DE2148191B2 - Drahtlose Flächenheizelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Drahtlose Flächenheizelemente und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft cn drahtloses elektrisches Fla- }-■
chenheizelemeiit. bestellend aus einem mit Kunststoff
überzogenen Gewebe, auf dessen einer Seite eine elektrisch
leitende Partikelchen enthaltende mit Elektroden versehene Kunststoffschicht a (gebracht ist, auf der
sich eine elektrisch isolierende Schicht befindet.
Bei herkömmlich verwendeten elektrischen Wärmeerzeugern wird elektrische Energie durch sogenannte
Widerstandsdrähte, nach den Joulschen Gesetzen, ;ii
Stromwärme überführt, wobei die erzeugte Wärme
vom Widerslandsdraht über eine Isolation an die eigentliche, wärmeabstrahlende Nutzfläche gHeitet
wi.d. Diese Heizleiterdrähte, die z. B. aus Nickelin oder
Rheutan und Konstantündraht bestehen, brechen leicht
bei mechanischer Beanspruchung auf Grund von Ermüdungserscheinungen.
Die damit verbundenen Nachteile liegen auf der Hand. Es ist verständlich, daß nach diesem
System aufgebaute schmiegsame Wärmeerzeuger empfindlich gegen jede Art mechanischer Beanspruchung
sind und weder als biegsam, flexibel, noch elastisch
benannt werden dürften. Für schmiegsame Elektrowärmegeräte wird vom VDE der Aufdruck »nicht
falten« empfohlen. In der allgemeinen Technik, im Haushalt und in der Medizin sind jedoch elastische, flexible
Wärmeerzeuger erwünscht, z. B. wenn komplizierte Konturen erwärmt werden sollen oder wenn
Druck-Biegeauslenkungen gefordert werden, wie es ;z. B. bei einem sich den Körperkonturen anpassendem
Heizkissenpolster erwünscht ist. Man hat deshalb verschiedentlich versucht, die Widerstandsdrähte durch
ein anderes Material zu ersetzen, das eine wesentlich bessere mechanische Stabilität aufweist.
So ist es bekannt, ein flexibles Trägermaterial mit leitendem Graphit zu imprägnieren und das so geschaffene
Heizelement für heizbare Bettdecken u.dgl. zu verwenden. Bei dem Trägermaterial kann es sich um
anorganisches Fasermaterial handeln (britische Patentschrift 747 257), um organisches Gewebe, beispielsweise
Baumwolle (USA.-Patentschrift 2 255 376), um Kautschuk (deutsche Patentschrift b25 77J) oder auch um
Kunststoff (britische Patentschrift 071 881).
In der deutschen Offeinlegungsschrift 1 565 3|b, die
der britischen Patentschrift I 079 402 entspricht, ist ferner
ein flexibles Flüchenheizelement beschrieben, das aus zwei flexiblen Isolierschichten besteht, zwischen
denen sich eine elektrisch leitfähige Schicht aus Silikonkautschuk
und Kuß mit entsprechenden Elektroden befindet. Die beiden flexiblen Isolierschichten, die praktisch
gleich sind, können aus mit Alkydhavz überzogenem Glasgewebe bestehen. Nachteilig wirkt sich bei
diesen Heizelementen jedoch insbesondere das Verfahren zu ihrer Herstellung aus, da die aufgetragene elektrisch
leitfähige Silikonschicht einer etwa 20minütigen Aushärtung bei Temperaturen zwischen 150 und 200"C
unterworfen werden muß, wodurch als Isolierschichten nur eine bestimmte Gruppe von Materialien in Frage
kommen. Außerdem ist es nachteilig, daß zum Aufbringen der zweitcn Isolierschicht die '. .-; ■- ::c!ung von ?<i
sat/lichen Klebstoffen notwendig ist.
Es sind auch /. B, flexible Heizelemente aus Textilgewebe
bekannt, die ihre Leitfähigkeit durch Bestreichen oder Imprägnieren mit einer Graphiidispersion erhalten.
Mu Textilgewebe ist hierbei eine mechanische Vor
bindung um Ken- und Sehußladen gemeint. Die mit
Hilfe eiiier Dispersion auf die Textilfaden aulgetragene
Graphitschichi ' egt auf den Kett- und Schußfäden und
verbindet sie. Diese Verbindung ist weder flexibel noch vAistiseh. so daß eine leichte Zugbelastung eines einzelneu
Ken oder Schußfadens die Graphitschicht aufreißen läßt, auch dann, wenn zusätzliche Bindemittel, wie
Kunstharze, die Haftung verstärken sollen. Wird dieses
leitfähige Gewebe dann mit einer elektrisch isolierenden Abdeckfolie kaschiert, oder anders mechanisch bclastet,
so verändern sich die elektrischen Werte auf Grund der Fadenbewegungen zu nicht reproduzierbaren
Werten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
drahtlose, flexible riäehcnheizclementc zu
schaffen, die eine mechanische und elektrische Stabilität
aufweisen sowie reproduzierbare elektrische Werte liefern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein drahtloses, flexibles
flächenheizelement, bei dem erfindungsgemäß das Gewehe einseitig kaschiert ist. auf der nichtkaschicrt.n
Gewebeseite sich eine aus einer wäßrigen elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion
hergestellte Kunststoffschicht befindet und auf diese eine Schicht aus Polviirethanweichschaumstoff
aufgeschäumt ist.
Die erfindungsgemäßen Heizelemente zeigen insbesondere drei Vorteile:
1. Die erzeugte Wärme wird über die Nutzfläche abgegeben, so daß minimale Konduktionsverluste
auftreten.
2. Bedingt durch die geringen Wärmeverluste und den Aufbau der Heizfläche sind die Aufheizzeiten
selbst bei quadratmetergroßcn Heizflächen sehr kurz.
3. Dadurch, daß die Polyurethanrückseite weich, federnd elastisch oder hart ausgelegt werden kann
ist die Fertigung heizbarer Polyesterelemente und Wand- und Großflächenheizungen in nur einen·
Arbeitsgang möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Bei spiels erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein einseitig kaschiertes Gewebe, z. B. Textil
gewebe, bestehend aus dem Gewebe 1 und der Kunst
stoffkaschierung 2,
F ι g. 2 ein mit elastischen Elektroden 3 und An
sehlußfläehen für Stromzuführung 4 versehenes kaschiertes
Gewebe,
F i g 3 den gleichen Gegenstand wie F i g. 2, auf den
jedoch nachträglich ein Heizfilm 5 aufgetragen wurde,
f: ι g. 4 das behandelte, einseitig kaschierte Gewebe
zusammen mit einem Rahmen 6 zur Herstellung der Schaumstoff schicht,
F ι g. 5 ein drahtloses Flächenheizelement, bestehend
aus dem mit der elektrisch leitende Partikel enthaltenden Kunstsioffdispersion behandelten einseitig kaschierten
Gewebe 7 und dem Schaumstoffpolster 8 sowie der Anschlußschiiur 9.
Es lassen sich grundsätzlich alle einseilig kaschierten
Gewebe verwenden, wobei das Gewebe aus organischen oder anorganischen Materialien bestehen kann.
Vorzugsweise werden jedoch saugfähige Gewebe eingi.-M.-tzi.
da bei der Behandlung dieser Gewebe mit der v..il\ngen Dispersion eine bessere Haftung de·, zu bil-CIl-IIlU-Ii
elektrisch leitfahigen l-'ilms erzieh wird. Die
\ erwendung von nicht saugfähigen Gi λ eben ist natür-Ii.
ii auch möglich, nämlich dann, wenn die aufzubringenden
elektrisch leitfahigen Filme ausreichend aiii
v!l■■<! Gewebe haften. Als Textilgewebe können solche
ai. Natur- wie aus Kunstfasern eingesetzt werden. H.iisichilich der Kaschierung haben sich erfindung-gemäli
insbesondere solche einseitig kaschierten Gewebe bewahrt, bei denen die Kunststoffbeschichuing etwa
100 g/m-1 betragt. Besonders bevorzugt werden gemäß der Erfindung die einseitig mit flexiblem KunstMoif kaschierten
Textilgewebe, beispielsweise die. die im Handel unter den Bezeichnungen Vistram und Knautschlack
erhältlich sind.
Die in der wäßrigen Kunststoffdispersion enthaltenen
elektrisch leitenden Partikelchen können aus Kohlenstoff, z. B. Ruß oder Graphit, aus Edelmetall oder
aus mit Edelmetall beschichteten anderen Metallen oder anderen Nichtmetallen bestehen. Vorzugsweise
wird Ruß eingesetzt, insbesondere ein Acetylenruß, beispielsweise
wie er im Handel in Form einer wäßrigen Dispersion erhältlich ist.
Zur Herstellung der flexiblen und elastischen drahtlosen Flächenhcizelemcntc eignen sich als Kunststoffdispersionen,
die vor dem Aufbringen auf da;. Gewebe mit den elektrisch leitenden Partikelchen vermischt
werden, alle Kunststoffdispersionen, d'e einen elastischen,
alterungsbeständigen Film bilden. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung eine 60%ige wäßrige Dispersion
von Polyisobutylen verwandt.
Zur Herstellung der wäßrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion vcimischt
m;in beispielsweise eine wäßrige Dispersion von Polyisobutylen mit einer wäßrigen Rußdispersion, wobei
man die Viskosität der Kunststoffdispersion durch das Abmischen mit der Rußdispersion so einstellt, daß
man eine gut streichfähige Mischung erhält. Diese Mischung wird dann beispielsweise auf die Gewebeseite
des einseitig kaschierten Textilgewebes aufgetragen, d. h. auf das Textilgewebe, wobei das Textilgewebe die
heizfilmbildende Mischung schnell aufsaugt. Der Film bildet sich innerhalb 30 Minuten bei Raumtemperatur.
Anschließend wird der Film, je nach aufgetragener Schichtdicke einige Stunden bei 80°C künstlich gealtert.
Die Alterung ist für eine Widerstandsstabilisierung notwendig, weil die vorher in der Kunststoffdispersion
vorhandener! Kunststoffpartikel, durch künstliche Alterung, eine Schrumpfung zeigen. Die Schrumpfung wirkt
sich dadurch aus, daß der Kontakt der an den Kunststoffpartikeln anhaftenden, leitfahigen Partikeln etwas
gelockert wird, wodurch der elektrische Widerstand des Films etwas ansteigt. Die den Heizfilm bildende
Dispersion besteht vorzugsweise aus einer wäßrigen Kunststoffdispersion, die durch Hinzumischen einer
wäßrigen Rußdispersion auf die gewünschten Went bezuglich einer Leitfähigkeit und der Verarbeitungseigenschaft
eingestellt wird. Eine fertige Folie mit dem
ίο auf der Ruckseite aufgetragenen elektrisch leitfähigen
Film ist flexibel und zeigt überraschend gutes elastisches Verhalten.
Fur den weiteren Aufbau eines Heizelementes werden darüber hinaus mindestens zwei Elektroden benöligt.
Die Elektroden haben die Aufgabe, eine zwischen den Elektroden, über die gesamte leitfähige Fläche
gleichmäßigen Widerstandswert einzustellen. Wird eine elektrische Spannung ar. die Elektroden gelegt, so
bildet siL-li. auf Grund des Filmwiderstandes, ein homo-
: genes Spannungspotential zwischen den Elekfoden.
Die Elektroden können aus .cxiblem Metallband oder
/. B. aus kupferkaschicrten Kunststoffolien gefertigt
werden, solange die Elektroden nicht mechanisch beansprucht
werden.
2ΐ Für beheizbare Autositze. Heizkissen. Heizdecken
u. dal. ist eine flexible und in gewissen Grenzen elastische Elektrode erforderlich, weil diese Heizelemente
über die gesamte Fläche mit Druck- und Biegeauslenkungen
belastet werden. Neben der Erfüllung dieser
γ mechanischen Anforderungen müssen die Elektroden
eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die
etwa den metallischen Leitern entspricht. Es wurde ge funden. daß Elektroden mit elastischen und gut leitenden
Eigenschaften, die wie nachfolgend beschrieben
if hergestellt werden, besonders gut dafür geeignet sind.
Als Leitsubstanz wird nicht Pulver aus Massivsilber, sondern ein Pulver aus versilbertem Kupfer verwendet.
Das Pulver ist im Handel erhältlich. Die Teilchengröße liegt bei etwa 180 Mikron. Andere Metallpulver, außer
mit Edelmetallen beschichtete, sind hierfür nicht brauchbar. Zur Herstellung der Elektroden gibt man
beispielsweise ein Pulver aus versilbertem Kupfer mit einem Teilchendurchmcsscr von etwa 180 Mikron unter
Rühren in eine "lO'Voige wäßrige Aerylharzdispcr-
4-, sion. Es wird soviel Pulver zugegeben, daß die Mischung
gerade noch streichfähig ist.
Da die relativ großen Metallpulverparlikeln neben den mngentialen Berührungspunkten größere Zwischenräume
zeigen, wird in die vorhandene Mischung
so eine 25°.'.",ige wäßrige Rußdispersion eingerührt. Die
Rußdispersion mit 25% gut leitendem Azetylenrußgehalt (2 3 Millikron-Teilchendurchmesser) füllt die vorher
unausgefüllten Zwischenräume nach dem Abtrocknen der fiimbildcnden Trägerfliusigkeit vollständig mit
5S Rußpartikeln aus. Dadurcn wi-d der Korngrcnz.enwiderstand der Metallpartikeln erheblich entlastet. Es
handc1'. sich hierbei um eine Parallelschaltung von Einzclwiderständcn.
Diese sehr gut leitenden Filme haben je nach
Schichtstärke einen Widerstand von etwa 0,1 Ohm/cmJ
und zeigen nach einer Trocknungszeit von etwa 1 Stunde bei Raumtemperatur ein gutes flexibles und elastisches
\ erhalten.
Die auf der nicht kaschierten Seite des Gewebes nach der Behandlung mit der wäßrigen, elektrisch leitende
Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion, aufgebrachte Kunststoffschicht besteht aus Polyurethanschaum,
der sich besonders leicht direkt an die Ge-
webcschichl anschäumen IaDt. Die Herstellung der verschiedenartigen
Polyurcthanschäumc ist dem Fachmann bekannt.
Die erfindungsgemäßen drahtlosen Widerstandsheizungen,
die mit einer rückseitigen Polyurethanschaumbeschichtung kaschiert sind, sind universell cinsetzbar.
Polyurelhanmaterialien zeichnen sich neben ihrer guten Verarbeitbarkeit zu Weichschäumen besonders
durch ihr ausgezeichnetes thermisches Isoliervermögen aus.
Das Gewicht einer I m2 großen und 20 mm starken
Heizfläche beträgt etwa 1000 g. Die wärmeabstrahlende Seite besteht aus flexiblem Material, das in den unterschiedlichsten
Designs geliefert werden kenn. Um Gefahren zu eliminieren, arbeiten diese Heizelemente
vorzugsweise mit Kleinspannungen. |e nach Anwendungsgebiet werden die Heizelemente für die unterschiedlichsiten
Temperaturbereiche eingestellt und können für alle Betriebsspannungen entworfen werden.
Wenn auf Grund einer schlechten Wärmeableitung eine obere Temperaturbegrenzung vorgesehen werden
muß, dann kann ein »Kaltleiter« oder ein anderer Temperaturbegrenzer direkt in oder an den Heizfilmstromkreis
geschaltet werden.
Für beheizbare Polster mit geringen Betriebsspannungen ist lediglich die hcizfilmbildende Mischung etwas
zu ändern, indem der Widerstand durch Zugabe von mit Silber beschichtetem Metallpulver den gewünschten
Werten entsprechend herabgesetzt wird.
Beispielsweise wird ein flexibles Heizpolster wie folgt hergestellt: Ein mit Kunststoff einseitig kaschiertes
Textilgewebe (vergleiche F i g. 1) wird auf der nichtkaschierten Seite mit flexibel-elastischen Elektroden
versehen (vergleiche F i g. 2). Die Elektroden werden mit Hilfe einer Schablone (14 mm breit, 270 mm lang)
und einem gegenseitigen Abstand von 370 mm aufgetragen. Die Mischung der Elektroden besteht aus 80
Gewichts-Teilen einer 50%igen Dispersion eines Mischpolymerisats aus Butylacrylat, Vinylacetat unt
Acrylsäure, 100 Gcwichts-Tcilcn mit Silber beschichte
tem Kiipfcrpulver und 100 Gewichts-Teilen cinei
25%igen Acetylenrußdispersion.
Anschließend wird mit Hilfe einer Rahmenschablonc (270 χ 370 mm) der eigentliche Heizfilm aufgetragen
Zur Herstellung des Heizfilms wird eine wäßrige Di spcrsion von Polyisobutylen unter Kühren mit einei
25%igcn wäßrigen Acctylenrußdispcrsion gut ver
ίο mischt. Die gut streichfähige Mischung wird gleichmä
ßig auf das Gewebe aufgetragen. Die Elektroden wer den von dem Heizfilm gut überdeckt. Anschließenc
wird der Film getrocknet. Ein Konlaktplättchen unc ein Kerbkabelschuh wird mit Hilfe von Kunststoffnie
ten an jeder Elektrode befestigt, um den Spannungsan schluß zu ermöglichen (vergleiche F i g. 3).
Der gesamte Heizfilm kann gegebenenfalls mit einei elektrisch isolierenden Kunststoffdispersion versiegeil
werden.
Die Bildung eines weichelastischen Polyurethanschaumstoffpolsters auf dem Heizfilm wird nun vorbe
reitet. Das Anschäumen des Polyurethanschaumstoffe;
erfolgt in bekannter Weise und braucht daher nicht nä her beschrieben werden. Ein Formenrahmen, mit ζ. Β
40 mm Seitenhöhe, wird so auf die Heizfolie gelegt, daC die Innenseite des Formrahmens zu jeder Seite de;
Heizfilms einen Mindestabstand von 15 mm zeigt (ver gleicht Fig.4). Das den Schaumstoff bildende Reak
tionsgemisch wird in den Formraum gegossen. Eir Formdeckel wird auf die Form gelegt und angepreßt
um ein Austreten des aufschäumenden Schaumstoffe; zu vermeiden.
Nach 10 Minuten kann der Formrahmen entfern werden. Das Heizelement zeigt auf der Rückseite da;
elastische Schaumstoffpolster (vergleiche F i g. 5). Di( bei einer angelegten Spannung erzeugte Wärme wire
nur von der kaschierten Oberfläche abgegeben.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Drahtloses flexibles Flächenheizelement, bestehend aus einem mit Kunststoff überzogenen Gewebe,
auf dessen einer Seite eine elektrisch leitende Partikelchen enthaltende mit Elektroden versehene
Kunststoffschicht aufgebracht ist, auf der sich eine elektrisch isolierende Schicht befindet, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gewebe einseitig iu kaschiert ist, auf der nichtkaschierten Gewebeseite
sich eine aus einer wäßrigen elektrisch leitende Partikelehen enthaltenden Kunststoffdispersion hergestellte
Kunststoffschicht befindet und auf diese eine Schicht aus Polyurethanweichschaumstoff aufge- !5
schäumt ist.
2. Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Partikelchen
Edelmetalle, mit Edelmetall beschichtete andere \! Malle oder Substanzen, oder Kohlenstoff, :·>
/. B. Ruße und Graphit, sind, w.ibei Ruß bevorzugt
3. i-'lächenheizelen nt nach Anspruch I und 2. dadurch
gekennzeichi. daß der disperyicnc Kunst-Motl
ein Polusobun !en ist ;■>
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