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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Flächenheizelement gemäß des Oberbegriffes
des Anspruches 1.
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Flächenheizelemente
sind bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus flächig auf
einem Träger angeordneten
Heizleitern.
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Beim
direkten Auftrag eines Flächenheizelementes
auf solche zu erwärmenden
Trägerkörper nach
DE 203 19 024 U1 wird
in der Regel die im Flächenheizelement
entstehende Wärmeenergie
durch Wärmeleitung
in den zu erwärmenden
Trägerkörper übertragen.
Die Höhe
der Wärmeleitfähigkeit
des Trägerkörpers ist
dabei der wesentliche Parameter für die Effektivität solcher
Heizer. Je höher
die Wärmeleitfähigkeit
umso schneller wird die Wärmeenergie
vom Flächenheizelement
in den Trägerkörper abgeleitet,
umso niedriger ist das Temperaturgefälle zwischen Schicht und Trägerkörper. Deshalb
kommen bevorzugt metallische Trägerkörper zum
Einsatz, die allerdings durch umfangreiche elektrisch isolierende
Schichten gegenüber
der elektrisch leitenden wärmeerzeugenden
Schicht (Flächenheizelement)
geschützt
werden müssen.
Diese Schichten sind nicht nur kostenintensiv und störanfällig (Inhomogenitäten), sie
haben ihrerseits nachteiligerweise auch thermisch dämmende Eigenschaften
und verringern deshalb die Wärmeausbeute
bzw. die Effektivität
des Heizers.
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Werden
anstelle metallischer Werkstoffe schlechter Wärme leitende plastische Trägerkörper oder
z.B. Verbundwerkstoffe eingesetzt, so ist die Wärmeleitfähigkeit entsprechend niedriger
und die Effektivität
des Heizers wird weiter verringert, das Temperaturgefälle zwischen
Schicht und Trägerkörper vergrößert sich.
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Der
direkte Auftrag eines wärmeerzeugenden
Lacksystems auf einen zu erwärmenden
Trägerkörper durch
Aufdrucken, Spritzen oder andere Verfahren hat nach der
DE 203 19 024 U1 noch
einen weiteren wesentlichen Nachteil. Solche Lacksysteme sind im
allgemeinen auf bestimmte Materialien zugeschnitten und eignen sich
nur bedingt für
Materialien, die einen linearen Ausdehnungskoeffizienten haben der
von dem des ausgehärteten
Lacksystems abweicht. Nach dem Trocknen und Aushärten der Schicht treten mechanische
Spannungen im System auf die ihre Ursache in den unterschiedlichen
linearen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Trägerkörper, leitfähige und
isolierende Schichten haben. Sie führen im Extremfall, besonders
bei ständiger
Wechsellast langzeitig zu Rissbildungen und Ablösen vom Trägermaterial.
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Außerdem führen die
mechanischen Spannungen bei dünnen
Trägermaterialien
zu Verbiegungen und Verwölbungen
des Trägermaterials.
Das System wird im Betriebsfall instabil. Es treten sich ständig ändernde
mechanische Spannungszustände je
nach Wärmeverteilung
und Wärmemenge
auf.
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Bei
den relativ dicken metallischen Trägermaterialien werden die aufgrund
der unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten auftretenden
mechanischen Spannungen nahezu 100%ig in die elektrisch leitfähige Schicht
eingeprägt,
was zu lokalen Widerstandsänderungen
in der wärmeerzeugenden
Schicht und damit zu lokalen Leistungsänderungen führen kann. Die dünne wärmeerzeugende Schicht
wird mechanisch und thermisch überlastet und
schließlich
unendlich zerstört.
Werden schlecht wärmeleitende
nichtmetallische Trägerwerkstoffe eingesetzt,
sinkt aufgrund der in der Regel niedrig wärmeleitfähigen Materialien entweder
die Effektivität
des Heizers oder die Oberflächentemperatur
der wärmeerzeugenden
Schicht. Deshalb muss die Temperatur reduziert werden, um eine thermische Überlastung
zu vermeiden. Ähnlich
wirken sich die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
bei Mehrschichtsystemen aus, die verschiedene Materialien unterschiedlicher
elastischer und thermischer Eigenschaften enthalten. Aufgrund der
vielen Wärme-
und Haftfestigkeitsübergänge sind
bei diesen Materialien die Verhältnisse
noch wesentlich komplizierter und störanfälliger.
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Eine
andere Lösung
sieht das Einlagern der wärmeerzeugenden
Schicht (Flächenheizelement) zwischen
zwei isolierenden Schichten (Sandwichtechnologie) vor. Damit wird
zwar der mechanischen Verbiegung teilweise entgegen gewirkt. Die
Wärmeenergie
wird aber beidseitig gleich schlecht abgeleitet. Solche Elemente
sind aufgrund dieser Eigenschaften nur bedingt geeignet für die Herstellung
eines einseitigen Wärmestrahlers.
Wärmeenergie
geht entweder rückseitig
verloren oder sie muss durch umfangreiche wärmedämmende Materialien abgefangen
werden.
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Ein
weiterer Nachteil ist die Verwendung schwarzer wärmeerzeugender Schichten in
Form karbonhaltiger Lacke wie in der
DE 203 19 024 U1 . Einerseits sind diese Lacke
nur im Niedrigtemperaturbereich bis ca. 60°C temperaturstabil, andererseits
sind solche Schichten ein nahezu idealer Wärmestrahler. Bei Verwendung
metallischer Trägerkörper wird
die in der schwarzen karbonhaltige Lacke enthaltenden Schicht erzeugte
Wärmestrahlung
abhängig
vom verwendeten Material teilweise bzw. nahezu vollständig (z.B.
bei Einsatz von blankem Aluminium) reflektiert. Dadurch wird die
wärmeerzeugende Schicht
im Temperaturniveau angehoben, die Schicht wird thermisch überlastet.
Die Effektivität
des Heizers wird stark verringert.
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Aus
allen den genannten Gründen
sind diese Flächenheizelemente
nachteiligerweise in der Regel auf eine maximale Temperatur von
ca. 80°C
begrenzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb einen Flächenheizer anzubieten, der
- – die
Wärmeenergie
möglichst
verlustarm einseitig an einen Trägerkörper abgibt,
der gleichzeitig der wärmespendende
Strahlungskörper
ist,
- – die
entstehende Wärmeenergie
an der Oberfläche
eines Flächenheizelementes
mit Widerstandsheizung schnellstmöglich über Wärmeleitung und Wärmestrahlung
in den Wärmestrahlungskörper weiterleitet
und dadurch das Temperaturgefälle
zwischen wärmeerzeugender
Schicht und Heizkörperoberfläche verringert,
- – die
thermisch bedingten mechanischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher
linearer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Flächenheizelement
und dem Wärmestrahlungskörper verringert
und
der
- – mechanische
Spannungen zwischen dem Trägerkörper und
dem Heizelement bzw. Wärmestrahler
elastisch abfängt.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt mit einem Flächenheizelement,
das wärmeerzeugende
elektrische Heizleiter, die auf einem Heizleiterträger angeordnet
sind, sowie elektrische Anschlüsse
für den Heizstrom
aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberfläche des
Heizleiterträgers,
auf dem die Heizleiter angeordnet sind, ganz oder teilweise mit
einem Klebstoffverbund abgedeckt ist.
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Das
Flächenheizelement
ist vorteilhafterweise außerordentlich
flexibel und elastisch und lässt sich
auf unterschiedlich geformte Trägerkörper aufkleben.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In
einer Ausführung
der Erfindung ist das Flächenheizelement
dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoffverbund mehrschichtig
aufgebaut ist, wobei wärmeleitende
Klebstoffschichten mit wärmeleitenden
nichtselbstklebenden Zwischenschichten kombiniert sind. Damit wird
ein besonders gegen mechanische Spannungen stabiler Verbund erreicht.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Klebstoffverbund besondere
flexible und elastische Eigenschaften sowie eine gute Wärmeleitung auf,
so dass insbesondere ein Aufkleben auf stark gekrümmte Flächen möglich ist.
Die Flexibilität
des Klebstoffverbundes wird durch entsprechende Eigenschaften des
verwendeten Klebstoffes bzw. der Zwischenschichten erreicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Klebstoffverbund außen eine
lösbare
Abdeckfolie auf, die vorteilhafterweise erst vor dem Aufkleben auf einen
Trägerkörper entfernt
wird.
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In
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Flächenheizelementes weist der
Klebstoffverbund wärmeleitende
nichtselbstklebende Zwischenschichten auf, die zwischen Klebstoffschichten
angeordnet sind, die zur Stabilität des Klebstoffverbundes beitragen.
Die Zwischenschichten können
polymerer Natur, Metallfolien oder auch Mischungen aus Polymeren
und Metall sein, wobei auch Schichten, die durch Aufdampfen von
Materialien entstanden sind, im Klebstoffverbund angeordnet sein
können.
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Schichten,
die sehr gut wärmeleitende
Eigenschaften aufweisen, z.B. metallhaltige Schichten, homogenisieren
den Wärmedurchgang über die
ganze Fläche
und verhindern damit die Entstehung von sogenannten Hotspots.
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In
einer Ausgestaltung enthält
der Klebstoffverbund einen Transferklebstoff.
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In
einer weiterführenden
Ausgestaltung ist der Klebstoffverbund mindestens eine, zweiseitig Klebstoff
aufweisende, Zwischenschicht.
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In
einer Weiterbildung ist die zweiseitig Klebstoff aufweisende Zwischenschicht
ein doppelseitiges Klebeband.
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Eine
Ausgestaltung des Flächenheizelementes
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff gut wärmeleitende
Füllstoffe
enthält,
damit die im Heizleiter erzeugte Wärme möglichst schnell auf einen Wärmestrahlungskörper übertragen
wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung enthalten die Füllstoffe Phenol-, Epoxid- oder
andere Polymerharze.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Füllstoffe
eine oxidisch und/oder metallische Zusammensetzung auf.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung enthalten die Zwischenschichten
des Klebstoffverbundes metallische Bestandteile zur Verbesserung
der Wärmeleitung.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Flächenheizelementes
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoffverbund auf dem Heizleiter
teilflächig
fixiert ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Heizleiter Graphit enthält.
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Vorteilhafterweise
erlaubt die Erfindung elektrische Heizer für Raumheizungen herzustellen,
bei denen die erfindungsgemäßen Flächenheizelemente auf
geeignete Wärmestrahlungskörper aufgeklebt werden.
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Zur
Herstellung des Flächenheizelementes wird,
bevorzugt in Form einer elektrisch leitfähigen Paste, auf einen thermisch
dämmenden
und elektrisch isolierenden Heizleiterträger z.B. mittels Druckverfahren,
Sprüh-
oder Walzverfahren möglichst großflächig ein
Heizleiter aufgebracht, der anschließend thermisch ausgehärtet wird.
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Solche
Heizleiterträger
sind vorzugsweise geeignete Verbundwerkstoffe auf Basis polymerer Materialien,
aber auch glas- oder keramikartige Werkstoffe.
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Auf
die Oberfläche
des Heizleiterträgers,
auf dem der gehärtete
Heizleiter aufgebracht ist, wird ein elektrisch isolierender Klebstoffverbund
aufgeklebt. In den Klebstoff, z.B. ein Transferklebstoff, sind eine oder
mehrere dünne
elastische, elektrisch isolierende Schichten z.B. in Form dünner Folien
eingelagert. Dieser Verbund hat die Aufgabe, auftretende mechanische
Spannungen zwischen Trägerkörper (Heizkörper) und
Flächenheizelement
bzw. Wärmestrahler elastisch
abzufangen und somit ein Ablösen
des Wärmestrahlungskörpers vom
Flächenheizelement bei
thermischen Wechsellasten zu vermeiden. Der Klebstoffverbund des
Flächenheizelementes übernimmt
weiterhin die Aufgabe, schädliche,
thermisch bedingte mechanische Restspannungen abzubauen, die an
der Oberfläche
entstehende Wärmemenge gleichmäßig über die
Fläche
zu verteilen, die Wärmemenge
in den eigentlichen Wärmestrahlungskörper abzuleiten
und eventuell thermische Hotspots abzubauen. Die Klebstoffschicht
selbst ist mit wärmeleitfähigen Füllstoffen
angereichert und hat eine bevorzugte Dicke von ca. 10 bis 30 μm.
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Bei
Verwendung von graphithaltigen wärmeerzeugenden
Heizleitern tritt der hohe Wärmestrahlungsanteil über den
Klebstoff nahezu ungehindert in das Material des wärmespendenden
Wärmestrahlungskörpers ein.
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Wärmestrahlungskörper und
Flächenheizelement
sollten annähernd
gleiche lineare Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien
aufweisen. Im Niedertemperaturbereich des Heizers bis ca. 200°C sind das
vorzugsweise spezielle aushärtbare
Phenol-, Epoxid- oder andere Polymerharzsysteme. Im höheren Temperaturbereich
sind auch glasartige Strukturen einsetzbar.
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Es
ist vorteilhaft, den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Wärmestrahlungskörpers leicht
höher zu
wählen,
als den des Flächenheizelementes, da
einerseits nach dem Aushärteprozess
eine Druckspannung im Heizleiter erreicht wird, die für die Stabilität des Heizsystems
vorteilhaft ist, andererseits im Betriebsfall die Oberfläche des
Heizleiters im Temperaturniveau höher liegt als die des Wärmestrahlungskörpers.
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Die
Aushärtetemperatur
des Heizleiters ist zeit- und temperaturabhängig. Sie wird vorteilhaft
so gewählt,
dass die Temperatur des Aushärtens
30% bis 50% höher
liegt als die spätere
Solltemperatur der Oberfläche
der wärmeerzeugenden
Schicht. Wird z.B. eine graphithaltige Polymerpaste eingesetzt und soll
die spätere
obere Gebrauchstemperatur des Heizers bei ca. 130°C liegen,
so sollte die Aushärtetemperatur
zwischen ca. 180° und
200°C liegen.
Das ist damit begründet,
dass im Betriebszustand des, das erfindungsgemäße Flächenheizelement enthaltenden,
elektrischen Heizers ein niedriger mechanischer Spannungszustand
erreicht wird, der in etwa dem des im Herstellungsprozess entstandenen
eingefrorenen Zustands entspricht.
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Das
erfindungsgemäße Flächenheizelement wird
anhand von Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen
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1 eine
Schnittdarstellung des Flächenheizelementes
mit vollflächigem
Klebstoffverbund,
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2 eine
Schnittdarstellung des Flächenheizelementes
mit teilflächigem
Klebstoffverbund,
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3 eine
Schnittdarstellung des Flächenheizelementes
mit einer Klebstoffschicht,
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4 eine
Schnittdarstellung eines Heizers mit auf einen Wärmestrahlungskörper aufgeklebtem Flächenheizelement,
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5 eine
Schnittdarstellung eines Heizers mit auf einen Wärmestrahlungskörper aufgeklebtem Flächenheizelement
und einer Klebstoffschicht, und
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6 eine
perspektivische, teilaufgeklappte Darstellung des Flächenheizelementes.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Flächenheizelement
dargestellt. Auf einem Heizleiterträger 1 ist eine dünne Schicht
eines Heizleiters 2 aufgetragen, auf den ein Klebstoffverbund 3 vollflächig aufgeklebt
ist. In dieser beispielhaften Darstellung weist der Klebstoffverbund 3 zwei
Klebstoffschichten 31 auf, zwischen denen eine Zwischenschicht 32 angeordnet
ist. Auf der oberen Klebstoffschicht 31 ist eine Abdeckfolie 4 aufgeklebt,
die jederzeit vom Klebstoffverbund 3 ablösbar ist.
Damit ist es vorteilhafterweise möglich, das erfindungsgemäße Flächenheizelement zum
Zwecke des Heizens auf jeden möglichen
Wärmestrahlungskörper 5 (4)
aufzubringen. Das Aufbringen erfolgt durch Ablösen der Abdeckfolie 4 und
Freisetzen der Klebstoffschicht 31 und Aufkleben des Flächenheizelementes
auf den zu erwärmenden Trägerkörper.
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In 2 ist
der Klebstoffverbund 3 teilflächig auf den Heizleiter 2 aufgeklebt.
Damit wird eine höhere
Flexibili tät
und vielfältigere
Einsetzbarkeit des Flächenheizelementes
erreicht.
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3 zeigt
in Schnittdarstellung ein Flächenheizelement
mit nur einer Klebstoffschicht 31.
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4 zeigt
beispielhaft die Kombination des erfindungsgemäßen Flächenheizelementes mit einem
Trägerkörper, der
hier als Wärmestrahlungskörper 5 ausgebildet
ist. Nach dem Entfernen der Abdeckfolie 4 ist das Flächenheizelement
auf den Wärmestrahlungskörper 5 aufklebbar.
Nach dem Anlegen eines Heizstromes erwärmt sich der Wärmestrahlungskörper 5,
wobei die im Heizleiter 2 entstehende Wärme in Wärmeübergangsrichtung 6 in
den Wärmestrahlungskörper 5 transportiert
wird und über die
Strahlungsfläche 51 in
den umliegenden Raum abgegeben wird.
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5 zeigt
in Schnittdarstellung einen elektrischen Heizer mit einem Flächenheizelement
mit nur einer Klebstoffschicht 31.
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6 zeigt
in perspektivischer Darstellung ein teilaufgeklapptes Flächenheizelement.
Auf den Heizleiterträger 1 sind
die Heizleiter 2 aufgebracht und ein Klebstoffverbund 3 ist
auf die Heizleiter 2 aufgeklebt. Die gesamte Struktur wird
mit einer Abdeckfolie 4 abgedeckt.
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- 1
- Heizleiterträger
- 2
- Heizleiter
- 3
- Klebstoffverbund
- 31
- Klebstoffschicht
- 32
- Zwischenschicht
- 4
- Abdeckfolie
- 5
- Wärmestrahlungskörper
- 51
- Strahlungsfläche
- 6
- Wärmeübergangsrichtung