DE102011086448A1

DE102011086448A1 - Verfahren zum Herstellen eines Heizelements

Info

Publication number: DE102011086448A1
Application number: DE102011086448A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Margarete Franziska Althaus
Current assignee: THERMOFER GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16
Also published as: WO2013072338A3; WO2013072338A2; ES2555609T3; US20140339217A1; US9918356B2; EP2753881B1; PL2753881T3; EP2753881A2; PT2753881E; HUE025812T2; DK2753881T3

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen eines Heizelements für einen Raum in einem Gebäude, wobei das Heizelement einen flächigen Träger aufweist, der Kohlenstoffnanoröhren sowie eine Mehrzahl von Kontakten trägt, und wobei die Kohlenstoffnanoröhren durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kontakte zur Infrarot-Emission anregbar sind. Um das Heizelement zu vereinfachen wird vorgeschlagen, dass der Träger aus einem flexiblen Textil besteht und auf eine Wand des Raums aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Heizelements für einen Raum in einem Gebäude, wobei das Heizelement einen flächigen Träger aufweist, der Kohlenstoffnanoröhren sowie eine Mehrzahl von Kontakten trägt, und wobei die Kohlenstoffnanoröhren durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kontakte zur Infrarot-Emission anregbar sind.
Kohlenstoffnanoröhren („carbon nanotubes“, CNT) sind winzige Kohlenstoffröhrchen, die elektrischen Strom leiten, wenn eine Spannung angelegt wird, wobei ihre Leitfähigkeit die von Kupfer deutlich übersteigt. Beim Stromdurchfluss werden CNT energetisch angeregt und emittieren beim Rückfall auf den ursprünglichen Zustand mit einem energetischen Wirkungsgrad von über 95 vH Wärmestrahlung im fernen Infrarotbereich. CNT sind damit besonders geeignet zum Heizen von Räumen, da der Mensch sehr gut auf diese Art der Wärmestrahlung reagiert.
Zur Herstellung eines CNT-basierten Heizelements schlägt DE 20 2011 001 126 U1 vor, die Kohlenstoffnanoröhren in einer Emulsion eines verdunstenden Lösungsmittels mit einem erhärtenden Kunststoff unmittelbar auf eine entsprechend vorbereitete Wand des Raums als flächigen Träger aufzubringen und gegebenen Falls raumseitig mit einer textilen Verstärkung zum Schutz gegen Abrieb zu versehen.
CNT-basierte Heizelemente mit separatem flächigem Träger, der Kohlenstoffnanoröhren sowie eine Mehrzahl von Kontakten trägt, wobei die Kohlenstoffnanoröhren durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kontakte zur Infrarot-Emission anregbar sind, sind weiterhin aus DE 10 2009 008 967 B4 , DE 10 2009 034 306 A1 , DE 20 2006 007 228 U1 , DE 20 2007 014 328 U1 , DE 20 2005 014 678 U1 , DE 20 2008 007 815 U1 , DE 20 2009 000 136 U1 sowie aus WO 2007/089118 A1 bekannt. Die Träger dieser CNT-basierten Heizelemente sind starr, so dass die Heizelemente als separate Bauteile vor eine Wand des Gebäudes montiert werden können.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Heizelement vorzuschlagen.
Lösung
Ausgehend von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass der Träger aus einem flexiblen Textil besteht und auf eine Wand des Raums aufgebracht wird. Das Aufbringen eines textilen Trägers auf die Wand vereinfacht und beschleunigt – gegenüber dem bekannten Aufbringen eines erhärtenden Kunststoffs – signifikant die Montage eines CNT-basierten Heizelements. Wie im Stand der Technik für die Verarbeitung von Armierungsnetzen bekannt, kann der Träger beispielsweise auf die Wand eingespachtelt, geklebt oder genagelt werden.
Bevorzugt besteht bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Textil aus Glasfaser. Die Verarbeitung von Glasfasermatten in unterschiedlichen Ausprägungen ist an Wänden von Gebäuden ist allgemein bekannt. Alternativ kommt jede wärme- und feuchtebeständige Faser – insbesondere auch Baumwolle – zur Verwendung als Träger in einem erfindungsgemäßen Verfahren in Betracht.
Vorteilhafter Weise werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Kohlenstoffnanoröhren auf das Textil in einer wässrigen Dispersion aufgetragen und das Wasser verdunstet. Die Ausrüstung kann insbesondere mit einer ein bis zehnprozentigen Dispersion durch Sprühen, Tauchen, Drucken oder Pinseln vor dem oder auch durch Sprühen oder Pinseln im Anschluss an das Aufbringen auf die Wand erfolgen. Die Ausrüstung kann in mehreren Schritten erfolgen, um die Dichte der Kohlenstoffnanoröhren zu steigern. Die Ausrüstung kann auch gezielt ungleichmäßig – beispielsweise mit in einer Richtung ansteigender Dichte der Kohlenstoffnanoröhren – erfolgen, um in einer Raumrichtung wechselndem Wärmebedarf Rechnung zu tragen.
Weiterhin kann in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren im Anschluss an die Ausrüstung auf das Textil auf dieselbe Weise eine wasserabweisende und elektrisch isolierende Schutzschicht aufgetragen werden. Ein derart ausgerüstetes Textil kann dann insbesondere mit wasserhaltigen Materialien weiterbehandelt, beispielsweise überstrichen oder unter Verwendung von handelsüblichem Kleister tapeziert werden.
Vorzugsweise ist in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Textil ein Gewebe mit Kett- und Schussfäden. Gewebe weisen eine besonders gleichmäßige Oberfläche und darüber hinaus eine besonders geringe Dicke auf. Grundsätzlich kommt aber für ein erfindungsgemäßes Verfahren jede Art von flächigen Textilien – also Verbunden aus Fasern – in Betracht, alternativ insbesondere auch Gewirke, Gestricke oder Vliese.
In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt die Kontakte als Kett- oder Schussfäden fadenförmig in das Gewebe eingearbeitet. Diese enge Verbindung der Kontakte mit dem Textil gewährleist einerseits eine gute Kontaktierung der Kohlenstoffnanoröhren. Andererseits kann das Heizelement so besonders einfach zur Montage auf eine Wand vorgefertigt werden. Alternativ können die Kontakte auf dem Textil aufliegen. Beispielsweise kann das Textil ein handelsübliches Glasfaser-Armierungsnetz sein, das mit den Kohlenstoffnanoröhren beschichtet und anschließend mit den Kontakten beklebt wird.
Besonders bevorzugt bestehen in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Kontakte aus Kupfer. Alternativ kann grundsätzlich jedes leitfähige Material für die Kontakte zum Einsatz kommen, insbesondere auch Silber oder versilberte Kupferfäden, vorzugsweise mit zehn bis 20 Adern.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafter Weise das Heizelement gespachtelt, übertapeziert oder gefliest werden. Das Heizelement wird so einerseits vollständig kaschiert und ist von der übrigen Wand nicht zu unterscheiden. Ein solches erfindungsgemäßes Heizelement ist besonders für Räume geeignet, die aus Gründen des Denkmalschutzes nicht anderweitig geheizt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aber sowohl für die Ausrüstung von Neubauten, als auch für die Altbausanierung.
Alternativ kann das Heizelement auch ohne Abdeckung auf der Wand belassen oder mit einer für infrarote Strahlung durchlässigen Kaschierung versehen werden. Auf diese Weise kommt besonders für therapeutische Zwecke die spezifische Strahlungscharakteristik der Kohlenstoffnanoröhren zur Geltung.
Die raumseitige Oberfläche der Wand kann auch als Dekor mit unter Infrarotlicht leuchtenden oder ihre Farbe ändernden Pigmenten ausgerüstet werden. Wenn die Kohlenstoffnanoröhren in einem dekorativen Muster wechselnder Dichte auf das Textil aufgebracht sind, so wird dieses Muster im Betrieb des Heizelements sichtbar.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In einem erfindungsgemäßen Verfahrens basiert der Träger auf einem gewebten Textil aus Glasfaserfäden mit einer Maschenweite von 4 × 4 mm und mit einer Breite von 1 m als endlose Rollenware. Das Textil weist flächige Kontaktbereiche auf, in denen für jeweils zehn aufeinanderfolgende Schussfäden mit möglichst geringem Abstand Kupferfäden anstelle der Glasfaserfäden eingewebt sind.
Die Rollenware ist für die Herstellung von Matten konfiguriert, die jeweils an zwei gegenüberliegenden Rändern und dazwischen in der Mitte einen Kontaktbereich aufweisen: Auf einen ersten Kontaktbereich folgt in Richtung der Kettfäden ein Zwischenbereich mit einer Breite von knapp 50 cm, ein zweiter Kontaktbereich mit einem weiteren Zwischenbereich und ein dritter Kontaktbereich, an den sich ein Trennbereich mit einer Breite von 5 cm anschließt.
Auf das fertig gewebte Textil werden Kohlenstoffnanoröhren in einer dreiprozentigen wässrigen Dispersion durch Drucken oder Tauchen aufgetragen. Durch wiederholte Beschichtung werden drei verschiedene Textile mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen für unterschiedliche Versorgungsspannungen – ein Widerstand von 2 bis 3 Ω für 12 V, von 10 bis 12 Ω für 48 V und von 150 bis 170 Ω für 230 V Versorgungsspannung – hergestellt. Die Heizelemente erreichen dann Oberflächentemperaturen von 35 bis 40 °C.
Die Ausrüstung der Textile wird durch entsprechendes Auftragen einer wasserabweisenden und elektrisch isolierenden Schutzschicht aus Latex abgeschlossen. Anschließend wird der mit den Kohlenstoffnanoröhren und der Schutzschicht ausgerüstete Träger in den Trennbereichen in Matten geschnitten. Zur Fertigstellung der Heizelemente werden an den Kontaktbereichen Klemmstecker als elektrische Anschlüsse angebracht.
Drei bis vier derart vorkonfektionierte Heizelemente werden im Rohbau eines Gebäudes auf die Innenwände jedes Raumes geklebt oder mechanisch an der Wand befestigt, mit Kalk- oder Lehmputz eingespachtelt und bei Bedarf übertapeziert. Die Anschlüsse werden aus dem Putz herausgeführt oder mit gleichfalls unter Putz liegenden Versorgungsleitungen verbunden.
Die Heizelemente können seriell oder parallel angeschlossen werden, bei parallelem Anschluss kann jedes Heizelement einzeln angesteuert werden. Die Heizelemente können über Temperaturfühler bei eingestellten Raumtemperaturen und/oder über eine selbstlernende Regelung ein- und ausgeschaltet werden.
Die Heizleistung jedes Heizelements (oder aller Heizelemente eines Raumes oder einer anderen Einheit) kann über die Anschlussspannung geregelt oder durch unterschiedliche Verschaltung der Kontakte gesteuert werden: Gegenüber dem Standardfall, in dem die Betriebsspannung zwischen den beiden äußeren Kontakte anliegt, werden der Widerstand halbiert und die Heizleistung verdoppelt, wenn die Betriebsspannung zwischen dem mittleren und nur einem der äußeren Kontakte anliegt. Entsprechend wird gegenüber demselben Standardfall der Widerstand geviertelt und die Heizleistung vervierfacht, wenn die Betriebsspannung zwischen dem mittleren und beiden äußeren Kontakten anliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202011001126 U1 [0003]
DE 102009008967 B4 [0004]
DE 102009034306 A1 [0004]
DE 202006007228 U1 [0004]
DE 202007014328 U1 [0004]
DE 202005014678 U1 [0004]
DE 202008007815 U1 [0004]
DE 202009000136 [0004]
WO 2007/089118 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Heizelements für einen Raum in einem Gebäude, wobei das Heizelement einen flächigen Träger aufweist, der Kohlenstoffnanoröhren sowie eine Mehrzahl von Kontakten trägt, und wobei die Kohlenstoffnanoröhren durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kontakte zur Infrarot-Emission anregbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem flexiblen Textil besteht und auf eine Wand des Raums aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Textil aus Glasfaser besteht.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren auf das Textil in einer wässrigen Dispersion aufgetragen werden und das Wasser verdunstet wird.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Ausrüstung auf das Textil eine wasserabweisende und elektrisch isolierende Schutzschicht aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Textil ein Gewebe mit Kett- und Schussfäden ist.
Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte als Kett- oder Schussfäden fadenförmig in das Gewebe eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte aus Kupfer bestehen.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement gespachtelt, übertapeziert oder gefliest wird.