DE202010009208U1

DE202010009208U1 - Flexibles Heizelement

Info

Publication number: DE202010009208U1
Application number: DE202010009208U
Authority: DE
Original assignee: Futurecarbon GmbH
Current assignee: Futurecarbon GmbH
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2020-06-18

Abstract

Flexibles, flächiges Heizelement umfassend
mindestens ein Heizmittel mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, das zumindest Kohlenstoffpartikel umfasst,
zwei an dem Heizmittel angeordnete, elektrische Kontaktmittel, die ausschließlich zumindest einen Teil gegenüberliegender Randbereiche des Heizelementes bedecken, um das Heizmittel über die Breite des Heizelementes mit Strom zu beaufschlagen, und
zusätzlich zumindest ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Heizelementes an einem Objekt, wobei das Befestigungsmittel zumindest einen Teil einer Anlagefläche des Heizelementes bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles, flächiges Heizelement.
Die Beheizung der Oberfläche eines Objektes oder Körpers ist in vielen Industriezweigen erforderlich. Beispielsweise kann es bei Nahrungsmittelherstellern erforderlich sein, Lebensmittel beim Transport durch Rohrleitungen auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Weiterhin ist es in der Luftfahrtindustrie insbesondere im Winter erforderlich, die Tragflächen und weitere Komponenten des Flugzeuges vor dem Start zu enteisen.
Für diese Zwecke können elektrische Heizelemente eingesetzt werden, die beispielsweise aus mäanderförmigen Heizdrähten bestehen. Ein Nachteil dieser Art der Beheizung besteht darin, dass die Heizelemente eine geringe Flexibilität aufweisen und so ein zuverlässiger Kontakt des Heizelementes mit der zu erwärmenden Oberfläche nur bei ebenen Oberflächen gewährleistet werden kann. Für die Beheizung unregelmäßiger, komplexer Oberflächentopologien ist es bei solchen Heizelementen daher erforderlich mehrere kleine Heizelemente auf die Oberfläche legen zu müssen, um der Oberflächenkontur folgen zu können. Zudem sind auch Heizelemente bekannt, bei denen eine elektrisch heizbare Kunststofffolie mit elektrisch leitfähiger Schicht verwendet wird. Diese Heizelemente weisen zwar eine gewisse Flexibilität auf, allerdings kann auch bei diesen das zuverlässige Anliegen an der zu erwärmenden Oberfläche nicht gewährleistet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Heizelement zu schaffen, das eine zuverlässige Wärmeübertragung auf eine zu erwärmende Oberfläche auf einfache Weise erlaubt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem ein kraft- und/oder stoff- und/oder formschlüssiger Kontakt mit der zu erwärmenden Oberfläche durch das Heizelement selber geschaffen wird.
Die Aufgabe wird daher erfindungsgemäß gelöst durch ein flexibles, flächiges Heizelement, das mindestens ein Heizmittel, mindestens zwei elektrische Kontaktmittel und zusätzlich mindestens ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Heizelementes an einem Objekt umfasst. Das mindestens eine Heizmittel weist mindestens ein elektrisch leitfähiges Material auf, das zumindest Kohlenstoffpartikel umfasst. Zwei elektrische Kontaktmittel sind an dem Heizmittel angeordnet und bedecken ausschließlich zumindest einen Teil gegenüberliegender Randbereiche des Heizelementes, um das Heizmittel über die Breite des Heizelementes mit Strom zu beaufschlagen. Das zumindest eine Befestigungsmittel bildet zumindest einen Teil einer Anlagefläche des Heizelementes.
Als Heizelement im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Gegenstand bezeichnet, in dem Wärme erzeugt und von dem Wärme abgegeben werden kann. Als flexibel wird ein Heizelement bezeichnet, das bei geringem Kraftaufwand, insbesondere händisch, plastisch und/oder elastisch verformt werden kann. Das erfindungsgemäße Heizelement ist flächig ausgestaltet. Insbesondere weist das Heizelement in seiner Ausgangslage, das heißt vor der Befestigung an dem zu erwärmenden Objekt, eine ebene Gestalt auf, die eine Hauptausdehnungsrichtung besitzt.
Die Wärme wird bei dem erfindungsgemäßen Heizelement durch Strombeaufschlagung erzeugt. Hierzu ist in dem Heizelement elektrisch leitfähiges Material vorgesehen. Dieses Material wird im Folgenden auch als Leitfähigkeitsadditiv oder Füllkörper bezeichnet. Das elektrisch leitfähige Material kann das Heizmittel bilden oder in dem Heizmittel enthalten sein. Die mindestens zwei Kontaktmittel dienen der Strombeaufschlagung des Heizmittels. Die Kontaktmittel können insbesondere Kontaktstreifen, Kontaktdrähte, Kontaktbänder oder Kontaktfäden darstellen. An den Kontaktmitteln sind zudem vorzugsweise elektrische Anschlüsse vorgesehen, über die eine Stromzuleitung zu den Kontaktmitteln erfolgen kann. Die elektrischen Anschlüsse sind vorzugsweise lösbar ausgestaltet. Um ein Anschließen der Kontaktmittel auch nach der Befestigung des Heizelementes an dem zu erwärmenden Objekt vereinfachen zu können, können die Kontaktmittel sich über eines der Längsenden der weiteren Komponenten des Heizelementes hinaus erstrecken, dass heißt über das Längsende überstehen. Die Kontaktmittel können aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise, Metalle, wie Kupfer, Silberlack oder aus Kohlenstoffhaltigen Materialien, wie beispielsweise Kohlenstofffasern bestehen.
Als Kohlenstoffpartikel werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Teilchen verstanden, die auf Kohlenstoff basieren oder vorzugsweise aus Kohlenstoff bestehen. Die Größe der Kohlenstoffpartikel kann im Nano- oder Mikrometerbereich liegen. Als Anlagefläche des Heizelementes wird eine außen liegende Fläche des Heizelementes bezeichnet. Diese außen liegende Fläche dient als Anlagefläche zur Anlage an dem zu erwärmenden Objekt. Vorzugsweise ist die Anlagefläche die Fläche, die der Fläche, die durch das Heizmittel gebildet wird oder in der das Heizmittel enthalten ist, gegenüberliegt. Zumindest ein Teil dieser Fläche wird erfindungsgemäß durch ein Befestigungsmittel gebildet. Vorzugsweise wird die gesamte Anlagefläche durch das Befestigungsmittel gebildet. Als Befestigungsmittel wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Teil des Heizelementes bezeichnet, über den das Heizelement an dem zu erwärmenden Objekt gehalten wird.
Die Randbereiche des Heizelementes, die von den Kontaktmitteln zumindest teilweise abgedeckt werden, stellen insbesondere seitliche Randbereiche der Breite des Heizelementes dar. Als Breite wird im diesem Zusammenhang vorzugsweise eine Abmessung bezeichnet, die zu der Hauptausdehnungsrichtung, insbesondere Länge, des Heizelementes quer liegt. Die Randbereiche erstrecken sich jeweils von dem seitlichen Rand des Heizelementes, insbesondere der Schicht, in dem das Heizmittel enthalten ist oder die durch das Heizmittel gebildet wird, und enden in einem Abstand zu der Mittellinie des Heizelementes, die in der Hauptausdehnungsrichtung liegt. Die Hauptausdehnungsrichtung kann hierbei eine Gerade oder eine Kurve sein. Die Kontaktmittel, die ausschließlich in zumindest einem Teil der Randbereiche vorgesehen sind, erstrecken sich somit nicht über die Mittellinie und enden vorzugsweise in einem Abstand zu der Mittellinie.
Als Abdecken des Randbereiches wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass das Kontaktmittel in senkrechter Projektion auf die Ebene der Hauptausdehnungsrichtung des Heizelementes in dem Randbereich der Fläche des Heizelementes liegt. Das Kontaktmittel kann dabei in einem Abstand zu dem Seitenrand des Heizmittels angebracht sein. Insbesondere liegt das Kontaktmittel in der senkrechten Projektion auf die Fläche des Heizmittels in dem Randbereich der Fläche des Heizmittels. Das Kontaktmittel kann hierbei auf der Oberseite einer Schicht, die zumindest teilweise durch das Heizmittel gebildet wird, auf der Unterseite dieser Schicht oder in dieser Schicht liegen. Indem die zwei Kontaktmittel in gegenüberliegenden Randbereichen vorgesehen sind, kann über die Breite des Heizmittels ein Stromfluss erzeugt werden, durch den sich das Heizmittel erwärmt. Durch den großen Abstand der Kontaktmittel kann sich die Wärme zuverlässig ausbreiten und zu dem Befestigungsmittel gelangen, über das die Wärme dann an das zu erwärmende Objekt abgegeben werden. Zudem kann durch den Abstand zwischen den Kontaktmitteln ein Kurzschluss auch bei dem erfindungsgemäß flexibel ausgestalten Heizelement zuverlässig verhindert werden.
Die Kontaktmittel können an dem Heizmittel beispielsweise über elektrisch leitende Klebestoffe befestigt werden. Alternativ können die Kontaktmittel aber auch in dem Heizmittel eingebracht oder aufgenommen sein. Weiterhin ist es möglich, die Kontaktmittel aufzudrucken oder aufzudampfen. Hierbei können die Kontaktmittel auf einer durch das Heizmittel gebildeten Schicht aufgebracht werden. Es ist aber auch möglich, dass die Kontaktmittel auf dem Befestigungsmittel beziehungsweise einer durch dieses Befestigungsmittel gebildeten Schicht aufgebracht werden. Schließlich ist es auch möglich, die Kontaktmittel auf ein Substrat, auf dem das Heizmittel aufgebracht wird und in dem das Heizmittel enthalten ist, durch Aufdrucken oder aufdampfen aufzubringen. Als Material für die Kontaktmittel kann in diesem Fall beispielsweise Silber- oder Goldleitlack verwendet werden.
Indem die Kontaktmittel ausschließlich zumindest einen Teil gegenüberliegender Randbereiche des Heizelementes bedecken, erhöhen diese die Steifigkeit des Heizelementes auch bei einer gewissen Materialstärke der Kontaktmittel nur geringfügig. Somit ist die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Heizelementes geringer als die Steifigkeit, die bei einer im Wesentlichen durchgehenden Kontaktschicht vorliegt. Aufgrund der geringen Steifigkeit ist das erfindungsgemäße Heizelement besonders flexibel und lässt sich damit einfach an komplexe Strukturen anlegen oder beispielsweise auch an Objekte mit geringem Durchmesser anlegen. Da erfindungsgemäß zudem an dem Heizelement selber ein Befestigungsmittel vorgesehen ist, wird trotz der geringen Steifigkeit des Heizelementes ein Beibehalten einer vorgegebenen Form des Heizelementes gewährleistet. Hierdurch wird ein zuverlässiges Anliegen an der zu erwärmenden Oberfläche des Objektes sichergestellt. Indem zudem das Befestigungsmittel zumindest einen Teil, vorzugsweise aber die gesamte Anlagefläche des Heizelementes bildet, kann die Aufrechterhaltung einer gewünschten Form über die gesamte Fläche des Heizelementes erfolgen und die Form insbesondere der Form der Oberfläche des zu erwärmenden Objektes angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Heizelement ein Breiten-zu-Längen-Verhältnis von kleiner gleich 1 auf. Bei dieser Ausführungsform stellt das Heizelement somit ein Band oder einen Streifen dar. Die Kontaktmittel befinden sich hierbei an den seitlichen Randbereichen, das heißt erstrecken sich in Längenrichtung des Bandes. Die Ausführungsform des Heizelementes mit einem kleinen Breiten-Längen-Verhältnis weist den Vorteil auf, dass zum einen der Abstand zwischen den Kontaktmitteln verhältnismäßig gering ist und damit eine zuverlässige Erwärmung des Heizmittels über die Breite gewährleistet werden kann. Zum anderen kann ein band- oder streifenförmiges Heizelement in Längsrichtung aufgerollt werden. Hierbei wird vorzugsweise die Anlagefläche zum Zentrum der Rolle gerichtet. Bei mehr als einer Windung wird daher die Anlagefläche und insbesondere das Befestigungsmittel vor äußeren Einflüssen geschützt. Insbesondere kann eine mechanische Beschädigung oder eine chemische Reaktion des Befestigungsmittels auf einfache Weise verhindert werden. Schließlich ist aufgrund der großen Länge des Heizelementes auch ein schraubenförmiges beziehungsweise helixförmiges Umwickeln eines beispielsweise zylindrischen Objektes möglich. Somit kann ein Heizelement mit einer geringen Breite vielfältig eingesetzt werden und auch Objekte mit größeren zu erwärmenden Oberflächen können mit diesem Heizelement zuverlässig erwärmt werden.
Die Kontaktmittel sind bei dieser Ausführungsform beispielsweise als gerade Streifen ausgebildet. Allerdings ist die Form der Kontaktmittel auch für weitere Ausführungsformen nicht auf eine solche gerade Konfiguration beschränkt. Die Kontaktmittel können beispielsweise durch Streifen gebildet werden, die in der Hautausdehnungsrichtung des Heizelementes kurvenförmig verläuft. Auch können die Kontaktmittel eine Kammform aufweisen. Hierbei weisen die Kammzähne allerdings eine Länge auf, die geringer ist als die Hälfte der Breite des Heizelementes und gegenüberliegende Kämme dadurch nicht ineinander eingreifen. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch bei dieser Ausführungsform die Kontaktmittel ausschließlich in den Randbereichen des Heizelementes angeordnet sind. Hierdurch wird auch bei dieser Ausführungsform ein ausreichend großer Abstand zwischen den Kontaktmitteln gewährleistet, der die Flexibilität des Heizelementes auch bei einer gewissen Materialstärke der Kontaktmittel nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Heizelement über dessen Länge unterschiedliche Breiten auf. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise bei einem zu erwärmenden Objekt von Vorteil sein, in dessen Oberfläche eine Vertiefung vorliegt. Indem das Heizelement, in dem Bereich, der über die Vertiefung gelegt wird, eine größere Breite aufweist, kann auch die Erwärmung der Oberfläche in der Vertiefung gewährleistet werden. Um dennoch einen gleichmäßigen Strompfad über die Länge auch bei unterschiedlichen Breiten gewährleisten zu können, können die Kontaktmittel in diesem Bereich zu dem Seitenrändern beabstandet sein. Die Kontaktmittel weisen also in diesem Bereich eine Kurvenform auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Menge des Heizmittels durch Einstellen der Dicke einer Heizmittelschicht und/oder die Konzentration der elektrisch leitenden Materialien in dem Heizmittel in diesem der Länge des Heizelementes variiert werden. Da an dem erfindungsgemäßen Heizelement ein Befestigungsmittel vorgesehen ist, kann dieses an solche individuell eingestellten Heizelement-Geometerien angepasst sein und so eine optimale Erwärmung der Oberfläche des zu erwärmenden Objektes erzielt werden.
Das Befestigungsmittel kann als Schicht an der Anlagefläche des Heizelementes vorliegen. Hierbei bedeckt die Schicht vorzugsweise die gesamte Länge und Breite des Heizelementes. Dies bedeutet, dass die Anlagefläche ausschließlich durch das Befestigungsmittel gebildet wird. Als Schicht wird im Sinne dieser Erfindung eine durchgehende Lage von Material bezeichnet. Durch die durchgehende Form des Befestigungsmittels ist die Kontaktfläche zwischen dem Heizelement und dem zu erwärmenden Objekt optimiert.
Das Heizelement kann einen Aufbau aufweisen, bei dem das Heizmittel unmittelbar auf das Befestigungsmittel aufgebracht ist. Das Aufbringen des Heizmittels kann durch Aufstreichen eines lackartigen Heizmittels auf das Befestigungsmittel erfolgen. Alternativ ist es aber auch möglich das Heizmittel vor dem Aufbringen auf das Befestigungsmittel als eine Schicht herzustellen, die anschließend auf das Befestigungsmittel aufgelegt und gegebenenfalls mit dieser verklebt oder anderweitig verbunden wird. Auch sind andere Herstellungen dieser Ausführungsform des Heizelementes, wie beispielsweise Aufsprühen und dergleichen möglich.
Alternativ zu der Anordnung des Heizmittels auf dem Befestigungsmittel kann gemäß einer Ausführungsform das Heizelement zusätzlich ein Substrat umfassen, in dem und/oder auf dem das Heizmittel auf- und/oder eingebracht ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Substrat damit von dem Heizmittel bedeckt und/oder durchdrungen sein. Das Substrat kann mit dem Heizmittel beschichtet sein. In diesem Fall ist die Heizmittelschicht vorzugsweise auf der Seite des Substrates aufgebracht, die dem Befestigungsmittel abgewandt ist. Alternativ kann das Substrat aber auch mit dem Heizmittel getränkt sein. In diesem Fall bildet das Substrat mit dem darin enthaltenen Heizmittel eine gemeinsame Schicht, die auf dem Befestigungsmittel aufgebracht werden kann. Zum Aufbringen auf das Befestigungsmittel kann zusätzlich eine Verbindungsschicht zwischen Befestigungsmittel und Substrat/Heizmittelschicht eingesetzt werden. Diese Verbindungsschicht kann beispielweise eine Klebmassenschicht sein.
Durch das Substrat wird die Verbindung zwischen dem Heizmittel und dem Befestigungsmittel unterstützt. Hierdurch wird eine zuverlässige Wärmeübertragung von dem Heizmittel zu dem Befestigungsmittel und darüber zu dem zu erwärmenden Objekt gewährleistet. Zudem wird durch die Verwendung eines Substrates die Herstellung des Heizelementes vereinfacht. Insbesondere kann das Substrat mit dem Befestigungsmittel oder mit dem Heizmittel vorgefertigt sein. Zur Herstellung des Heizelementes sind daher lediglich die Verbindung zweier Komponenten und gegebenenfalls, sofern nicht bereits in dem Heizmittel oder dem Substrat enthalten ist, die Anbringung der Kontaktmittel erforderlich.
Vorzugsweise ist das Befestigungsmittel thermisch leitfähig. Das Befestigungsmittel weist hierbei eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, die einen Wärmestau an dem Befestigungsmittel verhindert und zudem die zuverlässige Erwärmung des zu erwärmenden Objektes, an dem das Befestigungsmittel anliegt unterstützt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Befestigungsmittel auch gasdurchlässig sein. Die Gasdurchlässigkeit kann beispielsweise durch eine Porosität des Materials des Befestigungsmittels vorliegen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da beispielsweise Kondensat, das beim Abkühlen des Objektes nach einer vorherigen Erwärmung des Objektes entsteht, durch das Befestigungsmittel transportiert werden kann. Dadurch wird der Kontakt zwischen dem Befestigungsmittel und der Oberfläche des zu erwärmenden Objektes durch das Kondensat nicht beeinträchtigt und eine zuverlässige erneute Erwärmung des Objektes wird erzielt. Bei dieser Ausführungsform sind vorzugsweise auch das Heizmittel und, sofern vorgesehen das Substrat, gasdurchlässig. Hierbei kann die Gasdurchlässigkeit auch durch Verringerung der Dicke des Substrates und/oder des Heizmittels, insbesondere der Heizmittelschicht erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform erzeugt das Befestigungsmittel eine lösbare Befestigung. Dies bedeutet, dass das Befestigungsmittel nur temporär an dem zu erwärmenden Objekt befestigt sein kann. Das Befestigungsmittel ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass diese auch nach dem Lösen der Befestigung erneut zur Befestigung an einem Objekt verwendet werden kann. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein Nachjustieren des Heizelementes auf der zu erwärmenden Oberfläche möglich ist. Zudem ist es bei einigen Verwendungen des Heizelementes, wie beispielsweise einem temporären Auftauen oder Erwärmen zur Verhinderung des Einfrierens von Rohrleitungen oder Behältern, einem Beheizen von Kolben im Labor, einem Beheizen von Fässern und dergleichen wünschenswert beziehungsweise erforderlich das Heizelement nach dem Enteisen wieder zu entfernen.
Das Befestigungsmittel kann einen Kraftschluss, Stoffschluss und/oder Formschluss mit einem Objekt bilden. Zudem kann das Befestigungsmittel flüssig, pastös oder fest sein. Der Zustand des Befestigungsmittels kann sich mit der Zeit oder aufgrund von äußeren Einflüssen ändern. Das Befestigungsmittel kann somit variabel gewählt werden und den Erfordernissen des Einzelfalls angepasst sein.
Gemäß einer Ausführungsform stellt das Befestigungsmittel eine Klebemasse dar. Als Klebemassen können beispielsweise Acryl-, Vinyl-, Vinylacetat, Styrol-, Kautschuk-, Chloropren-, Cellulose-, Silikonverbindungen und weitere verwendet werden. Der Vorteil der Verwendung einer Klebemasse als Befestigungsmittel besteht darin, dass über diese ein Kraftschluss zwischen dem Befestigungsmittel und der zu erwärmenden Oberfläche erzielt wird. Dadurch wird die zuverlässige Übertragung von Wärme an die Oberfläche sicher gestellt. Die zu erzielende Haltekraft der Klebemasse kann beispielsweise durch die Art der gewählten Klebemasse so eingestellt werden, dass diese entweder zu einer permanenten Befestigung des Heizelementes an dem Objekt dient oder aber eine lösbare Befestigung bildet. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Klebemasse besteht in deren einfachen Aufbringung an einem Substrat oder dem Heizmittel. Insbesondere kann die Klebemasse einfach aufgestrichen, aufgesprüht oder aufgerollt werden. Zudem wird durch eine Klebemasse auf einfache Weise eine Schicht gebildet und damit die Kontaktfläche zwischen dem Befestigungsmittel und der zu erwärmenden Oberfläche optimiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Klebmasse thermisch vernetzend und/oder aushärtend. Die Klebmassen können beispielsweise Klebmassen sein, die aus Acrylat-, Cyanacrylat-, Epoxy-, Polyurethan-, Phenolverbindungen oder auch aus Plastisolen bestehen oder diese enthalten. Das thermische Vernetzen und/oder Aushärten bedeutet, dass die Klebemasse beispielsweise in einem flüssigen oder pastösen Zustand aufgebracht werden kann und erst beim erstmaligen Erwärmen des Heizmittels oder durch externe Erwärmung in den Endzustand versetzt wird. Hierdurch kann auch bei einer nicht-ablösbaren Klebemasse ein Nachjustieren erfolgen bevor das Heizelement in Betrieb genommen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt das Befestigungsmittel statt einer Klebemasse ein Blech, eine Folie oder eine Platte dar. Ein Blech stellt dabei einen metallischen Gegenstand dar, wobei eine Folie bzw. eine Platte neben einem metallischen Gegenstand auch einen nicht-metallischen Gegenstand darstellen können. Durch die Verwendung eines Blechs, einer Folie oder einer Platte wird die Herstellung des Heizelements vereinfacht, da das beispielsweise lackartige Heizmittel unmittelbar auf ein Blech, eine Folie oder eine Platte aufgetragen werden kann, so dass kein zusätzliches Substrat erforderlich ist. Bei metallischen Gegenständen werden diese vor dem Auftragen des Heizmittels mit einer geeigneten Isolierung versehen, um einen Kurzschluss zu verhindern.
Das Befestigungsmittel, das einen keine Klebemasse darstellt und beispielsweise die Form eines Bleches, einer Folie, einer Platte oder eines Gitters aufweist, ist vorzugsweise federnd und/oder plastisch verformbar. Hierdurch kann ein Formschluss zwischen dem zu erwärmenden Objekt und dem Befestigungsmittel geschaffen werden. Durch die federnde Eigenschaft kann sich das Befestigungsmittel an die Form der Oberfläche des zu erwärmenden Objektes anpassen. Hierzu weist das Befestigungsmittel in seiner entspannten Form zumindest einen Teil der Form der zu erwärmenden Oberfläche auf. In der gespannten Form kann dieses beispielsweise einen geraden Streifen darstellen. Außer einer Federeigenschaft oder zusätzlich dazu kann das Material des Befestigungsmittels auch ein Formgedächtnis aufweisen. Ein plastisch verformbares Befestigungsmittel kann vorzugsweise durch geringen Kraftaufwand, insbesondere händisch, der Form der Oberfläche des zu erwärmenden Objektes angepasst werden. Beispielsweise kann als Befestigungsmittel eine Metallfolie an ein zu erwärmendes Rohr angelegt werden. Alternativ oder zusätzlich zu dem Kraftaufwand kann die plastische Verformung auch durch Erwärmung erfolgen. Dies ist beispielsweise bei Befestigungsmitteln aus Kunststoff von Vorteil. Durch die Federeigenschaft und/oder die plastische Verformbarkeit des Befestigungsmittels kann eine einfache und schnelle Anbringung des Heizelementes an dem Objekt erfolgen. Auch eine Nachjustierung ist bei dieser Ausführungsform möglich.
Alternativ oder zusätzlich zu der Federeigenschaft und/oder der plastischen Verformbarkeit kann das Befestigungsmittel auch magnetisch oder magnetisierbar sein. Diese Ausführungsform ist für metallische Objekte, deren Oberfläche erwärmt werden soll von Bedeutung. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist das einfache Anbringen und die Möglichkeit der Nachjustierung.
Schließlich kann das Befestigungsmittel auch für einen Stoffschluss ausgelegt sein. Insbesondere kann ein Schweißmittel oder Lötmittel als Befestigungsmittel in Form einer Schicht verwendet werden. Dieses kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Bei Erwärmung durch das Heizmittel oder durch externe Erwärmung kann das Material aufschmelzen und dadurch die Verbindung zwischen dem Heizelement und der zu erwärmenden Oberfläche bilden. Vorzugsweise ist das Material des Befestigungsmittels bei dieser Ausführungsform so gewählt, dass dieses bei der normalen Betriebstemperatur des Heizelementes einen festen Zustand einnimmt. Als Befestigungsmittel können zum Beispiel feinteilige Metall-, Lot-, oder Polymerpulver eingesetzt werden, welche bei Temperaturen gesintert werden, die unterhalb der eigentlichen Einsatztemperatur des Heizelementes liegen
Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die mindestens zwei elektrischen Kontaktmittel über die gesamte Länge des Heizelementes. Als Länge des Heizelementes wird hierbei die Hauptausdehnungsrichtung bezeichnet. Die Länge bezeichnet hierbei entweder die Abmessung des Heizelementes in dem auf das zu erwärmende Objekt aufgebrachten Zustand oder vorzugsweise die Abmessung des Heizelementes nach dessen Herstellung. Im ersten genannten Fall liegt der Vorteil darin, dass das Heizmittel auf der gesamten Länge des Heizelementes über die Breite von Strom durchflossen werden kann und damit die Heizfläche maximiert ist. Bei der Ausführungsform, in der die Kontaktmittel über die gesamte Länge des Heizelementes nach dessen Herstellung vorliegen besteht ein weiterer Vorteil, dass eine Unterteilung des hergestellten Heizelementes an beliebigen Stellen erfolgen kann. Die daraus resultierenden einzelnen Heizelemente weisen dann weiterhin über deren gesamte Länge die Kontaktmittel auf.
Gemäß einer Ausführungsform sind die elektrischen Kontaktmittel zwischen dem Heizmittel und dem Befestigungsmittel angeordnet. Die Kontaktmittel liegen dabei vorzugsweise unmittelbar an dem Heizmittel an. Zwischen den Kontaktmitteln und dem Befestigungsmittel hingegen kann ein Substrat vorgesehen sein. Als unmittelbares Anliegen der Kontaktmittel an dem Heizmittel wird auch ein Anliegen verstanden, dass durch elektrisch leitende Mittel unterstützt ist. Beispielsweise können die Kontaktmittel an dem Heizmittel durch einen elektrisch leitfähigen Klebstoff befestigt sein. Indem die Kontaktmittel zwischen dem Heizmittel und dem Befestigungsmittel vorgesehen sind, liegen diese im Inneren des Heizelementes. Hierdurch kann eine Beschädigung der Kontaktmittel beispielsweise während des Transportes verhindert werden. Zudem ist es bei dieser Ausführungsform möglich die Oberfläche des Heizelementes eben auszugestalten. Dies ist insbesondere bei lackartigen Heizmitteln einfach zu realisieren.
Bei einem Heizelement, bei dem zusätzlich ein Substrat vorgesehen ist, können die Kontaktmittel in dem Substrat integriert sein. Diese Ausführungsform ist beispielsweise bei einem textilen Substrat durch Einbringen eines oder mehrerer Kontaktfäden oder eines Kontaktbandes in das Gewebe möglich. Bei Gelegen können die Kontaktmittel beispielsweise während der Herstellung des Geleges zwischen weitere Gelegeschichten eingeführt werden. Diese Ausführungsform weist unter anderem den Vorteil auf, dass die Herstellung des Heizelementes vereinfacht ist, da eine separate Anbringung der Kontaktmittel nicht mehr erforderlich ist. Zudem ist die Position der Kontaktmittel festgelegt, so dass ein Ausrichten der Kontaktmittel bei dem Zusammensetzen des Heizelementes nicht mehr erforderlich ist. Auch kann ein Verschieben der Kontaktmittel verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat funktionalisiert. In diesem Zusammenhang wird als Funktionalisieren eine Behandlung des Substrates verstanden, die diesem für den Einsatz des Substrates geeignete Eigenschaften verleiht. Beispielsweise kann das Substrat oberflächenbehandelt sein. Die Oberflächenbehandlung kann beispielsweise das Aufbringen einer isolierenden Beschichtung auf metallische Substrate beinhalten. Beispielsweise kann das Substrat eine Metallfolie darstellen, die an zumindest einer Seite ein Isoliermaterial aufweist. Weiterhin kann die Funktionalisierung des Substrates eine Metallisierung darstellen. Diese Funktionalisierung ist beispielsweise für Textilien von Vorteil, da diese nach der Metallisierung auch Strahlungsabsorbtionseigenschaften aufweisen.
Ein für das Heizelement verwendetes Substrat kann aus mindestens einem Material bestehen, das aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, die folgende Materialien umfasst: Metallfolien, Metallbleche, Metallplatten, Kunststofffolien, Kunststoffplatten und/oder Textilien, insbesondere Gewebe, Gewirke, Gelege, Vliese, Papier, Fäden, Garne, Natur- und Kunstfasern.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Heizelement zusätzlich zu dem Heizmittel, dem Befestigungsmittel, den Kontaktmitteln und gegebenenfalls dem Substrat eine Reflektionsschicht und/oder eine Dämmschicht auf. Diese Schicht ist zumindest teilweise auf dem Heizmittel und/oder dem Kontaktmittel vorgesehen. Durch das Vorsehen der Reflektionsschicht wird Infrarotstrahlung, die vom Heizelement auf die Reflektionsschicht einfällt, in Richtung Klebeschicht bzw. Oberfläche, auf der das Heizelement angebracht ist, reflektiert, wodurch Strahlungsverluste reduziert werden können Als reflektierende Schicht kann beispielsweise eine Metallfolie oder eine metallisierte Kunststofffolie oder dergleichen verwendet werden. Die Dämmschicht bildet eine Abschirmung des Heizelementes und verhindert die Abgabe von Wärme an die Umgebung. Zudem kann zumindest ein Teil der Wärmestrahlung, die von dem Heizmittel abgegeben wird, in Richtung auf das zu erwärmende Objekt reflektiert werden (im Gegensatz zur oben beschriebenen Reflexionsschicht, reflektiert die Dämmschicht weniger...). Als Dämmschicht wird eine thermisch schlecht leitende Schicht verwendet, die beispielsweise aus einem Schaum bestehen kann.
Die Reflektionsschicht und/oder die Dämmschicht werden auf der Oberseite der Heizschicht aufgebracht und können auch die Kontaktmittel überdecken. Es ist auch mögliche eine Schicht zu verwenden, die die Funktion einer Dämmschicht und Reflektionsschicht kombiniert, oder eine Dämmschicht und die Reflektionsschicht aufeinander vorzusehen.
Als Heizmittel kann ein Mittel verwendet werden, dass ausschließlich aus Kohlenstoffpartikeln besteht. Alternativ kann vorzugsweise auch ein Heizmittel auf Kunststoffbasis verwendet werden, in dem Kohlenstoffpartikel und gegebenenfalls weitere Leitfähigkeitsadditive enthalten sind. Bei der Ausführungsform des Heizmittels auf Kunststoffbasis kann das Heizmittel auch als leitfähiges Polymer bezeichnet werden.
In dem Heizmittel können verschiedene Arten von Polymeren (insbesondere Reaktivharze und die entsprechenden Härter und Beschleuniger, thermoplastische Polymere und Elastomere) enthalten sein. Die in dem Heizmittel enthaltenen Kohlenstoffteilchen können ebenfalls unterschiedlicher Morphologie, Verarbeitung und Konditionierung, wie auch Metallteilchen unterschiedlicher Morphologie, Verarbeitung und Konditionierung, wie auch Keramikteilchen unterschiedlicher Morphologie, Verarbeitung und Konditionierung, sowie andere Leitfähigkeitsadditive und weitere Konstituenten aufweisen.
Ein Heizmittel auf Kunststoffbasis kann auf unterschiedliche Weise auf ein das Substrat oder das Befestigungsmittel aufgetragen werden, beispielsweise mittels Rakeln, Sprühen, Pinseln, Rollen, Eintauchen, Tränken, Streichen, Spachteln und dergleichen, oder auch in einem direkten oder indirekten Druckverfahren, beispielsweise im Siebdruck, im Maskendruck, Tampondruck, Tiefdruck und dergleichen.
Das Heizmittel ist aufgrund des wenigstens einen Leitfähigkeitsadditivs niederohmig, was zu einer guten elektrischen Leitfähigkeit führt, da nur ein geringer elektrischer Widerstand vorhanden ist. Dadurch kann eine homogene Beheizbarkeit realisiert werden. Durch die Niederohmigkeit ist zudem gewährleistet, dass an das Heizmittel nur geringe Spannungen angelegt werden müssen, um eine gute Beheizung zu erreichen.
Das Heizmittel, das für das erfindungsgemäße Heizelement verwendet wird, kann ein zumindest zeitweilig flüssiges Grundmaterial sowie wenigstens zwei in dem Grundmaterial vorgesehene Leitfähigkeitsadditive als leitfähige Materialien aufweisen.
Das Grundmaterial kann während des gesamten Herstellungs- und Verarbeitungsprozess des Heizmittels oder aber bei einem oder mehreren Prozessschritten flüssig sein, beispielsweise während eines Mischvorgangs oder während der Applizierung des Heizmittels. Der Begriff flüssig soll hierbei insbesondere im physikalischen Sinne verstanden werden, so dass selbstverständlich auch viskose und/oder nichtnewtonsche Flüssigkeiten sowie Schmelzen und dergleichen inbegriffen sind.
Vorzugsweise umfasst dass Heizmittel als elektrisch leitfähiges Material Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Ruß, Metalle, Keramik oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Materialien. Die Eigenschaften dieser auch als Leitfähigkeitsadditive bezeichneten Materialien werden im Folgenden genauer erläutert.
Graphit
Graphit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral und gehört zur Ordnung der Halbmetalle und Nichtmetalle. Er ist neben Diamant und Fullerenen die dritte unter irdischen Normalbedingungen stabile Form (Modifikation) des Kohlenstoffs und kristallisiert meist im hexagonalen, sehr selten auch im trigonalen Kristallsystem.
Graphit entwickelt undurchsichtige, graue bis schwarze Kristalle in sechseckiger, tafeliger, schuppiger oder stengeliger Form, die auf den Kristallflächen Metallglanz aufweisen.
Im kristallinen Graphit liegen parallel verlaufende ebene Schichten, die „Basalebenen” oder „Graphen-Schichten”, vor. Eine Schicht besteht aus kovalent verknüpften Sechsecken, deren Kohlenstoff-Atome sp²-hybridisiert sind. Innerhalb dieser Ebenen beträgt die Bindungsenergie zwischen den Kohlenstoff-Atomen 4.3 eV, zwischen ihnen dagegen lediglich 0.07 eV. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Graphits:
leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Basalebenen, deutlich höhere Festigkeit entlang der Kristallschichten;
thermische und elektrische Isolation orthogonal zu den Basalebenen gegenüber einer fast metallischen Leitfähigkeit entlang der Ebenen.
Die Leitfähigkeit innerhalb einer Ebene wird durch die Delokalisation der Pi-Elektronen ermöglicht. Weisen die Ebenen keine feste Korrelation zueinander auf, spricht man von turbostratischem Kohlenstoff.
Kohlenstoff-Nanotubes
Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) bestehen aus zum Zylinder aufgerollten, geschlossen Graphen-Schichten. Einzelne Röhren nennt man ”single wall carbon nanotubes” (SWCNT), Teilchen aus konzentrisch gestapelten Röhren aufsteigenden Durchmessers werden ”multiwall carbon nanotubes” (MWCNT) genannt.
CNT kann man über verschiedene Methoden herstellen. Am bekanntesten sind der Lichtbogenprozess, das Laserablationsverfahren und die katalytisch unterstützte Gasphasenabscheidung (CCVD). Letzteres Verfahren eignet sich zur großtechnischen Produktion von CNT. Hierbei entstehen die CNT aus gasförmigen Kohlenstofflieferanten (Kohlenwasserstoffe, Alkohole, CO, CO₂) auf metallischen, katalytisch aktiven Substraten.
Kommerziell verfügbare SWCNT haben Durchmesser von 0.5–4 nm, MWCNT haben Durchmesser zwischen 6–100 nm. Die Länge von CNT kann bis zu einigen mm betragen.
Die physikalischen Eigenschaften von CNT entsprechen weitestgehend jenen des Graphits entlang der Basalebenen.
CNT werden heute als mechanische Verstärkung, elektrisch und thermisch leitfähiges Additiv in Polymeren, Keramiken und Metallen eingesetzt. Dazu werden die CNT oft an ihrer Oberfläche chemisch modifiziert um den Anforderungen einer guten Dispergierbarkeit und Anbindung an die Matrix, die auch als Grundmaterial des Heizmittels bezeichnet werden kann, zu genügen. In der Regel werden die CNT dem Matrixmaterial zugegeben. Aufgrund des hohen Aspektverhältnisses und der hohen spezifischen Oberfläche sind nur Komposite mit verhältnismäßig niedrigem CNT-Gehalt darstellbar.
Kohlenstoff-Nanofasern
Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) bestehen aus Graphenschichten, die entlang der Filamentachse aufeinander gestapelt sind. Der Winkel (die Orientierung) der Graphenebenen bezüglich der Filamentachse wird zur groben Unterscheidung herangezogen. Sogenannte 'Herringbone' CNF besitzen demnach Graphenebenen die in einem Winkel ≠ 90° angeordnet sind. Diese CNF können massiv oder auch hohl sein. Ihre Durchmesser liegen im Bereich 50 nm–1 μm und ihre Längen können bis zu mm betragen. Im Falle, dass die Graphenschichten in einen Winkel = 90° zur Filamentachse angeordnet sind spricht man von 'Platelet' CNF. Ihre Durchmesser liegen im Bereich 50 nm–500 nm und ihre Längen können bis zu 50 μm betragen.
Diese CNF werden in der Regel über CVD hergestellt. Ihre Anwendungen finden sich vornehmlich in der Katalyse als Katalysatorträger und als aktive Zusatzstoffe in Li-Ionen-Batterien oder bei der Gasspeicherung.
Ruß
Ruß ist ein schwarzer, pulverförmiger Feststoff, der je nach Qualität und Verwendung zu 80% oder mehr aus Kohlenstoff besteht.
Je nach ihrem Anwendungsgebiet besitzen Ruße spezielle Eigenschaftsprofile, die durch die Art des Herstellverfahrens und durch Variation der Prozessparameter gezielt beeinflusst werden.
Ruße, ihre Eigenschaften, Herstellungsverfahren, Verwendungen und so weiter sind bereits weitreichend beschrieben, so dass an dieser Stelle auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird.
Bevorzugt kann das Heizmittel wenigstens einen Binder und/oder wenigstens ein weiteres Additiv aufweisen. Ein Binder ist generell ein Bindemittel, das Stoffe und Materialien zusammenhält. Die Bindermaterialien sind vorteilhaft organisch oder anorganisch ausgebildet. Je nach Ausgestaltung können auch noch weitere Additive zugemischt sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Heizmittel ein Grundmaterial auf Kunststoffbasis auf. Insbesondere können als Grundmaterial Polymere, reaktive Systeme, Thermoplaste, Elastomere, anorganische Systeme oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Materialien verwendet werden.
Nachfolgend werden einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele für bevorzugte Kunststoffmaterialien beschrieben, die jeweils einzeln, oder aber in jeder beliebigen Kombination zum Einsatz kommen können.
Polymere
Unter Polymeren versteht man chemische Verbindungen, die aus einer oder wenigen Sorten von gleichartigen Einheiten (Monomeren) aufgebaut sind. Solche Moleküle sind meist kettenartig oder verzweigt aufgebaut und weisen kovalente Bindungen zwischen den Monomeren auf.
Reaktive Systeme
Bei den Kunststoffmaterialien, in welche für das Heizmittel die Leitfähigkeitsadditive eingemischt werden, handelt es sich beispielsweise um epoxygruppenhaltige monomere, -oligomere und polymere. Sie basieren z. B. auf Eisphenol-A, -F, Novolac und andere. Neben aromatischen handelt es sich weiterhin um aliphatische Derivate. Die Epoxydharze können mono-, di-, tri-, tetra- und mehrfunktionell sein und umfassen alle Molekulargewichte.
Weiterhin handelt es sich um mono- und mehrfunktionelle cycloaliphatische Epoxydharze wie z. B. 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexanecarboxylate, Bis((3,4-epoxy-cyclohexyl)methyl)adipate und andere Derivate höheren oder auch niedrigeren Molekulargewichts.
Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Cyanatester und Isocyanate wie z. B. 2,4-diisocyanato-1-methyl-benzene, 1-isocyanato-4-[(4-isocyanatophenyl)methyl]benzene, 1,1-bis(4-cyanatophenyl)ethan, 2,2-bis(4- cyanatophenyl)propane, oligo(3-methylen-1,5-phenylencyanat) und andere Derivate höheren oder auch niedrigeren Molekulargewichts.
Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst lineare und verzweigte Diole und mehrfunktionelle Alkohole, Oligo- und Polyester- und Polyether-Polyole aller Molekulargewichte.
Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst reaktive Polyimidsysteme. Diese können enthalten: monofunktionelle Monomere wie z. B. N-Phenylmaleimid, 2,6-Xylylmaleimid, N-Cyclohexylmaleimid, etc. und difunktionelle Monomere wie z. B. 4,4'-Diphenylmethanbismaleimid, N,N'-(4-Methyl-m-phenylene)bismaleimid, N,N'-m-Phenylenebismaleimid, Bisphenol-A Diallylether, o,o'-Diallylbisphenol-A, Polyphenylmethanbismaleimide, Polybenzimidazole, etc.
Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Phenolharze, die z. B. Novolack oder Resol basiert sind.
Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst ungesättigte Polyester- und Vinylesterharze.
Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Alkydharze. Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Melaminharze. Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Polysilane und Silikone. Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Acrylate. Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Polyquionoxaline. Eine weitere Gruppe von Grundmaterialien für das Heizmittel umfasst Peche und Bitumen.
Weiterhin können Härtersubstanzen und Beschleuniger enthalten sein wie Amine, Amide, Amidoamine, Aminoalkohole, Aminosäuren, Anhydride, Imidazole, Cyanamide, Alkohole, Phenole, Polyole, Cyanate, Mercaptane, Carbonsäuren, Metallkomplexe etc. in niedrigen, mittleren, wie auch in hohen Molekulargewichten.
Weiterhin enthalten sind wässrige und oder lösemittelhaltige Harz- und/oder Härter-Dispersionen.
Thermoplaste
Bei den Grundmaterialien für das Heizmittel handelt es sich z. B. um Polyolefine wie Polypropylen, Polyethylen, Polybutylen, Polyisobutylen, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Polyamide wie z. B. Polyamid-66, Polyamid-12, Polyamid-11, Polyamid-6, etc.
Weiterhin enthalten sind Polyacryl-Polymere wie Polymethylmethacrylat, Polyacrylnitril, Polyacrylsäure und Derivate, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Fluoropolymere wie Polytetraflouroethylen, Polyvinylidenfluorid, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst aliphatische und aromatische Polyester, wie z. B. Polyglykole, Polyethylenterephthalat, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Polyimide, wie z. B. Polyetherimid.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Poly(aryl)etherketone, wie z. B. Polyetherketone, Polyetheretherketone, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Polysulfide, wie z. B. Polyphenylensulfid, Polyphenylensulfon, Polysulfon, Polyethersulfon, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Polyacetale.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Cellulose und derivate wie z. B. nitrate, acetate, acetatbutyrate, etc.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Vinylpolymere wie z. B. Poyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral, Polyvinylpyrrolydon, etc.
Weiterhin enthalten sind vorteilhaft wässrige und oder Lösemittelhaltige Thermoplast-Dispersionen.
Elastomere
Bei den Grundmaterialien für das Heizmittel handelt es sich z. B. um Natur-, Isopren-, Butadien-, und andere Kautschuke, die Chlor, Styrol, Nitril, Schwefel, Sauerstoff enthalten können.
Eine weitere Gruppe von Basispolymeren umfasst Silikonelastomere.
Mit der vorliegenden Erfindung können insbesondere elektrisch und thermisch Leitfähige Polymer-Zubereitungen bereitgestellt werden.
Anorganische Systeme
Es handelt sich um Stoffe wie Gips-, Mörtel-, Sand-, Zementzubereitungen, z. B. Beton, und weitere, die durch die Zugabe der oben genannten Additive leitfähig gemacht werden können. Weiterhin handelt es sich um Keramikmaterialien wie AlO, AlN, SiO, SiC, SiN, etc.
Die Zugabe der Leitfähigkeitsadditive kann in wässriger oder lösemittelhaltiger Phase und unter Zusatz geeigneter organischer und/oder anorganischer Binder erfolgen.
Eine Sonderstellung nehmen die Systeme ein, die zunächst über eine organische Zwischenstufe erzeugt werden. Beispiele hierfür sind Zubereitungen mit Phenol-, Cyanatesterharzen, Pech, Bitumen, die zu Kohlenstoff umgewandelt werden können und Polysilane, -siloxane, -silazane, die zu SiO, SiC, SiN, SiCN umgewandelt werden können.
Bei der Herstellung des Heizmittels kann unter geeigneten Mischbedingungen in Kunststoffsystemen, beispielsweise in Polymer-Systemen, ein Suspensionszustand von zwei Leitfähigkeitsadditiven, darunter mindestens eines aus Kohlenstoff, (z. B. Graphit und CNT oder Graphit/Ruß und CNT, oder Graphit/Silber und CNT, oder Graphit/AlN und CNT) erzeugt werden kann, der zu einer hervorragenden elektrischen/thermischen Leitfähigkeit führt und die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Polymere wesentlich geringer beeinflusst als dies bei einem herkömmlich gefüllten Polymersystem der Fall ist. Die unter dem Einsatz von Füllstoffkombinationen hergestellten Polymer-Zubereitungen zeichnen sich durch vergleichsweise geringe Viskositäten aus und sind damit einfacher zu verarbeiten.
Diese Effekte beobachtet man bei Polymeren aller Art: bei Harzen, bei Thermoplasten und bei Elastomeren, und zwar weitestgehend unabhängig vom Verarbeitungsverfahren: synergistisches Wirken von CNT und Graphit miteinander, und/oder mit Ruß, und/oder mit Keramiken, und/oder mit Metallen, etc. bezüglich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit.
Die Besonderheit eines Heizmittels des erfindungsgemäßen Heizelementes ist, dass die Kombination von herkömmlichen thermisch/elektrisch leitfähigen Partikeln mit CNT und/oder Graphit es ermöglicht, die Einzelkonzentrationen der Komponenten und damit auch die Gesamtkonzentration der Füllstoffe zu reduzieren und damit die Viskosität in geringerem Maße zu beeinflussen.
Die sich einstellenden elektrischen, thermischen, rheologischen Eigenschaften (von Reaktivkomponenten, von Schmelzen, Lösungen, etc.) sind weder mit Graphit noch mit CNT alleine zu erreichen, weshalb es sich hier eindeutig um einen synergistischen Effekt zwischen diesen beiden Partikeln handelt und einem weiteren synergistischen Effekt zwischen dem CNT/Graphit-'Hybrid' und anderen Füllstoffen.
Mittels herkömmlicher Kohlenstoff-Additive ist in unmodifizierten Polymeren unter Zugabe von 5–20 gew.-% eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 1 mScm^–1 erreichbar. Die Verwendung von metallischen Füllstoffen, z. B. Silber, erlaubt es unter Zugabe von 50–80 gew.-% in den Bereich 10 kScm^–1 vorzudringen. Hier werden Werte 1 mScm^–1 bei Zugaben von etwa 30 gew.-% erreicht. Die erreichbaren Wärmeleitfähigkeiten silbergefüllter Systeme liegen im Bereich 1–3 W/m·K. Die Verwendung von keramischen Partikeln wie z. B. BN, Al₂O₃, SiO₂, AlN, BN, etc. alleine resultiert im Allgemeinen in Werte für die Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich 1–5 W/m·K. Allerdings sind letztere Systeme nicht elektrisch leitfähig.
Besonders vorteilhaft sind Heizmittel, bei denen die Grundmaterialien beziehungsweise die ersten Phasen, das heißt das Grundmaterial, beispielsweise Polymere, chemisch optimiert und an die jeweiligen Füllstoffe angepasst sind. Die Optimierung sieht eine tatsächliche chemische Veränderung und/oder auch die Abmischung verschiedener Komponenten, beispielsweise Polymer-Komponenten, vor. Ebenfalls besonders vorteilhaft ist die Verwendung von getemperten oder graphitierten CNT/Graphiten. Weitere Vorteile können sich ergeben aus der Verwendung von Gemischen aus verschiedenen Graphiten und/oder der Verwendung von Gemischen aus verschiedenen CNT und/oder der Verwendung von Gemischen aus verschiedenen Metallteilchen und/oder der Verwendung von Gemischen aus verschiedenen Keramikpartikeln sowie aus dem Einsatz anderer Leitfähigkeitsadditive, z. B. Ruß, metallbeschichtete Silikate, etc..
Die Zugabe von Lösemitteln und/oder Reaktivverdünnern zu dem Heizmittel vor Anbringen an dem Heizelement beeinflusst die Viskosität und ist speziell in dünnen Beschichtungen von großer Bedeutung und großem Vorteil.
Die Zugabe von Haftvermittlern zu dem Material des Heizmittels wie z. B. Silane, Titanate oder Zirconate, etc. verbessern die Haftung zwischen Füllstoffen und Grundmaterial und zwischen dem Heizmittel und dem Substrat oder dem Befestigungsmittel.
Die Viskosität kann mittels rheologischer Additive bis zum erwünschten Wert erhöht werden um ein Absetzen der CNT und der anderen Additive zu verhindern oder zu verlangsamen, was beispielsweise zu einer Erhöhung der Lagerstabilität führt.
Mechanische Eigenschaften können durch andere Partikel wie z. B. Talkum, Glimmer, Quarz, etc. weiterhin verbessert oder beeinflusst werden.
Reaktivharze
Das Heizmittel kann neben 1-Komponenten-Systemen auch 2-Komponenten- und Mehrkomponenten-Systeme darstellen. Dies wird in dem Sinne verstanden, dass der Anwender des hier beschriebenen Heizmittels im Falle von 1K-Systemen Wärme einleiten muss um eine Vernetzung hervorzurufen und im Falle von 2K- und Mehrkomponenten-Systemen besagte Komponenten zunächst miteinander vermischen muss um eine Vernetzung bei Raumtemperatur oder über das Einleiten von Wärme zu erreichen.
Elastomere
Für das Heizmittel kann jede Art von Elastomeren eingesetzt werden.
Thermoplaste
Das Heizmittel kann Thermoplaste unterschiedlicher Form wie z. B. Granulate, Pulver, Dispersionen, Masterbatche, etc. aufweisen.
Der Einsatz von CNT und Graphit in dem Heizmittel ermöglicht eine erhebliche Kostenersparnis gegenüber herkömmlichen elektrisch leitfähigen Heizmitteln aufgrund der Einsparung an z. B. Ruß, Silber oder AlN.
Die geringe Füllstoffkonzentration erlaubt gegebenenfalls eine Pigmentierung mit herkömmlichen Farbstoffen.
Eine Reduktion des Anteils an herkömmlichem Leitfähigkeitsadditiv wie z. B. Graphit, Ruß, Silber oder AlN um 75%, 50%, 30%, 20% gegenüber dem ursprünglichen Anteil ist durch einen Zusatz von 0.05–1.5% CNT und 1–15% Graphit, insbesondere 0.3–0.6% CNT bzw. 5–10% Graphit in Bezug auf die Gesamtmenge des Materials des Heizmittels kompensierbar.
Der Effekt ist auch übertragbar auf die Kombination mit metallbeschichteten Silikaten, Titanoxid und auf Fasern aus Kohlenstoff und Metall, etc.
Der Einsatz von CNT und Graphit ermöglicht neuartige Heizmittel, die geringere Kosten verursachen als herkömmliche Heizmittel.
Die Kombination Graphit/CNT übertrifft jede andere Kombination von Kohlenstoffen bezüglich der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und Verarbeitung, was eine erhebliche Kostenersparnis mit sich bringt.
Das Heizmittel kann einen Oberflächenwiderstand von größer als 0,1 Ω bis unendlich aufweisen. Der Widerstand beziehungsweise die Leitfähigkeit des Heizmittels oder der Schicht bestehend aus dem oder umfassend das Heizmittel kann entsprechend den Betriebsanforderungen eingestellt werden.
Die Herstellung einiger möglicher Heizmittel beziehungsweise der Zubereitungen, die für das Heizmittel verwendet werden können, wird im Folgenden beschrieben:
Gefüllte Epoxidharze, insbesondere Standard Eisphenol A basiert
Graphit wird mit dem Basisepoxy zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basisepoxy zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Beide Masterbatche werden miteinander und mit Basisharz in den gewünschten Konzentrationen gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 10 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 1 kΩ (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Gefüllte Härter, insbesondere aminbasiert
Graphit wird mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Beide MB werden miteinander und mit Basishärter in der gewünschten Konzentration gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 1 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 100 Ω (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Ausgehärtete Probe
Nach dem Mischen der Harz- und Härter-Komponente im richtigen Verhältnis wird das Harz vernetzt. Die ausgehärtete Probe (Flachstab: 4 × 10 × 80) wird mittels Leitsilber an den kleinsten gegenüberliegenden Flächen kontaktiert und der Widerstand mit einem Multimeter ermittelt. Unter Berücksichtigung der Geometrie der Probe ergibt sich ein spezifischer Widerstand < 100 Ωcm bei einer CNT-Konzentration < 0.6% und einer Graphit-Konzentration < 10%. Die Harz/Härter-Mischung ist leicht gießbar.
Beispiel: Herstellung einer thermisch und elektrisch leitfähigen Epoxy-Zubereitung
Gefüllte Epoxidharze, insbesondere Cycloaliphat basiert
Graphit wird mit dem Basisepoxy zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basisepoxy zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Auch AlN-Pulver wird mit dem Basisepoxy zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Alle Masterbatche werden miteinander und mit Basisharz in den gewünschten Konzentrationen gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 25 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 10 kΩ (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Zugabe latenter Härter, insbesondere Anhydrid basiert
Graphit wird mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Auch AlN-Pulver wird mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Alle MB werden miteinander und mit Basishärter in den gewünschten Konzentrationen gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 10 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 1 kΩ (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Ausgehärtete Probe
Nach dem Mischen der Harz-, Härter- und Beschleuniger-Komponente im richtigen Verhältnis erhält man ein 1-K-System, dass mehrere Wochen bis Monate bei RT lagerfähig ist. Das Harz wird bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Der spezifische Widerstand einer Klebeschicht liegt im Bereich 1–10 kΩcm und die Wärmeleitfähigkeit im Bereich 5–6 W/m·K. Die CNT-Konzentration ist < 0.6%, die Graphit-Konzentration < 10% und die AlN-Konentration < 40%. Die Harz/Härter-Mischung (Paste) ist leicht auftragbar.
Beispiel: Herstellung einer elektrisch leitfähigen Polyurethan-Zubereitunq
Gefüllte Polyole
Graphit wird mit dem Basispolyol zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basispolyol zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Beide Masterbatche werden miteinander und mit Basispolyol in den gewünschten Konzentrationen gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 10 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 1 kΩ (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Gefüllte Isocyanate
Graphit wird mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basishärter zu einem MB gemischt. Beide MB werden miteinander und mit Basishärter in den gewünschten Konzentrationen gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 10 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 1 kΩ (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Ausgehärtete Probe
Nach dem Mischen der Harz- und Härter-Komponente im richtigen Verhältnis wird das Harz vernetzt und schäumt auf. Die venetzte Probe hat einen Oberflächenwiderstand von 1–10 kΩ und einen Widerstand im Inneren von 0.5–5 MΩ.
Sehr ähnliche Ergebnisse erhält man bei gleicher Vorgehensweise auch für weiche, elastische Polyurethane.
Beispiel: Herstellung einer elektrisch leitfähigen Silikon-Zubereitung
Gefüllte Silikone
Graphit wird mit dem Basissilikon zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Auch die CNT werden mit dem Basissilikon zu einem hochkonzentrierten Masterbatch gemischt. Beide Masterbatche werden miteinander und mit Basissilikon in den gewünschten Konzentrationen gemischt. Die Zubereitung hat eine Viskosität < 50 Pas (Platte/Platte) und einen Widerstand von < 10 Ω (Elektroden an Multimeter eingetaucht, Abstand ~1 cm).
Zugabe Vernetzer und Vernetzung
Nach dem Mischen der Harz- und Vernetzer-Komponente im richtigen Verhältnis wird das Silikon-Harz vernetzt. Die vernetzte Probe hat einen Oberflächenwiderstand von 100–1000 Ω. Im Allgemeinen verliert das Material an Flexibilität, bleibt aber dennoch ausreichend elastisch.
Die Abmessungen des erfindungsgemäßen Heizelementes sind nicht auf bestimmte Abmessungen beschränkt. Beispielsweise kann aber ein bandförmiges Heizelement verwendet werden, das eine Breite von 5 bis 10 cm aufweist. An diesem Heizelement können dann beispielsweise Kontaktmittel verwendet werden, die jeweils beispielsweise eine Breite von 0,5–1,5 cm aufweisen.
Die Schichtdicken der einzelnen Schichten oder Komponenten des Heizelementes werden vorzugsweise gering gewählt und liegt beispielsweise im μm-Bereich. Beispielsweise kann eine Schichtdicke einer Heizmittelschicht von weniger als 100 μm ausreichen um die gewünschte Heizwirkung zu erlangen.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann je nach verwendetem Heizmittel bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Beispielsweise kann das Heizelement mit einem Heizmittel auf Acrylbasis bei Temperaturen bis zu 100°C und ein Heizelement mit einem Heizmittel auf Acryl-, Silikon- oder Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Basis bei Temperaturen bis zu 250°C betrieben werden. Das erfindungsgemäße Heizelement damit vielseitig einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann mit Niederspannung versorgt werden und dennoch eine ausreichende Erwärmung des Objektes realisieren. Das Heizelement kann bei einer Versorgung ab Spannungswerten von größer 0 V, insbesondere im Bereich von 5 V bis 48 V betrieben werden.
Das erfindungsgemäß verwendete Heizmittel kann einen Heißleiter (NTC), einen Kaltleiter (PTC) oder einen Leiter darstellen, bei dem der Widerstandswert des Heizmittels von der Temperatur unabhängig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren erneut erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Perspektivdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
2: eine schematische Perspektivdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
3: eine schematische Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
4: eine schematische Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
5: eine schematische Schnittansicht durch eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
6: eine schematische Schnittansicht durch eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes;
7: schematisch ein an einem Objekt befestigtes Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung; und
8: eine schematische Schnittansicht durch eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes.
In 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes 1 dargestellt. Das Heizelement 1 besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einem Befestigungsmittel 5, dass durch eine Befestigungsschicht 51 realisiert ist. Weiterhin weist das Heizelement 1 ein Heizmittel 3 in Form einer Heizschicht 31 auf. Zwischen der Befestigungsschicht 51 und der Heizschicht 31 ist ein Substrat 4 angeordnet, das ebenfalls eine Schichtform aufweist. Auf der Seite der Heizschicht 31, die dem Substrat 4 abgewandt ist und im Folgenden als Oberseite der Heizschicht bezeichnet wird, sind in der dargestellten Ausführungsform Kontaktmittel 2 in Form von zwei Kontaktstreifen angeordnet. Das Heizelement 1 weist in der dargestellten Ausführungsform ein Breiten-Längen-Verhältnis von kleiner als eins auf. Die Länge stellt damit die Hauptausdehnungsrichtung des Heizelementes 1 dar. Die zwei Kontaktmittel 2 sind bei dieser Ausführungsform des Heizelementes 1 an den Rändern der Oberseite der Heizschicht 31 in Richtung der Hauptausdehnungsrichtung des Heizelementes 1 angeordnet. Die Breite der Kontaktmittel 2 ist wesentlich geringer als die Breite der Heizschicht 31. Hierdurch besteht zwischen den Kontaktmitteln 2 ein Abstand, der größer als die Hälfte der Breite der Heizschicht 31 ist. Die Breite und die Länge der Befestigungsschicht 51 und des Substrates 4 sind in der dargestellten Ausführungsform gleich der Breite und Länge der Heizschicht 31.
Das gezeigte Heizelement 1 kann über die Befestigungsschicht 51 an der Oberfläche eines zu erwärmenden Objektes (nicht gezeigt) angebracht werden. Handelt es sich bei dem Befestigungsmittel 5 um eine Klebemasse, so wird das Heizelement 1 durch Klebeverbindung innig an der Oberfläche des Objektes gehalten. In dem Fall, in dem das Befestigungsmittel 5 eine Klebemasse darstellt, dient das Substrat 4 vorzugsweise als Träger für die Klebemasse und kann mit der Klebemasse vorgefertigt sein. Auf die Seite des Substrates 4, die der Befestigungsschicht 51 abgewandt ist und im Folgenden als Oberseite des Substrates 4 bezeichnet wird, wird das Heizmittel 3 aufgetragen. Die Kontaktstreifen werden über einen elektrisch leitenden Klebstoff auf der Oberseite der Heizschicht 31 befestigt. Alternativ können die Kontaktstreifen nach Aufbringen des Heizmittels 3 auf das Substrat 4 in dem Zustand, in dem das Heizmittel 3 noch nicht vollständig verfestigt ist, auf das Heizmittel 3 aufgelegt und angedrückt werden.
Jeder der Kontaktsteifen wird mit einer Stromversorgung verbunden, wodurch ein Stromfluss in der Heizschicht 31 in Breitenrichtung entsteht. Durch diesen Stromfluss wird das Heizmittel 3 aufgrund seines elektrischen Widerstandes erwärmt. Die Wärme kann durch das Substrat 4 und die Befestigungsschicht 51 zu einem Objekt (nicht gezeigt), dass mit dem Heizelement 1 erwärmt werden soll, geleitet werden.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform des Heizelementes 1 gezeigt. Diese Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in 1 gezeigte Ausführungsform auf. Gleiche Bestandteile und deren Funktion werden daher nicht erneut erläutert. In der zweiten Ausführungsform ist allerdings die Heizschicht 31 unmittelbar auf der Befestigungsschicht 51 aufgebracht. Ein Substrat 4 ist bei dieser Ausführungsform nicht vorgesehen.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform des Heizelementes 1 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die als Kontaktstreifen ausgebildeten Kontaktmittel 2 zwischen der Heizschicht 31 und der Befestigungsschicht 51 angeordnet sind. Auch bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die Kontaktstreifen in Längsrichtung des Heizelementes 1 an den seitlichen Rändern.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform des Heizelementes 1 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform lediglich dadurch, dass wie in der ersten Ausführungsform zwischen der Heizschicht 31 und der Befestigungsschicht 51 ein Substrat 4 vorgesehen ist. In dieser vierten Ausführungsform liegen die Kontaktstreifen auf der Oberseite des Substrates 4 auf.
In 5 ist eine fünfte Ausführungsform des Heizelementes 1 gezeigt. Bei dieser fünften Ausführungsform weist das Heizelement 1 ein Befestigungsmittel 5 in Form einer Befestigungsschicht 51 auf. Auf der Oberseite der Befestigungsschicht 51, die in der 5 nach oben gerichtet ist, ein Substrat 4 vorgesehen. In dieser fünften Ausführungsform ist das Substrat 4 als ein Gewebe ausgeführt. In dem Substrat 4 sind leitfähige Materialpartikel in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren aufgenommen. Durch die Kohlenstoff-Nanoröhren wird das Heizmittel 3 gebildet. In dem Substrat 4 sind der dargestellten Ausführungsform weiterhin Kontaktmittel 2 vorgesehen, die Kontaktfäden darstellen, die in dem Gewebematerial integriert sind. Werden die Kontaktmittel 2 mit einer Stromversorgung verbunden, so erfolgt ein Stromfluss in Breitenrichtung des Substrats 4 über das Heizmittel 3. Das Heizmittel, das heißt die in der Ausführungsform dargestellten Kohlenstoff-Nanoröhren werden vorzugsweise durch Tränken des Substrates 4 in einer Dispersion von Kohlenstoff-Nanoröhren eingebracht. Nach Trocknung des Substrates 4 liegen die Kohlenstoff-Nanoröhren so in dem Gewebe verteilt vor, dass diese den Strom von einem der Kontaktmittel zu dem anderen Kontaktmittel weiterleiten können. Die Befestigungsschicht 51 kann auch bei dieser Ausführungsform durch eine Klebemasse gebildet werden. In diesem Fall kann die Klebemasse auf die Unterseite des Substrates 4 aufgebracht und so das Heizelement 1 hergestellt werden. Über die Unterseite der Befestigungsschicht 51 kann das Heizelement 1 an einem Objekt (nicht dargestellt) befestigt werden.
In 6 ist eine sechste Ausführungsform des Heizelementes 1 gezeigt. Diese Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, wie die in 5 gezeigte fünfte Ausführungsform auf. In der sechsten Ausführungsform ist lediglich zusätzlich zwischen dem Substrat 4 und der Befestigungsschicht 51 eine Verbindungsschicht 6 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann die Befestigungsschicht 51 beispielsweise als Folie, Blech oder Platte ausgeführt sein. Die Verbindungsschicht 6 kann als thermisch leitende Klebemasse vorgesehen sein, die die Verbindung zwischen Substrat 4 und Befestigungsschicht 51 sicherstellt.
In 8 ist eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes dargestellt. Diese entspricht im Wesentlichen der vierten Ausführungsform nach 4. In der siebten Ausführungsform ist lediglich zusätzlich auf der Oberseite der Heizschicht 31 und der Oberseite der Kontaktmittel 2 eine Dämmschicht 8 aufgebracht.
In 7 ist ein an einem Objekt befestigtes Heizelement 1 gezeigt. Das Objekt ist in der Figur als ein Rohr 7 gezeigt. Das Heizelement 1 ist an der Mantelfläche des Rohres 7 befestigt. Das Heizelement 1 ist in dem dargestellten Beispiel als langes Band ausgebildet. Das Heizelement 1 um das Rohr 7 gelegt, dass ein Befestigungsmittel (nicht sichtbar) des Heizelementes 1 an der Mantelfläche anliegt und das Heizelement 1 darüber an der Mantelfläche befestigt ist.
Somit ist die gegenüberliegende Seite des Heizelementes, insbesondere die Oberseite der Heizschicht 31 der Rohrmantelfläche abgewandt. Auf der Oberseite der Heizschicht 31 sind zwei Kontaktstreifen als Kontaktmittel 2 entlang der gesamten Länge des Heizelementes 1 an den Seitenrändern vorgesehen. Bei Beaufschlagung der Kontaktmittel 2 mit Strom fließt dieser in Breitenrichtung des Heizelementes 1 in der Heizschicht und erwärmt diese dadurch. Die so erzeugte Wärme wird über das Befestigungsmittel 5 und einem gegebenenfalls vorgesehenen Substrat 4 an die Mantelfläche des Rohres 7 geleitet. Das Heizelement 1 ist helixförmig um das Rohr 7 gewickelt, so dass trotz der geringen Breite des Heizelementes 1 das Rohr über seine gesamte Länge erwärmt kann.
Die in den Figuren gezeigten Abmessungen der einzelnen Bestandteile des Heizelementes sind nicht maßstabsgetreu.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Es können beispielsweise auch Merkmale einer ersten gezeigten Ausführungsform in einer anderen gezeigten oder nicht gezeigten Ausführungsform realisiert werden, ohne dass sämtliche Merkmale der ersten gezeigten Ausführungsform übernommen werden müssen. Weiterhin können sich die Schichtdicken und deren Verhältnis von den dargestellten Ausführungsformen unterscheiden. Beispielsweise kann die Schichtdicke des Substrates größer sein als die Dickenabmessung des Heizmittels oder des Befestigungsmittels.
Die vorliegende Erfindung bringt eine Reihe von Vorteilen und Anwendungsmöglichkeiten mit sich.
Das Heizelement kann für verschiedenste Zwecke eingesetzt und verwendet werden. Generell kann das Heizelement überall dort eingesetzt werden, wo etwas vorgewärmt oder beheizt werden muss, beispielsweise im Zusammenhang mit beheizbaren Spiegeln, beheizbaren Planen, insbesondere LKW-Planen, Wandbeschichtungen, Tapeten, Fußböden und dergleichen, Abtaueinrichtungen für Maschinen, Rohrleitungen, Flugzeugen, insbesondere Flugzeugtragflächen, im Bereich von Textilien, Heizmatten, Heizhüllen, Heizplanen, und dergleichen. Dabei kann eine Anwendung sowohl im Innenbereich als auch im Außenbereich vorgesehen sein. Ein weiteres Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung kann die Beheizung von Geräten, insbesondere von medizinischen Geräten, sein. Bei medizinischen Geräten ist beispielsweise an Blutzuckermessgeräte zu denken. Blutzuckermessgeräte arbeiten nur richtig und genau, wenn sie in angemessener Weise temperiert sind. Dies ist beispielsweise im Outdoorbereich für Sportler von Bedeutung. Mit dem erfindungsgemäßen Heizelement ist es möglich, derartige Geräte zu erwärmen.
Das erfindungsgemäß verwendete Heizmittel ist nicht auf ein spezielles Heizmittel beschränkt. Beispielsweise kann aber ein Heizmittel verwendet werden, das aus einer wässrigen Dispersion auf Acrylatbasis mit speziellen Kohlenstoffnanomaterialien besteht. Hierbei lassen sich besonders hohe elektrische Leitwerte realisieren (Oberflächenwiderstand mehr als 0,1 Ω/☐ beziehungsweise Ω/sqaure, wobei Ω/☐ die Größeneinheit ist, die in der Dünnschicht-Technologie verwendet wird und bei einem quadratischen Film einem Ω entspricht). Selbst bei hoher Heizleistung kann das Heizmittel mit ungefährlicher Niederspannung versorgt werden. Dieses Heizmittel ist mechanisch sehr robust und zeigt beispielsweise eine gute Dauerelastizität. Weiterhin zeichnet sich das Heizmittel durch sehr gute Wasser- sowie Alkalibeständigkeit aus. Eine durch das Heizmittel hergestellte Schicht kann innerhalb von 15–30 min aushärten. Die Schicht kann auch überstrichen werden. Die Applikation des Heizmittels auf einem Substrat oder dem Befestigungsmittel kann manuell und maschinell mittels Pinseln, Rakeln oder durch Aufrollen erfolgen. Weiterhin kann dieses Heizmittel homogen auf großen Flächen verteilt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Widerstandsheizungen kommt es so beim Einsatz dieses Heizmittels nicht zu lokalen Überhitzungen, da das Heizmittel einen vollkommen gleichmäßigen Wärmeeintrag pro Flächeneinheit gewährleistet. Das Heizmittel kann bei Betriebstemperaturen von bis zu 100°C (auf Acrylbasis) oder bis zu 250°C (Acryl, Silikon oder PVDF basiert) eingesetzt werden.

1: Heizelement
2: Kontaktmittel
3: Heizmittel
31: Heizschicht
4: Substrat
5: Befestigungsmittel
51: Befestigungsschicht
6: Verbindungsschicht
7: Rohr
8: Dämmschicht

Claims

Flexibles, flächiges Heizelement umfassend mindestens ein Heizmittel mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, das zumindest Kohlenstoffpartikel umfasst, zwei an dem Heizmittel angeordnete, elektrische Kontaktmittel, die ausschließlich zumindest einen Teil gegenüberliegender Randbereiche des Heizelementes bedecken, um das Heizmittel über die Breite des Heizelementes mit Strom zu beaufschlagen, und zusätzlich zumindest ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Heizelementes an einem Objekt, wobei das Befestigungsmittel zumindest einen Teil einer Anlagefläche des Heizelementes bildet.
Flexibles Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein Breiten-zu-Längen-Verhältnis von kleiner gleich 1 aufweist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel als Schicht an der Anlagefläche des Heizelementes vorliegt.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement zusätzlich ein Substrat umfasst in dem und/oder auf dem das Heizmittel auf- und/oder eingebracht ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel thermisch leitfähig ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel gasdurchlässig ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel ein ablösbares Befestigungsmittel ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel einen Kraftschluss, Stoffschluss und/oder Formschluss mit einem Objekt bildet.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel pastös oder fest ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel eine Klebemasse darstellt.
Flexibles Heizelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebmasse thermisch vernetzend und/oder aushärtend ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel ein Blech, eine Folie oder eine Platte darstellt.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel magnetisch und/oder federnd und/oder plastisch verformbar ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Kontaktmittel sich über die gesamte Länge des Heizelementes erstrecken.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmittel zwischen dem Heizmittel und dem Befestigungsmittel angeordnet sind.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmittel in dem Substrat integriert sind.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat funktionalisiert, insbesondere oberflächenbehandelt ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus mindestens einem der Materialien der Gruppe umfassend Metallfolien, Metallbleche, Metallplatten, Kunststofffolien, Kunststoffplatten und/oder Textilien, insbesondere Gewebe, Gelege, Gewirke, Vliese, Papiere, Fäden, Garne, Natur- und Kunstfasern besteht.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Metallfolie darstellt, die an zumindest einer Seite ein Isoliermaterial aufweist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel ein zumindest zeitweilig flüssiges Grundmaterial sowie wenigstens zwei in dem Grundmaterial vorgesehene Leitfähigkeitsadditive als leitfähige Materialien aufweist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel aus Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Ruß oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Materialien besteht.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Heizmittel als elektrisch leitfähiges Material Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Ruß, Metalle, Keramik oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Materialien umfasst.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel ein Grundmaterial auf Kunststoffbasis, insbesondere Polymere, reaktive Systeme, Thermoplaste, Elastomere, anorganische Systeme oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Materialien, aufweist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Reflektionsschicht und/oder eine Dämmschicht umfasst, die zumindest teilweise auf dem Heizmittel und/oder dem Kontaktmittel vorgesehen ist.
Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein Heizelement für den Niederspannungsbetrieb, insbesondere bei 5 V bis 48 V ist.