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WO2019052763A1 - Heizgerät und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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WO2019052763A1
WO2019052763A1 PCT/EP2018/072073 EP2018072073W WO2019052763A1 WO 2019052763 A1 WO2019052763 A1 WO 2019052763A1 EP 2018072073 W EP2018072073 W EP 2018072073W WO 2019052763 A1 WO2019052763 A1 WO 2019052763A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
polymer structure
molding
polymer
heater
rch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/072073
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Zoske
Peter Neidenberger
Bengt Meier
Mina KROMPIC
Christoph JÖRG
Volodymyr Ilchenko
Jan Steffens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102017121041.5A external-priority patent/DE102017121041A1/de
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of WO2019052763A1 publication Critical patent/WO2019052763A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
    • F24H3/0429—For vehicles
    • F24H3/0441—Interfaces between the electrodes of a resistive heating element and the power supply means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/18—Arrangement or mounting of grates or heating means
    • F24H9/1854—Arrangement or mounting of grates or heating means for air heaters
    • F24H9/1863—Arrangement or mounting of electric heating means
    • F24H9/1872—PTC resistor

Definitions

  • the invention relates to a heater, in particular for a motor vehicle, and a method for producing the same.
  • the invention relates to a heating element, preferably an electric heater, and a method for producing the same. Further aspects of the invention relate to a method for operating a heater and the use of a heater or a heating element.
  • Electric heaters are usually based on ceramic heating elements with a comparatively strong temperature-dependent electrical resistance, through which a self-regulation of the heat release is possible.
  • These resistors are typically PTC elements (PTC for Positive Temperature Coefficient). These are usually made with heat exchanger surfaces
  • the object is achieved by a method for (or) the production of a heater, preferably liquid or air heater, in particular for a motor vehicle, and / or by a method for (or) production of a heating element, preferably a (or above-mentioned) electric heater, wherein at least one conductive polymer structure comprising a polymer component and a conductive component, in particular
  • connection structure specifically: connection element or electrode
  • connection element or electrode during the molding (ie in particular primary forming and / or reshaping) of the polymer structure with this is connected.
  • a central idea of the invention is to provide a conductive polymer structure of a (polymer) heating element with a connection structure (connecting element /
  • Electrode during molding of the polymer structure to connect with this.
  • the connection thus takes place in particular during (or by means of) one
  • the production method according to the invention makes it possible in a simple manner to achieve a particularly positive connection between the polymer structure and the (metallic) connection structure (electrode) for the cohesion of the two materials.
  • a particularly positive connection between the polymer structure and the (metallic) connection structure (electrode) for the cohesion of the two materials.
  • Terminal structure (electrode) via a simple, inexpensive process (For example, forming process) are produced in relatively large numbers. Overall, the production of efficient and reliable working
  • a “molding” is to be understood in particular as a process in which a starting material of the conductive polymer structure changes in shape or only assumes its (final) form (for example, from a gaseous, liquid, pasty or pasty state).
  • prototypes is meant, in particular, a manufacturing process (preferably according to DIN 8580 in its validity in 2018) in which a solid body is produced from an informal material, which has a geometrically defined shape Form of a solid body and thus created a substance cohesion
  • Starting materials can be liquid, gaseous, plastic (deformable), granular, powdery, pasty and / or pasty substances.
  • primary molding by casting gravitational, pressure, low-pressure, centrifugal, and / or continuous casting
  • foaming or immersion molding can be used.
  • an original molding from the preferably plastic state eg polymer melt
  • Calendering blow molding and / or modeling are used.
  • a prototyping in particular from the pulpy state, preferably pouring takes place.
  • a particular granular or powdery state of the starting material for example, a pressing, sand molding or
  • thermal spraying done.
  • a deposition can take place.
  • an electrolytic deposition in a mold.
  • prototypes can therefore be understood as meaning a production process in which a (solid) body is produced from an informal or deformable (eg liquid, pasty, pasty or plastically deformable) material which is dimensionally stable (or a geometrically defined Has shape).
  • a reshaping is to be understood in particular as meaning a method in which a (at least essentially solid) blank is already made of a (plastically, at least at least one temperature) deformable material which is (deliberately) brought into another form, in particular without Remove material from the blank. It can be a warm or
  • a massive and / or sheet metal forming can take place. Basically, a deformation by a tensile, compressive or bending stress can be done. For example, extrusion,
  • At least one corresponding mold (or at least one corresponding molding tool) is used, in which the polymer structure is shaped (aus-).
  • a shape may be, for example, a casting mold.
  • connection structure preferably at least does not substantially change its shape during its connection (by molding, in particular initial or deformation) with the polymer structure.
  • connection structure can also change its shape during this step or, before or after it or overlapping in time, a shaping of the connection structure can take place.
  • the connection structure may already be formed at a time in which the original or reshaping is started. A subsequent transformation of the
  • Connection structure does not take place if necessary, but can be done (for example, by a subsequent bending of the connection structure, possibly as the only after the
  • connection structures can be provided with respect to a heating element.
  • Heating element is provided on both sides of the heating element in each case a connection structure.
  • a connection structure As far as only one connection structure is described below, the same can apply to such two (or more) connection structures or only one of them.
  • a heating element or a plurality of heating elements may be provided. These can define a gap (through which a fluid to be heated can flow).
  • connection structure and the polymer structure is to be understood as meaning, in particular, a form-locking connection which, if appropriate, can at least be supported by a cohesive connection. Possibly. can also be present (only) a cohesive connection.
  • a connection between the connection structure and the polymer structure is preferably to be understood as an at least partially direct connection. Possibly. However, at least in some sections, at least one other component can be used
  • Polymer structure and connection structure may be arranged and possibly mediate the connection.
  • An electric heater may be a fluid heater
  • liquid or gas heater preferably water or
  • Air heater act.
  • the fluid may be water, preferably cooling water or air, preferably heating air for an interior, in particular a vehicle.
  • the heater has at least one fluid channel, in particular a plurality, such as at least three or at least eight fluid channels.
  • the heating element may (but does not have) one or more
  • Heating element or more, for example, at least two or at least five heating elements may be provided.
  • Connection structure formed as a one-piece, in particular monolithic, structure. It is possible for preferably exactly one or alternatively a plurality of polymer structure (s) (per heating element and / or heating device) to be provided.
  • the heater may preferably be formed as an assembly, for example, defined by a housing within which one or more heating elements provided (and corresponding fluid channels formed) is / are.
  • the heater may have at least one fluid inlet and at least one fluid outlet.
  • the metallic terminal structure may include copper or a copper alloy.
  • connection structure has at least one recess and is arranged such that when the polymer structure is formed, a polymer structure starting material enters into the recess of the connection structure.
  • at least one (or the at least one referred to in connection with the recess) electrical (preferably metallic) connection structure (connection element / electrode) comprise at least one projection and are arranged such that the projection when forming the polymer structure at least partially (if necessary completely, in particular so that the protrusion is completely enveloped by material of the polymer structure) is embedded in the polymer structure (or a corresponding polymer structure starting material).
  • Embodiments in particular with at least one recess, can be realized in a simple manner a secure connection between polymer structure and connection structure. Possibly. can the (entire, respective)
  • Embedding in the polymer structure is to be understood in particular that the at least one electrical connection element or its projection of more than one side in contact with the polymer structure or that at least 50% of the electrical connection element or its projection are covered by the polymer structure.
  • At least one fluid channel for passing the fluid to be heated between at least two heating elements can be formed and / or a fluid channel can be formed within a / of the heating element, in particular be introduced during the molding of the polymer structure in the polymer structure.
  • the recess is an opening
  • the recess may be partially or completely filled with the polymer structure starting material.
  • the projection may be partially or completely embedded in the polymer structure.
  • there may be a plurality of recesses and / or a plurality of projections (preferably with the properties explained above and below), for example at least two or at least five or at least ten recesses or projections.
  • the (respective) recess and / or the (respective) projection may have a round, in particular circular, and / or an angular, in particular rectangular, and / or an elongated, in the case of a recess in particular slit-shaped, cross-section.
  • elongated (or slit-shaped) cross-section is a cross-section to understand, in which a length (maximum diameter) at least 2 times, preferably at least 5 times as large as a width (minimum
  • the (respective) recess may be partially or completely bounded, in particular edged, by at least one projection, preferably produced by punching and / or pressing and / or undercut. Such an edge can for example be set up or pulled through and / or formed undercut (comparable to a cheese grater).
  • the (respective) recess or opening may also be formed with a smooth edge (which does not protrude from the surface of the connection structure or electrode).
  • connection structure (per se) by prototyping or reshaping (possibly as above and below in connection with the
  • Polymer structure further specified are formed.
  • such forming (reshaping or molding) is completed before molding (conversion). or prototypes) of the polymer material begins (but need not be, see above).
  • connection structure may be a sheet, in particular perforated sheet, and / or a sheet metal strip, in particular perforated sheet strips, and / or a film, in particular perforated film, and / or a film strip, in particular
  • LochfolienstMail and / or a grid and / or a knit and / or a fabric and / or a knit include.
  • the grid may be 2-dimensional or 3-dimensional.
  • a grating is preferably an array of intersecting (preferably mutually
  • a possibly provided sheet may have a thickness of less than 2 mm, preferably less than 1 mm and / or more than 0.2 mm or 0.5 mm.
  • a possibly provided film may have a thickness of less than 0.5 mm, preferably less than 0.2 mm or preferably more than 0.05 mm or 0.1 mm. If necessary, at least 5 or at least 10 or at least 40 holes (in sheet metal or
  • Foil are formed or be.
  • Connection structure preferably comprises: casting, in particular injection molding and / or die casting, and / or pressing, in particular extrusion and / or compression molding and / or foaming.
  • the shaping (of the polymer structure, if appropriate also of the connection structure) preferably comprises: pressure forming, in particular extrusion molding and / or extrusion and / or deep drawing and / or bending.
  • the at least one electrical connection structure is preferably arranged in a mold, in particular injection molding tool, prior to the primary molding, in particular injection molding.
  • an electric heater in particular liquid or air heater, in particular for a motor vehicle, preferably prepared by the above method, comprising at least one Conductive polymer structure, wherein the polymer structure contains a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, wherein the polymer structure with an electrical, in particular metallic, connection structure (connection element / electrode) by means of a molding,
  • connection structure preferably has at least one recess and / or at least one
  • a heating element in particular for the above heater, preferably produced by the above method, comprising at least one conductive polymer structure, wherein the polymer structure contains a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, wherein the polymer structure with an electrical, in particular metallic, connection structure
  • connection element / electrode is connected by means of molding, in particular primary shaping and / or reshaping, wherein the connection structure preferably has at least one recess and / or at least one projection.
  • Connection with the electric heating element can also be realized independently of the corresponding manufacturing process.
  • connection structure has a metal sheet, in particular perforated plate and / or a sheet metal strip, in particular perforated sheet strips, and / or a film, in particular perforated film, and / or a film strip, in particular
  • connection structure can furthermore also comprise a strip (with or without recesses or openings) or a wire.
  • the carbon component is preferably in particle form and / or as a carbon skeleton.
  • the carbon component may be in the form of carbon black and / or graphite and / or graphene and / or carbon fibers and / or carbon nanotubes.
  • the polymer structure may be an electrically insulating
  • Polymer component (or alternatively an electrically conductive polymer component).
  • Ber a heater of the above type or prepared according to the above manufacturing method, wherein fluid, in particular a liquid or air flows through the heater and is thereby heated.
  • the above object is further achieved by the use of a heater or a heating element of the above type or prepared by the above method, for heating a fluid, in particular a liquid, preferably water, or air, in particular in a motor vehicle, preferably for a motor vehicle interior.
  • a heater or a heating element of the above type or prepared by the above method for heating a fluid, in particular a liquid, preferably water, or air, in particular in a motor vehicle, preferably for a motor vehicle interior.
  • the polymer structure is preferably dimensionally stable per se, so also retains its shape when other components of the air heater are removed (or have not yet been added or integrated with other components, if they were not provided, which by Herstellong a
  • a tool for carrying out the shaping, in particular remodeling or primary shaping can be correspondingly provided with the (respective) recess, the (respective) projection and / or the (respective) fluid channel have corresponding production structures (eg corresponding projections and / or recesses).
  • Mold in particular injection molding tool, arranged (or inserted into such).
  • prototyping eg.
  • Injection molding in the mold (injection mold) connecting cables are inserted from sheet metal strips.
  • the polymer structure may have a lattice, honeycomb or mesh structure.
  • Cross sections of possibly provided fluid channels in the polymer structure may be at least 5%, preferably at least 10%, more preferably
  • Polymer structure amount to more than 80% of a total cross section of the polymer structure.
  • the polymer structure may comprise an electrically insulating polymer component.
  • the above object is further achieved by a vehicle comprising a heater or a heating element according to the above-described type or produced by the method described above.
  • Cross sections of at least one or more or all possibly provided fluid channels may be polygonal, in particular quadrangular, preferably rectangular (more preferably square) or oval, in particular elliptical,
  • a cross section within a fluid channel may vary or be constant (over its length). Also cross sections
  • different air channels may differ or be the same.
  • Short circuits can be a protective layer (paint or seal) on the entire air heater or at least exposed areas of the
  • Polymer structure may be provided.
  • Plastic component should be understood as an abbreviation for "electrically conductive”.
  • the polymer structure may be formed as a polymer plate (with corresponding openings or air channels).
  • Polymer component and carbon component are preferably mixed together or intertwined.
  • the first component and carbon component are preferably mixed together or intertwined.
  • Polymer component form a (skeletal) framework in which the
  • Carbon component is added or vice versa.
  • the polymer structure is at least
  • Carbon component e.g. the carbon particles.
  • the carbon component is at least 50% by weight, more preferably at least 70% by weight of carbon.
  • the polymer component is in particular in the form of an electrically insulating polymer component.
  • the polymer component may be a first polymer subcomponent based on ethylene acetate (copolymer) and / or
  • polyolefin in particular polyethylene and / or polypropylene
  • polyester and / or polyamide and / or fluoropolymer are examples of polyolefin
  • subcomponent is intended here in particular for
  • first and second polymer subcomponent Distinction between first and second polymer subcomponent can be used.
  • the respective subcomponent can either partially or also completely form the polymer component.
  • the ethylene acrylate may be ethyl methyl acrylate or ethylene ethyl acrylate.
  • Ethylene acetate may be ethylene vinyl acetate.
  • the polyethylene may be high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene.
  • the fluoropolymer may be PFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester) MFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester), FEP (copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene), ETFE (copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene) or PVDF (polyvinylidene fluoride) act.
  • PFA copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester
  • MFA copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester
  • FEP copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene
  • the first polymer subcomponent as in FIG. 1
  • WO 2014/188190 AI (described as a first-electrically insulating material) may be formed.
  • the second polymer subcomponent can likewise be formed as described in WO 2014/188190 A1 (as a second-electrically insulating material).
  • the polymer structure or the polymer structures and / or a corresponding substance to be formed (eg paste) for the production thereof may comprise (as in particular crystalline binder) at least one polymer, preferably based on at least one olefin; and / or at least one copolymer of at least one olefin and at least one monomer which can be copolymerized therewith, e.g. As ethylene / acrylic acid and / or
  • polyacetylene or polyalkenylene such as.
  • polyoctenamer polyoctenamer
  • melt-deformable, fluoropolymer such as.
  • polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof As polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof.
  • the polymer structure or one for producing the
  • Binders (especially according to p. 4, 2nd paragraph and p. 5, 1st paragraph of
  • the polymer structure is preferably a PTC resistor.
  • metallic connecting elements of the electrical resistance in the transition into the polymer structure (or a polymer material of the
  • Polymer structure are minimized and the risk of deterioration of the contact over the life can be reduced.
  • the latter can be roughened (for example by sandblasting) and / or holes and / or undercuts can be introduced into the (respective) connection element.
  • sandblasting for example by sandblasting
  • holes and / or undercuts can be introduced into the (respective) connection element.
  • Drahtgewebe-, knitted and / or -gewirke be provided as connecting elements.
  • the polymer structure can not only fulfill the task of a heat conductor, but at the same time enable further functions as an (integral) component, in particular forming a frame or connecting surfaces for the heater.
  • the heater or heating element is preferably for operation in the
  • An electrically insulating material is in particular a material to be understood, having at room temperature (25 ° C), an electrical conductivity of less than 10 "1 S 1 irr 1 (possibly less than 10" 8 S 1 m "1). Accordingly, is an electrical conductor or a material (or coating) to be understood with electrical conductivity, a material that is an electrical
  • the material of the polymer structure can not only pass through the respective opening, but also form a supernatant or at least partially (mushroom-like) cover an edge surface of the connection structure on a side facing away from the polymer structure. This can be done in a particularly simple manner a secure connection.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an inventive
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an inventive
  • the heating element comprises a polymer structure 10 and a first connection structure I Ia and a second connection structure I Ib.
  • Terminal structures I Ia, I Ib serve as electrodes to supply the electrically conductive polymer structure 10 with a voltage so that a current can flow through the polymer structure in order to heat the polymer structure and thus its environment (or a passing or flowing through fluid) ,
  • connection structures I Ia, I Ib have a multiplicity of recesses or openings 12 through which material of the polymer structure (in this case completely) passes.
  • Corresponding penetrations 13 of the polymer structure 10 (which penetrate through the openings 12) expand (mushroom-like, forming a respective extension 15) on a side 14 of the (respective) connection structure I Ia, I Ib, which faces away from the polymer structure 10.
  • the heating element shown in FIG. 1 can be produced, for example, by providing a starting material in a paste-like or solid (but plastically deformable) state and pressing in the connection structures I Ia, I Ib into this starting material or the starting form (raw form).
  • the connection structures can also form parts of a shape which ultimately defines the polymer structure 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, vorzugsweise Flüssigkeits-oder Luftheizgerätes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, oder zur Herstellung eines Heizelementes, vorzugsweise eines elektrischen Heizgerätes, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente enthält, durch Formen, insbesondere Urformen und/oder Umformen, hergestellt wird, wobei mindestens eine elektrische, vorzugsweise metallische, Anschlussstruktur (11a, 11b), während des Formens der Polymerstruktur (10) mit dieser verbunden wird.

Description

Heizgerät und Verfahren zur Herstellung desselben
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Gemäß weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Heizelement, vorzugsweise eines elektrischen Heizgerätes, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes sowie die Verwendung eines Heizgeräts bzw. eines Heizelementes.
Elektrische Heizgeräte (insbesondere solche, die in mobilen Anwendungen eingesetzt werden) basieren zumeist auf keramischen Heiz-Elementen mit einem vergleichsweise stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird. Bei diesen Widerständen handelt es sich üblicherweise um PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Diese sind in der Regel mit Wärmeübertrager-Flächen aus
Aluminiumblech (durch Kleben oder Pressen) verbunden und werden darüber auch elektrisch kontaktiert. Nachteil von herkömmlichen Luftheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a . eine aufwändige Herstellung durch eine vergleichsweise komplizierte Wärmeübertrager-Fertigung und den Einbau der Keramik-Elemente, eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik- Elemente aufgrund von Fertigungstoleranzen, eine vergleichsweise ungünstige Leistungsdichte in einem Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund durch eine lokale Wärmeerzeugung, eine vergleichsweise starke Einschränkung einer maximalen Heizleistung durch eine Dicke des PTC-Materials (aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik) sowie eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen
Abstands von Bauteilen mit einem hohen Spannungspotential.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Luftheizgerätes bzw. Heizelementes vorzuschlagen, wobei eine effektive Aufheizung der Luft ermöglicht werden soll . Weiterhin soll ein entsprechendes Luftheizgerät bzw. Heizelement vorgeschlagen werden. Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur (bzw. der) Herstellung eines Heizgerätes, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und/oder durch ein Verfahren zur (bzw. der) Herstellung eines Heizelementes, vorzugsweise eines (bzw. des oben genannten) elektrischen Heizgerätes, gelöst, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente enthält, durch Formen, insbesondere Urformen und/oder Umformen, hergestellt wird, wobei mindestens eine elektrische, vorzugsweise metallische, Anschlussstruktur (konkret: Anschlusselement bzw. Elektrode), während des Formens (also insbesondere Urformens und/oder Umformens) der Polymerstruktur mit dieser verbunden wird.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, eine leitfähige Polymerstruktur eines (Polymer-) Heizelementes mit einer Anschlussstruktur (Anschlusselement/
Elektrode) während des Ausformens der Polymerstruktur mit dieser zu verbinden. Die Verbindung erfolgt also insbesondere während (bzw. mittels) einer
Formänderung (insbesondere im Falle des Umformens) bzw. einer Ausformung (insbesondere im Falle des Urformens). Generell wurde berücksichtigt, dass leitfähige Polymere mit entsprechenden Zuleitungen (Elektroden), üblicherweise aus Metall, elektrisch kontaktiert werden müssen. Dabei kam grundsätzlich eine Herstellung der Verbindung beispielsweise durch thermisches Laminieren von Metall- und Polymerschichten in Frage. Durch eine derartige (zumindest im Wesentlichen rein adhäsive) Verbindung zwischen den beiden Materialien kann jedoch eine zuverlässige Verbindung der beiden Materialien über die gesamte Lebensdauer nicht immer sichergestellt werden. Dabei sind insbesondere temperaturinduzierte Spannungen durch unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien (insbesondere Metall und Kunststoff bzw. Polymer) kritisch für die Lebensdauer des Bauteils.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann auf einfache Art und Weise eine insbesondere formschlüssige Verbindung zwischen Polymerstruktur und (metallischer) Anschlussstruktur (Elektrode) zum Zusammenhalt der beiden Materialien erreicht werden. Dazu können vorzugsweise Öffnungen in der
Anschlussstruktur (Elektrode) über einen einfachen, kostengünstigen Prozess (z. B. Umform prozess) in vergleichsweise großer Stückzahl hergestellt werden. Insgesamt wird die Herstellung von effizient und zuverlässig arbeitenden
Heizelementen bzw. Heizgeräten möglich.
Unter einem„Formen" ist insbesondere ein Verfahren zu verstehen, bei dem ein Ausgangsmaterial der leitfähigen Polymerstruktur sich hinsichtlich seiner Form ändert oder erst (z. B. aus einem gasförmigen, flüssigen, pastösen oder breiigen Zustand) seine (endgültige) Form annimmt.
Unter„Urformen" ist insbesondere ein Fertigungsverfahren (vorzugsweise nach DIN 8580 in ihrer Gültigkeit im Jahre 2018) zu verstehen, bei dem aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Insbesondere wird also bei dem Urformen die Erst-Form eines festen Körpers hergestellt und somit ein Stoffzusammenhalt geschaffen. Als
Ausgangsstoffe können flüssige, gasförmige, plastische (verformbare), körnige, pulverförmige, pastöse und/oder breiige Stoffe zum Einsatz kommen.
Insbesondere bei einem flüssigen Ausgangszustand kann ein Urformen durch Gießen (Schwerkraft-, Druck-, Niederdruck-, Schleuder-, und/oder Stranggießen), Schäumen oder Tauchformen zum Einsatz kommen. Bei einem Urformen aus dem vorzugsweise plastischen Zustand (z. B. Polymerschmelze) kann ein Pressformen, Spritzgießen, Spritzpressen, Strangpressen (Extrudieren), Ziehformen,
Kalandrieren, Blasformen und/oder Modellieren zum Einsatz kommen. Bei einem Urformen insbesondere aus dem breiigen Zustand kann vorzugsweise ein Gießen erfolgen. Bei einem insbesondere körnigen oder pulverförmigen Zustand des Ausgangsmaterials kann beispielsweise ein Pressen, Sandformen oder
thermisches Spritzen erfolgen. Bei einem Urformen aus dem insbesondere gas- oder dampfförmigen Zustand kann ein Abscheiden erfolgen. Bei einem Urformen aus dem ionisierten Zustand erfolgt vorzugsweise ein elektrolytisches Abscheiden in einer Form.
Grundsätzlich kann also unter Urformen ein Fertigungsverfahren verstanden werden, bei dem aus einem formlosen bzw. verformbaren (z. B. flüssigen, pastösen, breiigen oder plastisch verformbaren) Stoff ein (fester) Körper hergestellt wird, der formstabil ist (bzw. eine geometrisch definierte Form hat). Unter einem Umformen soll insbesondere ein Verfahren verstanden werden, bei dem bereits ein (zumindest im Wesentlichen festes) Rohteil aus einem (plastisch, zumindest bei mindestens einer Temperatur) verformbaren Werkstoff vorliegt, das (gezielt) in eine andere Form gebracht wird, insbesondere ohne dabei Material von dem Rohteil zu entfernen. Dabei kann eine Warm- oder
Kaltumformung erfolgen. Weiterhin kann eine Massiv- und/oder Blechumformung erfolgen. Grundsätzlich kann eine Umformung durch eine Zug-, Druck- oder Biegebeanspruchung erfolgen. Beispielsweise kann ein Fließpressen,
Strangpressen, Tiefziehen und/oder Biegen zum Einsatz kommen.
Beim Schritt des Formens kommt insbesondere mindestens eine entsprechende Form (bzw. mindestens ein entsprechendes Formwerkzeug) zum Einsatz, in dem die Polymerstruktur (aus-)geformt wird. Bei einer derartigen Form kann es sich beispielsweise um eine Gussform handeln. Weiterhin kann diese Form
(insbesondere beim Umformen, ggf. auch beim Urformen) mindestens einen Stempel und/oder mindestens eine Matrize umfassen.
Die Anschlussstruktur ändert vorzugsweise ihre Form während ihrer Verbindung (durch Formen, insbesondere Ur- bzw. Umformen) mit der Polymerstruktur zumindest nicht wesentlich. Alternativ kann jedoch auch die Anschlussstruktur ihre Form während dieses Schrittes ändern bzw. -davor oder danach oder zeitlich überlappend eine Formung der Anschlussstruktur erfolgen. Konkret kann also die Anschlussstruktur bereits ausgeformt sein zu einem Zeitpunkt, in dem mit dem Ur- bzw. Umformen begonnen wird. Ein nachträgliches Umformen der
Anschlussstruktur erfolgt ggfs. nicht, kann aber erfolgen (beispielsweise durch ein nachträgliches Biegen der Anschlussstruktur, ggf. als einziger nach dem
Verbinden mit der Polymerstruktur erfolgender (Um-)Formschritt).
Grundsätzlich können bezogen auf ein Heizelement mehrere (beispielsweise zwei) Anschlussstrukturen (Elektroden) vorgesehen sein. Beispielsweise sind
(insbesondere bei einem zumindest im Wesentlichen plattenförmigen
Heizelement) auf beiden Seiten des Heizelementes jeweils eine Anschlussstruktur vorgesehen. Soweit im Folgenden nur eine Anschlussstruktur beschrieben wird, kann Entsprechendes für derartige zwei (oder mehr) Anschlussstrukturen oder nur eine von diesen gelten. Innerhalb eines Heizgerätes kann ein Heizelement oder mehrere Heizelemente vorgesehen sein. Diese können einen Zwischenraum definieren (durch den ein zu erwärmendes Fluid strömen kann).
Unter einer Verbindung zwischen Anschlussstruktur und Polymerstruktur ist insbesondere eine formschlüssige Verbindung zu verstehen, die ggf. durch eine stoffschlüssige Verbindung zumindest unterstützt werden kann. Ggf. kann auch (nur) eine stoffschlüssige Verbindung vorliegen. Unter einer Verbindung zwischen Anschlussstruktur und Polymerstruktur ist vorzugsweise eine zumindest abschnittsweise unmittelbare Verbindung zu verstehen. Ggf. können jedoch auch zumindest abschnittsweise mindestens eine andere Komponente zwischen
Polymerstruktur und Anschlussstruktur angeordnet sein und ggf. die Verbindung vermitteln.
Bei einem elektrischen Heizgerät kann es sich um ein Fluidheizgerät,
insbesondere Flüssigkeits- oder Gasheizgerät, vorzugsweise Wasser- oder
Luftheizgerät handeln. Bei dem Fluid kann es sich um Wasser, vorzugsweise Kühlwasser oder Luft, vorzugsweise Heizluft für einen Innenraum, insbesondere eines Fahrzeugs handeln.
Vorzugsweise weist das Heizgerät mindestens einen Fluidkanal, insbesondere mehrere, wie beispielsweise mindestens drei oder mindestens acht Fluidkanäle auf. Auch das Heizelement kann (muss aber nicht) einen oder mehrere
(integrierte) Fluidkanäle aufweisen. In einem Heizgerät kann/können ein
Heizelement oder mehrere, beispielsweise mindestens zwei oder mindestens fünf, Heizelemente vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist die (jeweilige) Polymerstruktur und/oder die (jeweilige)
Anschlussstruktur als eine einstückige, insbesondere monolithische, Struktur ausgebildet. Es kann/können vorzugsweise genau eine oder alternativ mehrere Polymerstruktur(en) (pro Heizelement und/oder Heizgerät) vorgesehen sein.
Das Heizgerät kann vorzugsweise als Baugruppe ausgebildet sein, beispielsweise definiert durch ein Gehäuse, innerhalb dessen ein oder mehrere Heizelemente vorgesehen (und entsprechende Fluidkanäle ausgebildet) ist/sind. Das Heizgerät kann mindestens einen Fluideingang und mindestens einen Fluidausgang aufweisen. Die metallische Anschlussstruktur kann Kupfer oder eine Kupferlegierung umfassen.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist die Anschlussstruktur mindestens eine Ausnehmung auf und wird derart angeordnet, dass beim Formen der Polymerstruktur ein Polymerstruktur-Ausgangsmaterial in die Ausnehmung der Anschlussstruktur eintritt. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine (bzw. die mindestens eine im Zusammenhang mit der Ausnehmung genannte) elektrische (vorzugsweise metallische) Anschlussstruktur (Anschlusselement/ Elektrode) mindestens einen Vorsprung umfassen und derart angeordnet werden, dass der Vorsprung beim Formen der Polymerstruktur zumindest teilweise (ggf. vollständig, insbesondere derart dass der Vorsprung vollständig mit Material der Polymerstruktur umhüllt wird) in die Polymerstruktur (bzw. ein entsprechendes Polymerstruktur-Ausgangsmaterial) eingebettet wird. Durch derartige
Ausführungsformen, insbesondere mit mindestens einer Ausnehmung, kann auf einfache Art und Weise eine sichere Verbindung zwischen Polymerstruktur und Anschlussstruktur realisiert werden. Ggf. kann die (gesamte, jeweilige)
Anschlussstruktur in die Polymerstruktur eingebettet werden. Unter einem
Einbetten in die Polymerstruktur ist insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine elektrische Anschlusselement bzw. dessen Vorsprung von mehr als nur einer Seite in Kontakt mit der Polymerstruktur ist bzw. dass mindestens 50 % des elektrischen Anschlusselementes bzw. dessen Vorsprungs von der Polymerstruktur bedeckt sind.
In einer Ausführungsform kann mindestens ein Fluidkanal zum Durchleiten des zu heizenden Fluids zwischen mindestens zwei Heizelementen ausgebildet werden und/oder ein Fluidkanal innerhalb eines/des Heizelementes ausgebildet werden, insbesondere während des Formens der Polymerstruktur in die Polymerstruktur eingebracht werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Ausnehmung um eine Öffnung
(Durchbruch), durch die das Polymerstruktur-Ausgangsmaterial beim Formen teilweise oder vollständig hindurchtritt. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine formschlüssige Verbindung realisiert werden. Die Ausnehmung kann teilweise oder vollständig mit dem Polymerstruktur- Ausgangsmaterial gefüllt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Vorsprung teilweise oder vollständig in die Polymerstruktur eingebettet werden.
Grundsätzlich können mehrere Ausnehmungen und/oder mehrere Vorsprünge (vorzugsweise mit den obigen und nachfolgend erläuterten Eigenschaften) vorliegen, beispielsweise mindestens zwei oder mindestens fünf oder mindestens zehn Ausnehmungen bzw. Vorsprünge.
Es können auch sowohl Ausnehmungen als auch Vorsprünge vorgesehen
(ausgebildet) werden, beispielsweise jeweils mindestens zwei Ausnehmungen oder mindestens fünf Ausnehmungen oder mindestens zehn Ausnehmungen bzw. entsprechende Vorsprünge.
Die (jeweilige) Ausnehmung und/oder der (jeweilige) Vorsprung kann/können einen runden, insbesondere kreisrunden, und/oder einen eckigen, insbesondere rechteckigen, und/oder einen langgestreckten, im Falle einer Ausnehmung insbesondere schlitzförmigen, Querschnitt aufweisen. Unter einem
langgestreckten (bzw. schlitzförmigen) Querschnitt ist ein Querschnitt zu verstehen, bei dem eine Länge (maximaler Durchmesser) mindestens 2-mal, vorzugsweise mindestens 5-mal so groß ist wie eine Breite (minimaler
Durchmesser).
Die (jeweilige) Ausnehmung kann teilweise oder vollständig von mindestens einem, vorzugsweise durch Stanzen und/oder Durchdrücken erzeugten und/oder hinterschnittigen, Vorsprung berandet, insbesondere umrandet, werden. Ein derartiger Rand kann beispielsweise aufgestellt oder durchgezogen werden und/oder hinterschnittig ausgebildet werden (vergleichbar einer Käsereibe). Alternativ kann die (jeweilige) Ausnehmung bzw. Öffnung auch mit einer glatten Kante ausgebildet sein (die nicht aus der Oberfläche der Anschlussstruktur bzw. Elektrode hervorsteht).
Im Allgemeinen kann auch die Anschlussstruktur (per se) durch Urformen oder Umformen (ggf. wie oben und nachfolgend im Zusammenhang mit der
Polymerstruktur weiter spezifiziert) ausgeformt werden. Vorzugsweise ist ein derartiges Formen (Um- oder Urformen) abgeschlossen bevor das Formen (Um- oder Urformen) des Polymermaterials beginnt (dies muss jedoch nicht der Fall sein, siehe oben).
Die (jeweilige) Anschlussstruktur kann ein Blech, insbesondere Lochblech, und/oder einen Blechstreifen, insbesondere Lochblechstreifen, und/oder eine Folie, insbesondere Lochfolie, und/oder einen Folienstreifen, insbesondere
Lochfolienstreifen, und/oder ein Gitter und/oder ein Gewirk und/oder ein Gewebe und/oder ein Gestrick umfassen. Das Gitter kann 2-dimensional oder 3- dimensional ausgebildet sein. Bei einem Gitter handelt es sich vorzugsweise um eine Anordnung von sich kreuzenden (vorzugsweise sich gegenseitig
durchdringenden) Stegen insbesondere in regelmäßiger (beispielsweise
schachbrettartiger oder hexaedrischer) Anordnung . Die Stege verlaufen dabei vorzugsweise gerade (also nicht zumindest abschnittsweise wellenförmig bzw. geschwungen, wie beispielsweise bei einem Gewebe). Ein ggfs. vorgesehenes Blech kann eine Dicke von weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm und/oder mehr als 0,2 mm oder 0,5 mm aufweisen. Eine ggfs. vorgesehene Folie kann eine Dicke von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,2 mm oder vorzugsweise mehr als 0,05 mm oder 0, 1 mm aufweisen. Gegebenenfalls können mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 40 Löcher (in Blech bzw.
Folie) ausgebildet werden bzw. sein.
Das Urformen (insbesondere der Polymerstruktur, ggfs. jedoch auch der
Anschlussstruktur) umfasst vorzugsweise: ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, und/oder ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen und/oder ein Schäumen. Das Umformen (der Polymerstruktur, ggfs. auch der Anschlussstruktur) umfasst vorzugsweise: ein Druckumformen, insbesondere Fließpressen und/oder Strangpressen und/oder ein Tiefziehen und/oder ein Biegen.
Die mindestens eine elektrische Anschlussstruktur wird vorzugsweise vor dem Urformen, insbesondere Spritzgießen, in einem Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein elektrisches Heizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, wobei die Polymerstruktur eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente enthält, wobei die Polymerstruktur mit einer elektrischen, insbesondere metallischen, Anschlussstruktur (Anschlusselement/Elektrode) mittels eines Formens,
insbesondere Urformens und/oder Umformens, (was im fertigen Produkt insbesondere mittels einer Untersuchung der korrespondierenden
Verbindungsflächen feststellbar ist) verbunden ist. Die Anschlussstruktur weist vorzugsweise mindestens eine Ausnehmung und/oder mindestens einen
Vorsprung aufweist. Weitere Merkmale ergeben sich aus dem obigen
Herstellungsverfahren, wobei angemerkt ist, dass die oben (und nachfolgend) im Zusammenhang mit den Herstellungsverfahren erläuterten strukturellen Merkmale vorzugsweise mittels der entsprechenden Herstellungsschritte erzielt werden, jedoch im Zusammenhang mit dem elektrischen Heizgerät auch unabhängig vom entsprechenden Herstellungsverfahren realisiert sein können.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Heizelement, insbesondere für das obige Heizgerät, vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, wobei die Polymerstruktur eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente enthält, wobei die Polymerstruktur mit einer elektrischen, insbesondere metallischen, Anschlussstruktur
(Anschlusselement/Elektrode) mittels eines Formens, insbesondere Urformens und/oder Umformens, verbunden ist, wobei die Anschlussstruktur vorzugsweise mindestens eine Ausnehmung und/oder mindestens einen Vorsprung aufweist. Weitere Merkmale ergeben sich aus dem obigen Herstellungsverfahren, wobei angemerkt ist, dass die oben (und nachfolgend) im Zusammenhang mit den Herstellungsverfahren erläuterten strukturellen Merkmale vorzugsweise mittels der entsprechenden Herstellungsschritte erzielt werden, jedoch im
Zusammenhang mit dem elektrischen Heizelement auch unabhängig vom entsprechenden Herstellungsverfahren realisiert sein können.
Vorzugsweise weist die Anschlussstruktur ein Blech, insbesondere Lochblech und/oder einen Blechstreifen, insbesondere Lochblechstreifen, und/oder eine Folie, insbesondere Lochfolie, und/oder einen Folienstreifen, insbesondere
Lochfolienstreifen, und/oder ein Gitter und/oder ein Gewirk und/oder ein Gewebe und/oder ein Gestrick auf. Die Anschlussstruktur kann weiterhin auch eine Leiste (mit oder ohne Ausnehmungen bzw. Öffnungen) oder einen Draht umfassen.
Die Kohlenstoffkomponente liegt vorzugsweise in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vor.
Weiterhin kann die Kohlenstoffkomponente in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen. Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende
Polymerkomponente (oder alternativ eine elektrisch leitende Polymerkomponente) aufweisen.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum
Bertreiben eines Heizgerätes der obigen Art bzw. hergestellt nach dem obigen Herstellungsverfahren, wobei Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder Luft durch das Heizgerät strömt und dabei aufgeheizt wird.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Heizgerätes bzw. eines Heizelementes der obigen Art bzw. hergestellt nach dem obigen Verfahren, zum Aufheizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, oder von Luft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
Eine Erstreckung der Polymerstruktur (in Strömungsrichtung) beträgt
vorzugsweise mindestens 5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 10 mm.
Die Polymerstruktur ist vorzugsweise an sich formstabil, behält also auch ihre Form, wenn weitere Komponenten des Luftheizgerätes entfernt werden (bzw. noch nicht hinzugefügt worden sind bzw. bei integrierten weiteren Komponenten, wenn diese nicht vorgesehen wären, was durch Herstelljung eines
entsprechenden Vergleichsobjektes ohne die weiteren Komponenten festgestellt werden kann).
Ein Werkzeug zum Durchführen des Formens, insbesondere Um- oder Urformens (z. B. Spritzwerkzeug) kann entsprechende mit der (jeweiligen) Ausnehmung, dem (jeweiligen) Vorsprung und/oder dem (jeweiligen) Fluidkanal korrespondierende Fertigungsstrukturen (z. B. entsprechende Vorsprünge und/oder Ausnehmungen) aufweisen.
Vorzugsweise wird mindestens ein (das mindestens eine) elektrische(s)
Anschlusselement vor dem Urformen, insbesondere Spritzgießen, in einem
Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet (bzw. in ein solches eingelegt). Insbesondere können bereits vor dem Urformen (z. B.
Spritzgießen) in das Formwerkzeug (Spritzgießwerkzeug) Anschlussleitungen aus Metallblech-Streifen eingelegt werden.
Die Polymerstruktur kann eine Gitter-, Waben- oder Netzstruktur aufweisen.
Querschnitte von ggf. vorgesehen Fluidkanälen in der Polymerstruktur können mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, weiter vorzugsweise
mindestens 20 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen. Weiterhin können Querschnitte von ggf. vorgesehen Fluidkanälen in der
Polymerstruktur höchstens 80 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen.
Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende Polymerkomponente aufweisen.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug, umfassend ein Heizgerät bzw. ein Heizelement nach der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren.
Querschnitte mindestens eines oder mehrere oder aller ggf. vorgesehener Fluidkanäle können vieleckig, insbesondere viereckig, vorzugsweise rechteckig (weiter vorzugsweise quadratisch) oder oval, insbesondere elliptisch,
vorzugsweise (kreis-)rund sein. Ein Querschnitt innerhalb eines Fluidkanals kann variieren oder konstant sein (über dessen Länge). Auch Querschnitte
verschiedener Luftkanäle können voneinander abweichen oder gleich sein.
Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit und/oder
Kurzschlüssen kann eine Schutzschicht (Lackierung bzw. Versiegelung) auf dem gesamten Luftheizgerät oder zumindest freiliegenden Bereichen der
Polymerstruktur vorgesehen sein.
Der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der Polymerstruktur (bzw.
Kunststoffkomponente) soll als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" verstanden werden.
Die Polymerstruktur kann als Polymerplatte (mit entsprechenden Öffnungen bzw. Luftkanälen) ausgebildet sein.
Polymerkomponente und Kohlenstoffkomponente sind vorzugsweise miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die
Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die
Kohlenstoffkomponente aufgenommen ist oder umgekehrt.
Vorzugsweise besteht die Polymerstruktur zu mindestens
5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% und/oder weniger als 50 % aus Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. aus der
Kohlenstoffkomponente, wie z.B. den Kohlenstoffpartikeln.
Vorzugsweise besteht die Kohlenstoffkomponente zu mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% aus Kohlenstoff.
Die Polymerkomponente ist insbesondere in Form einer elektrisch isolierenden Polymerkomponente ausgebildet.
In Ausführungsformen kann die Polymerkomponente eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat (-Copolymer) und/oder
Ethylenacrylat (-Copolymer) aufweisen und/oder eine zweite Polymer- Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff„Teilkomponente" soll hier insbesondere zur
Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer-Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden. Bei dem Ethylenacrylat kann es sich um Ethyl-Methyl-Acrylat oder Ethylen-Ethyl-Acrylat handeln. Bei dem
Ethylenacetat kann es sich um Ethylenvinylacetat handeln. Bei dem Polyethylen kann es sich um HD (High Density)-Polyethylen, MD (Medium Density)- Polyethylen, LD (Low Density)-Polyethylen, handeln. Bei dem Fluorpolymer kann es sich um PFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorpropyl-Vinylester) MFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylester), FEP (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen), ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen) oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) handeln.
In Ausführungsformen kann die erste Polymer-Teilkomponente, wie in
WO 2014/188190 AI (als first electrically insulating material) beschrieben, ausgebildet sein. Die zweite Polymer-Teilkomponente kann ebenfalls, wie in WO 2014/188190 AI (als second electrically insulating material) beschreiben, ausgebildet sein.
Die Polymerstruktur bzw. die Polymerstrukturen und/oder eine entsprechender auszuformender Stoff (z. B. Paste) zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z. B. Ethylen/Acrylsäure und/oder
Ethylen/Ethylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer;
und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.
Im Allgemeinen kann die Polymerstruktur bzw. eine zur Herstellung der
Polymerstruktur verwendeter Stoff (Paste), wie in DE 689 23 455 T2 beschrieben, ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für deren Herstellung und/oder konkrete Zusammensetzung. Beispielsweise gilt dies auch für mögliche
Bindemittel (insbesondere gemäß S. 4, 2. Absatz und S. 5, 1. Absatz der
DE 689 23 455 T2) und/oder Lösungsmittel (insbesondere gemäß S. 5, 2. Absatz und S. 6 2. Absatz der DE 689 23 455 T2). Bei der Polymerstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand. Dadurch kann eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.
Ebenso kann durch eine entsprechende Geometrie bzw. Oberfläche von
metallischen Anschlusselementen (Anschlussleitungen) der elektrische Widerstand beim Übergang in die Polymerstruktur (bzw. ein Polymermaterial der
Polymerstruktur) minimiert werden und die Gefahr einer Verschlechterung des Kontakts über die Lebensdauer reduziert werden.
Zur Verbesserung eines Kontakts zwischen Polymerstruktur und elektrischen Anschlusselementen können die letzteren (z. B. durch Sandstrahlen) aufgeraut werden und/oder es können Löcher und/oder Hinterschnitte in das (jeweilige) Anschlusselement eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich können
Drahtgewebe-, -gestricke und/oder -gewirke als Anschlusselemente vorgesehen werden.
Die Polymerstruktur kann ggf. nicht nur die Aufgabe eines Heizleiters erfüllen, sondern als (integrales) Bauteil gleichzeitig weitere Funktionen ermöglichen, insbesondere einen Rahmen oder Anschlussflächen für das Heizgerät ausbilden.
Insgesamt kann eine einfache, kostengünstige Herstellung durch wenige (auf einfache Art und Weise automatisierbare) Prozessschritte und mit
kostengünstigen Materialien realisiert werden. Bei geringem Bauraum-Bedarf ist eine hohe Heizleistung möglich. Die zu erwärmende Luft erfährt insbesondere einen nur vergleichsweise geringen Druckverlust. Weiterhin kann eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion, insbesondere bezüglich der
Abmessungen, Versorgungsspannungen und geometrischen Abmessungen, erzielt werden.
Das Heizgerät bzw. Heizelement ist vorzugsweise für einen Betrieb im
Niedervoltbereich (z. B. < 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt, kann aber auch für einen Betreib im Hochvoltbereich (z. B. > 100 Volt oder > 500 Volt oder > 800 Volt) ausgelegt sein. Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei Raumtemperatur (25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10"1 S 1 irr1 (ggf. weniger als 10"8 S 1 m"1) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische
Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S 1 irr1, weiter vorzugsweise mindestens 103 S 1 irr1 (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt.
In Ausführungsformen kann das Material der Polymerstruktur nicht nur durch die jeweilige Öffnung hindurchtreten, sondern auch noch einen Überstand ausbilden bzw. eine Randfläche der Anschlussstruktur an einem von der Polymerstruktur abgewandten Seite zumindest teilweise (pilzartig) überdecken. Dadurch kann auf besonders einfache Art und Weise eine sichere Verbindung erfolgen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der beigefügten Figuren näher erläutert wird. Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
elektrischen Heizelementes.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile ggfs. dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Heizelementes. Das Heizelement umfasst eine Polymerstruktur 10 sowie eine erste Anschlussstruktur I Ia und eine zweite Anschlussstruktur I Ib. Die
Anschlussstrukturen I Ia, I Ib dienen als Elektroden, um die elektrisch leitfähige Polymerstruktur 10 mit einer Spannung zu versorgen, so dass ein Strom durch die Polymerstruktur fließen kann, um die Polymerstruktur und damit deren Umgebung aufzuheizen (bzw. ein vorbei- oder durchströmendes Fluid).
Die Anschlussstrukturen I Ia, I Ib weisen eine Vielzahl von Ausnehmungen bzw. Öffnungen 12 auf, durch die Material der Polymerstruktur (hier vollständig) hindurchtritt. Entsprechende Durchdringungen 13 der Polymerstruktur 10 (die durch die Öffnungen 12 dringen) erweitern sich (pilzartig, eine jeweilige Erweiterung 15 bildend) auf einer Seite 14 der (jeweiligen) Anschlussstruktur I Ia, I Ib, die von der Polymerstruktur 10 abgewandt ist. Dadurch kann auf besonders einfache Art und Weise eine sichere Verbindung realisiert werden.
Das in Fig. 1 gezeigte Heizelement kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein Ausgangsmaterial in einem pastösen oder festen (aber plastisch verformbaren) Zustand bereitgestellt wird und die Anschlussstrukturen I Ia, I Ib in dieses Ausgangsmaterial bzw. die Ausgangsform (Rohform) hineingedrückt werden. Insofern können (im Allgemeinen) die Anschlussstrukturen auch Teile einer Form ausbilden, die die Polymerstruktur 10 letztlich definiert.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste
10 Polymerstruktur
I Ia Anschlussstruktur
I Ib Anschlussstruktur
12 Ausnehmung/Öffnung
13 Durchdringung
14 Seite
15 Erweiterung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, vorzugsweise
Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, oder zur Herstellung eines Heizelementes, vorzugsweise eines elektrischen Heizgerätes, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente enthält, durch Formen, insbesondere Urformen und/oder Umformen, hergestellt wird,
wobei mindestens eine elektrische, vorzugsweise metallische,
Anschlussstruktur (IIa, IIb), während des Formens der Polymerstruktur (10) mit dieser verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
mindestens eine bzw. die mindestens eine elektrische, vorzugsweise metallische, Anschlussstruktur (IIa, IIb) mindestens eine Ausnehmung (12) umfasst und vorzugsweise derart angeordnet wird, dass beim Formen der Polymerstruktur ein Polymerstruktur-Ausgangsmaterial in die Ausnehmung der Anschlussstruktur (IIa, IIb) eintritt und/oder wobei mindestens eine bzw. die mindestens eine elektrische, vorzugsweise metallische, Anschlussstruktur (IIa, IIb) mindestens einen Vorsprung umfasst und vorzugsweise derart angeordnet wird, dass der Vorsprung beim Formen der Polymerstruktur zumindest teilweise in die Polymerstruktur eingebettet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
mindestens ein Fluidkanal zum Durchleiten des zu heizenden Fluids zwischen mindestens zwei Heizelementen ausgebildet wird und/oder
mindestens ein Fluidkanal innerhalb eines/des Heizelementes ausgebildet wird, insbesondere während des Formens in die Polymerstruktur (10) eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Ausnehmung (12) eine Öffnung ist, durch die das Polymerstruktur- Ausgangsmaterial beim Formen teilweise oder vollständig hindurchtritt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Ausnehmung (12) teilweise oder vollständig mit dem Polymerstruktur- Ausgangsmaterial gefüllt wird und/oder
der Vorsprung teilweise oder vollständig in die Polymerstruktur (10) eingebettet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Ausnehmung (12) teilweise oder vollständig von mindestens einem, vorzugsweise durch Stanzen und/oder Durchdrücken erzeugten und/oder hinterschnittigen, Vorsprung berandet, insbesondere umrandet, wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Ausnehmung (12) und/oder der Vorsprung einen runden, insbesondere kreisrunden, und/oder einen eckigen, insbesondere rechteckigen, und/oder einen langgestreckten, im Falle einer Ausnehmung insbesondere
schlitzförmigen, Querschnitt aufweist/aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Anschlussstruktur (IIa, IIb) ein Blech, insbesondere Lochblech, und/oder einen Blechstreifen, insbesondere Lochblechstreifen, und/oder eine Folie, insbesondere Lochfolie, und/oder einen Folienstreifen, insbesondere Lochfolienstreifen, und/oder ein Gitter und/oder ein Gewirk und/oder ein Gewebe und/oder ein Gestrick umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i ch n et, dass
das Urformen umfasst: ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, und/oder ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen, und/oder ein Schäumen; und/oder
das Umformen umfasst: ein Druckumformen, insbesondere Fließpressen und/oder Strangpressen, und/oder ein Tiefziehen und/oder ein Biegen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die mindestens eine elektrische Anschlussstruktur (IIa, IIb) vor dem Formen, insbesondere Um- oder Urformen, insbesondere Spritzgießen, in einem Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet wird.
11. Elektrisches Heizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, oder Heizelement, insbesondere für ein derartiges Heizgerät, vorzugsweise hergestellt nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine leitfähige
Polymerstruktur (10), wobei die Polymerstruktur (10) eine
Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente enthält, wobei die Polymerstruktur mit einer elektrischen, insbesondere metallischen, Anschlussstruktur (IIa, IIb) mittels eines Formens, insbesondere Urformens und/oder Umformens, verbunden ist, wobei die Anschlussstruktur vorzugsweise mindestens eine Ausnehmung (12) und/oder mindestens einen Vorsprung aufweist.
12. Heizgerät bzw. Heizelement nach Anspruch 11,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass,
die Anschlussstruktur (IIa, IIb) ein Blech, insbesondere Lochblech, und/oder einen Blechstreifen, insbesondere Lochblechstreifen, und/oder eine Folie, insbesondere Lochfolie, und/oder einen Folienstreifen, insbesondere Lochfolienstreifen, und/oder ein Gitter und/oder ein Gewirk und/oder ein Gewebe und/oder ein Gestrick umfasst.
13. Heizgerät bzw. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Kohlenstoffkomponente in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegt und/oder
in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder
Kohlen stoff fasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegt; und/oder die Polymerstruktur (10) eine elektrische isolierende Polymerkomponente aufweist.
14. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes nach einem der Ansprüche 11 bis 13 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder Luft durch das Heizgerät strömt und dabei aufgeheizt wird.
15. Verwendung eines Heizgerätes bzw. eines Heizelementes nach einem der Ansprüche 11 bis 13 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Aufheizen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, oder von Luft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
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