DE69027113T2

DE69027113T2 - Elektrische heizanordnung und verfahren zu derer herstellung

Info

Publication number: DE69027113T2
Application number: DE69027113T
Authority: DE
Inventors: Neville S. Foster City Ca 94404 Batliwalla; Amitkumar N. Newark Ca 94560 Dharia; Randall M. Redwood City Ca 94062 Feldman; Ashok K. Union City Ca 94587 Mehan
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2010-03-14
Also published as: EP0460109B1; CA2048648A1; US5111032A; DE69027113D1; EP0460109A1; ATE138525T1; AU5338190A; WO1990011001A1; CA2048648C; US5300760A

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Vorrichtungen, die einen Isoliermantel aufweisen.
Elektrische Vorrichtungen, wie etwa elektrische Heizungen, Wärmefühlervorrichtungen und andere Vorrichtungen, deren Betriebsverhalten von Wärmeübertragungs-charakteristiken abhängig ist, sind wohlbekannt. Solche Vorrichtungen weisen im allgemeinen ein Widerstandselement und einen Isoliermantel auf. Viele Vorrichtungen weisen ein Hufselement auf, das durch den Isoliermantel von dem Widerstandselement getrennt ist. Das Hufselement ist gewöhnlich eine metallische Umflechtung, die anwesend ist, um als Masse zu wirken, die aber außerdem eine physische Verstärkung bildet. Besonders nützliche Vorrichtungen sind Heizungen, die Widerstandsheizelemente aufweisen, die aus leitfähigen Polymeren (d. h. aus Zusammensetzungen, die ein organisches Polymer und darin dispergiert oder anderweitig verteilt einen teilchenförmigen leitfähigen Füllstoff aufweisen), insbesondere PTC-leitfähigen Polymeren (PTC = positiver Temperaturkoeffizient des Widerstands), bestehen, die die Heizung selbstregelnd machen. Selbstregelnde Streifenheizungen werden gewöhnlich als Heizungen für Substrate, wie etwa Rohre verwendet.
Die Wirksamkeit einer Heizvorrichtung ist von ihrer Fähigkeit abhängig, Wärme auf das zu erwärmende Substrat zu übertragen. Das ist bei solchen selbstregelnden Heizvorrichtungen besonders wichtig, deren Ausgangsleistung von der Temperatur des Heizelements abhängig ist. Infolgedessen werden große Anstrengungen unternommen, um die Wärmeübertragung von der Heizung auf das Substrat zu verbessern, was die Verwendung eines Wärmeübertragungsmaterials, z. B. eines die Wärme übertragenden Zements, einer Gießmasse oder eines Klebstoffs, zwischen der Heizung und dem Substrat sowie die Verwendung von Klammern oder einer harten Isolierschicht, um die Heizung in Berührung mit dem Rohr zu drücken, einschließt. Diese Lösungen sind jedoch nicht frei von Nachteilen. Wärmeübertragungsmaterialien verschmieren häufig beim Auftragen, und wenn sie "aushärten", können sie das Entfernen oder Neupositionieren der Heizvorrichtung einschränken. Klammern oder andere starre Materialien können die Ausdehnung eines PTC-leitfähigen Polymers in der Heizvorrichtung einschränken, so daß deren Fähigkeit zur Selbstregelung begrenzt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wir haben erkannt, daß das Vorhandensein von Luftzwischenräumen (oder anderen Zonen geringer Wärmeleitfähigkeit) in einer elektrischen Vorrichtung, insbesondere in einer selbstregelnden Heizvorrichtung, eine nachteilige Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung hat und daß dadurch, daß Maßnahmen zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit solcher Zonen ergriffen werden, wesentliche Verbesserungen des Wirkungsgrads erzielbar sind.
Die US-A-4 242 573 zeigt eine selbstregelnde Heizvorrichtung, die zum Eintauchen geeignet ist, um beispielsweise in einem Wasserbett verwendet zu werden. Die Heizvorrichtung weist zwei Metallelektroden auf, die durch eine leitfähige Polymerzusammensetzung getrennt und bevorzugt in sie eingebettet sind, um ein Widerstandselement zu bilden. Das Widerstandselement ist von einem Isolier-Vormantel, der bevorzugt aus Polyurethan oder Polyester besteht, und von einem leitfähigen Erdungselement, z. B. einer metallischen Umflechtung, umgeben. Die Umflechtung ist von einem äußeren Isoliermantel umgeben, der ein Polymer, wie etwa Polyvinylchlorid ist. Um das Eindringen von Feuchtigkeit und Weichmachern durch das leitfähige Polymermaterial zu verhindern, ist eine waserundurchlässige Sperrschicht Teil der Heizvor richtung, die entweder in direkter Berührung mit dem Vormantel ist und diesen umgibt oder in Berührung mit der Umflechtung ist und diese umgibt. Es wird bevorzugt, daß die Sperrschicht, die Polyester oder aluminiumbeschichteten Polyester aufweist, zwischen dem Vormantel und der Umflechtung angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung wird eine elektriche Vorrichtung angegeben, die folgendes aufweist:
(A) ein Widerstandselement;
(B) einen Isoliermantel, der das Widerstandselement umgibt;
(C) ein Zwischenräume enthaltendes Hilfselement, das den Isoliermantel umgibt und von dem Widerstandselement durch den Isoliermantel getrennt ist; und
(D) ein polymeres Blockiermaterial, das Zwischenräume in dem Hilfselement ausfüllt,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Zwischenräume des Hilfselements und das Eindringen des Blockiermaterials in die Zwischenräume derart sind, daß (a) zumindest ein Teil des Blockiermaterials durch die Zwischenräume hindurchgeht, um mit dem Isoliermantel in Kontakt zu gelangen und sich damit zu verbinden, und (b) die Vorrichtung einen thermischen Wirkungsgrad hat, gemessen durch die bofache aktive Leistung dividiert durch die passive Leistung, der mindestens das l,Osfache des thermischen Wirkungsgrads einer anderen elektrischen Vorrichtung ausmacht, die mit dieser elektrischen Vorrichtung bis auf die Ausnahme identisch ist, daß sie das Blockiermaterial nicht aufweist.
Außerdem wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung gemäß der Erfindung angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen elektrischen Vorrichtung; und
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Vorrichtung der Erfindung.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Elektrische Vorrichtungen der Erfindung weisen wenigstens ein Widerstandselement, häufig in Form eines Streifens oder eines Flächenkörpers, und einen Isoliermantel auf, der das Widerstandselement umgibt. Die Vorrichtung kann ein Sensor oder eine Heizung oder eine andere Vorrichtung sein. Wenn die Vorrichtung eine Heizung ist, kann sie eine Reihenheizung, z. B. eine mineralisolierte (MI) Kabelheizung oder eine Nichrom-Widerstandsdrahtheizung, eine parallele Heizung oder ein anderer Typ, z. B. eine SECT- bzw. Stromverdrängungseffekt-Heizung sein. Besonders geeignete parallele Heizungen sind selbstregelnde Streifenheizungen, bei denen das Widerstandselement ein langgestrecktes Heizelement ist, das eine erste und eine zweite langgestreckte Elektrode aufweist, die durch eine leitfähige Polymerzusammensetzung miteinander verbunden sind. Die Elektroden können entweder in einen fortlaufenden Streifen des leitfähigen Polymers eingebettet sein, oder ein oder mehrere Streifen des leitfähigen Polymers können um zwei oder mehr Elektroden herumgewickelt sein. Heizungen dieses Typs sowie Schichtheizungen, die leitfähige Polymere aufweisen, sind wohlbekannt; siehe beispielsweise die US-Patentschriften 3 858 144 (Bedard et al.), 3 861 029 (Smith-Johannsen et al.), 4 017 715 (Whitney et al.), 4 242 573 (Batliwalla), 4 246 468 (Horsma), 4 334 148 (Kampe), 4 334 351 (Sopory), 4 398 084 (Walty), 4 400 614 (Sopory), 4 425 497 (Leary), 4 426 339 (Kamath et al.), 4 435 639 (Gurevich), 4 459 473 (Kamath), 4 547 659 (Leary), 4 582 983 (Midgley et al), 4 574 188 (Midgley et al.), 4 659 913 (Midgley et al), 4 661 687 (Afkhampour et al.), 4 673 801 (Leary), 4 700 054 (Triplett et al.) und 4 764 664 (Kamath et al.). Weitere geeignete Heizungen und Vorrichtungen sind in der US-PS 4 849 611 (Whitney et al.) angegeben.
Um eine elektrische Isolierung und Schutz gegenüber der Umgebung zu erhalten, ist das Widerstandselement von einem elektrisch isolierenden Mantel umgeben, der häufig polymer ist, aber jedes geeignete Material sein kann. Dieser Isoliermantel kann auf das Widerstandselement mit allen geeigneten Mitteln aufgebracht werden, z. B. durch Extrudieren entweder in Form von Aufziehen oder unter Druck oder durch Lösungsbeschichten. In der vorliegenden Anmeldung ist "Aufzieh-Extrudieren" als ein Vorgang definiert, bei dem ein Polymer aus einer Düse mit einem Durchmesser, der größer als der beim Endprodukt verlangte Durchmesser ist, extrudiert und mit Hilfe eines Vakuums oder durch rasches Ziehen des Extrudats aus der Düse auf ein Substrat aufgezogen wird. "Druck-Extrudieren" ist als ein Vorgang definiert, bei dem Polymer aus einer Düse unter ausreichendem Druck extrudiert wird, um eine bestimmte Geometrie beizubehalten. Ein solches Extrudierverfahren ist auch als "Profilextrudieren" bekannt.
Bei jeder Art von Extrudiertechnik können zwischen dem Widerstandselement und dem Isoliermantel Luftzwischenräume vorhanden sein.
Aus Gründen der mechanischen Festigkeit wird es häufig bevorzugt&sub1; daß der Isoliermantel von einem Hilfselement umgeben ist, das verstärkend sein kann. Dieses Hilfselement kann jede geeignete Ausbildung haben, z. B. eine Umflechtung, eine Umhüllung oder ein textiler Flächenkörper sein, wobei allerdings Umflechtungen oder andere perforierte Schichten aus Gründen der Biegsamkeit bevorzugt werden. Das Hilfselement kann jedes geeignete feste Material aufweisen, z. B. polymere oder Glasfasern oder Metallfäden, wobei allerdings Metallfäden, die in eine Umflechtung eingewoben sind, bevorzugt werden, damit die Heizung sowohl elektrisch geerdet als auch verstärkt werden kann. Die Größe der Zwischenräume ist eine Funktion der Dichtheit des Gewebes der Umflechtung. Wenn das Hiltselement perforiert ist, können die Perforationen jede geeignete Größe und Gestalt haben. Damit das Blockiermaterial adäquat in die Zwischenräume eindringen kann, wird es bevorzugt, daß die Zwischenräume (der Ausdruck "Zwischenräume" wird dabei verwendet, um nicht nur öffnungen oder Perforationen, die das Hilfselement vollständig durchsetzen, sondern auch Vertiefungen oder Öffnungen in der Oberfläche des Hilfselements zu umfassen) wenigstens 5 %, bevorzugt wenigstens 10 %, speziell wenigstens 15 %, z. B. 20 bis 30 %, der äußeren Oberfläche des Hilfselements aufweisen. Infolge der Zwischenräume der Umflechtung oder Perforationen in der Umhüllung sind Luftzwischenräume vorhanden. Zusätzliche Luftzwischenräume können gebildet werden, wenn das Hilfselement an dem Isoliermantel nicht eng anliegt.
Einige dieser Luftzwischenräume werden beseitigt, und der Wirkungsgrad der Heizung zum übertragen von Wärme auf ein Substrat wird verbessert, indem das Hilfselement mit einer Schicht aus Blockiermaterial umgeben wird, das wenigstens einige der Zwischenräume des Hilfselements ausfüllt. Das Blockiermaterial kann entweder elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend sein (wobei elektrisch isolierend als ein spezifischer Widerstand von wenigstens 1x10&sup9; Ohm-cm definiert ist). Das Material ist bevorzugt polymer und dient dem Zweck, das Hilfselement, das häufig eine metallische Erdungsumflechtung ist, zu isolieren. Es kann mit jeder geeigneten Methode aufgebracht werden. Wenn das Material flüssig ist, kann es durch Streichen, Bürsten, Spritzen oder anderweitig auf das Hilfselement aufgebracht werden, so daß nach dem Härten oder Festwerden das Material einige der Zwischenräume durchdringt. Wenn das Material ein Polymer ist, ist die bevorzugte Aufbringmethode ein Extrudieren der Polymerschmelze unter Druck über das Hilfselement. Anders als bei einem Aufziehvorgang, bei dem das Polymer in Berührung mit dem Hilfselement aufgezogen wird, gelangt während des Extrudiervorgangs unter Druck das Polymer in Berührung mit dem Hilfselement und wird gleichzeitig in die Zwischenräume gedrückt. Der zum Eindringen erforderliche Druck ist eine Funktion der Viskosität des Polymers, der Größe der Zwischenräume und der verlangten Eindringtiefe. Das Blockier material dringt wenigstens teilweise in die Umflechtung ein und ermöglicht einen Kontakt des Blockiermaterials mit dem Isoliermantel und ein Verbinden damit.
Zwar ist jeder Grad des Eindringens in die Zwischenräume einem Nichteindringen vorzuziehen, aber der thermische Wirkungsgrad der meisten Streifenheizung wird verbessert, wenn das Blockiermaterial wenigstens 20 %, bevorzugt wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 40 % der Zwischenräume des Hilfselements ausfüllt. In diesem Zusammenhang sind es die Oberflächen-Zwischenräume, d. h. die an der Grenzfläche zwischen dem Hilfselement und dem Blockiermaterial vorhandenen Zwischenräume und nicht die im Inneren des Hilfselements (speziell an der Innenseite einer Umflechtung) vorhandenen Zwischenräume, die betroffen sind, wenn der Grad der ausgefüllten Zwischenräume bestimmt wird. Die wirkungsvollste Wärmeübertragung wird erreicht, wenn das Hilfselement vollständig ausgefüllt und von dem Blockierpolymer umschlossen ist.
Es wird bevorzugt, daß das Blockiermaterial ein Polymer ist. Dabei kann jeder Polymertyp verwendet werden, obwohl es bevorzugt wird, daß das Polymer ausreichende Flexibilität, Zähigkeit und Wärmestabilität hat, um als Teil einer Heizvorrichtung oder anderen elektrischen Vorrichtung normal verwendet zu werden, und geeignete Viskosität und Schmelzflußeigenschaften hat, um leicht aufgebracht zu werden. Geeignete Polymere umfassen Polyolefine, z. B. Polyethylen und Copolymere, wie etwa Ethylen-Ethylacrylat oder Ethylen- Acrylsäure, Fluorpolymere, z. B. Fluorethylen-Propylen-Copolymer oder Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, Silicone oder thermoplastische Elastomere. Da das Blockiermaterial mit dem Isoliermantel verbunden werden soll, kann entweder das Blockiermaterial oder der Isoliermantel ein Polymer aufweisen, das polare Gruppen enthält (z. B. ein Pfropfcopolymer), die zu seiner haftenden Beschaffenheit beitragen. Das Isoliermaterial kann Additive, z. B. Wärmestabilisatoren, Pigmente, Antioxidantien oder Flammhemmer aufweisen. Wenn es bevorzugt wird, daß das Blockiermaterial selbst gute Wärmeleitfähigkeit hat, können die Additive teilchenförmige Füllstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten. Geeignete wärmeleitfähige Füllstoffe umfassen Zinkoxid, Aluminiumoxid, andere Metalloxide, Ruß und Graphit. Wenn der wärrneleitfähige teilchenförmige Füllstoff außerdem elektrisch leitfähig ist und es erforderlich ist, daß das Blockiermaterial elektrisch isolierend ist, ist es wichtig, daß der leitfähige teilchenförmige Füllstoff in einer ausreichend geringen Menge anwesend ist, so daß das Isoliermaterial elektrisch isolierend bleibt.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung der Erfindung ist eine biegsame langgestreckte elektrische Heizung, z. B. eine Streifenheizung, bei der das Widerstandsheizelement, das be vorzugt eine leitfähige Polymerzusammensetzung aufweist, von einem ersten isolierenden Polymermantel und dann von einer metallischen Umflechtung umgeben ist. Ein zweiter Polymermantel umgibt die Umflechtung und ist damit in Berührung. Wenigstens ein Teil des Polymers des zweiten Mantels dringt in die Umflechtung ein und verbindet sich sogar mit dem Polymer des ersten Mantels.
Eine besonders zweckmäßige Verwendung für elektrische Vorrichtungen der Erfindung besteht aus Heizungen, die mit Substraten, die eine sehr gute Wärmeübertragung verlangen, in direkter Berührung sind, z. B. durch Eintauchen oder Einbetten. Solche Substrate können flüssig, z. B. Wasser oder öl, oder fest, z. B. Beton oder Metall, sein. Vorrichtungen dieses Typs können verwendet werden, um Eis und Schnee zu schmelzen, z. B. auf Dächern und in Dachrinnen oder auf Gehwegen.
Die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von elektrischen Vorrichtungen der Erfindung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen kann auf verschiedene Weise bestimmt werden. Wenn die elektrischen Vorrichtungen Heizungen sind, ist es nützlich, die aktive Leistung Pa und die passive Leistung Pp bei einer gegebenen Spannung unter Anwendung der Formeln VI bzw. V²/R zu bestimmen. (V ist die aufgebrachte Spannung, I ist der bei dieser Spannung gemessene Strom, und R ist der Widerstandswert der zu prüfenden Heizung.) Der thermische Wirkungsgrad TE kann bestimmt werden durch [(Pa/Pp) * 100 %]. Für eine Heizung mit perfektem thermischen Wirkungsgrad wäre der Wert von TE 100. Bei Prüfung unter den gleichen Umgebungs- und elektrischen Bedingungen haben Vorrichtungen der Erfindung bevorzugt einen thermischen Wirkungsgrad, der wenigstens das 1,01fache, speziell wenigstens da 1,05fache, insbesondere das 1,10fache des thermischen Wirkungsgrads einer herkömmlichen Vorrichtung ohne das Blockiermaterial ist. Der TE-Wert ist normalerweise höher, wenn die Umgebung, die die Vorrichtung umgibt, z. B. das Substrat, eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Die exaktesten Vergleiche des thermischen Wirkungsgrads können bei Vorrichtungen durchgeführt werden, die die gleiche Geometrie, den gleichen Widerstandswert, das gleiche Kempolymer und das gleiche Widerstands/Temperatur-Verhalten haben. Ein zweites Maß für die durch die Erfindung erreichte Verbesserung ist der thermische Widerstand TR. Dieser Wert ist als [(Tc - Te)/PA] definiert, wobei Tc die Kerntemperatur der Vorrichtung und Te die Umgebungstemperatur ist. Der Wert von Tc wird nicht direkt gemessen, sondern wird berechnet, indem der Widerstandswert bei dem aktiven Leistungspegel bestimmt wird und dann die Temperatur bei diesem Widerstandswert bestimmt wird. Diese Temperatur kann aus einer R(T)-Kurve abgeschätzt werden, d. h. aus einer Kurve des Widerstandswerts als Funktion der Temperatur, die durch Messen des Widerstandswerts der Vorrichtung bei verschiedenen Temperaturen erstellt wird. Der Wert von TR ist bei Vorrichtungen geringer, die eine wirkungsvollere Wärmeübertragung zeigen. Für die Praxis ist es nur nützlich, wenn der Wert größer als 0,34 ºC/Watt/m (2ºF/watt/ft) ist; kleinere Werte können sich infolge einer ungenauen Schätzung von Tc aus einer R(T)-Kurve ergeben.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung sind sowohl Fig. 1 als auch Fig. 2 Querschnitte durch eine elektrische Vorrichtung 1, die eine selbstregelnde Streifenheizung ist. Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Heizung; Fig. 2 ist eine Heizung der Erfindung. In beiden Figuren sind eine erste und eine zweite langgestreckte Drahtelektrode 2, 3 in eine leitfähige Polymerzusammensetzung 4 eingebettet. Dieser Kern ist aufeinanderfolgend von einem ersten Isoliermantel 5, einer metallischen Erdungsumflechtung 6 und einer äußeren Isolierschicht 7 umgeben. In Fig. 1 sind kleine Luftzwischenräume und Hohlräume 8 zwischen der Umflechtung 6 und der äußeren Isolierschicht 7 sowie zwischen der Umflechtung 6 und dem ersten Isoliermantel 5 zu erkennen. In Fig. 2 ist ein Eindringen der äußeren Isolierschicht 7 in die Umflechtung 6 erfolgt.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele erläutert, wobei Beispiel 1 ein Vergleichsbeispiel ist.

BEISPIEL 1

Eine leitfähige Polymerzusammensetzung, die Polyvinylidenfluorid und Ruß aufwies, wurde über zwei verlitzte nickelbeschichtete 14-AWG-Kupferdrähte schmelzextrudiert, um einen Heizungs-"Kern" mit einem allgemein viereckigen Querschnitt herzustellen. Unter Verwendung von thermoplastischem Elastomer (TPE) wurde ein erster Isoliermantel von 0,076 cm (0,030 inch) über den Kern extrudiert unter Anwendung einer "Aufzieh"-Extrusionstechnik. Die Heizung wurde dann auf 2,5 Mrad bestrahlt. Eine Metallumflechtung, die fünf Litzen von zinnbeschichtetem 28-AWG-Kupferdraht aufwies, wurde über dem inneren Isoliermantel ausgebildet, um 86 bis 92 % der Oberfläche zu bedecken. Die Umflechtung hatte eine Dicke von ca. 0,076 cm (0,030 inch). Unter Anwendung einer Aufzieh- Extrusionstechnik wurde eine äußere Isolierschicht einer Dicke von 0,178 cm (0,070 inch) über der Umflechtung unter Verwendung von TPE extrudiert. Die resultierende Heizung hatte eine Breite von ungefähr 1,83 cm (0,72 inch) und eine Dicke von 0,97 cm (0,38 inch). Es gab im wesentlichen kein Eindringen der äußeren TPE-Schicht in die Umflechtung, und zwischen dem ersten Isoliermantel und dem äußeren Mantel waren kleine Luftzwischenräume in den Zwischenräumen der Umflechtung sichtbar.
Proben der Heizung wurden geprüft, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben. Der Widerstandswert einer Heizung einer Länge von 30,48 cm (1 foot) wurde bei 21 ºC (70 ºF) gemessen. Die PTC-Charakteristiken wurden bestimmt, indem eine Heizungsprobe in einem Ofen angeordnet, der Widerstand bei verschiedenen Temperaturen gemessen und der Widerstandswert als Funktion der Temperatur aufgetragen wurde (d. h. eine R(T)-Kurve erstellt wurde). In der Tabelle 1 sind die Temperaturen angegeben, bei denen der Widerstandswert sich von seinem Anfangswert bei 21 ºC (70 ºF) um das 10fache und um das 50fache erhöht hatte.
Die thermischen und elektrischen Eigenschaften von ein Fuß langen Proben der Heizung wurden unter drei Bedingungen gemessen: (A) in einem Konvektionsofen in Luft bei -10 ºC (14 ºF), (B) an einem Stahlrohr festgespannt, das einen Außendurchmesser von 5,1 cm (2 inch) hatte und mit einer Glasfaserisolation von 2,5 cm (1 inch) bedeckt war, und (C) eingetaucht in Glykol, nachdem das freiliegende Ende abgedichtet worden war. Vor der Prüfung wurden die Proben in einem Zweistufenvorgang konditioniert: (1) 4 h ohne Leistung bei -10 ºC (14 ºF), gefolgt von (2) 18 h bei 14 ºF unter Leistung mit 240 VAC (Wechselspannung). Der Widerstandswert wurde am Ende der ersten Stufe bei -10 ºC (14 ºF) gemessen und mit Ri bezeichnet. Unter allen Bedingungen wurde der Strom I für die Heizungsprobe gemessen, während sie Leistung mit drei Spannungen V erhielt: 110, 220 und 260 V Wechselstrom. Die passive Leistung P und die aktive Leistung Pa wurden aus (V²/Ri) bzw. (VI) errechnet. Thermoelemente waren in dem Ofen, an dem Rohr angebracht, und in dem Glykol anwesend, um die Umgebungstemperatur Te zu bestimmen. Für alle drei Prüfbedingungen wurde Te mit -10 ºC (14 ºF) bestimmt. Der Wärmewiderstand TR und der thermische Wirkungsgsrad TE der Heizung wurden wie bereits beschrieben bestimmt.
Der Widerstandswert der Heizung gegen das Eindringen von Wasser wurde gemessen durch Einfilhren des Endes einer 1,52 m (5 ft.) langen Heizung in ein Wasserzulaufrohr durch eine wasserdichte Dichtung. Wasser wurde durch das abgedichtete Ende der Heizung unter konstantem Druck gepreßt, und das Volumen des nach einer Minute an dem nichtabgedichteten Heizungsende vorhandenen Wassers wurde gesammelt. Dieses Volumen bezeichnete die Wanderung von Wasser an der Heizung entlang durch die Luftzwischenräume und Hohlräume in der Umflechtung und zwischen der Umflechtung und dem inneren und äußeren Mantel. In einem gesonderten Experiment wurde auch das Volumen des Wassers gemessen, das in die Umflechtung während eines Zeitraums von 16 h eindrang, ohne daß irgendein Druck darauf aufgebracht wurde.

BEISPIEL 2

Eine Heizung wurde wie in Beispiel 1 extrudiert, mit einem ersten Isoliermantel ummantelt, bestrahlt und mit einer Umflechtung versehen. Unter Anwendung einer Druckextrudier-Technik und eines Drucks am Extruderkopf von ungefähr 13,8 mPa (2000 psi) wurde eine äußere Isolierschicht aus TPE über die Umflechtung extrudiert. Die resultierende Heizung hatte eine Breite von ungefähr 1,88 cm (0,74 inch) und eine Dicke von 0,89 cm (0,35 inch). Ein Teil des TPE wurde durch die Zwischenräume der Umflechtung gepreßt, was zu einer Gesamtdicke von Umflechtung und äußerer Schicht von 0,178 cm (0,070 inch), also äquivalent der Außenmanteldicke allein in Beispiel 1, führte. Zwischen der Umflechtung und dem Außenmantel waren keine Luftzwischenräume sichtbar.
Die Resultate der Prüfung der Heizung unter den verschiedensten Bedingungen sind in der Tabelle I gezeigt.
Sowohl die Heizung mit der Aufzieh-Außenschicht (Beispiel 1) als auch der mit der druckextrudierten Außenschicht (Beispiel 2) hatten vergleichbare Widerstandswerte bei 21 ºC (70 ºF) und vergleichbare PTC-Charakteristiken. Die Heizung von Beispiel 2 hatte einen niedrigeren Wärmewiderstand und einen höheren thermischen Wirkungsgrad, und zwar speziell unter guten Wärmeableitbedingungen (z. B. in Glykol), sowie verbesserte Wasserblockiereigenschaften. TABELLE I *Der Wert von TR wurde mit weniger als 0,34ºC/watt/m (2ºF/watt/ft) berechnet. TABELLE I *Der Wert von TR wurde mit weniger als 0,34ºC/watt/m (2ºF/watt/ft) berechnet.

Claims

1. Elektrische Vorrichtung (1), die folgendes aufweist:

(A) ein Widerstandselement;

(B) einen Isoliermantel (5), der das Widerstandselement umgibt;

(C) ein Zwischenräume enthaltendes Hilfselement (6), das den Isoliermantel umgibt und das von dem Widerstandselement durch den Isoliermantel (5) getrennt ist; und

(D) ein polymeres Blockiermaterial (7), das Zwischenräume in dem Hilfselement (6) ausfüllt, dadurch gekennzeichnet,

daß die Größe der Zwischenräume des Hilfselements und das Eindringen des Blockiermaterials in die Zwischenräume derart sind, daß (a) zumindest ein Teil des Blockiermate rials (7) durch die Zwischenräume hindurchgeht, um mit dem Isoliermantel (5) in Kontakt zu gelangen und sich damit zu verbinden, und (b) die Vorrichtung einen thermischen Wirkungsgrad hat, gemessen durch die 100fache aktive Leistung dividiert durch die passive Leistung, der mindestens das 1,05fache des thermischen Wirkungsgrades einer anderen elektrischen Vorrichtung ausmacht, die mit dieser elektrischen Vorrichtung bis auf die Ausnahme identisch ist, daß sie das Blockiermaterial nicht aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Blockiermaterial (7) eine polymere Verbindung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Hilfselement (6) eine Umflechtung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Umflechtung eine metallische Erdungsumflechtung ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Blockiermaterial (7) mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 30 % der Zwischenräume des Hilfselements ausfüllt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blockiermaterial (7) einen wärmeleitfähigen teilchenförmigen Füllstoff aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ZnO, Al&sub2;O&sub3;, Graphit und Ruß besteht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als flexibler langgestreckter elektrischer Heizkörper ausgebildet ist, wobei

(A) das Widerstandselement ein langgestrecktes Widerstandsheizelement aufweist;

(B) der Isoliermantel (5) ein isolierendes polymeres Material aufweist, das in Form eines ersten langgestreckten Mantels ausgebildet ist und das Heizelement umgibt;

(C) das Hilfselement (6) eine metallische Umflechtung aufweist, die den ersten Mantel umgibt und mit ihm in Kontakt steht; und

(D) das Blockiermaterial (7) ein polymeres Material aufweist, das in Form eines zweiten langgestreckten Mantels ausgebildet ist, der die metallische Umflechtung umgibt und mit ihm in Kontakt steht und von dem ein Teil durch öffnungen in der metallischen Umflechtung hindurchgeht und dadurch mit dem ersten Mantel (5) in Kontakt steht und verbunden ist.

8. Verfahren zum Herstellen der elektrischen Vorrichtung nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte aufweist:

(A) Bereitstellen einer Vorrichtung, die folgendes aufweist:

(i) ein Widerstandselement,

(ii) einen Isoliermantel (5) und

(iii) ein Hilfselement (6), das Zwischenräume enthält und das von dem Widerstandselement durch den Isoliermantel (5) getrennt ist; und

(B) Füllen von Zwischenräumen in dem Hilfselement mit einem Blockiermaterial (7), das mit dem Isoliermantel (5) in Kontakt steht und sich mit ihm verbindet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Blockiermaterial (7) durch Extrudieren unter Druck oder in Form einer Flüssigkeit, die anschließend fest wird, aufgebracht wird.