DE2634932A1

DE2634932A1 - Elektrische ptc-heizelemente

Info

Publication number: DE2634932A1
Application number: DE19762634932
Authority: DE
Inventors: David August Horsma; Wells Whitney
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1976-08-04
Publication date: 1977-02-10
Also published as: AU511873B2; AU1655276A; GB1562085A; CA1071281A; US4017715A; IT1065401B; DE2634932C2; BE844848A

Description

DR.-INQ. GERALD KLOPSCH 5OOO KÖLN 1

PATENTANWALT MARSPLATZ 11

29. Juli I976 Kl/En

Raychem Corporation,

300 Constitution Drive, Menlo Park, California 9^025 (U.S.A.)

Elektrische PTC-Heizelemente

Die Erfindung betrifft elektrische Heizvorrichtungen, die PTC-Elemente enthalten.

Der Ausdruck "PTC-Element" wird hier in der im Stand der Technik gebräuchlichen Weise zur Bezeichnung eines Elements benutzt, das einen raschen Anstieg des elektrischen Widerstands bei einer besonderen Temperatur oder über einen besonderen Temperaturbereich aufweist. Gut bekannte PTC-Materialien, d.h. Materialien mit positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, umfassen mit Bariumtitanat dotierte Keramik (die selbstverständlich starr ist) und vernetzte thermoplastische kristalline Polymere, in denen ein elektrisch leitender feinteiliger Füllstoff, z.B. Ruß oder Metallteilchen, dispergiert ist. Der Ausdruck "Schalttemperatur" ("switching temperature", gewöhnlich abgekürzt "T ") wird zur Bezeichnung der Temperatur verwendet, bei der ein steiler Anstieg des Widerstandes stattfindet und oberhalb der die Mat3rialien effektiv elektrische Isolatoren für viele Zwecke werden. Wenn die Änderung von vergleichsweise niedrigem zu vergleichsweise hohem Widerstand über einen Temperaturbereich (wie das oft der Fall ist) stattfindet, kann T passenderweise als die Temperatur bezeichnet werden, bei der sich die Verlängerungen der im wesentlichen geraden Teile der Widerstands/Temperaturkurve (oberhalb und

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unterhalb des Bereichs) schneiden. Polymere PTC-Katerialien, deren T der Kristallschmelzpunkt des Polymeren ist oder nahe,

daran liegt, haben weite Anwendung In selbstregulierenden flexiblen Heizbändern gefunden, die sich automatisch bei Temperaturen oberhalb T abschalten und daher selbsttätig eine Temperatur T oder nahe davon aufrechterhalten. Starre PTC-Elemente sind für die Verwendung als temperaturempfindliche Schalter und Hilfsheizungen in Vorrichtungen, wie Kaffeekesseln (sh. z.B. U3-PS 3.551.644 und 3-375.744), vorgeschlagen worden. In diesen Vorrichtungen ist das PTC-Element in | Serie mit einer herkömmlichen elektrischen Widerstandsheizung geschaltet und in thermischem Kontakt mit einem durch die : herkömmliche Heizeinrichtung und das PTC-Element aufzuheizenden Körper (z.B. eine Flüssigkeit) angeordnet. Das PTC-Element schaltet den durch das Element und die herkömmliche Heizeinrichtung gehenden Strom ab, wenn es seine Schalttem- i peratur T erreicht,und steuert so die Maximaltemperatur des . zu erhitzenden Körpers. Die Temperatur des zu erhitzenden i Körpers steigt auf oder nahe T und stabilisiert sich dann

S i

in Abhängigkeit von den thermischen und elektrischen Eigen- ' schäften der Vorrichtung bei einer Temperatur unterhalb von I T oder schxinpt (rrit konstanter oder abnehmender Amplitude) ; um eine durchschnittliche Temperatur unterhalb T , wobei die i M-ixiiTialteTiperatur ebenfalls unterhalb T liegt. Die starren ' PTC-Elemente, die in diesen Vorrichtungen verwendet werden, können zwei oder mehr PTC-Komponenten aufweisen, die parallel' geschaltet sind und die unterschiedliche Schalttemperatüren haben und daher eine stufenweise Modifikation der elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung bewirken, wenn die Temperatur des zu erhitzenden Körpers ansteigt. Die PTC-Komponente mit der höchsten T steuert die Maximaltemperatur des zu erhitzenden Körpers. In all diesen Vorrichtungen ist die durch das PTC-Element erreichte Maxirnaltemperatur dessen Schalttemperatur T oder, wo das PTC-31ement parallel geschaltete PTC-Komponenten mit unterschiedlichen Schalttemperaturen enthält, die höchste dieser Schalttemperaturen.

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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, in denen wenigstens
ein Teil eines PTC-Elements auf gesteuerte Weise auf eine
Temperatur, die höher als T_ liegt, erhitzt wird.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Vorrichtung, die

1) ein PTC-Element (wie vorstehend definiert) mit einer ^! Schalttemperatur (wie vorstehend definiert) T_e,

2) Einrichtungen für die Verbindung des PTC-Elements mit '. einer Stromquelle zwecks Stromfluß durch das Element;

j5) wärmeliefernde Einrichtungen · :

enthält, die nach Verbindung der Vorrichtung mit einer S⁴romquelle für eine Zeit, die ausreicht, da3 wenigstens ein Teil , des PTC-Elements die Temperatur T erreicht hat, ierr: r.-etref- j fenden Toil des PTC-Elements Wärme mit einer Geschwindigkeit , zuführt, die von dem Strom abhängt, der zu einer vorbestimm- ' ten früheren Zeit durch den betreffenden Teil des PTC-Elements geflossen ist und/oder von dem Strom abhängt, der durch einen anderen Teil des PTC-Elements zur gleichen Zeit fließt.' Die Wärmequelle (j5) besteht im allgemeinen aus wenigstens j einem Erhitzer, dessen Wärmeausgangsleistung in jeden gege- I benen Moment von der Größe des Stroms abhängt, der im glei- ' chen Moment durch das PTC-Element fließt, beispielsweise : einer elektrischen Widerstandsheizung, die in Serie mit dem ■ PTC-Element (1) geschaltet ist. Geeignete Widerstandserhitzer schließen solche mit einem gleichförmigen spezifischen V^!ider-j stand des Volumens ein, der im wesentlichen bis zu T und !

^s ϊ darüber hinaus konstant ist, ebenso wie PTC-Elenente mit ei- · ner Schalttemperatur, die höher als die Schalttemperatur T _; des PTC-Elements (1) ist. Wie nachstehend erläutert, gewähr- ' leistet die Verwendung solcher PTC-Elemente als Wderstands- . heizung eine zusätzliche Kontrolle über das Temperatur/Zeitverhalten des PTC-Elemento (1). Vorzugsweise weisen die verwendeten Widerstandsheizungen einen Widerstand auf, der um
nicht mehr als den Faktor 6 über jeden Temperaturabschnitt

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BAD ΟΛΙβίΝΑί.

von 30⁰C zwischen 25°C und T ansteigt. Solche Erhitzer wer- :

den nachfolgend als Erhitzer mit konstanter Watt-Leistung bezeichnet.

Wenn Widerstandsheizungen verwendet werden, ist es natürlich wesentlich, sicherzustellen, daß wenigstens ein Teil der Heizvorrichtung eine Temperatur von größer als T erreicht, während wenigstens ein Teil des PTC-Elements noch bei einer Temperatur von unterhalb T ist. Weiter muß gewährleistet sein, daß wenigstens ein Teil der von dem Erhitzer abgegebenen V/arme, während dieser sich bei einer Temperatur oberhalb von T_ befindet, entweder dem PTC-Element mit einer

zeitlichen Verzögerung (während welcher das PTC-Element die Temperatur T oder darüber erreicht haben kann) zugeführt wird und/oder einem Teil des PTC-Elements zugeführt wird, welches sich bereits bei der Temperatur T oder oberhalb davon befindet. Eine zeitliche Verzögerung kann bewirkt werden, indem ein "thermischer Verzögerer", der eine wesentliche Wärmekapazität aufweist, zwischen PTC-Element und Erhitzer angeordnet wird. Dieser thermische Verzögerer kann ein elektrischer Isolator, z.B. ein geschäumtes Polymer, oder ein Leiter,z.B. ein geschäumtes Polymer sein, welches faserförmige und/oder feinteilige Metallfüllstoffe enthält. Das den Wärmeübergang verzögernde Element kann auch ein Material enthalten, das Wärme Isotherm absorbiert, z.B. indem das Material einer Phasenänderung wie dem Schmelzen unterliegt, vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb von T .

Die Zulieferung von Wärme zu einem Teil des PTC-Elements, das sich bereits bei der Temperatur T oder oberhalb davon befindet, kann durch eine oder eine Kombination verschiedener Maßnahmen, die nachfolgend im einzelnen beschrieben werden, erzielt werden, wodurch sichergestellt wird, daß ein nicht-gleichförmiger Strom durch das PTC-Element fließt.

Die erfindungsgemaße Vorrichtung kann weiter zwecks Vergrößerung der für die Aufheizung des PTC-Elements, nachdem

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dieses T₀ erreicht hat, zur Verfugung stehenden Wärmemenge ein Warmespeicherelement enthalten, das eine wesentliche Wärmekapazität aufweist und das sich in thermischem Kontakt mit dem Erhitzer befindet, jedoch nicht zwischen dem Erhitzer und dem PTC-Element angeordnet ist.

Bevorzugte Vorrichtungen sind Laminate, die eine Vielzahl von Kontaktschichten, von denen jede ein PTC-Element ist, eine elektrische Widerstandsheizung, die in Reihe rr.it den PTC-Element geschaltet ist, ein thermisches Verzögerung- element oder ein Warmespeicherungseler.ent einschließen. Vorzugsweise stellt jede dieser Schichten einen elektrischen Leiter bei Temperaturen dar, die wenigstens T entsprechen. In solchen Laminaten kann jede der Schichten konstante Dicke aufweisen (wobei die Dicke der verschiedenen Schichten gleicty oder unterschiedlich sein kann) oder eine oder mehrere der Schichten vieisen eine ungleichförmige Dicke auf.

Haben die Schichten konstante Dicke und das Laminat weist Elektroden, z.B. in Form einer Metallfolie, eines Anstrichs oder einer Platte rider eines Drahtsiebs auf, wodurch ein gleichförmiger Stromfluß durch alle Teile des PTC-EIenents sichergestellt ist, so muß das Laminat ein den V.'ärr.eübergang verzögerndes Element zwischen PTC-Element und Heizschicht aufweisen. Bevorzugte Laminate dieses Typs umfassen

a) eine erste Elektrodenschicht,

b) eine Heizschicht konstanter Watt-Leistung, vorzugsweise eine aus einem PTC-Material einer Sehalttemperatur von größer als T aufgebauten Schicht,

c) eine thermische Verzögerungsschicht,

d) eine Schicht eines PTC-Elernents mit einen spezifischen Widerstand des Volumens bei Temperaturen unterhalb von T , die kleiner ist als die der Heizschicht (b),und

e) eine zweite Elektrodenschicht.

Weitere bevorzugte Laminate dieses Typs weisen entweder eine elektrisch leitende Wärmespeicherschicht zwischen der ersten

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Elektrodenschicht (a) und der Heizschicht (b) auf, die einen Würfelwiderstand (spezifischen Widerstand des Volumens) bei Temperaturen unterhalb von T hat, der niedriger als der Wür-?

S i

feiwiderstand der Heizschicht (b) ist, oder eine Wärmespeicherschicht, auf der von der Heizschicht (b) entfernteren Seite der ersten Elektrodenschicht (a).

Andererseits ist eine Schicht eines thermischen Verzögerungs4 elements nicht notwendig, wenn eine oder mehrere der PTvC- j und Keizschichten ungleichförmige Dicke aufweisen, oder wenn ■ jede der Schichten gleichförmige Dicke aufweist, jedoch die Elektroden so angeordnet sind, daß ein nicht gleichförmiger ' Stromfluß durch das PTC-Element stattfindet. Bevorzugte Vor- j richtungen dieses Typs weisen eine PTC-3chicht auf, die Sandwich-artig zwischen zwei Heizschichten angeordnet i~t, vorzugsweise in physikalischem Kontakt mit wenigstens einer Heizschicht. Wenn jede der Schichten konstante Dicke ha*:, liegt vorzugsweise eine Streifen- bzw. Bandelektrode vor, die jede der Heizschichten berührt, wobei die Elektroden _: auf der gleichen Seite der Vorrichtung oder in diagonal ge- j

genüberllegenden Ecken angeordnet sind. ■,

Darr.it die Laminate flexibel sine!, ist häufig jede der Schichten aus einen Polyrrerrnaterial aufgebaut. Schichten mit ge- : eigneten spezifischen Widerständen (und gegebenenfalls ?TC- ; Eigenschaften") können (auf bekannte Weise) aus Mischungen ' von Polymeren mit unterschiedlichen Mengen verschiedener leitfähiger Füllstoffe, z.3. Ruß, hergestellt werden. Das Polymere (oder Polymergernische) kann in den unterschiedlichen Schichten gleich oder verschieden sein. Wenn das Polymer kristallin ist, wie im allgemeinen bevorzugt, ist irr. allgemeinen ein vernetztes Polymeres erwünscht. Die Gesamtdicke solcher Laminate kann beispielsweise 0,25 cm oder mehr, z.B. von 0,75 bis 1 cm betragen.

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-T-

Das PTC-Element (1) und jedes der anderen PTC-Elemente, die ' als elektrische Widerstandsheizungen anwesend sind, der ther-< mische Verzögerer oder das Wärmespeicherelement enthalten be-| vorzugt ein organisches Polymer, Insbesondere ein verneintes : thermoplastisches kristallines Polymer, in dem ein feinteiliger elektrisch leitender Füllstoff, vorzugsweise Ruß, dis- j pergiert ist. Das PTC-Element (1) zeigt vorzugsweise wenig- ί stens einen 6-fachen Anstieg des Widerstandes zwischen T und T + 30°C. Geeignete Erhitzer konstanter Watt-Leistung _;

S ^:

können aus ähnlichen Dispersionen mit einem größeren Füll- ;

stoffgehalt zusammengesetzt sein.

Besonders bevorzugte Vorrichtungen sind wärmerückstellfähige j Laminate, die wenigstens eine Polymerschicht, verzugsweise j die Schicht des PTC-Elements (1) enthalten, welche sich beim | E 'hitzen auf eine Temperatur von T oder darüber, etwa τ +

ο '

80 C, auf eine andere Konfiguration zurückstellt. Techniken zur Herstellung wärmerückstellfähiger Polymergegenstände sind bekannt und werden z.B. In US-PS 3.086.242 beschrieben. Typi-; scherweise wird ein geformter Gegenstand auf einer- vernetzten Polymermasse bei einer Temperatur oberhalb seines Kristall- i

schr.elzpunkts deformiert und dann im deformierten Zustand abgekühlt. Beim ungehinderten Wiedererhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallschmelzpunkts stellt sich der Gegenstand auf seine ursprüngliche Form zurück. Wärmerückstellfähige Gegenstände können aus Gemischenvon Polymeren mit elektrisch leitenden Füllstoffen hergestellt werden, wobei diese Gemische leitfähig sind, jedoch kein PTC-Verhalten zeigen. Solche Gegenstände können sich beim Stromdurchgang zurückstellen. Jedoch ist dieses Verfahren in hohem Maße unzuverlässig, weil zu starkes Erhitzen des Gegenstandes sehr schwer vermieden werden kann. PTC-Gegenstände auf der Basis von vernetzten kristallinen Polymeren können wärmerückstellfähig gemacht werden. Jedoch liegt T für solche Gegenstände gerade unterhalb des KristallSchmelzpunkts des Polymeren, so daß ein Erhitzen auf eine Temperatur von wenigstens 1O°C

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oberhalb des Kristallschmelzpunkts für die Rückstellung des _; Artikels erwünscht ist. Solche Gegenstände können daher nicht befriedigend zurückgestellt werden, indem man einfach Strom hindurchfließen läßt. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß diese Schwierigkeit überwunden wird, und hierdurch eine Alternative zu den gegenwärtig angewandten Erhitzungsmethoden zur Verfügung gestellt wird, z.B. zur Verwendung einer offenen Flamme, die in gewissen Situationen unerwünscht ist.

Andere bevorzugte Laminate, die wärmerücksteilfähig sind oder* nicht, weisen eine äußere Schicht eines wärmeaktivierten Klebstoffs auf.

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zum Erhitzen wenigstens eines Teils eines PTC-Elements (wie vorstehend definiert) auf eine Temperatur oberhalb seiner T durch Verbindung einer Stromquelle mit dem PTC-Element einer elektrischen Vorrichtung, wie vorstehend definiert, in der Weise, | daß Strom durch das PTC-Element (1) wenigstens so lange fließt, bis wenigstens ein Teil des Elements die T mperatur T erreicht hat. Vorzugsweise wird das PTC-Slement auf

eine Temperatur von wenigstens 5* insbesondere von wenigstens 10, jedoch nicht mehr als 80°C oberhalb seiner T erhitzt. Wenn das PTC-Element mit der Stromquelle bis nach Erreichung von T verbunden bleibt und daher der Stromfluß im wesentlichen aufgehört hat, hängt die Variation der Temperatur des PTC-Elements mit der Zeit von den elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung und ihrer Umgebung ab. Bevorzugt er-i reicht die Temperatur des PTC-Elements ein Maximum und fällt j dann glatt auf einen konstanten Wert von T_ oder nahe davon ! ab. Es ist Jedoch auch möglich, daß die Temperatur ein Maxi- ^: mum erreicht und dann (mit konstanter oder sich verringernder ■ Amplitude) um einen Mittelwert von T_g oder nahe dabei oszilliert.

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Bei der Ausführung des Verfahrens der Erfindung 'scann ₍ieie für die besondere Vorrichtung geeignete herkömmliche Kner- j giequelle verwendet werden, z.B. eine Snannung von v^nlfer I als kO Volt, z.B. 12 bis 56 Volt von einer Batterie oier j II5 Volt Wechselstrom. Wenn die Vorrichtung wärmerücksteilfähig ist, müssen Kraftquelle und die Widerstände der verschiedenen Schichten natürlich so dimensioniert sein, daß die Energieabgabe ausreicht, um Rückstellung zu bewirken.

Die Würfelwiderstände, Dicken und Gestaltungen der unter- '■ schiedlichen Schichten und die Anordnung der Elektroden haben einen grundlegenden Einfluß auf den bevorzugten Strorv.veg durch die Vorrichtung bei verschiedenen Temperaturen urrl daher die Stromdichte (und daher auf die erzeugte V.'ärr-.e^ an jedem besonderen Punkt bei jeder besonderen Zeit. Die Betriebseigenschaften der Vorrichtung hängen auch von der thermischen Konduktanz und der thermischen Masse der Schich'.en und den Geschwindigkeiten ab, mit denen sie Wärme an die Umgebung verlieren, und schließlich von der verwendeten Energiequelle. Jedoch hat der Fachmann keine Schwierigkeiten un- ! ter Berücksichtigung der Offenbarung, die V rteile der Erfindung zu erzielen. -

Die Erfindung wird in den anliegenden Zeichnungen illustriert, in denen die Figuren 1 bis 12 isometrische Ansichten von laminierten Vorrichtungen gemäß der Erfindung darstellen. Wenn bei der Beschreibung der verschiedenen Figuren auf mögliche Modifikationen hingewiesen wird, können diese Modifikationen,' wo geeignet, auch mit anderen Vorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden. In der Figurenbeschreibung werden eine Heizschicht konstanter V/att-Leistung als ,CVJ-Schicht, das PTC-El erne nt (1) als PTC-Schicht, eine Schicht eines thermischen Verzcgerers als TD-3chicht und eine Schicht eines Wärmespeichers als TS-Sehicht bezeichnet.

In Figur 1 weist das Laminat 10 Elektroden 14 und 15 aus Me-609886/0920

tallgeflecht, eine CW-Schicht 11, eine TD-Schicht I3 und eine PTC-Schicht 12 auf. Der spezifische Widerstand der CV.^;-Schicht 11 ist größer als der der TD-Schicht I3 und PTC-Schicht IP. Der spezifische Widerstand der TD-Schicht I3 ist vorzugsweise gleich oder kleiner als der der PTC-Schicht 12. Die Elektroden können alternativ aus Metallplatten oder Metallanstrich ^: oder einer Vielzahl von Band- oder Drahtelektroden bestehen. ^: Naoh Verbindung der Elektroden 14 und I5 mit einer Kraft- ; quelle 16 fließt ein gleichförmiger Strom zwischen den Elektroden, und Schicht 11 erhitzt sich schneller als Schicht 13 oder Schicht 12. Wenn die Kontaktfläche der Schichten 12 und 13 T erreicht haben, wird der Strom abgeschaltet {d.h. auf ein sehr niedriges Maß reduziert), da sich jedoch Schicht 11 bei einer Temperatur oberhalb von T befindet, wird der PTC-Schicht 12 Wärme in einer Geschwindigkeit zugeführt, die j ihrerseits von dem Strom abhängt, der in Abhängigkeit von den Eigenschaften der TD-Schicht zu einer etwas früheren Zeit durch das Laminat geflossen war. (Selbstverständlich ; ist hier der Ausdruck "abhängig" in einem breiten Sinn zu verstehen und bedeutet nicht, daß eine direkte oder einfache Beziehung zwischen den voneinander abhängigen Größen besteht. Die Maximaltemperatur, auf die die PTC-Schicht 12 erhitzt wird, liegt zwischen T„ und der Maximaltemperatur der CW-Schicht 11.

In einer Abänderung -ler Vorrichtung bestehen eine oder beide der CS-Schichten 11 und TL-Schicht I3 aus einem PTC-Material j mit einer Schalttemperatur, die größer als T der Schicht 12 ! ist. Bei dieser Modifikation begrenzt die Schalttemperatur <. der Schicht 11 oder 13 die durch die PTC-Schicht 12 erreichte. Maximaltemperatur.

In Figur 2 weist das Laminat I7 eine obere CW-Schicht und eine untere PTC-Schicht sowie eine dazwischenliegende TD-Schicht auf, die einen elektrischen Isolator bildet. Die Elektroden 21, 22, 23 und 24 verbinden die CW- und PTC-Schich-

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ten in Reihe mit einer Energiequelle 25. D:ese Yorri':h*;;::£ arbeitet auf die gleiche Weise wie in Figur 1 gezeigt.

In Figur 3 enthält das Laminat 26 Elektroden 30 und Jl, eine GW-Schicht 27, eine TD-Schicht 29 und eine PTC-Schieht ?S, wie in Figur 1, sowie zusätzlich eine elektrisch leitende T3-Schicht 32, die eine hohe thermische Leitfähigkeit, und thermische Masse hat. Diese Vorrichtung arbeitet auf die gleiche Weise wie die von Figur 1 mit der Ausnahme, da3 die TS-Schicht 32 die von der PTC-Schioht 29 erreichte vax:::-i 1 - _: temperatur und/oder die Zeit, während der die PTO-Schio.h'. 2\* wesentlich oberhalb von T bleibt, vercröSert. Fei einer- Ab-

Wandlung dieser Verrichtung besteht die T3-3chicht 3Γ- aus einem Isolator und eine Elektrode 30 ist zwischen den Schichten 27 und 32 angeordnet. Die TS-Schicht 32 kann ein kristallines Polymer sein, dessen Schmelzpunkt zwischen der TS-Schicht 28 und der von Schicht 27 erreichten y.axirr.altemperatur liegt. Das Schmelzen des Polymeren in Schicht 32 speichert Wärme, die nach dem Abschalten des Stroms freigesetzt wird. !

In Figur 4 zeigt das Laminat 33 CW-Schichten 34 und 35, eine ι TD-Schicht 37 und eine PTC-Schicht 36 sowie Streifen- bzw. j Bandelektroden 38 und 39, die mit einer Energiequelle ver- \ bunden sind. Der spezifische V/iderstand der CW-Schicht \K ist höher als der der CW-Sehicht 35 und beide sind wesentlich niedriger als der der TD-Schicht 37 und der PTC-Schicht 36. Der spezifische Widerstand der TD-Schicht 3? ist vorzugsweise gleich oder kleiner als der der PTC-Schicht 36. Nach der Verbindung der Elektroden mit der Kraftquelle verläuft ■ der Stromweg vorwie-gend in der Ebene der Schichten 34 und 35 und senkrecht zu der Ebene der Schichten 36 und 37· Die Schicht J>k erhitzt sich schneller als jede der anderen Schichten. Die PTC-Schicht wird daher auf eine Temperatur von größer als T erhitzt, wie das in den Vorrichtungen der Figuren 1 bis 3 der Fall ist.

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Figur 5 ist ähnlich Figur 4 bis auf das Laminat, welches eine zweite TD-Schicht 41 enthält und infolgedessen die CW-Schichten y\ und 35 den gleichen spezifischen Widerstand haben lcön-i

nen. ;

In einer Abwandlung des Laminats von Figur 5 sind die Band- : elektroden 38 und 39 durch Elektroden aus Drahtgeflecht über j die Stirnseiten der Schichten J>k und 35 ersetzt, und der spezifische Widerstand jeder der Schichten 34 und 35 ist größer . als der der anderen Schichten, da in allen Schichten der j Strom senkrecht zur Ebene der Schicht verläuft. !

In Figur 6 weist das Laminat 42 CW-Schichten 43 und 44, PTC- ; Schichten 45 und 46 und eine TD-Schicht 47 auf. Die PTC-Schicht 45 hat eine T₃, die höher als die der PTC-Schicht 46 . liegt. Elektroden 48 und 49 sind diagonal in den Schichten j 43 und 44 angeordnet. Nach Stromzufuhr mittels der Quelle 50 erhitzt sich zuerst Schicht 43, bis Schicht 45 ihre T er- :

S j

reicht hat, wenn der Strom abgeschaltet wird. Die in den j

i Schichten 43 und 45 gespeicherte Wärme wird auf die PTC- I

Schichten 46 übertragen, die eine Temperatur zwischen ihrer

eigenen T und der T von Schicht 45 erreichen, bevor sie ^; s s

einen stationären Zustand bei etwa ihrer eigenen T errei- j

S ,

chen. j

In Abwandlungen der Laminate gemäß Figuren 1 bis 6 können

eine oder beide der gezeigten monolytischen Elektroden durch · eine Vielzahl von Elektroden ersetzt werden. Jedoch können, j wie weiter oben erwähnt und nachstehend beschrieben, die Anordnung, der Abstand und die Zahl der Elektroden die Eigen- j schäften des Laminats ändern. '

In Figuren 7 und 8 weisen die Laminate 51 und 58 CW-Schichten 52 und 53, eine TD-Schicht 54 sowie eine PTC-Schicht 55 auf.
Die Würfelwiderstände der CW-Schlehten 52 und 53 sind gleich. Streifen- bzw. Bandelektroden 56 sind in die Schichten 52 und

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53 eingebettet. Nach Verbindung mit einer Stromquelle erhitzt sich Schicht 52 schneller als die anderen Schichten, in Figur 7, weil die Elektroden weiter entfernt als in oc-hlcLt sind, und in Figur 8, weil Schicht 52 dünner als Schacht 53 ist. j

In Figur 9 enthält das Laminat 59 CW-Schlchten 6.'; und c! , eine PTC-Schicht 62 und Bandelektroden 63 und 6h. Die spezifischen Widerstände der CW-Schichten 60 und 61 sind g*eich. Nach Verbindung der Elektroden mit einer Energiequelle '5 flie3t ein nicht gleichförmiger Strom zwischen den Elektroden, und die Kantenteile des Laminats erhitzen sich zuerst. Wenn die Kantenteile der PTC-Schicht 62 T erreichen, wird der Strom gezwungen,durch den mittleren Teil der Schicht 62 zu fließen, dessen Breite sich verringert. Während diese". Strorr.flusses erhitzt die in den Schichten 60 und 61 erzeigte Wärire die sich allmählich verbreiternde Kante der PTC-." hicht 62 auf Temperaturen oberhalb von T .

In Abhandlungen des Laminats von Figur 9 können elr.e ~·1 -r beide CW_TSehichten PTC-Schichten mit einer T oberhalb der von Schicht 62 sein. Das Laminat kann auch durch eine- TD- oder TS-Sohicht, wie vorstehend beschrieben, modifizier¹: ' sein.

In Figur 10 enthält das Laminat 66 CW-Schichten 6? und -'.% eine PTC-Schicht o9 und Streifenelektroden 70 und ??. ;I-ch Verbindung der Elektroden mit einer Energiequelle 7& "He3t der Strom anfänglich direkt zwischen den Elektroden ur.d erhitzt die linke Seite des Laminats. Wenn jedoch der bereich der linken Kante der PTC-Schicht 69 T erreicht hat, wird

der Stro.-fi zunehmend in einen Eingsheru-nv.-eg ge zwirnen, d-?. mehr und mehr der PTC-Schicht abgeschaltet v;ird. Die in der. Schichten 6? und 68 erzeugte Wärme heizt die abgeschalteten Teile der Schicht 69 auf eine Temperatur oberhalb von T auf.

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In Figur 11 enthält das Laminat 73 CW-Schichten Jk und "5, deren Dicke von links nach rechts ansteigt, eine PTC-Schicht 76 und D"C.htg-eflechtelektroden 77 und 78, die rr.it einer Energiequelle 79 verbunden sind. Wegen der geringeren Dicke der Schichten 74 und 75 an der linken Kante erhitzt sich diese rascher, und die PTC-Schicht schaltet sich progressiv von ■ links nach rechts in einer ähnlichen Weise wie das Laminat von Figur 10 ab. I

In Figur 12 besteht das Laminat 80 aus CW-3ehichten 81 und 82, einer PTC-Schicht 83, die in der Mitte dicker als an den Seiren ist, und Drahtgeflechtelektroden 84 und 85. Nach Verbindung der Elektroden mit einer Energiequelle 86 erhitzen sich die K.ntenbereiche der PTC-Schicht 83 rascher als der ; Mittelteil. Die Seltenteile erreichen daher T und schalten i sich zuerst ab. !

In Abwandlungen des Laminats von Figur 12 ist die PTC-Schicht; an den Seiten dicker als in der Mitte oder keilförmig oder j hat eine Dicke, die sich gleichmäßig oder ungleichmäßig in der einen oder anderen Weise ändert.

In Abwandlungen des Laminats der Figuren 11 und 12 ändern j sich die Dicken der CW-Schichten im gleichen oder unter- I schiedlichen Ausmaß, gleichförmig oder ungleichförmig. i

In Abwandlungen der Laminate der Figuren 10 bis 12 sind eine 1 oder beide der CW-Schichten PTC-Schlchten mit einer T„ größer! als die der dazwischenliegenden PTC-Schicht.

Die in den Figuren dargestellten Laminate haben eine ebene ; Konfiguration zur Erleichterung der Darstellung, sie können ; jedoch selbstverständlich auch eine nicht planare Konfigura- _; tion, z.B. Rohrform, aufweisen, die regelmäßig oder unregel- < mäßig ist.

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Wie bereits erwähnt, sind die Laminate gemäß der Erfindung besonders nützlich, wenn sie wärmerückstellfähige Gegenstände darstellen und die durch das PTC-Element (1) erreichten Temperaturen Rückstellung bewirken. Die niedrigere stationäre . Temperatur kann beispielsweise nützlich sein, urr den ?lu3 eines Kiebstoffüberzugs auf dem wärmerückstellfähigen O^£-f.en- '^: stand nach dessen Rückstellung zu fördern. Die Vorrichtungen können auch in anderen Situationen angewendet werden, in denen es nützlich ist, eine anfängliche hohe Temperatur zu erze^ en und anschlieSend eine niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten, z.B. zur Initiierung einer Reaktion, wie der Zersetzung eines Peroxyds, und zu deren· anschließender Aufrechterhai tung. Die Verrichtungen sind besonders wertvoll in Form von wärmerückstellfähigen Gegenständen, wie sie in der Anmel-

dung P 25 43 338.9 beschrieben sind. I

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können herkömmliche Elektroden aufweisen, jedoch wird insbesondere bei wärmerückstellfähigen Vorrichtungen bevorzugt für wenigstens eine

Elektrode eine rohrförmige Elektrode gemäß Anmeldung '

(entsprechend US-Anmeldung 60!.549) verwendet. Für .

die Zwecke der Erfindung können herkömmliche PTC-Massen ver- :

wendet werden, geeignet sind jedoch auch Massen gemäß An- !

meldung P 25 43 346.9 und den Anmeldungen ■

(entsprechend US-Anmeldungen 601.424 und

6OI.55O). Weitere Hinweise über PTC-Massen und ihre Ver- ! wendung ergeben sich aus der Anmeldung P 25 ^3 314.9. Die j Offenbarung der vorstehend genannten Anmeldungen wird hiermit in die vorliegende Anmeldung einbezogen. ;

Die Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele beschrieben, in denen Prozentangaben sich auf das Gewicht be- '< ziehen.

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Beispiel 1 !

Es wird ein Laminat hergestellt, das in allgemeiner Form in ■ Figur 7 beschrieben ist. Die CW-Schichten 52 und 53 sind je-j wells 0,12 cm dick und bestehen aus einem Gemisch von 40 % \ Ruß und 60 % Äthylen/Vinylacetat-Copolymer ι

(Elvax 260). Die TD-Schicht 54 ist 0,24 cm dick und besteht j aus einer Mischung aus 20 % Ruß und 80 % ei- j

nes Gemischs aus annähernd gleichen Teilen kristallinem Polyi propylen und einem Äthylenpropylenkautschuk (Uniroyal TPR- j 2000). Die PTC-Schicht 55 hat eine T von etwa 120°C, eine | Dicke von 0,12 cm und ist aus einem Gemisch aus 40 % Ruß (Sterling SRP-NS) und 60 % Polyäthylen hoher Dichte (Marlex j 6ΟΟ3) zusammengesetzt. Die Elektroden stehen in einem Abstand von 2,54 cm in Schicht 52 und von 1,27 cm in Schicht 53. Die _l Elektroden werden an eine 36 Volt-Gleichstromquelle angeschlossen. Nach etva 60 Sekunden fällt der Strom scharf ab und die TemperaturenUer äußeren Oberfläche der Schichten 52 und 53 betragen etwa I50 bzw. 110 C. Nach 120 Sekunden haben beide Oberflächen etwa eine Temperatur von 120°C.

Beispiel 2 j

Hergestellt wird das allgemein in Figur 9 gezeigte Laminat j in einer Breite von 2,54 cm. Die CW-Schichten 60 und 61 sind ^; jeweils 0,1 cm dick und bestehen aus einem leitenden Silikonkautschuk (Union Carbide K 1516). Die PTC-Sohlcht 62 hat eine T von etwa 120⁰C, 1st 0,025 cm dick und besteht aus einem j

s i

Gemisch aus 40 % Ruß (Sterling SRF-NS) und 60 % Polyäthylen ] hoher Dichte (Marlex 6OOj5). Das Laminat wird ohne Isolierung j auf einen Tisch gelegt, worauf die Elektroden mit einer j 36 Volt-Gleichstromquelle verbunden werden. Jede Oberfläche ; erreicht eine Maxirr.altemperatur von etwa I32 C nach etwa 12 · Sekunden. Nach etwa 30 Sekunden fällt die Temperatur auf etwa 1OO°C ab und bleibt konstant. Dann vjerden auf beide Oberflächen des Laminats eine Isolierung aufgebracht und die

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Elektroden nacheinander mit Gleichstromquellen vor· 12, .^J·+ und 36 Volt verbunden. Die Oberflächen des Laminats erreichen Maximaltemperaturen von I38, 169 und 202°C und fallen auf eine Stationärtemperatur von etwa HO⁰C ab.

Beispiel 3

Hergestellt wird ein Laminat, wie es allgemein in Figur 1 _; beschrieben wurde, unter Verwendung einer Kupferfolie für die Elektroden 14 und I5. Jede der Schichten int 0,15 cm dick. Die CW-Schicht 11 besteht aus einer Mischung ·. on ?5 % , Ruß , 37,5 % eines Äthylen-Propyl-nOien-modi- ■

fizierten Kautschuks (EPDM; "Kordel" 1440) und 37,5 % eines i leitfähigen Silikonkautschuks ("Silastic" 350). Die TD-Schicht 13 setzt sich aus einer M-schung aas 35 % Ru3 ^:

und 65 % des gleichen EPDM-K'sutschuKS zusammen. Die PTC-Schicht 12 besteht aus eir.er Mischung aus 45 % Ruß (Sterling SRP-NS) und 55 % Polyäthylen hoher Dichte (Marlex 6003) und hat eine T von etwa 120⁰C. Die Elektroden

werden an eine Wechselstromquelle von 25 Volt angeschlossen. ; Die Bodenfläche des Laminats erreicht in etwa 4 Minuten eine Temperatur von etwa 14O°C, die dann auf eine Stationärtemperajtur von etwa 115°C abfällt. i

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Claims

Patent an Sprüche

f1) Elektrische Vorrichtung, enthaltend

^v~—''(I) ein PTC-Element mit einer Schalttemperatur T und

(2) Einrichtungen zur Verbindung des PTC-Eleir.ents (1) mit einer Stromquelle, gekennzeichnet durch

(3) Wärmezufuhreinrichtungen, die nach Verbindung der Vorrichtung mit einer Stromquelle während einer solchen Zeit, daß wenigstens ein Teil des PTC-Elenents die Temperatur T erreicht hat, diesem Teil des PTC-

Elements Wärme in einem Ausmaß liefert, das abhängt

a) von der Größe des Stroms, der bei einer vorbestimmten früheren Zelt durch diesen Teil des FTC-Elements (1) geflossen ist und/oder

b) von der Größe des Stroms, der zur gleichen Zeit durch einen anderen Teil des PTC-Elernents flie3t.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr (5) wenigstens eine elektrische Viiderstandsheizung mit konstanter Watt-Leistung enthält, die in Reihe mit dem PTC-Element (1) geschaltet ist.
3) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizung aus einem PTC-Element mit einer Schalttemperatur besteht, die höher als die Schaltterr.peratur T des PTC-Elements (1) ist.
4) Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zusätzlich wenigstens ein den Wärmeübergang verzögerndes Element besitzt, das zwischen dem PTC-Element (1) und der Widerstandsheizung angeordnet ist.
5) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 bin 4, aadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmespeicher-« "L ement vorhanden

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ist, das in thermischem Kontakt mit der Heizung steh" und nicht zwischen Heizung und PTC-Element (1) angeordnet ist.
6) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Kontaktschichten, von denen jede S hicht ein PTC-Element (1), eine elektrische Widerstandsheizung, ein den Wärmeübergang verzögerndes Element oder ein Wärme-* speicherelement ist.
7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schichten eine konstante Dicke aufweist, wobei die Dicke der einzelnen Schichten gleich oder verschieden sein kann.
8) Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch wenig- ^; stens ein den Wärmeübergang verzögerndes Element und Elektroden, die so plaziert sind, daß nach Verbindung mit einer Stromquelle alle Teile des PTC-Eleir.ents (1) ; mit der gleichen Geschwindigkeit aufgeheizt werden.
9} Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch S

a) eine erste Elektrodenschicht j

b) eine Heizschicht konstanter Watt-Leistung,

c) eine den Wärmeübergang verzögernde Schicht, i

d) ein PTC-Element mit einem Widerstand bei Temperaturen ; unterhalb von T , der kleiner ist als der Widerstand der Heizschicht (b) und i

e) eine" zweite Elektrodenschicht. [
10) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schichten eine ungleichmäßige Dicke ■ aufweist.
11) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine PTC-Schicht Sandwich-artig von zwei Heizschichten eingeschlossen ist.

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12) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet-, .laß getrennte Elektroden derart angeordnet sind, daß nach. Verbindung mit einer Stromquelle verschiedene Teile des PTC-Elements unterschiedlich erhitzt werden.
13) Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß j eine FTC-Sohicht Sandwich-artig zwischen zwei Heizschich-j ten angeordnet ist. j
14) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis Ij5, dadurch ge-j kennzeichnet, daß Jede d?r elektrisch leitenden Schichten ein organisches Polymeres mit einem darin feinverteilten | elektrisch leitenden Füllstoff enthält. j
15) Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ; sie wärmerückstellfähig ist.

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