Hintergrund der Erfindung
1. Feld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizgeräte,
die Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten als
sich selbst regelnde Heizer verwenden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Wie beispielsweise in US-PS 4,072,848 dargestellt, wurden
elektrische Heizkabel kommerziell einige Zeit lang verwendet,
um Hitze zu Leitungen und Tanks in kalten Umgebungen zu
liefern.
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Heizkabel nach US-PS 4,072,848 basierten ihre
Temperatursteuerung auf der Verwendung von Heizmaterialien mit
veränderlichem Widerstand, die ein Selbstregulierungsmerkmal
liefern. Die Heizmaterialien werden üblicherweise in Chips
geformt, die aus Bariumtitanat oder festen Lösungen von
Barium und Strontiumtitanat bestehen, die durch den Einschluß
verschiedener Dotierungsmittel halbleitend gemacht sind.
Diese Chips werden als Thermistoren mit positivem
Temperaturkoeffizienten bezeichnet und haben einen relativ niedrigen
Widerstandstemperaturkoeffizienten bei niedrigen
Temperaturen. Wenn die Temperatur des Thermistors ansteigt, tritt ein
scharfer Anstieg in dem Widerstand an einem Punkt auf, der
der "Curie-Punkt" bezeichnet wird. Der Übergang von niedrigem
Widerstandswert zu hohem Widerstandswert tritt bei einem
relativ scharfen Punkt, wie in US-PS 4,072,848 gezeigt. Da
diese Chips den Fachleuten bekannt sind, ist keine weitere
Diskussion ihrer Konstruktion notwendig.
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Wenn eine Spannung an den Thermistor angelegt wird, erzeugt
der Thermistor Hitze aufgrund von Widerstandswirkungen. Diese
Hitze wird dann auf die Umgebung übertragen, beispielsweise
das Rohr, an dem das Kabel angebracht ist. Wenn die
TemPeratur des Thermistors und der umgebenden Umgebung ansteigt,
erreicht die Thermistortemperatur den "Curie-Punkt",
verringert sich die Wärmeerzeugungsfähigkeit des Thermistors,
und der Thermistor kühlt sich ab. Daher stellt sich die
Thermistortemperatur im "Curie-Punkt" oder in dessen Nähe
ein, wobei die Temperatur der Umgebung auf den thermischen
Leitfähigkeiten der verschiedenen Materialien basiert, die
mit dem Thermistor in Kontakt stehen.
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Zum Stand der Technik gehörende auf Thermistoren basierende
Geräte waren Kabel und andere ähnliche Geräte, die nur kleine
seitliche Flächen abdeckten, obwohl sie sich über große
Längen erstrecken können. Während die zum Stand der Technik
gehörenden Kabel in Serpentinenmustern geformt werden können,
um größere seitliche Bereiche abzudecken, führte dies häufig
zu einer ungleichförmigen Teinperaturverteilung über den
Oberflächenbereich, und ließ sich nur schwer herstellen.
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US-PS 4,330,703 zeigt verschiedene BeisPiele von zum Stand
der Technik gehörenden Kabeln, die Wärmeerzeugungsschichten
aus Materialien verwenden und aus Metallblechen, Gittern oder
Netzen gebildete elektrische Leiter aufweisen. Die
Wärmeerzeugungsmaterialien sind über den gesamten Bereich des Kabels
angeordnet, nicht in diskreten und getrennten Bereichen, wie
dies bei auf Thermistoren basierenden Kabeln Praxis ist.
Zusätzlich sind die elektrischen Leiter dünn und werden nur
zur Lieferung elektrischen Stroms zu den
Wärmeerzeugungsmaterialien verwendet, nicht aber dazu, bemerkbare Wärmemengen zu
leiten.
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Es ist bereits ein elektrisches Heizgerät mit den Merkmalen
des ersten Teils -des Anspruchs 1 bekannt (FR-A1-2 496 382).
Bei dem bekannten Gerät sind die elektrischen Heizchips in
einer einzelnen Linie angeordnet, so daß das Gerät die Form
eines Heizkabels aufweist.
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Weiterhin ist ein ebenes Wärmeerzeugungsgerät (US-A-
4,401,885) bekannt, bei dem zwischen zwei und drei Heizchips
angeordnet sind. Sie sind zwischen starren Metallplatten
angeordnet. Die Platten werden mit Hilfe einer isolierenden
Abdeckschicht auf Kunstharz aneinander gehalten. Die
Abdeckung erstreckt sich durch Löcher in dem Gerät und übt eine
Vorspannung auf den Heizchip aus.
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Die Erfindung schlägt eine elektrische Heizeinheit mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterentwicklungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
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Die Heizeinheit der vorliegenden Erfindung weist im
wesentlichen flache, vorzugsweise gewebte, elektrische Leiter auf,
die parallel übereinanderliegend angeordnet sind und eine
Vielzahl von mit Abstand angeordneten elektrisch damit
verbundenen Thermistoren aufweisen, worin die elektrischen
Leiter als das primäre Hitzeübertragungsmittel dienen, indem
sie die von den Thermistoren erzeugte Hitze von diesen
ableiten. Die Thermistoren sind in einem Gitter oder einem
im wesentlichen gleichförmigen Muster über die Fläche der
Heizeinheit mit Abstand angeordnet. Eine solche Bauweise
führt zu einer wirksamen Hitzeübertragung zwischen den
Leitern und den Thermistoren und ermöglicht es auf diese
Weise, daß die Hitze von den Thermistoren abgeleitet wird.
Darüberhinaus ermöglicht es eine solche Bauweise daß der
Thermistor hohe Leistungswerte mit einer gegebenen angelegten
Spannung erzeugt, bevor der Thermistor die
Selbstbegrenzungstemperatur bzw. den "Curie-Punkt" erreicht.
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Eine derartige Hitzeübertragung unter Verwendung der
elektrischen Leiter verbessert die Temperaturverteilung über die
Oberfläche der Einheit, da die Hitze in alle Richtungen längs
der elektrischen Leiter übertragen wird, die gute thermische
Leiter sind, und von den Thermistoren weg, was die Menge an
örtlicher Hitze begrenzt und den Hitzeausgleich der Einheit
verbessert. Die Konstruktion einer Heizeinheit der
vorliegenden Erfindung erlaubt ein leichtes Herstellen, da keine
komplexen, serpentinenförmigen Wege benötigt werden.
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Die Verwendung der gewebten elektrischen Leiter verringert
signifikant die thermischen oder mechanischen Belastungen,
die an den Verbindungen zwischen den Leitern und Thermistoren
auftreten, aufgrund der in viele Richtungen verteilten
Kräfte, die aufgrund der kleinen und vielen Drahtlitzen in
dem Material ausgeübt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht einer in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung konstruierten Heizeinheit.
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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die bei gegebenen
Temperaturen und gegebenen Spannungen für die Heizeinheit der
Fig. 1 erzeugte Einheitsleistung darstellt.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die bei gegebenen
Temperaturen und gegebenen Spannungen für eine Heizeinheit
nach Fig. 1 erzeugte Einheitsleistung darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In den Zeichnungen bezeichnet der Buchstabe P allgemein eine
Heizeinheit nach der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 stellt die bevorzugte Ausführungsform einer nach der
Erfindung konstruierten Heizeinheit P dar. Eine Vielzahl von
Thermistoren 10 ist in einen trennenden dielektrischen
Isolator 12 eingesetzt. Das trennende Dielektrikum 12 enthält
eine Reihe von Löchern oder Hohlräumen 14, in denen die
Thermistoren 10 installiert werden. Der Abstand zwischen den
Löchern 14 variiert in Abhängigkeit von der speziellen Größe
der Thermistoren 10 und der für einen gewünschten gegebenen
thermischen Ausgang der Heizeinheit benötigten Zahl von
Thermistoren 10. Vorzugsweise sind die Löcher 14 etwas
kleiner als die Größe der Thermistoren 10, so daß die
Thermistoren 10 positiv in dein trennenden Dielektrikum 12
gehalten werden. Die Thermistoren 10 sind kreisförmig im
Querschnitt gezeigt, jedoch kann irgendeine beliebige Form
verwendet werden, wobei die Löcher 14 entsprechende Formen
aufweisen. Das dielektrische Material kann Gummi,
thermoplastische Harze wie Polyethylen oder Polytetrafluorethylen,
Asbestfaser oder irgendein zufriedenstellendes Material sein,
das ein elektrisch isolierendes Material ist und in der Lage
ist, den Temperaturen der Thermistoren zu widerstehen,
während es ausreichend Hitze wie gewünscht leitet und
flexibel
ist, um das Biegen der Heizeinheit P je nach Wunsch zu
ermöglichen.
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Leitende Bahnen 16, 18 sind parallel zueinander und auf
entgegengesetzten Seiten des trennenden Dielektrikums 12
installiert, um die Quelle elektrischer Energie zu liefern,
die von den Thermistoren 10 in Hitze umgewandelt wird. Die
leitenden Bahnen 16, 18 sind an den Thermistoren 10 durch
Löten, Hartlöten, Schweißen oder durch ein sonstiges
elektrisches und mechanisches Verbinden der leitenden Bahnen 16, 18
mit den Oberflächen der Thermistoren 10 befestigt. Leiter
17, 19 sind an den leitenden Bahnen 16, 18 und an der nicht
dargestellten Spannungsquelle angebracht, um die Heizeinheit
P mit elektrischer Energie zu versorgen. Nachdem die
leitenden Bahnen 16, 18 mit den Thermistoren 10 verbunden wurden,
wird ein Isolierschicht 20 vorgesehen, um die Heizeinheit P
vor der Umgebung zu schützen. Auf diese Weise lassen sich
Kurzschlüsse und Potentialschockzustände vermeiden. Wenn ein
weiterer mechanischer oder korrosionsbeständiger Schutz
gewünscht wird, oder wenn eine starrere Oberfläche gewünscht
wird, kann eine Metallhülle 22 über der Isolierschicht 20 der
Heizeinheit P gebildet werden. Die Metallhülle 22 kann
Aluminium, nicht rostender Stahl, Kupfer oder irgendein
anderes zufriedenstellendes Metall oder Metallegierung sein,
das sich um die Einheit bilden läßt.
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Eine derartige Bauweise, die leitende Bahnen 16, 18 mit einer
adäquaten Wärmeübertragungsfähigkeit verwendet, führt dazu,
daß die leitenden Bahnen 16, 18 die primären
Übertragungsmittel für die Wärme werden. Die Verwendung der leitenden
Bahnen 16, 18 als die primären Wärmeübertragungsmittel führt
zu einer verbesserten Wärmeabfuhr von den Thermistoren 10 und
zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über die
Oberfläche der Heizeinheit P. Daher wird aufgrund dieser
Erfindung Wärme von den Thermistoren 10 abgezogen und die
Wärme über den Bereich der Heizeinheit p gleichförmig
verteilt.
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Die leitenden Bahnen 16, 18 werden vorzugsweise aus
Kupferdrahtgewebe mit etwa der gleichen Größe und Form wie die
Heizeinheit P gebildet. Die leitenden Bahnen 16, 18 können
aber auch aus Drahtgeflecht aus Aluminium, nicht rostendem
Stahl oder anderen metallischen Leitern gebildet werden.
Alternativ können auch Kohle- oder Graphitfasern, leitend
beschichtetes Fiberglasgarn oder andere ähnliche Materialien
bekannter Konstruktion, wie sie üblicherweise bei
Automobilzündkabeln verwendet werden und in US-PS 4,369,423 offenbart
sind, verwendet werden. Die Fasern können mit Nickel zur
weiteren Verbesserung der Leitfähigkeit der Fasern
elektroplattiert werden.
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Ausreichende Zahlen der Fasern werden zur Schaffung einer
leitenden Bahn gewebt, die in der Lage ist, die nötigen
elektrischen und thermischen Lasten zu tragen. Nach einer
nochmals weiteren Alternative könnten die leitenden Bahnen
feste Metallbahnen aus Materialien wie Kupfer, Aluminium und
anderen geeigneten Materialien sein. Ein als Beispiel
genanntes Kupfergewebe besteht aus Kupferdraht mit 0,011 Zoll
Durchmesser, das in ein Gewebe geformt ist, das 16 Drähte pro
Zoll in beiden Richtungen aufweist. Die einzelnen
Kupferfasern können mit einer Zinn-, Silber-, Aluminium- oder
Nickelplattierung beschichtet werden.
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Die Konstruktion der leitenden Bahn nach der vorliegenden
Erfindung wird vorzugweise mit einer großen Zahl kleinerer
Drähte gebildet, die in Bahnen gewebt sind. Die vergrößerte
Zahl von Kontakten des kleineren Drahts und das von den
gewebten Leitern entwickelte Geflecht oder gewebtes Muster
verringert die thermischen und mechanischen Belastungen, die
an der Verbindung zwischen den leitenden Bahnen 16, 18 und
dem Thermistor 10 auftreten. Die thermischen Belastungen
treten aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten
und anderen Gründen auf, und die mechanischen Belastungen
treten aufgrund der flexiblen Natur der Heizeinheit P auf. Da
die gewebten Drähte klein sind und in mehreren verschiedenen
Richtungen angeordnet sind, sind die auf jede Faser oder
jeden Draht ausgeübten Kräfte klein, was dadurch die
Zuverlässigkeit der Heizeinheit vergrößert.
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Eine Heizeinheit P nach der vorliegenden Erfindung kann in
fast jede gewünschte Form geschnitten oder geformt werden.
Die als Beispiel in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist
in ein Quadrat geformt, jedoch läßt sich die Heizeinheit P in
Kreisform, unregelmäßige Formen oder regelmäßige oder
unregelmäßige Vierecke, je nach Wunsch, formen. Da die
Thermistoren 10 relativ klein sind und die anderen in der
vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien vorzugsweise flexibel
sind, ist die Heizeinheit P derart ausgebildet, daß sie so
gebogen werden kann, daß sie einem zu heizenden Gegenstand
wie einem Gefäß oder einer Leitung im wesentlichen konform
sein kann.
Beispiel
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Eine Heizeinheit P wurde aus Kupferdrahtgewebe entsprechend
Fig. 1 konstruiert, mit Thermistoren 10 einer
"Curie"-Temperatur von 124 bis 128ºC. Eine trennende dielektrische Schicht
12 aus beschichtetem Fiberglas mit einer Dicke von 0.07 Zoll
und einer Quadratform mit einem Fuß Kantenlänge wurde
verwendet. Zwölf Thermistoren 10 wurden in Öffnungen 14 eingesetzt,
die gleichmäßig über den Bereich der trennenden
dielektrischen Schicht 12 verteilt waren. Kupferdrahtgewebe mit einer
Maschenzahl von 16 x 16 aus Drähten mit einem Durchmesser von
0.011 Zoll wurde in Bahnen mit quadratischer Form einer
Kantenlänge von einem Fuß geformt, die dann an vorher
verzinnte Thermistoren 10 angelötet wurden, mit einer
silberhaltigen Hochtemperaturlötlegierung. Diese Heizeinheit P wurde
dann mit Hochtemperatur RTV Silikon zur Bildung der
Isolierschicht 20 isoliert. Die auf diese Weise gebildete
vollständige Heizeinheit P hatte einen Widerstand von 90 Ohm bei
Raumtemperatur von etwa 77º F.
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Diese Heizeinheit P wurde dann in eine Umgebungskammer
eingebracht und bei Gleichgewichtstemperaturen von -35ºF,
0ºF, 50ºF, 100ºF und 200ºF getestet und mit Spannungen von 0
bis 300 Volt versorgt. Der Leistungsverbrauch bei den
verschiedenen Spannungen und Temperaturen wurde aufgezeichnet
und die Ergebnisse sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. Es kann
daher gesehen werden, daß die vorliegende Erfindung eine
Konstruktion liefert, die hohe Leistungswerte mit einer
gegebenen angelegten Spannung erzeugt, bevor die Thermistoren
die Selbstbegrenzungstemperatur erreichen.
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Bei einem anderen Test wurde die gleiche Heizeinheit P mit
etwa 120 Volt versorgt, während die Heizeinheit P in einer
Freiluftumgebung mit einer Temperatur von 76ºF aufgehängt
wurde. Temperaturmessungen wurden an einer Reihe von Stellen
an der Oberfläche der Heizeinheit P genommen. Die
Maximalund Minimaltemperatur an Positionen direkt über den
Thermistoren 10 waren l99ºF und 178ºF. Die Durchschnittstemperatur
direkt über den Thermistoren war etwa l83ºF. Die äußeren
Kanten der Heizeinheit P hatten Temperaturen von 111ºF,
116ºF, 112ºF und 102ºF. Die durchschnittliche Temperatur an
der Oberfläche an Stellen zwischen den Thermistoren 10 war
etwa 121ºF, mit einem Maximum von l34ºF und einem Minimum von
108ºF. Solche Ergebnisse zeigen die wirksame Wärmeübertragung
von den Thermistoren
10 zu den leitenden Bahnen 16, 18 und
die gute thermische Leitung der leitenden Bahnen 16, 18.
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Es ist zu verstehen, daß aufgrund der Anfangswärmeerzeugung
an den Thermistoren die Heizeinheit selektiv in irgendeine
gewünschte Form gebildet oder geschnitten werden kann,
während im wesentlichen die gleiche Watt-pro-Fläche-Fähigkeit
für den ausgewählten Bereich beibehalten wird, unter Annahme
eines gleichen Bereichs bleibender Heizeinheit pro
Thermistor.
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Die vorgehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung
dienen als Beispiel, und verschiedene Änderungen in der
Größe, Form und den Materialien sowie in den Einzelheiten der
dargestellten Konstruktion können gemacht werden.