SE433999B - Sjelvbegrensande elektrisk uppvermningsanordning och elektriskt motstandsmaterial - Google Patents

Description

'tet. Denna resistivitet förändras kraftigt i'ett litet temperatur- 8206442-9 2 de; Temperaturintervallet för att resistiviteten skall öka med en 10-potens är vanligen 50-100°C. För många tillämp- ningar är det emellertid otillfredsställande att effektminsk- ningen per grad är liten och att det inte går att fritt välja 5 temperaturomrâde för den branta stigningen av resistiviteten. - I en artikel av F. Bueche i dournal of Applied Physics, volym 44, nr. 1, januari 1973, sid. 532-533 beskrives hur man genom att kombinera flera volymprocent ledande partiklar i en semi- kristallin grundmassa erhåller en temperaturberoende resistivi- intervall omkring kristallsmälttemperaturen. Som oledande grund- massematerial användes olika kolvätevaxer.-Man kan också enligt vad som anges i artikeln tillsätta s.k. "mekaniska stabilisatorer“ som består av i vaxet lösliga polymerer, varvid för erhâllande_ av goda resultat det anges vara viktigt att vaxet och polymeren är lösliga i varandra, dvs. endast en fas får föreligga.

Föreliggande uppfinning avser en självbegränsande elektrisk upp- I I 1 värmningsanordning med ett elektriskt motståndsmaterial vars resistivitetet ändras med mer än en 10-potens inom ett förut- bestämt, snävt temperaturintervall och som är anordnat mellan itill en spänningskälla anslutbara elektriska ledare,.varvid ledarna och motstândsmaterialet är inneslutna i ett elektriskt' isolerande hölje. Anordningen utmärkes av att det elektriska mot- stândsmaterialet består av 1) ett elektriskt relativt oledande kristallint, monomert ämne som smälter inom eller nära det förut- bestämda snäva temperaturintervallet och som utgör den yttre fasen, 2) partiklar av ett eller flera elektriskt ledande material fördelade i det oledande materialet, 3) ett eller flera, ole- dande, pulverformiga, flingformiga eller fibrösa fyllmedel som är olösliga i det oledande materialet och har avsevärt högre smält- punkt än detta likaledes fördelade i det oledande materialet, varvid viktförhållaniet mellan komponenterna 1) och 3) är från 10:90 till 90:10, och att avståndet mellan de till en spän- 82.064lr2-9 ningskälla anslutbara elektriska ledarna då det elektriskt relativt oledande materialet föreligger i smält form bibehål- les med hjälp av distanselement eller genom att de elektriska ledarna är förankrade i det isolerande höljet.

Företrädesvis skall viktförhållandet mellan komponenterna 1) och 3) vara mellan l0:9O och 50:50.

Uppfinningen avser även själva det elektriska motstândsmate- rialet som sådant.

Resistivitetsändringen per grad Celsius för det elektriska motståndsmaterialet enligt uppfinningen är mindre vid lägre temperaturer än inom det förutbestämda snäva temperaturinter- ivallet. Resistiviteten för de tidigare kända blandningarna -av smältbaranwnomera ämnen och ledande partiklar är ej konstant inom temperaturomrâden ovanför det omrâde där resi- stiviteten ökar kraftigt utan faller från sitt maximum med upp till en 10-potens per 20°C. Det har nu enligt föreliggan- de uppfinning framkommit att stigningen nedanför det kritiska temperaturområdet blir mindre brant och minskningen ovanför blir endast mycket liten om blandningarna innehåller ett eller flera oledande fyllmedel som är olösliga i det oledande materialet. Det är viktigt att denna minskning efteråt blir så liten som möjligt, eftersom en stor minskning kan medföra att resistiviteten blir så låg att anordningen åter utvecklar effekt. f Det har vidare framkommit att effektutvecklingen i massorna icke bör överstiga 5 watt per cm3, företrädesvis icke över- stiga 2 watt per cm3, för undvikande av elektriskt genomslag.

För att man praktiskt skall kunna konstruera uppvärmningsan- ordningar lämpliga att kopplas in pâ nätspänningen 110 volt eller 220 volt bör resistivitetsvärdena på massorna vara stör- 3 ohm cm. De öns- re än 10 ohm cm, företrädesvis större än lO4 kade höga resistivitetsvärdena kanläüzstäflas inhos blandning- ar enligt uppfinningen medan det är svårt att nå höga resisti- 8206M29 vitetsvärden med tidigare kända blandningar.

Det har vidare visat sig fördelaktigt om värmeledningsförmâ- gan hos blandningarna är hög. Blandningarna enligt uppfin- ningen har högre värmeledningsförmåga än tidigare kända bland- ningarr Ett fördelaktigt utförande för blandningen enligt uppfin- ningen kan vara ett sådant fall där fyllmedlet föreligger i sådan mängd och form att blandningen nedanför omslagspunk- ten består av separata partiklar som utgöres av fyllmedels- partiklar omgivna av komponenterna 1) och Éï;'Detta underlätr ' tar konstruktion av uppvärmningsanordningar där man önskar ändra formen för anordningen.

Som det elektriskt relativt oledande, kristallina, monomera ämnet som smälter inomdet förutbestämda snäva.temperaturinter- vallet användes ämnen som har hög resistivitet i både fast och flytande form. I _ 0 Ämnen med ett smältpunktsintervall av högst 10°C föredrages, företrädesvis skall smältpunktsintervallet ej överstiga 5°C.

Det är fördelaktigt om ämnenas molekylvikt är mindre än 1000, företrädesvis mindre än 500. Särskilt lämpliga och föredragna ämnen är organiska föreninäar _ eller blandningar av sådana som innehåller polära grupper, enempelvis karbonsyragrupper eller alkoholgrupper. Lämpliga polära organiska föreningars som är utmärkta att använda som relativt oledande smältbara material enligt föreliggande uppfinning är exempelvis karbon- syror, estrar och alkoholer. Det har visat sig att sådana polära organiska föreningar -ger bättre reproducer- barhet av temperaturresistivitetskurvorna när blandningarna värms upp och kyles ned upprepade gånger än vad opolära * substanser ger. En ytterligare fördel för polära organiska föreningar är att de är mindre känsliga för själva bland- ningsbetingelserna. 8206442-9 Som komponent 2, partiklar av ett eller flera elektriskt le- dande material, användes sâdana av metall, exempelvis koppar.

Vidare användes partiklar av elektriskt ledande metallföre- ningar, exempelvis oxider, sulfider och karbider och partik- lar av kol, såsom sot eller grafit som kan vara amorfa eller kristallina, av kiselkarbid eller av andra elektriskt ledan- de ämnen. De elektriskt ledande partiklarna kan föreligga i form av korn, flingor, nålar eller ha annan form. Flera ty- per av ledande partiklar kan även användas i blandning. Par- tiklar av kol har visat sig lämpliga. Ett särskilt lämpligt elektriskt ledande kolmaterial är kimrök med'Iiten aktiv yta.

Mängden av komponenten 2 bestämmes av det önskade resistivi- tetsomrâdet. Vanligen användes komponenten 2 i mängder som utgör mellan 5 och 50 viktdelar per 100 viktdelar av kompo- nent l. vid användning av metallpulver kan det vara nöd- vändigt att använda större mängder än 50 viktdelar per 100 viktdelar av komponent 1.

Som komponent 3, oledande pulveríormiga, flingformiga eller fibrösa fyllmedel som är olösliga i det oledande materialet, användes exempelvis kvarts, krita, findispers kiseldioxid, såsom av typ Aerosil(R), korta glasfibrer, i komponent l) olösliga polymermaterial eller andra inerta, olösliga fyllme- del. Särskilt lämpliga fyllmedel är sådana med god värmeled- ningsförmâga, exempelvis magnesiumoxid.

Blandningarna av komponenterna 1), 2) och 3) kan göras i oli- ka typer av blandare, exempelvis i en Brabender-blandare eller ett valsverk. Blandningen sker lämpligen vid en temperatur ovanför smältpunkten för komponent 1). En eller flera upp- värmningar av blandningarna efter blandningsförfarandet till temperaturer ovanför det smältbara ämnets smältpunkt medför att temperatur-resistivitetskurvorna vid upprepade mätningar sammanfaller i högre grad än utan värmebehandlingar. _ ståndsmaterialet i form av 82064le2-9 De till en spänningskälla anslutbara elektriska ledarna i den självbegränsande elektriska uppvärmningsanordningen enligt uppfinningen kan vara av koppar, aluminium eller andra elekt- riska ledarmaterial och de kan vara förtennta, försilvrade eller på annat sätt ytbehandlade för förbättring av kontakt- egenskaper, korrosionsbeständighet och värmebeständighet.

Ledarna kan vara massiva med rund, rektangulär eller annan tvärsnittsform. De kan även föreligga i form av linor, folier, nät, slang, väv eller andra ej massiva former. net äreärekilt fördelaktigt i ejälšfbegrånšenae elektriska uppvärmningsanordningar om de till en spänningskälla anslut- bara elektriska ledarna är anordnade parallellt, särskilt om en jämn.effektutveckling per ytenhet eftersträvas.

I Det snäva temperaturintervallet inom vilket resistiviteten- fför det elektriska motstândsmaterialet drastiskt ändras är ett temperaturområde av omkring högst 50°C, företrädesvis av omkring högst 20°C.

Som distanselement för att bibehålla avståndet mellan de till en spänningskälla anslutbara elektriska ledarna då det elektriskt oledande materialet föreligger i smält form använ- des sådana av elektriskt oledande material, såsom glas, as- best eller andra oorganiska material, bomull, cellulosa, plast, gummi eller andra naturliga eller syntetiska organiska material.

Distanselementen kan vara införlivade i det elektriska mot- tråd, garn, nät, galler eller cellmaterial. De införlivade distanselementen har sådan form och/eller packningsgrad att de ensamma eller tillsammans med det isolerande höljet förhindrar de till en spänningskälla anslutbara elektriska ledarna att ändra sitt inbördes läge när det elektriskt relativt oledande materialet i det elekt- riska motstândsmaterialet föreligger i smält form. 8206Mr2-9 Enligt en utföringsform av den självbegränsande elektriska uppvärmningsanordningen enligt föreliggande uppfinning kan det isolerande höljet ensamt utgöra distanselement genom att de elektriska ledarna är fästa vid höljet eller genom att det isolerande höljet är så utformat att det förhindrar inbördes rörelse mellan de elektriska ledarna.

Det isolerande höljet kan vara av plast, gummi eller bestå av andra isolermaterial, exempelvis polyeten, tvärbunden poly- eten, polyvinylklorid, polypropen, naturgummi, syntetgummi eller andra naturliga eller syntetiska polymerer.

I den_bifogade ritningen visar Fig. 1 tvärsnitt av en värmekabel enligt föreliggande upp- finning där avstândet mellan de elektriska ledarna(l) mellan vilka ett elektriskt motstândsmaterial (2) föreligger, bibe- hâlles konstant av ett isolerande hölje (3) som utgör distans- element.

Fig. 2 tvärsnitt av en värmekabel enligt uppfinningen där distanselement i form av glasfiberväv är införlivat i det elektriska motståndsmaterialet (4).

Fig. 3 tvärsnitt av en värmekabel enligt uppfinningen där den yttre ledaren (6) utgöres av en kopparfolie och där distans- element i form av glasfiberväv inkorporerats i det elektris- ka motståndsmaterialet j4) och fig. 4 tvärsnitt av en värmekabel enligt uppfinningen där en plastprofil (5) utgör distanselement.

Figurerna 5 och 6 visar kurvor som uppmätts i exemplen l-14 för sambandet resistivitet-temperatur.

Uppfinningen âskâdliggöres närmare medelst följande exempel. 82061442-9 Tillvägagångssätten i exemplen 1414 var följande: Komponenterna blandades i en Brabender-blandare under 30 minuter vid en temperatur som låg ovanför smältpunkten för komponent l). Temperatur-resistivitetskurvorna bestämdes på en rektangülär provkropp med silverelektroder på tvâ motstå- ende sidor, varvid alltsammans var inneslutet i ett styvt isolerande plasthölje. Medelvärdet av de två sista av tre temperaturcykler redovisas med undantag av exempel ll (jämfö- relseexempel)därtredjecykelnredovisas.Printex 300,Corax L aan Flammruss lol är olika kvaliteter av kim-ak. i Exemgel l Stearylalkohol 100 viktdelar Polyamid (ll) pulver, Rilsan 200 " Printex 300 från Degussa 17,5 " .Exemge 2 Blan&flng1.efter åldring 10 dagar vid 90°C.

Exemgel 3 Stearinsyra '_ 100 viktdelar Aerosil 200 frân Degussa 15 " Printex 300 - 15 " Exemgel Q Stearylalkohol 100 viktdelar Magnesiunoxid i 150 _ " Printex 300 17,5 " Exemgel 3 Stearinsyra 100 viktdelar Myanit Dolomitfiller "0~l0" 400 " Flammruss l0l från Degussa ' ' 50 " Exemgel 6 Stearinsyra * ' ' 100 viktdelar Aerosil 200 ll viktdelar Grafit W-95 från Grafitwerk Kropfmühl 30 “ Exemgel 7 Stearylalkohol Polyamid-ll-pulver Printex 300 Exemgel 8 Stearinsyra Kvartspulver Corax L från Degussa §§emEel 9 Stearylalkohol Polyamid-ll-pulver - Ptintex 300 Exemgel 10 (jämförelse) Stearinsyra Printex 300 Exemgel 11' (jämförelse) Pargffin, smpt 48-52°C Flammruss 101 Exemgel 12 Stearinsyra Kvartsphlver Polyamid-ll-pulver Printex 300 Exemgel 13 Stearinsyra Kvartspulver Grafit W-95 Printex 300 100 víktfielar 600. “ 17,5 " Å 100 viktdelar 250 " 20 " 100 viktdelar 400 " 17,5 " 100 viktdelar 15 Il 100 viktdelar 20 ll 100 viktdelar 150 " 100 " 17,5 100 viktdelar zoo zo " 8 II 82064412-9 8206M24 Exemgel 14 Stearylalkohol PTFE-pulver F-510 från AlliedChemical200 17,5 " Printex 300 Exemèel 15 100 viktdelar Mellan 2 kopparfolier, 100 x 100 mm, lades flera lager av en glasfiberväv impregnerad med en blandning av 100 viktdelar metylstearat, 15 viktdelar grafit W-95 och 400 viktdelar krita. Avståndet mellan kopparfolierna var 10 mm. Kopparfoli- _ erna anslöts till en elektrisk spänningskälla av 220 V var- vid laminatet ubpvärmdes. Yttemperaturen steg till cirka 35°C och hölls sig konstant vid detta värde. Strömstyrkan varierade beroende på hur laminatet kyldes.

Exemgel 16 En 3 m lång kabel med ett tvärsnitt enligt fig. 2 och där av- ståndet mellan ledarna var 15 mm, det ledande skiktets tjock- lek 1 mm och dess sammansättning densamma som i exempel 9 an- slöts till en elektrisk spänningskälla av 220 V. Strömstyrkan vid inkopplingen var 0,5 A. Kabeln lades .L ett värmeskåp med temperaturen 60°C. Strömstyrkan blev mindre än 1 mA, vilket visade att resistansen mellan ledarna i kabeln hade stigit över 200.000 Ohm, dvs. motstândsmaterialets resistivitet hade ökat med 500 gånger sitt värde vid rumstemperatur.

Exemgel 17 Följande komponenter blandades Organisk förening (se tabell) Aerosil 200 Kvartspulver Printex 300 100 400 17 en Brabenderknådare: viktdelare Omslagstemperaturen, dvs temperaturen där resistiviteten språngvis ändrar sig, bestämdes.

Organisk förening Kaprylsyra Kaprinsyra Laurinsyra- Myristinsyra Palmitinsyra Cyklohexanol Tetradekanol Metylstearat Fenylstearat Etylpalmitat 1? 8206,4l|2-9 Omslagstemperatur, °C 12 25 40 50 _57 18 30 35 45 9 20

Claims (7)

82064142 9 PATENTKRAV

1. l. Självbegränsande elektrisk uppvärmningsanordning med ett elektriskt motståndsmaterial vars resistivitet ändras med mer än en 10-potens inom ett förutbestämt, snävt temperaturinter- vall och som är anordnat mellan till en spänningskälla an- slutbara elektriska ledare, varvid ledarna och motståndsma- terialet är inneslutna i ett elektriskt isolerande hölje, k ä n n e t e c k n a d därav, att det elektriska motstånds- materialet består av 1) ett elektriskt relativt oledandq kristallint,monomert ämne som smälter inom eller nära det. förutbestämda snäva temperaturintervallet och som utgör den yttre fasen,2) partiklar av ett elle;_flera elektriskt ledande material fördelade i det oledande materialet, 3) ett eller flera, oledande pulverformiga, flingformiga eller fiberösa fyllmedel, som är olösliga i det oledande materialet och har avsevärt högre smältpunkt än detta likaledes fördelade i det oledande materialet, varvid viktförhållandet mellan komponen- terna l) och 3) är från 10:90 till 90:10, och att avståndet mellan de till en spänningskälla anslutbara elektriska ledarna när det elektriskt ledande materialet föreligger i smält form bibehålles med hjälp av distanselement eller genom att de elektriska ledarna är förankrade i det isolerande höljet.

2. Uppvärmningsanordning enligt patentkravet 1, k ä n n e- t e c k n a d av att komponent 1), det oledande smältbara ämnet innehåller polära grupper.

3. Uppvärmningsanordning enligt patentkravet 2, k ä n n e- t e c k n a d av att det oledande smältbara ämnet innehåller karbonsyragrupper.

4. Uppvärmningsanordning enligt patentkravet 2, k ä n n e- t e c k n a d av att det oledande smältbara ämnet innehåller alkoholgrupper. ...__...í_w-v.~.-- - --- vw»- 8206M24 13

5. Uppvärmningsanordning enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att den utgör en värme- kabel.

6. Uppvärmningsanordning enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att den utgör ett elektriskt gväggelement.

7. Elektriskt motstândsmaterial vars resistivitet ändras med mer än en 10-potens inom ett förutbestämt, snävt temperatur- intervall för användning i självbegränsade elektriska upp- värmningsanordningar, k ä n n e t e c k n aøt'av.att det elektriska motståndsmaterialet består av 1) ett elektriskt relativt oledande, kristallint, monomert ämne som smälter inom eller nära det förutbestämda snäva temperaturintervallet och som utgör den yttre fasen, 2) partiklar av ett eller flera elektriskt ledande material fördelade i det oledandea materialet, 3) ett eller flera, oledande pulverformiga eller fibrösa fyll- medel, som är olösliga i det oledande materialet och har avse- värt högre smältpunkt än detta likaledes fördelade i det oledande materialet, varvid viktförhâllandet mellan komponenterna 1) och 3) är från 10:90 till 90:10. 'FÉÖR Qflêä *~-f ¿ L