WO2018215196A1 - Luftheizgerät - Google Patents

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WO2018215196A1
WO2018215196A1 PCT/EP2018/061796 EP2018061796W WO2018215196A1 WO 2018215196 A1 WO2018215196 A1 WO 2018215196A1 EP 2018061796 W EP2018061796 W EP 2018061796W WO 2018215196 A1 WO2018215196 A1 WO 2018215196A1
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WO
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layer
conductive layer
polymer
air
air heater
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PCT/EP2018/061796
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Volodymyr Ilchenko
Martin Zoske
Uwe Strecker
Bengt Meier
Nikolaus Gerhardt
Michael Schwanecke
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Webasto SE
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Definitions

  • the invention relates to an air heater, in particular for a motor vehicle.
  • Electric air heaters are usually based on ceramic heating elements with a comparatively strong temperature-dependent electrical resistance, through which a self-regulation of the heat release is possible.
  • These resistors are typically PTC elements (PTC for Positive Temperature Coefficient). These are usually made with heat exchanger surfaces
  • a PTC element comprises a PTC resistor, ie a temperature-dependent resistor with a positive temperature coefficient, which at low
  • Disadvantages of conventional air heaters with ceramic PTC elements include i.a. an elaborate production by a comparatively complicated heat exchanger production and the installation of the ceramic elements, a usually necessary sorting of the ceramic elements due to manufacturing tolerances, a comparatively unfavorable power density in a heating element heat exchanger composite by a local heat generation, a comparatively strong restriction a maximum heating power through a thickness of the PTC material (due to a limited heat dissipation from the ceramic) and a comparatively high risk of short circuit, in particular due to a small geometric distance of components with a high voltage potential.
  • a high power density should be made possible with a comparatively small installation space.
  • This object is achieved in particular by an electric air heater according to claim 1.
  • the object is achieved by an electric air heater, preferably for a vehicle, in particular a motor vehicle, wherein the electric air heater comprises at least a first conductive layer (metal layer), a second conductive layer (metal layer) and a polymer layer, wherein the polymer layer is a polymer component and a conductive
  • Carbon component and is disposed between the first and the second conductive layer (metal layer), wherein air channels to the
  • Passage of the air to be heated are provided, wherein the air ducts of a first, the first conductive layer (metal layer) facing side of the polymer layer to a second, the second conductive layer
  • a key idea of the invention is a combination of two conductive layers (metal layers) and one between the conductive layers
  • Metal layers arranged polymer layer with a polymer component and a conductive carbon component to propose as a component (heating element) of an electric air heater.
  • a comparatively large contact area between the conductive layers (leads, preferably metal plates) and the polymer layer (heat conductor layer) can be achieved, which results in a comparatively high power density (in comparison to conventional concepts, such as heating strips, in which
  • a partially similar layer structure has also been described in WO 2014/188190 AI, but for a surface heater and not for an air heater with corresponding air channels.
  • air heaters differ conceptually significantly from surface heaters, in particular due to the large number of air ducts provided there.
  • the polymer layer is preferably a conductive layer with PTC behavior. Cross sections of the air ducts can be polygonal, in particular quadrangular,
  • a cross section within an air duct may vary or be constant (over its length). Even cross-sections of different air channels may differ or be the same. For example, you can
  • Cross-sections of the air ducts slit-shaped may be formed.
  • a length of such slots may be at least 3 times, preferably at least 5 times as large as a width of the respective slots.
  • the openings can be introduced or produced in an extrusion and / or injection molding process.
  • the air channels can already be finished in the extruded block (or at least partially finished).
  • a corresponding tool can be designed so that the air channels in the resulting, injection-molded polymer layer are already finished (or at least partially finished).
  • Short circuits can be a protective layer (paint or seal) on the entire air heater or at least exposed areas of the
  • Polymer layer may be provided.
  • the polymer layer is preferably (at least on average) thicker than the first and / or second conductive layer (metal layer) (for example
  • First and second conductive layers may be the same thickness (at least on average).
  • first conductive layer may be thicker than the second conductive layer (metal layer) (or vice versa), for example, 1.0 times to 2 times as thick.
  • a maximum extent of first and / or second conductive layer (metal layer) and / or polymer layer is preferably at least 5 times, more preferably at least 10 times as large as an (average) thickness of the respective layer.
  • one or more or all of the air passages extend through the first and / or the second conductive layer (metal layer).
  • the corresponding air channel thus allows passage of the air from a side of the first conductive layer (metal layer) facing away from the polymer layer up to a side of the second conductive layer (metal layer) facing away from the polymer layer. This can be an effective heating can be achieved.
  • First and / or second conductive layer may be formed as a conductive plate (metal plate).
  • the first and / or second conductive layer may be a continuous layer.
  • the first and / or second conductive layer may be discontinuous, e.g. B. have multiple (metal) bands for contacting the polymer layer.
  • Another alternative for electrical contacting is the use of at least one wire or narrow strip or a wire mesh or the like as a conductive layer or component thereof.
  • conductive with regard to the conductive carbon component and the conductive layer is to be understood as an abbreviation for “electrically conductive”.
  • An electrically insulating material is in particular a material to be understood that includes at (at room temperature of preferably 25 ° C), an electrical conductivity of less than 10 "1 S 1 irr 1 (possibly less than 10" 8 S 1 irr 1) ,
  • an electrical conductor or a material (or coating) with electrical conductivity is to be understood as meaning a material which has an electrical conductivity of preferably at least 10 s 1 irr 1 , more preferably at least 10 3 s 1 irr 1 (at room temperature, in particular 25 ° C).
  • First and / or second conductive layer may have a thickness of at least 0.1 mm, preferably at least 0.5 mm, more preferably at least 1.0 mm and / or at most 5.0 mm, more preferably at most 3.0 mm exhibit.
  • the respective thickness is in particular one average thickness or a thickness of the largest area of the respective layer of constant thickness.
  • the polymer layer may have a thickness greater than that
  • Metal layer in particular by a factor of 1.5, preferably 2.5 times as large.
  • a thickness of the polymer layer may be at least 1 mm, preferably at least 3 mm and / or at most 20 mm, preferably at most 10 mm.
  • First and / or second conductive layer (metal layer) and / or polymer layer may be formed (at least substantially) planar. If bumps (depressions) are provided (apart from breakthroughs in the form of the fluid channels) they may be less than 10% of an (average) thickness of the respective layer.
  • a sum of the cross sections of openings at the first and / or second conductive layer (metal layer) and / or polymer layer may be at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 20% and / or at most 80%, preferably at most 50% of a total Cross section of the respective layer amount.
  • the respective cross sections here preferably relate to cross sections perpendicular to a main flow direction of the air or to cross sections perpendicular to a thickness direction of the air heater. Such a proportion of the cross sections of the openings (defined by the fluid channels) may allow for effective heating.
  • the first and / or second conductive layer may be made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the carbon component may be arranged to allow flow of current, e.g. B. in particulate form (with the particles correspondingly touch or close together) and / or as a carbon skeleton.
  • Polymer component and the carbon component are preferred.
  • the Polymer component form a (skeletal) framework in which the
  • Carbon component is added or vice versa.
  • the carbon component may be in the form of carbon black and / or graphite and / or graphene and / or carbon fibers and / or carbon nanotubes.
  • the polymer layer comprises at least
  • Carbon component such as. B. the carbon particles.
  • the carbon component comprises at least 50 weight percent, more preferably at least 80 weight percent, even more preferably at least 90 weight percent carbon.
  • the polymer component is in particular in the form of an electrically insulating polymer component.
  • the polymer component may be a first polymer subcomponent based on ethylene acetate (copolymer) and / or
  • polyolefin in particular polyethylene and / or polypropylene
  • polyester and / or polyamide and / or fluoropolymer are examples of polyolefin
  • subcomponent is intended here in particular for
  • first and second polymer subcomponent Distinction between first and second polymer subcomponent can be used.
  • the respective subcomponent can form either partially or completely the polymer component.
  • the ethylene acrylate may be ethyl methyl acrylate or ethylene ethyl acrylate.
  • Ethylene acetate may be ethylene vinyl acetate.
  • the polyethylene may be high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene.
  • the fluoropolymer may be PFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester) MFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester), FEP (copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene), ETFE (copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene) or PVDF (polyvinylidene fluoride) act.
  • WO 2014/188190 AI (described as a first-electrically insulating material) may be formed.
  • the second polymer subcomponent can likewise be formed as described in WO 2014/188190 A1 (as a second-electrically insulating material).
  • the polymer layer and / or a corresponding substance to be formed (for example paste) for the production thereof can (as in particular crystalline
  • Binder comprise at least one polymer, preferably based on at least one olefin; and / or at least one copolymer of at least one olefin and at least one monomer which can be copolymerized therewith, e.g. As ethylene / acrylic acid and / or ethylene / ethyl acrylate and / or
  • polyacetylene or polyalkenylene such as.
  • polyoctenamer polyoctenamer
  • fluoropolymer such as.
  • polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof As polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof.
  • the polymer layer or a substance (paste) used for producing the polymer layer may be formed as described in DE 689 23 455 T2. This applies in particular also to their production and / or specific composition. For example, this also applies to possible
  • Binders (especially according to p. 4, 2nd paragraph and p. 5, 1st paragraph of
  • Polymer layer can basically, as described in WO 2014/188190 AI (as a first conductor, second conduction and heating element), be formed (apart from the air channels of the invention).
  • the polymer layer is preferably over at least 20%, preferably at least 50%, more preferably at least 80% of its side facing the first conductive layer (metal layer) (without consideration of
  • Fluid channel openings) with the first conductive layer (metal layer) in contact with the first conductive layer (metal layer) in contact.
  • the polymer layer over at least 20%, preferably at least 50%, more preferably at least 80% of its the second conductive layer (metal layer) facing side (without Considering fluid channel openings) to be in contact with the second conductive layer (metal layer).
  • the polymer layer is preferably a PTC resistor.
  • Metal layer and a second conductive layer (metal layer) is arranged, wherein air ducts are provided for passing the air to be heated, which differs from a first, the first conductive layer (metal layer)
  • the polymer layer is applied in paste form to the first and / or second conductive layer (metal layer), in particular applied directly (alternatively via an intermediate layer between
  • the air channels are through
  • Some of the air ducts can be introduced by laser cutting, partly by punching. Preferably, however, all the air channels are introduced either by laser cutting or punching.
  • the above object is further achieved by a method for operating an air heater of the type described above, wherein air flows through the air channels and is thereby heated.
  • an air heater of the type described above for heating air in particular in a mobile application, preferably in a motor vehicle, more preferably for a motor vehicle interior.
  • the air heater is preferably for low-voltage operation
  • Fig. 1 is a schematic oblique view of an electric air heater according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic oblique view of an inventive
  • This air heater has a first conductive layer (metal layer) 10, a second conductive layer (metal layer) 11 and a (interposed) polymer layer 12.
  • First and second conductive layers (metal layer) are connected to electrical contacts 15.
  • Slit-shaped fluid channels 13 make it possible to direct air from a surface of the first conductive layer (metal layer) 10 facing away from the polymer layer 12 to a surface of the second conductive layer (metal layer) facing away from the polymer layer 12.
  • the polymer layer is a
  • Heating element based on polymer with a carbon content The
  • Polymer layer has a PTC behavior.
  • An arrow 14 shows the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Luftheizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens eines erste Metallschicht (10), eine zweite Metallschicht (11) und eine Polymerschicht (12), wobei die Polymerschicht (12) eine Polymerkomponente und eine leitfähige Kohlenstoffkomponente enthält und zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht angeordnet ist, wobei Luftkanäle (13) zum Durchleiten der zu heizenden Luft vorgesehen sind, die sich von einer ersten, der ersten Metallschicht (10) zugewandten Seite der Polymerschicht (12) bis zu einer zweiten, der zweiten Metallschicht (11) zugewandten Seite der Polymerschicht (12) erstrecken.

Description

Luftheizgerät
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Luftheizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Elektrische Luftheizgeräte (insbesondere solche, die in mobilen Anwendungen eingesetzt werden) basieren zumeist auf keramischen Heiz-Elementen mit einem vergleichsweise stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird. Bei diesen Widerständen handelt es sich üblicherweise um PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Diese sind in der Regel mit Wärmeübertrager-Flächen aus
Aluminiumblech verbunden und werden darüber auch elektrisch kontaktiert. Ein PTC-Element umfasst einen PTC-Widerstand, also einen temperaturabhängigen Widerstand mit einen positiven Temperaturkoeffizienten, der bei tiefen
Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen.
Nachteile von herkömmlichen Luftheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a. eine aufwändige Herstellung durch eine vergleichsweise komplizierte Wärmeübertrager-Fertigung und der Einbau der Keramik-Elemente, eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik-Elemente aufgrund von Fertigungstoleranzen, eine vergleichsweise ungünstige Leistungsdichte in einem Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund durch eine lokale Wärmeerzeugung, eine vergleichsweise starke Einschränkung einer maximalen Heizleistung durch eine Dicke des PTC-Materials (aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik) sowie eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen Abstands von Bauteilen mit einem hohen Spannungspotential.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Luftheizgerät vorzuschlagen, das eine effektive Aufheizung der Luft ermöglicht. Insbesondere soll bei einem vergleichsweise geringen Bauraum eine hohe Leistungsdichte ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein elektrisches Luftheizgerät nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein elektrisches Luftheizgerät, vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gelöst, wobei das elektrische Luftheizgerät mindestens eine erste leitfähige Schicht (Metallschicht), eine zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) und eine Polymerschicht umfasst, wobei die Polymerschicht eine Polymerkomponente und eine leitfähige
Kohlenstoffkomponente enthält und zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) angeordnet ist, wobei Luftkanäle zum
Durchleiten der zu heizenden Luft vorgesehen sind, wobei sich die Luftkanäle von einer ersten, der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite, der Polymerschicht bis zu einer zweiten, der zweiten leitfähigen Schicht
(Metallschicht) zugewandten, Seite der Polymerschicht erstrecken.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, eine Kombination von zwei leitfähigen Schichten (Metallschichten) und einer zwischen den leitfähigen Schichten
(Metallschichten) angeordneten Polymerschicht mit einer Polymerkomponente und einer leitfähigen Kohlenstoffkomponente, als Bestandteil (Heiz-Element) eines elektrischen Luftheizgerätes vorzuschlagen. Erfindungsgemäß kann eine vergleichsweise große Kontaktierungsfläche zwischen den leitfähigen Schichten (Zuleitungen, vorzugsweise Metallplatten) und der Polymerschicht (Heizleiter- Schicht) erreicht werden, was eine vergleichsweise große Leistungsdichte (im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten, wie Heizbändern, bei denen eine
Kontaktierung zumeist über in die Heizleiterschicht eingebrachte zwei Litzenkabel erreicht wird) ermöglicht. Insgesamt wird eine hohe Leistungsdichte für einen vorhandenen Bauraum durch eine vergleichsweise hohe Kontaktierungsfläche zwischen den leitfähige Schichten und der Polymerschicht erreicht. Dabei kann eine vergleichbare Sicherheit, wie bei herkömmlichen PTC-Heizern, durch eine selbstregelnde Polymerschicht (Heizschicht) erreicht werden. Insgesamt kann ein robustes Design erreicht werden, das vergleichsweise einfach in der Herstellung ist. Ein teilweise ähnlicher Schichtaufbau ist auch in WO 2014/188190 AI beschrieben worden, allerdings für einen Flächenheizer und nicht für einen Luftheizer mit entsprechenden Luftkanälen. Luftheizer unterscheiden sich jedoch, insbesondere aufgrund der dort vorgesehenen Vielzahl von Luftkanälen, konzeptionell deutlich von Flächenheizern. Die Polymerschicht ist vorzugsweise eine leitfähige Schicht mit PTC-Verhalten. Querschnitte der Luftkanäle können vieleckig, insbesondere viereckig,
vorzugsweise rechteckig oder oval, insbesondere elliptisch, vorzugsweise (kreis-) rund sein. Ein Querschnitt innerhalb eines Luftkanals kann variieren oder konstant sein (über dessen Länge). Auch Querschnitte verschiedener Luftkanäle können voneinander abweichen oder gleich sein. Beispielsweise können
Querschnitte der Luftkanäle schlitzförmig (insbesondere als Rechteck-Schlitze) ausgebildet sein. Eine Länge derartiger Schlitze kann mindestens 3-mal, vorzugsweise mindestens 5-mal so groß sein wie eine Breite der jeweiligen Schlitze. Die Luftkanäle (bzw. die entsprechenden Öffnungen) können
beispielsweise lasergeschnitten und/oder gestanzt sein. Alternativ oder zusätzlich können die Öffnungen in einem Extrusions- und/oder Spritzgussprozess eingebracht bzw. hergestellt sein/werden. Beim Extrudieren kann die
Polymerschicht aus einem extrudierten Block z. B. durch Abschneiden von
Scheiben hergestellt werden. Die Luftkanäle können dabei schon im extrudierten Block fertig (oder mindestens teilweise fertig) vorhanden sein. Beim Spritzgießen kann ein entsprechendes Werkzeug so ausgebildet sind, dass die Luftkanäle in der resultierenden, spritzgegossenen Polymerschicht bereits fertig (oder mindestens teilweise fertig) ausgebildet sind.
Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit und/oder
Kurzschlüssen kann eine Schutzschicht (Lackierung bzw. Versiegelung) auf dem gesamten Luftheizgerät oder zumindest freiliegenden Bereichen der
Polymerschicht vorgesehen sein.
Die Polymerschicht ist vorzugsweise (zumindest im Durchschnitt) dicker als die erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) (beispielsweise
mindestens 1,5-mal, vorzugsweise mindestens 2,5-mal so dick wie erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht)). Erste und zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) können (zumindest im Durchschnitt) gleich dick sein.
Gegebenenfalls kann auch die erste leitfähige Schicht (Metallschicht) dicker sein als die zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) (oder umgekehrt), beispielsweise 1,0-mal bis 2-mal so dick. Eine maximale Ausdehnung von erster und/oder zweiter leitfähiger Schicht (Metallschicht) und/oder Polymerschicht (vorzugsweise definiert durch den maximal-möglichen Abstand eines Punktepaares auf/in der jeweiligen Schicht) ist vorzugsweise mindestens 5-mal, weiter vorzugsweise mindestens 10-mal so groß, wie eine (durchschnittliche) Dicke der jeweiligen Schicht.
Vorzugsweise erstrecken sich einer oder mehrere oder alle der Luftkanäle durch die erste und/oder die zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) hindurch. Der entsprechende Luftkanal ermöglicht also ein Durchleiten der Luft von einer der Polymerschicht abgewandten Seite der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) bis zu einer der Polymerschicht abgewandten Seite der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht). Dadurch kann ein effektives Aufheizen erreicht werden.
Erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) kann/können als leitfähige Platte (Metallplatte) ausgebildet sein.
Bei der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht kann/können es sich um (eine) durchgehende Schicht handeln. Alternativ kann/können die erste und/oder zweite leitfähige Schicht unterbrochen sein, z. B. mehrere (Blech-)Bänder zur Kontaktierung der Polymerschicht aufweisen. Eine weitere Alternative zur elektrischen Kontaktierung (in Form der leitfähigen Schicht) ist der Einsatz mindestens eines Drahtes oder schmalen Streifens oder eines Drahtgitters oder ähnliches als leitfähige Schicht oder Bestandteil derselben.
Der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der leitfähigen Kohlenstoffkomponente und der leitfähigen Schicht soll als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" verstanden werden.
Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10"1 S 1 irr1 (ggf. weniger als 10"8 S 1 irr1) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S 1 irr1, weiter vorzugsweise mindestens 103 S 1 irr1 (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt.
Erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) können eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1,0 mm und/oder höchstens 5,0 mm, weiter vorzugsweise höchstens 3,0 mm aufweisen. Bei der jeweiligen Dicke handelt es sich insbesondere um eine durchschnittliche Dicke oder eine Dicke des größten Bereichs der jeweiligen Schicht mit konstanter Dicke.
Die Polymerschicht kann eine Dicke aufweisen, die größer ist als die
(durchschnittliche) Dicke der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht
(Metallschicht), insbesondere um den Faktor 1,5-mal, vorzugsweise 2,5-mal so groß.
Eine Dicke der Polymerschicht kann mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm und/oder höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 10 mm betragen.
Erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) und/oder Polymerschicht können (zumindest im Wesentlichen) plan ausgebildet sein. Falls Erhebungen (Vertiefungen) vorgesehen sind (abgesehen von Durchbrüchen in Form der Fluidkanäle) können diese weniger als 10 % einer (durchschnittlichen) Dicke der jeweiligen Schicht betragen.
Eine Summe der Querschnitte von Öffnungen an der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) und/oder Polymerschicht kann mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, weiter vorzugsweise mindestens 20 % und/oder höchstens 80 %, vorzugsweise höchstens 50 % eines Gesamt-Querschnitts der jeweiligen Schicht betragen. Die jeweiligen Querschnitte beziehen sich hier vorzugsweise auf Querschnitte senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung der Luft bzw. auf Querschnitte senkrecht auf eine Dickenrichtung des Luftheizgerätes. Durch einen derartigen Anteil der Querschnitte der (durch die Fluidkanäle) definierten Öffnungen kann ein effektives Aufheizen ermöglicht werden.
Die erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.
Die Kohlenstoffkomponente kann so angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss erlaubt, z. B. in Partikelform (wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen) und/oder als Kohlenstoffgerüst.
Polymerkomponente und die Kohlenstoffkomponente sind vorzugsweise
miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die
Kohlenstoffkomponente aufgenommen ist oder umgekehrt.
Die Kohlenstoffkomponente kann in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.
Vorzugsweise umfasst die Polymerschicht mindestens
5 Gew. -%, vorzugsweise mindestens 10 Gew. -%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew. -% und/oder weniger als 50 % aus Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. aus der
Kohlenstoffkomponente, wie z. B. den Kohlenstoffpartikeln.
Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffkomponente mindestens 50 Gew. -%, weiter vorzugsweise mindestens 80 gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% Kohlenstoff.
Die Polymerkomponente ist insbesondere in Form einer elektrisch isolierenden Polymerkomponente ausgebildet.
In Ausführungsformen kann die Polymerkomponente eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat (-Copolymer) und/oder
Ethylenacrylat (-Copolymer) aufweisen und/oder eine zweite Polymer- Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff „Teilkomponente" soll hier insbesondere zur
Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer-Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden. Bei dem Ethylenacrylat kann es sich um Ethyl-Methyl-Acrylat oder Ethylen-Ethyl-Acrylat handeln. Bei dem
Ethylenacetat kann es sich um Ethylenvinylacetat handeln. Bei dem Polyethylen kann es sich um H D (High Density)-Polyethylen, MD (Medium Density)- Polyethylen, LD (Low Density)-Polyethylen, handeln. Bei dem Fluorpolymer kann es sich um PFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorpropyl-Vinylester) MFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylester), FEP (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen), ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen) oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) handeln. In Ausführungsformen kann die erste Polymer-Teilkomponente, wie in
WO 2014/188190 AI (als first electrically insulating material) beschrieben, ausgebildet sein. Die zweite Polymer-Teilkomponente kann ebenfalls, wie in WO 2014/188190 AI (als second electrically insulating material) beschreiben, ausgebildet sein.
Die Polymerschicht und/oder ein entsprechender auszuformender Stoff (z. B. Paste) zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines
Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z. B. Ethylen/Acrylsäure und/oder Ethylen/Ethylacrylat und/oder
Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.
Im Allgemeinen kann/können die Polymerschicht bzw. ein zur Herstellung der Polymerschicht verwendeter Stoff (Paste), wie in DE 689 23 455 T2 beschrieben, ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für deren Herstellung und/oder konkrete Zusammensetzung. Beispielsweise gilt dies auch für mögliche
Bindemittel (insbesondere gemäß S. 4, 2. Absatz und S. 5, 1. Absatz der
DE 689 23 455 T2) und/oder Lösungsmittel (insbesondere gemäß S. 5, 2. Absatz und S. 6 2. Absatz der DE 689 23 455 T2).
Erste und/oder zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) und/oder die
Polymerschicht können grundsätzlich, wie in WO 2014/188190 AI (als first conductor, second conductur und heating element) beschrieben, ausgebildet sein (abgesehen von den erfindungsgemäßen Luftkanälen).
Die Polymerschicht ist vorzugsweise über zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 50 %, weiter vorzugsweise zumindest 80 % ihrer der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite (ohne Berücksichtigung von
Fluidkanalöffnungen) mit der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) in Kontakt. Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerschicht über zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 50 %, weiter vorzugsweise zumindest 80 % ihrer der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite (ohne Berücksichtigung von Fluidkanalöffnungen) mit der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) in Kontakt sein. Durch eine derartige (vergleichsweise große) Kontaktierungsfläche zwischen den leitfähigen Schichten (Metallschichten) (Metallplatten) und der Heizleiter-Schicht (Polymerschicht) kann eine
vergleichsweise hohe Leistungsdichte erzielt werden.
Bei der Polymerschicht handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand. Dadurch kann eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung eines Luftheizgerätes, insbesondere der obigen Art, wobei eine Polymerschicht, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige
Kohlenstoffkomponente enthält, zwischen einer ersten leitfähigen Schicht
(Metallschicht) und einer zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) angeordnet wird, wobei Luftkanäle zum Durchleiten der zu heizenden Luft vorgesehen sind, die sich von einer ersten, der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht)
zugewandten Seite der Polymerschicht bis zu einer zweiten, der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zugewandten Seite der Polymerschicht erstrecken. Vorzugsweise wird die Polymerschicht in Pastenform auf die erste und/oder zweite leitfähigen Schicht (Metallschicht) aufgebracht, insbesondere unmittelbar aufgebracht (alternativ über eine Zwischenschicht zwischen
Polymerschicht und erster bzw. zweiter leitfähiger Schicht, insbesondere
Metallschicht).
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Luftkanäle durch
Laserschneiden und/oder Stanzen eingebracht. Teilweise können die Luftkanäle durch Laserschneiden, teilweise durch Stanzen eingebracht werden. Vorzugsweise werden jedoch sämtliche Luftkanäle entweder durch Laserschneiden oder durch Stanzen eingebracht.
Die obige Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art, wobei Luft durch die Luftkanäle strömt und dabei aufgeheizt wird.
Weiterhin wird die obige Aufgabe insbesondere gelöst durch eine Verwendung eines Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art zum Aufheizen von Luft, insbesondere in einer mobilen Anwendung, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise für einen Kraftfahrzeug innenraum.
Das Luftheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich
(z. B. < 100 Volt oder < 50 Volt) ausgelegt.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der beigefügten Figuren näher erläutert wird. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schrägansicht eines elektrischen Luftheizgerätes gemäß der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schrägansicht eines erfindungsgemäßen
elektrischen Luftheizgerätes. Dieses Luftheizgerät weist eine erste leitfähige Schicht (Metallschicht) 10, eine zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) 11 sowie eine (dazwischen angeordnete) Polymerschicht 12 auf. Erste und zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) sind mit elektrischen Kontakten 15 verbunden.
Schlitzförmige Fluidkanäle 13 ermöglichen es, Luft von einer der Polymerschicht 12 abgewandten Fläche der ersten leitfähigen Schicht (Metallschicht) 10 zu einer der Polymerschicht 12 abgewandten Fläche der zweiten leitfähigen Schicht (Metallschicht) zu leiten. Bei der Polymerschicht handelt es sich um ein
Heizelement auf Basis von Polymer mit einem Kohlenstoffanteil. Die
Polymerschicht weist ein PTC-Verhalten auf. Ein Pfeil 14 zeigt die
Strömungsrichtung der Luft an.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste Erste leitfähige Schicht (Metallschicht) Zweite leitfähige Schicht (Metallschicht) Polymerschicht
Fluidkanal
Pfeil
Kontakt

Claims

Ansprüche
1. Elektrisches Luftheizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens eine erste leitfähige Schicht, insbesondere eine erste
Metallschicht (10), eine zweite leitfähige Schicht, insbesondere eine zweite Metallschicht (11), und eine Polymerschicht (12), wobei die Polymerschicht (12) eine Polymerkomponente und eine leitfähige Kohlenstoffkomponente enthält und zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht angeordnet ist, wobei Luftkanäle (13) zum Durchleiten der zu heizenden Luft vorgesehen sind, die sich von einer ersten, der ersten leitfähigen Schicht (10) zugewandten Seite der Polymerschicht (12) bis zu einer zweiten, der zweiten leitfähigen Schicht (11) zugewandten Seite der Polymerschicht (12) erstrecken.
2. Luftheizgerät nach Anspruch 1, d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass, sich einer oder mehrere der Luftkanäle (13) durch die erste (10) und/oder die zweite (11) leitfähige Schicht hindurcherstrecken.
3. Luftheizgerät nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
erste (10) und/oder zweite (11) leitfähige Schicht als Platte, insbesondere Metallplatte, ausgebildet ist und/oder eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1,0 mm und/oder höchstens 5,0 mm, vorzugsweise höchstens 3,0 mm aufweist.
4. Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die erste (10) und/oder zweite (11) leitfähige Schicht und/oder die Polymerschicht (12) zumindest im Wesentlichen plan ausgebildet sind.
5. Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
Querschnitte von Öffnungen in der ersten (10) und/oder zweiten (11) leitfähigen Schicht und/oder der Polymerschicht (12) mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, weiter vorzugsweise mindestens 20 % betragen und/oder höchstens 80 %, vorzugsweise höchstens 50 % eines jeweiligen Gesamt-Querschnittes betragen.
6. Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Kohlenstoffkomponente in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegt.
7. Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die Kohlenstoffkomponente in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegt.
8. Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerkomponente in Form einer elektrisch isolierenden
Polymerkomponente ausgebildet ist und/oder eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat oder Ethylenacetat-Copolymer und/oder Ethylenacrylat oder Ethylenacrylat-Copolymer und/oder eine zweite Polymer-Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfasst.
9. Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerschicht (12) über mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 50 %, weiter vorzugsweise mindestens 80 % ihrer der ersten leitfähigen Schicht zugewandten Seite - ohne Berücksichtigung von
Fluidkanalöffnungen - mit der ersten leitfähigen Schicht in Kontakt ist und/oder über mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 50 %, weiter vorzugsweise mindestens 80 % ihrer der zweiten leitfähigen Schicht zugewandten Seite - ohne Berücksichtigung von Fluidkanalöffnungen - mit der zweiten leitfähigen Schicht in Kontakt ist.
Luftheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerschicht (12) ein PTC-Widerstand ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Luftheizgerätes, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Polymerschicht (12), die eine
Polymerkomponente und eine leitfähige Kohlenstoffkomponente enthält, zwischen einer ersten leitfähigen Schicht, insbesondere ersten Metallschicht (10) und einer zweiten leitfähigen Schicht, insbesondere zweiten
Metallschicht (11) angeordnet wird, wobei Luftkanäle (13) zum Durchleiten der zu heizenden Luft vorgesehen sind, die sich von einer ersten, der ersten leitfähigen Schicht (10) zugewandten Seite der Polymerschicht (12) bis zu einer zweiten, der zweiten leitfähigen Schicht (11) zugewandten Seite der Polymerschicht (12) erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 11,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerschicht (12) in Pastenform auf die erste (10) und/oder zweite (11) leitfähige Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Luftkanäle (13) durch Laserschneiden und/oder Stanzen eingeb werden und/oder in einem Extrusions- und/oder Spritzgussprozess hergestellt werden.
Verfahren zum Betreiben eines Luftheizgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Luft durch die Luftkanäle (13) strömt und dabei aufgeheizt wird.
Verwendung eines Luftheizgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Aufheizen von Luft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
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