DE20319024U1

DE20319024U1 - Flächenheizelement

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Publication number: DE20319024U1
Application number: DE20319024U
Authority: DE
Original assignee: Econ Exp & Consulting Group Gm; ECON EXPORT and CONSULTING GROUP GmbH
Current assignee: Econ Exp & Consulting Group Gm; ECON EXPORT and CONSULTING GROUP GmbH
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2013-12-06

Abstract

Flächenheizelement als Widerstandsheizung mit einem mehrschichtigen Aufbau, welcher zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an das Trägermaterial des Flächenheizelementes abgibt und wobei das Trägermaterial eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen ist, das über dem elektrischen Leiter eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen aufgetragen ist und das die Isolierschicht bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flächenheizelement, bei in dessen Herstellung niedrige Prozesstemperaturen zur Anwendung kommen, sowie die nach diesem Verfahren hergestellten Flächenheizelemente.
Aus der Literatur sind mehrere Flächenheizelemente bekannt. So beschreibt die US 4,203,198 ein Flächenheizelement, bei dem eine dünne Metallfolie zwischen zwei Lagen von Glasfasermatten eingebettet ist und die gesamte Sandwich-Anordnung mit einem temperaturbeständigen Bindemittel fixiert wird. Das Bindemittel enthält kolloidal eingebundene Siliziumteilchen. Die Glasfaserlagen dienen dabei als Grundfläche, als Deckfläche und als Isolationsschicht, die Metallfolie bildet das Widerstandsheizelement.
Die DE 21 51 626 nennt ein starres, aufheizbares Flächenheizelement, welches aus einer dünnen, wärmebeständigen, starren, die Wärme abgebenden Schicht besteht, die über einen elektrisch leitenden Film mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen verfügt und mit einer dickeren, elektrisch isolierenden, starren Schicht verbunden ist. Zur Bildung des elektrisch leitfähigen Films, wird auf die dünne, die Wärme abgebende Schicht eine wässrige Kunststoffdispersion aufgebracht, welche elektrisch leitende Partikelchen, wie Edelmetalle, Kohlenstoff, Ruß oder Graphit und zusätzlich Kalium- oder Natriumsilikat enthält. Nach der Trocknung der wässrigen Dispersion bei Temperaturen von etwa 90 °C wird eine dickere, wärmeisolierende Schicht aus Polyurethan -Hartschaum aufgebracht, indem das schaumbildende Reaktionsgemisch direkt mit dem elektrisch leitenden Film in Kontakt tritt.
Aus der DE 196 38 640 geht ein Flächenheizelement für Cerankochfelder hervor. Dabei wird aus einer Metallfolie der Heizleiter herausgetrennt, beispielsweise durch Ausstanzen oder Ausätzen. Diese Folie wird im Abstand zwischen der Isolationsgrundplatte und dem Ceranfeld aufgehängt, wobei Temperaturdehnungseffekte, welche bei Temperaturen von bis zu 1200 C auftreten, durch Durchhängen im Luftraum ausgeglichen werden können.
Ebenfall eine Heizfolie mit einem Heizleiterbahnmuster verwendet die DE 100 25 539 . Hierbei wird jedoch zwischen der Heizfolie und der zu erhitzenden Fläche eine keramikgefüllte Polymerschicht angeordnet. Die mit der Heizfolie verbundene Polymerschicht wird mit einem Isolationsformkörper gegen die zu beheizende Fläche gedrückt oder mit dieser Fläche verklebt. Die keramikgefüllte Polymerschicht besitzt einen sehr kleinen Wärmeübergangswiderstand, verbunden mit einer hohen elektrischen Isolationsfähigkeit. Die Polymerschicht ist bis etwa 150 °C stabil. Diese Heizfläche wird bevorzugt außen an einem wasserbefüllten Behälter angebracht. Durch die gut wärmeleitende Verbindung mit der zu beheizenden Fläche bleibt die Heizeinrichtung auf vergleichsweise niedrigen Temperaturen.
In der DE 27 19 174 wird ein beheizbarer Außenspiegel für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei dem eine Widerstandsschicht aus Kohle-Kunstharz auf eine Isolierschicht aufgedruckt wird und mit einer weiteren Isolierschicht aus Epoxidharz oder Silikonkautschuk abgedeckt wird. Die Schichten werden im Siebdruckverfahren aufgedruckt, aufgespritzt oder aufgestrichen. Die Stromzuführungselektroden bestehen aus einer lötbaren Leitpaste.
Die Verwendung von Carbon-Leitlacken und die Bedruckung mit Hilfe des Siebdruckverfahrens wird in „Leiterplatte 86, Band 1, Leiterplattenfertigung heute", Karlsruhe 5/6 Mai 1986, VDI/VDE Gesellschaft Feinwerktechnik, Düsseldorf, Seiten 97 bis 102 beschrieben. In dieser Druckschrift werden Leiter aus Carbon-Leitlack beschrieben, die auf Kunststofffolien, etwa Polyimidfolien aufgetragen werden. Derartige Leiterbahnfolien können durch Verkleben mit dem zu beheizenden Bauteil verbunden werden.
Weiters beschreibt die DE 35 25 488 eine Heizeinrichtung für die Eisfreihaltung des Flächenreflektors einer Antenne, wobei die Verwendung von Graphitlack als Heizleiter, welche mit einem Druckverfahren oder durch Aufspritzen mittels einer Schablone aufgebracht werden, beschrieben wird. Die Heizleistung liegt hier bei etwa 200 bis 400 W/m². Diese Flächenleistung reicht jedoch für Anwendungen als Warmhaltefläche, sowie zum Temperieren oder Beheizen eines Behälters nicht aus, da hier Heizleistungen von 0,1 bis 30 W/cm² benötigt werden.
Aus der Druckschriftensammlung der Patentämter sind noch zahlreiche Publikationen über Heizungseinrichtungen bekannt, die mit elektrischem Strom betrieben werden. Sie lassen sich je nach Temperaturniveau im Anwendungsbereich in Hochtemperatur- und in Niedertemperaturanwendungen unterschieden. Für Hochtemperaturanwendungen, welche Temperaturen von über 300 °C betrifft, sind sehr temperaturbeständige Werkstoffe erforderlich. Diese Vorrichtungen können für die Lufterhitzung, für die Dampferzeugung, für Toaster, Löteinrichtungen, Bügelmaschinen und dergleichen verwendet werden. Bei den Niedrigtemperaturheizelementen finden sich Anwendungen im Bereich der Flächentemperierung, wie Warmhalteplatten, Auftaueinrichtungen, Aquariumsheizungen, Spiegel- und Glasheizungen, Warmhalteeinrichtungen für gasförmige und flüssige Medien und ähnliche.
Sofern die zu erhitzende Fläche metallisch ist, ist zwischen dieser Fläche und dem Heizungselement üblicherweise eine Isolationsschicht angeordnet. Diese kann aus Email, aus einer Plasmaschicht, aus Metalloxid, aus Metallnitrit, aus isolierendem Klebstoff oder aus einer Kunststoffschicht, etwa einer Kunststoffolie bestehen.
Niedrigtemperaturelemente, wie sie beispielsweise für Warmhalteplatten verwendet werden, sind bevorzugt aus heizbaren Keramiken, aus mit Widerstandsmaterialien beschichteten Kunststoffolien, oder aus Dickschichtelementen mit Beschichtungen, die im Siebdruckverfahren oder durch einen Sprühprozess aufgebracht werden, hergestellt.
Heizbare Keramiken weisen den Nachteil auf, dass die mechanische Belastbarkeit im allgemeinen sehr gering, dafür aber ihre Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv ist. Widerstandsheizungselemente, welche durch Ätzen aus einer Metallfolie und anschließendem kleben auf eine Kunststofffolie oder durch Aufdrucken eines leitfähigen Materials auf eine Kunststofffolie hergestellt werden, haben den großen Nachteil, dass eine blasenfreie Verklebung des solcherart hergestellten Heizelementes mit dem Träger erforderlich ist. Sobald Verklebungsfehler vorhanden sind oder es zu alterungsbedingten Ablösungen oder Blasenbildungen kommt, entstehen gasgefüllte Bereiche mit schlechter Wärmeübertragung und führen in weiterer Folge zu einer Überlastung des Heizelementes an benachbarten Stellen. Bei Überschreitung eines kritischen Wertes kommt es hier zu einer Unterbrechung im Stromleiter und das Heizelement fällt zur Gänze aus.
Heizungselemente, die in Dickschichttechnik hergestellt werden und bei denen das Dielektrikum in Sprühtechnik oder durch einen Druckprozess hergestellt wird, haben zwar den Vorteil der direkten und dauerhaften Verbindung mit der Trägeroberfläche, sie erfordern aber üblicherweise Brenntemperaturen über 300 °C. Dies hat zur Folge, dass sich neben dem Sinterprozess der Dickschichtpasten auch die Trägeroberfläche optisch verändert. Bei diesen Elementen sind daher zusätzliche Oberflächenbehandlungen, wie Schleifen und Polieren erforderlich. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass auf den meisten Kunststoffen und in einigen Fällen auch auf Aluminium und anderen Nichteisenmetallen ein Bedrucken nicht möglich ist.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Flächenheizelement mit aufgedrucktem oder aufgesprühtem Dielektrikum zu schaffen, mit dem ein dauerhaftes, zuverlässiges Heizungselement auf einer Trägersubstanz hergestellt werden kann, bei dem es zu keinen die Lebensdauer des Heizelementes beeinträchtigenden Überhitzungsproblemen durch Blasenbildung kommen kann, wobei im Herstellungsverfahren nur Temperaturen unterhalb von 300 °C zur Anwendung kommen. Weiters soll das Flächenheizelement auf beliebigen Trägersubstanzen aufgebaut sein und keine Nachbearbeitung, wie schleifen oder polieren erfordern.
Diese Aufgabe wird durch die technischen Merkmale gelöst, welche im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 wiedergegeben werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen oder Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung eines Isolationslackes oder eines im Bereich der Isolation von elektrischen Bauteilen, wie Wicklungen, Kondensatoren, elektrischen Vergussmassen, welche durch Sprühtechniken oder durch Drucktechniken wie Siebdruck oder Tampondruck aufgebracht werden, verwendeten Lackes lassen sich die für eine Widerstandsschicht erforderlichen Isolationsschichten herstellen. Als besonders vorteilhaft hat sich hier die Verwendung von aushärtbaren Lötstopplacken mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu 300 °C erwiesen. Durch die blasenfreie bzw. blasenarme Aufbringung auf dem metallischen Träger lassen sich die für die jeweiligen Heizspannungen erforderlichen Isolationsfestigkeiten durch Einfach- oder Mehrfachdruck oder durch Auftrag mittels Sprühtechnik erzielen.
Auf diese Isolierschicht wird eine leitfähige Paste mit einem definierten Widerstandswert aufgetragen. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Auftragung von Carbonleitlacken, die einen spezifischen Widerstand im Bereich von 1 bis 1000 Ohm/Flächeneinheit haben, sowie temperaturbeständig und widerstandsstabil im benötigten Temperaturbereich sind.
Entsprechend der erforderlichen beheizten Flächen und dem daraus resultierenden Leistungs- und Widerstandswert besteht die bedruckte Fläche aus einer vollflächigen Ausbildung oder einer Aneinanderreihung von einzelnen Leiterbahnzügen, welche beispielsweise mäanderförmig oder spiralförmig, aber auch aus abwechselnd dicken und dünneren Leiterbahnen bestehen kann. Der konkreten Ausgestaltung sind hier keine Grenzen gesetzt.
Die Aushärtung der einzelnen Pasten erfolgt hier bei Temperaturen von maximal 300°C. Durch diese Beschränkung der Aushärtungstemperatur kommt es zu keinen sichtbaren Veränderungen der metallischen Trägersubstanz.
Für die abschließende Schutzbedeckung des Heizungselementes können dieselben Isolationslacke verwendet werden, wodurch eine vollständige Umschließung der elektrisch leitenden Struktur erzielt wird.
In dieser Schutzbedeckung werden jene Bereiche freigehalten, an denen später die Stromanschlüsse erfolgen sollen. Der elektrische Anschluss kann beispielsweise über Steckfahnen erfolgen, die direkt auf das elektrisch leitende Heizelement mit Leitkleber aufgeklebt sind. Eine andere Möglichkeit ist beispielsweise die Aufbringung von Leitlacken auf Silber- oder Kupferbasis oder anderen lötbaren Metallen im Bereich der Anschlussstellen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Befestigung von Steckfahnen oder Litzen am Heizungselement durch geeignete Löt- oder Schweißprozesse. Eine alternative Möglichkeit stellt die Verwendung von eigens ausgebildeten Flächendruckkontakten mit einer elektrisch gut leitenden und damit einen sicheren Stromübergang gewährleistenden Oberfläche dar.
Für die Regelung der Heizleistung sind aus dem Stand der Technik bekannte NTC und PTC Elemente, Pastenaufdrucke oder Anschlussleitungen, wie auch mechanische Thermostate oder elektronische Regelungen möglich.
Durch die direkte Aufbringung der temperaturbeständigen Isolationsschicht auf den metallischen Träger und die Verwendung von elektrischen Widerstandspasten wie etwa Carbonleitlacke, sind kurzzeitige Leistungsdichten bis zu 30 W/cm² bei ausreichender Energieabfuhr möglich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können aber auch elektrisch isolierende Materialien, wie Kunststoffe, Metalloxide und Metallnitrite bedruckt werden. Hierbei entfällt ausgrund der selbstisolierenden Eigenschaft des Trägermaterials die Notwendigkeit der Aufbringung einer Grundisolationsschicht.
Ein für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugter Carbonleitlack besteht aus Kohlenstaub und Graphit mit Korngrößen zwischen 5 und 7 μm. Der Festkörperanteil liegt bevorzugt bei 67% und das spezifische Gewicht bei 1,15. Es handelt sich dabei um ein ein- oder zweikomponentiges, thermisch aushärtendes Harzgemisch.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Flächenheizelement kann für Spannungen bis 400V Wechselspannung oder 600V Gleichspannung verwendet werden. Der bevorzugte Einsatzbereich liegt jedoch bei 12 bis 24 V Gleichspannung oder Wechselspannung, sowie bei 230 bis 400 V Wechselspannung.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Flächenheizelementes liegen darin, dass beliebig geformte geometrische Trägermaterialien eingesetzt werden können, welche ihrerseits aus beliebigem Material bestehen können. So können sowohl elektrisch leitende Trägermaterialien, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl verwendet werden, als auch solche aus nichtleitendem Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder auch elektrisch leitende Träger, auf welche in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es zu keinem Ablösen des wärmeerzeugenden elektrischen Leiters und damit zu keinen die Lebensdauer des Heizelementes beeinträchtigenden Überhitzungsproblemen durch Blasenbildung kommen kann. Weiters sind aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen im Herstellungsverfahren keine Nachbearbeitungen, wie schleifen oder polieren erforderlich.
Bei Einhaltung der elektrischen Sicherheitsvorschriften hinsichtlich der Berührungsspannung kann unter Umständen auch die äußere Isolier- und Abdeckschicht entfallen, ohne dass dadurch eine Gefahr für die Haltbarkeit der elektrisch leitenden Schicht auftritt.
Das Hauptanwendungsgebiet aus heutiger Sicht sind Anwendungen im Bereich bis etwa 100 °C und geringen Flächenbelastungen.
Das erfindungsgemäße Flächenheizelement wird in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es ist jedoch ausdrücklich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Darin zeigt 1 ein Trägermaterial 1, auf welches eine Isolierschicht 2, zwei nebeneinander liegende Leiterbahnen 3 und eine abdeckende Isolierschicht 4 in aufeinander folgenden Verfahrensschritten aufgebracht sind.
2 zeigt ein Trägermaterial 1, auf welches eine Isolierschicht 2, zwei nebeneinander liegende Leiterbahnen 3, eine weitere Isolationsschicht 5, ein vollflächiger Leiter 6 und eine abdeckende Isolierschicht 4 in aufeinander folgenden Verfahrensschritten aufgebracht sind.
In 3 ist eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Flächenheizelement abgebildet, wobei die durch die Isolierschicht 4 verdeckten Leiterbahnen 3 mit durchbrochenen Linien angedeutet sind. Für den elektrischen Anschluss werden Kontaktflächen 7 beim Ausbringen der Isolierschicht 4 frei gelassen.
4 zeigt das Flächenheizelement aus 3 in Schrägansicht, wobei auf den Kontaktflächen 7 Stromanschlüsse 8 erkennbar sind.

Claims

Flächenheizelement als Widerstandsheizung mit einem mehrschichtigen Aufbau, welcher zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an das Trägermaterial des Flächenheizelementes abgibt und wobei das Trägermaterial eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen ist, das über dem elektrischen Leiter eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen aufgetragen ist und das die Isolierschicht bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet ist.
Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder aus einem elektrisch leitenden Träger besteht, auf welchen in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde.
Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial selbst aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Stahl besteht und dass zwischen dem Trägermaterial und dem wärmeerzeugenden elektrischen Leiter eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis auf dem Trägermaterial aufgebracht ist, welche bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wurde.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter eine leitfähige Paste aus einem Carbonleitlack ist, welcher einen Festkörpergehalt von mehr als 60% aufweist und neben Kohlenstaub auch Graphit mit einer Korngröße von bevorzugt 5 bis 7 μm enthält.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus Lötstopplack oder aus Elektroisolationslack oder aus Tränklack für elektrische und/oder elektronische Bauelemente besteht.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter vollflächig ausgebildet oder als Leiterbahnstruktur beliebiger Geometrie ausgebildet wird.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Trägermaterial mehrere Schichten wärmeerzeugender elektrischer Leiter aufgetragen sind, welche durch Isolierschichten voneinander getrennt sind, wobei im Herstellungsprozess nach jedem Auftrag einer Isolierschicht eine Trocknungsstufe bei Temperaturen von maximal 300 °C folgte.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonleitlack einen spezifischen Flächenwiderstand von 1 bis 1000 Ohm/Flächeneinheit aufweist.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht ist und eine Dicke von etwa 10 bis 50 μm aufweist.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht im Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder Aufwalzen aufgebracht ist und eine Dicke von etwa 20 bis 200 μm entsprechend der erforderlichen Prüfspannung hat.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche elektrisch leitende Schichten mit entsprechenden Isolationsschichten aufgetragen sind, die mit der Erdung oder einem Schirm zwecks Einhaltung der erforderlichen Sicherheitsvorschriften, der Verbesserung des Potentialausgleiches oder der Beeinflussung des elektromagnetischen Verhaltens verbunden sind.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die für den elektrischen Anschluss vorgesehenen Kontaktstellen beim Auftrag der Isolierschicht freigehalten sind.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss durch Aufkleben von Steckfahnen oder anderen geeigneten Metallelektroden mit einem elektrisch leitenden Kleber oder in bekannter Art durch anlöten oder anschweißen von Steckfahnen oder Litzen hergestellt ist.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss durch eigens ausgebildete Flächendruckkontakte mit einer elektrisch gut leitenden Oberfläche hergestellt ist.
Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale spezifische Flächenbelastung bei 30 W/cm² liegt.