre konfigurasjoner ble sammen-lignet: A), i. hvilken elektrodene dekket hele de øver og nedre overflater til gjenstanden (dvs. lik fig, 6 unntatt at to CW-lag ble anvendt og elektrodene var sølvmaling, ikke duk), B) i hvilken sølvmalingselektroder på 0,63 x 2,5 cm-ble anbragt overfor hverandre over den øvre og nedre overflate (to på hver side, elektrodene på hver side er adskilt 2,5 cm fra hverandre), og C) i hvilken den øvre og en nedre elektrode på 9,63 x 2,5 cm var forskjøvet 2,5 cm fra hverandre i en forskjøvet konfigurasjon. Effekttetthet/temperaturforhold for disse tre konfigurasjoner som vist i fig. 37 viser at effekt/temperaturkurven kan forandres dramatisk og uventet ved forandringer i elektrodekonfi-gurasjonen. For mange anvendelsesområder er effektkurven angitt med C foretrukket og fig. 37 viser at med de valgte komposisjoner og resistanser kan dette oppnås med en alternerende eller . lateralt forskjøvet elektrodekonfigurasjon . Selv når elektrodene dekker hele øvre og nedre overflater av CW-laget, kan imidlertid en kurve av C-typen erholdes ved hensiktsmessig valg av resistivitet på PTC- og CW-laget som vist i fig. 36 spm indike-rer at for å oppnå en effektkurve av type C skal resistiviteten til PTC-laget ved romtemperatur være mindre enn av CW-laget.

Med alternerende, lateralt forskjøvne elektroder erholdes effekt-kurver av type C ved å velge et PTC-lag med en resistivitet høy-ere enn av CW-lagene.

Eksempel 6

Oppvarmere ble konstruert ifølge konfigurasjon A i eksempel 5 og av de samme komposisjoner som i eksempel 5. Som vist nedenfor var imidlertid CW-laget i disse prøver 0,10 cm tykk. Oppvarmerne ble testet mens de var montert på en rustfri stålblokk som beskrevet i eksempel 5. Blokktemperaturen ved hvilken effekten utviklet av oppvarmeren begynte å falle er vist i tabell IV. Resultatene viser at ved variering av de relative resistanser av PTC- og CW-lagene kan fallet i temperatur, og således Ts varieres ganske betydelig. Likeledes påvirkes graden av forandring av effekt med temperatur betydelig. Som det fremgår påvirkes resistansen av CW-laget ved økning av dets tykkelse. I de siste to forsøk vist i tabell IV var størrelsen av PTC-kjernelaget redusert samtidig som CW-lagene ble holdt konstant.

• Avhengig av forholdet mellom-grenseflatearealet av PTC-laget og CW-lagene, kan fallet i temperatur varieres ganske betydelig.

En særlig fordel med tykkere CW-lag, dvs., høyere resistans, er at resistansvariasjonene i PTC-laget ikke har slik stor virkning på effektytelsen, dvs. det er mindre temperaturvaria-sjon i effektytelsen. På denne måte kan man anvende høykrystal-linsk, høymolekylær polymer med et høyt strukturert carbonsort som PTC-lag (slike kombinasjoner gir den ønskede adferd, tilnærmet Type I, men viser ekstrem følsomhet med hensyn til resistansen på grunn av bearbeidelse og termisk hendelsesforløp). Ved å kombinere slike komposisjoner med CW-lag med meget høyere resistivitet som kan fremstilles fra blandinger av lavkrystallinske eller amorfe polymerer med middels eller høystrukturerte carbonsort (som gir resistiviteter av lavere følsomhet overfor bearbeidelse eller termisk hendelsesforløp), kan man tilveiebringe en oppvarmer med meget større jevnhet, reproduserbarhet og funksjonell anvendbarhet enn hva hittil har vært mulig.

Som tidligere angitt er et viktig trekk ved en funksjonell oppvarmer forholdet mellom resistans ved romtemperatur og ved den ønskede driftstemperatur. Dette forhold er beslek-tet men ikke identisk med inrush-forholdet. Ennvldere indike-rer også lavere verdier av dette resistansforhold en nærmere tilpasning til en Type I resistanskarakteristikk. For oppvarmerne beskrevet i dette eksempel betraktes et driftområde i nærheten av 8 5° C som optimalt. For å oppnå lave forhold, foretrekkes PTC til CW volumresistivitetsforhold (ved 24° C) mellom 0,1:1 og 20:1 (det eksakte forhold avhenger av den relative tykkelse på lagene), hvor forhold mellom 1 og 10 er særlig foretrukket.

Eksempel 7

PTC-materialer ble fremstilt som i de tidligere eksempler med de komposisjoner som er oppført i tabell V. 0,05 cm's tykke plater av disse komposisjoner ble laminert mellom to 0,05 cm's plater av en blanding av 20 % Black Pearls carbonsort i Silastic 437 (resistivitet 400.ohm-cm) og laminatene ble deretter bestrålet med 12 Mrad ioniserende bestråling for å bevirke tverrbinding gjennom det hele.

Dette eksempel viser hvordan formen'av effektkurven kan modifiseres ved valg av egnede resistivitetsforhold for PTC-og CW-lagene. Effekttemperaturforholdet kan selvsagt bringes i overensstemmelse med temperatur-resistansforholdet ifølge for-melen P = I2 R eller P = E 2. Kurven merket C er nær opp til det

R

ideelle som kan ventes ut fra en oppvarmer med en resistans-temperaturkarakteristikk av Type I.

Eksempel 8

To 30 cm's lange seksjoner av flat remseoppvarmer konstruert ifølge US patentskrift 3 861 029 og med en PTC-kjerne med komposisjon lik den som ble .anvendt i eksempel 1, og formet lik fig. 5 (0,8 cm vide) ble festet til en aluminiumblokk holdt ved 18° C ved hjelp av sirkulerende vann. Den andre side av hver av oppvarmerseksjonene ble malt med temperatur-indikerende .maling. Den påtrykte spenning til seksjonene ble variert for langsomt å øke deres, e£fektytelse. En seksjon hadde en resistans på 488 ohm pr. meter. Denne seksjon kunne drives opp til ca. 5,48 watt pr. meter uten dannelse av en-varmelinje, men hvor kjernen var ved en temperatur lavere enndets T . Ved en effektytelse på -6,1 watt pr. meter ved hvilket effektnivå kjernen ble oppvarmet til dets Tsble det dannet en varmelinje. Den andre oppvarmerseksjon, som hadde en resistans på ca. 8080 ohm pr. meter kunne, .likeledes drives ved 4,88. watt pr. meter uten at det ble dannet varmelinje, men som dannet varmelinje når den ble drevet over 6,1 watt pr. meter. Forsøk på å drive begge disse oppvarmere ved høyere spenningsnivåer førte til ledsagende fall i strøm slik at under forsøksbetingelsene forbrukte ikke disse . oppvarmere mer enn ca. 9,3 watt pr. meter og deres maksimale ytelse under disse betingelser var ca. 0,15 watt pr. cm 2. For-søk på å drive remseoppvarmeren ved effektnivåer større enn ca. 0,08 watt pr. cm 2 førte således til varmelinje.

Eksempel 9

En lagdelt oppvarmer ble konstruert i hvilken et PTC-lag (0,075 cm tykt) hadde sammensetningen: 47 % Mårlex 6003, 5- % Epsyn 5508 (ethylen-propylendien-modifisert ..gummi) og 48 % Sterling SRF-NS (carbon-sort). To CW-lag med en tykkelse på

0,15 cm og med sammensetningen: 60 % Elvax 2'50 (ethylen-vinylacetatcopolymer) og 40 % Cabot XC72 (carbon-sort) og som hadde innstøpt deri flatklemte wirefletteelektroder som var 0,95 cm vide og 0,95 cm fra hverandre (tre i alt til hvert CW-lag) ble påført på hver side av -PTC-laget slik at elektrodene var anbragt over for hverandre, dvs. lik fig. 11 unntatt at elektrodene var flettet istedenfor remser. Dimensjonene på oppvarmeren var 7,5 cm x 15 cm hvor elektrodene løp langs deri lengste dimen-sjon med elektroder av motsatt polaritet utløpende på den andre siden av de polymere lag ved motsatte ender av oppvarmeren. Lagene ble forsiktig laminert sammen og gjenstanden deretter oppvarmet til 200° C i 10 minutter for å avherde enhver spenning, og ble deretter avkjølt og bestrålet med en 12 Mrads dose under anvendelse av Cpbolt-6Q gammastråler mens den var innelukket i , en beholder inneholdende nitrogen. Oppvarmeren ble lagt mellom 0,025 cm's tykke isolerende lag omfattende tverrbundet ld polyethylen og presset tett til en avkjølt aluminiumblokk som i

det foregående, eksempel og temperaturindikerende maling ble på-ført på den øvre overflate av oppvarmeren. Elektroder med motsatt polaritet ble koblet til et 12 volt batteri. Oppvarmeren forbrukte mer enn. 70 ampere under oppvarming, dvs. mer enn 5,4 watt/cm . Etter et tidsrom på flere minutter stabiliserte oppvarmeren seg ved en strøm på over 20 ampere, dvs. større enn 15,5 watt/cm . Tilslutt begynte aluminiumblokken å oppvarmes til tross for den påførte avkjøling og PTC-oppvarmerlaget ble varmet opp til dets Tg (ca. 120° C). Den temperatur-indikerende maling smeltet under dette siste trinn startende i senter og løpende hurtig og glatt til kantene.. I denne sluttilstand opprettholdt oppvarmeren seg selv ved en temperatur meget nær dets T og forbrukte ca. 10 ampere, dvs. en varmeytelse på 7,1 watt/cm når aluminiumblokken ble erstattet med én plate av termisk isolerende materiale. Strømmen falt til meget mindre enn 1 ampere, dvs. mindre enn 0,67 watt/cm ved en oppvarmertempera-tur fremdeles meget nær Tg, hvor hele overflaten av oppvarmeren var ved denne temperatur. Det er således innlysende at en oppvarmer ifølge foreliggende oppfinnelse kan drives ved høye effektytelser ved Ts~temperaturer godt over 100° C uten varme-linjedannelse. Det skal forståes at henvisninger heri til et PTC-lag som er eller blir hovedsakelig ikke-ledende er i forhold til de elektriske egenskaper til CW-laget. Det er ikke hensiktsmessig å gi absolutte verdier for slike egenskaper da disse avhenger blandt andre faktorer av de relative konfigurasjoner av de forskjellige lag, men i et enkelt laminat som illustrert f.eks. i fig. 23 vil såsnart PTC-laget overskrider dets uregelmessige temperatur, den elektriske flukstetthet gjennom CW-laget være mange ganger den gjennom PTC-laget i hvilken som helst del av laminatet hvor de to lag er elektrisk i parallell. Hvor de to typer av lag er elektrisk parallelle er mengden av strøm som passerer gjennom et CW-lag minst 10, fortrinnsvis minst 25 ganger den som passerer gjennom et PTC-lag ved eller over dets uregelmessige temperatur, selv om i visse tilfeller, f.eks. hvis :: gjenstanden er i umiddelbar nærhet av en relativt stor varme-■ brønn, kan lavere forhold på 5 eller mindre være adekvate.

Claims (25)

1. Lagdelt elektrisk motstandselement som, når det kommer opp i en kritisk, forhøyet temperatur, hovedsakelig bryter en strøm som ledes gjennom elementet, spesielt et selvregulerende varmeelement, omfattende et første, elektrisk resistivt lag (11, 21, 25, 33, 38, 43, 45, 49, 60) med en positiv temperaturkoeffisient for motstanden (PTC-lag) og med en anomalitemperatur (T s) over hvilken det er hovedsakelig ikke-ledende, og minst ett annet lag (12, 15, 19, 24, 31, 35, 36, 40, 41, 44, 47, 50, 57, 58), karakterisert ved at det annet lag er av et elektrisk motstandsmateriale med hovedsakelig konstant motstand (CW-lag) , i det minste under det første lags anomalitemperatur (T ), ved at i det minste en del av en overflate av det første lag er tilstøtende til i det minste en del av en overflate av det annet lag langs en grenseflate som tilveiebringer direkte elektrisk . og termisk kontakt mellom dem, og ved at elementet er varmerestituerbart. •

2. Element ifølge krav 1, karakterisert ved at det er et selvregulerende varmeelement omfattende et laminat av nevnte første og andre lag, og ved at i det minste ett par elektroder (13, 14, 16, 18, 20, 22, 23, 26, 29, 30, 32 , 34 , 37 , 39 , 42 , 45 , 48 , 51, 5*5 , 56) er anordnet slik at når der foreligger en potensialforskjell mellom elektrodene, vil der ved normal temperatur passere strøm mellom elektrodene gjennom i det minste en del av i det minste et første lag og i det minste ett annet lag.

3. Element ifølge krav 1, karakterisert ved at det første lag lar seg koble til en elektrisk kraftkilde, slik at elektrisk strøm strømmer gjennom i det minste en del av det første lag og gjennom i det minste en del av det annet lag, idet elementet er slik at strømmen, ved den høyeste temperatur av (A) den temperatur ved hvilken det første lags motstand overskrider det annet lags motstand og (B) det første lags anomalitemperatur, hovedsakelig følger en bane hvis lengde gjennom det første lag er så kort som mulig og ikke overskrider lagets tykkelse med mer enn 50%.

4. Element ifølge krav 1-3, karakterisert ved at CW-laget eller -lagene tjener.som elektroder.

5. Element ifølge krav 1-4, karakterisert ved at det første låg og det annet lag hvert er anordnet rundt en elektrode eller rundt elektroder.

6. Element ifølge krav 1-5, karakterisert ved at minst én elektrode er anordnet ved en grenseflate mellom et CW-lag og et PTC-lag.

7. Element ifølge krav 1 - 6, karakterisert ved at det omfatter minst ett sett (29, 30) paral-lellkoblede elektroder.

8. Element ifølge krav 7, karakterisert ved at det omfatter to sett elektroder i parallelle plan og i parallelle linjer, idet elektrodene i det ene sett er anordnet rett overfor mellomrom mellom elektroder i det annet sett.

9. Element ifølge krav 1-8, karakterisert ved at det omfatter et lag av et CW-materiale anbragt mellom to lag PTC-materiale.

10. - Element ifølge krav 1-9, karakterisert ved at det omfatter et lag (33,43, 49) av et PTC-materiale anbragt mellom to lag (31, 35, 36, 40, 41, 44) CW-materiale .

11. Element ifølge krav 1-10, karakterisert ved at det første lag. er omgitt av det annet lag, eller det annet lag er omgitt av det første lag.

12. Element ifølge krav 1-11, karakterisert ved at det ytterligere omfatter et forseglingsmiddel eller adhesiv (54) på minst én overflate, hvilket forseglingsmiddel eller adhesiv er varmeaktiverbart ved en temperatur innenfor elementets driftsområde.

13. Element ifølge krav 1-12, karakterisert ved at det første lag omfatter et polymert materiale.

14. Element ifølge krav 1 - 13,. karakterisert ved at det annet lag omfatter et polymert materiale.

15. Element ifølge krav 1-13, karakterisert ved ,at det annet lag omfatter et fleksibelt uor-ganisk materiale.

16. Element ifølge krav 1-15, karakterisert ved at det er varmerestituerbart ved en temperatur innenfor driftsområdet når elementet anvendes som varmeelement.

17. Element ifølge krav 1-16, karakterisert ved at.det har en effektiv T høyere enn 90°C og3 høyere enn det første lags T .

18. Element ifølge krav 17, karakterisert ved at det første lag omfatter en polymer,- som fortrinnsvis er tverrbundet, og at' den effektive Tg er høyere enn polymerens smeltepunkt.

19. Element ifølge krav 1-18, karakterisert ved at forholdet mellom resistivitetehe for det eller de første og andre lag er i området fra 0,1:1 til 20:1 ved 24°C.

20. Element ifølge krav 1-18, karakterisert ved at det annet lag har en resistivitet på minst 1 ohm-cm ved 24°C.

21. Element ifølge krav 1-18, karakterisert ved at det annet lag har en resistivitet ved 24°C svarende til den laveste av verdiene (a) 1 ohm-cm og (b) 0,05 ganger resistiviteten i det første lag ved 24°C.

22. Element ifølge' krav 1-18, karakterisert ved at den energi som genereres ved 24°C av det annet lag, er minst 0,05 ganger den energi som genereres av det første lag.

23. Element ifølge krav 1 - 22, karakterisert ved at CW-materialets resistivitet varierer med - 5% pr. grad C.

24. Anvendelse av et element ifølge.krav.1 - 23, for å dekke et substrat, hvor elementet påføres substratet og oppvarmes for å avstedkomme restituering.

25. Anvendelse ifølge krav 24 hvor elementet oppvarmes ved at det kobles til en elektrisk strømkilde.