DE102015011141A1

DE102015011141A1 - Kunststoffheizelement

Info

Publication number: DE102015011141A1
Application number: DE102015011141.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Wildegger
Original assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, bei der das Heizelement aus einem Kunststoffpolymer gebildet ist. Mindestens eine damit verbundene, elektrisch gut leitende Kontakteinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Kunststoffpolymer gebildet ist.

Description

In allen Bereichen des täglichen Lebens werden Gegenstände elektrisch beheizt. Dazu zählen insbesondere Haushaltsgegenstände in Küche und Bad und viele Komponenten von Kraftfahrzeugen zum Erwärmen von Innenraum, Wasser, Kraftstoff oder Additiven. Aber auch in der industriellen Fertigung werden elektrische Heizelemente in vielen Bereichen benötigt. Vornehmlich werden dabei Heizelemente mit Heizdraht, Dickschicht oder auch PTC-Keramikelementen eingesetzt.
Die Erfindung betrifft dagegen eine Heizvorrichtung mit einem Heizelement aus einem elektrisch leitfähigen Polymerwerkstoff. Dabei sind einem Basispolymer elektrisch leitende Füllstoffe beigemischt, sodass der resultierende Verbundwerkstoff elektrisch leitend wird. Beim Anlegen einer Spannung erwärmt sich nun der Werkstoff aufgrund der gestiegenen elektrischen Leitfähigkeit. Als Füllstoffe werden im Allgemeinen Ruß, Carbon, Graphit oder auch Metalle in unterschiedlicher Form beigemischt.
In der DE 91 00 254 U1 wurde ein elektrisch beheizter Lockenwickler beschrieben, dessen Heizelement aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff auf PPS-Basis besteht. Die Enden des elektrisch leitenden Kunststoffkörpers sind mit metallischen elektrisch leitenden Kontaktschichten versehen. Diese sind wiederum in Kontakt mit metallischen Kontaktplatten, die den Lockenwickler mit einer Spannungsquelle verbinden.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist der sehr unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient von Kunststoff und Metall. Dadurch ist kein dauerhaft guter Kontakt zwischen dem leitfähigen Kunststoff und der Kontaktschicht gewährleistet, womit der Übergangswiderstand unerwünscht ansteigt.
Aber auch aggressive Medien wie beispielsweise ammoniakhaltige Haarbehandlungsmittel lagern sich bevorzugt in den Grenzschichten von Materialpaarungen ein und erhöhen dadurch den Kontaktwiderstand.
Aufgabe ist es daher, eine Lösung zu finden, die einen dauerhaft niedrigen Übergangswiderstand zwischen dem Polymerheizelement und den elektrischen Kontakten gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und Ausführungsbeispielen.
Sowohl das Heizelement als auch die mindestens eine mit diesem verbundene Kontakteinheit sind erfindungsgemäß aus einem leitenden Kunststoffpolymer hergestellt. Vorzugsweise ist das Heizelement mit zwei Kontakteinheiten verbunden, die wiederum mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Dabei haben die beiden Kunststoffpolymere vorteilhaft ähnliche Ausdehnungskoeffizienten. So kommt es auch bei Erwärmung der Heizvorrichtung nicht zu Ablösungen der Kontakteinheiten und dadurch zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes. Darüber hinaus gewährleistet die gemeinsame Materialgrundlage Kunststoffpolymer eine gute stoffschlüssige Verbindung zwischen Heizelement und Kontakteinheit, was die Voraussetzung für einen dauerhaft niedrigen Übergangswiderstand ist.
Bevorzugt bestehen das Heizelement und die Kontakteinheiten aus dem gleichen Polymerbasismaterial. Dadurch kann eine gute Haftung mit niedrigem Übergangswiderstand erreicht werden. Das Basismaterial kann ein Thermoplast, ein Duroplast oder ein Elastomer sein.
Als Basismaterial für Kunststoffheizelemente wird beim Stand der Technik meist Polyamid (PA) oder Polyphenylensulfid (Kurzzeichen PPS) eingesetzt. Polyolefine, insbesondere Polyethylen (PE) oder/und Polypropylen (PP) dagegen haben schlechte Haftungseigenschaften und erschweren daher das Anbringen von flächigen metallischen Kontakten z. B durch Kleben, Sprühen Sintern usw. Vorteilhaft dagegen ist seine gute Beständigkeit gegen ammoniakhaltige Lösungen. Da im Gegensatz zum Stand der Technik erfindungsgemäß sowohl das Heizelement als auch die Kontakteinheit aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt ist, stellen Polyolefine daher für die Erfindung ein vorteilhaftes Basismaterial dar, insbesondere als gemeinsamer Basisverbundwerkstoff für Heizelement und Kontakteinheit.
In bevorzugter Ausgestaltung hat der Verbundwerkstoff für die Kontakteinheiten, nachstehend als Kontaktpolymer bezeichnet, eine deutlich höhere el. Leitfähigkeit als der Verbundwerkstoff für das Heizelement, nachstehend bezeichnet als Heizpolymer. Vorteilhaft ist die Leitfähigkeit des Kontaktpolymers mindestens 10-mal, bevorzugt mind. 100-mal, äußerst bevorzugt mind. 1000-mal höher als die Leitfähigkeit des Heizpolymers. Dadurch ist gewährleistet, dass sich der Strom ausgehend von den Anschlusselementen zunächst innerhalb des Kontaktpolymers verteilt, und dadurch ein vergleichsweise homogener Stromfluss durch den Heizkunststoff erfolgt. Auf die gewünschte Stromverteilung und damit auf die Wärmeerzeugung in einzelnen Bereichen kann durch die geometrische Ausgestaltung von Heiz- und Kontaktpolymer Einfluss genommen werden.
Eine besonders freie Ausgestaltung ermöglicht die Herstellung der gesamten Heizeinrichtung als Mehrkomponenten-Spritzguss. Neben dem Vorteil einer freien Gestaltung ist hierbei auch eine besonders gute stoffschlüssige Verbindung gewährleistet. Besonders vorteilhaft wird beim Aufspritzen des Kontaktpolymers die oberste Schicht des Heizpolymers wieder angeschmolzen, sodass sich keine Grenzschicht mit erhöhtem Übergangswiderstand ausbilden kann. Wirtschaftlich gesehen ist die Herstellung der gesamten Heizeinrichtung in einem Arbeitsgang ebenfalls von erheblichem Vorteil.
Bei einer vorteilhaften Variante wird nicht nur das Heizpolymer und das Kontaktpolymer als Spritzgussteil hergestellt, sondern es wird zusätzlich als dritte Komponente noch ein Isolierpolymer aufgespritzt, wodurch das Bauteil entweder in bestimmten Bereichen oder auch vollständig nach außen hin elektrisch isoliert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Kontaktpolymere jeweils mit mind. einer Anschlussstelle zur Kontaktierung mit der Spannungsquelle versehen. Die Anschlüsse sind bevorzugt mechanisch mit dem Kontaktpolymer, beispielsweise durch Klemmen, Ösen, Nieten, Einschrauben usw. verbunden. Denkbar sind jedoch auch stoffschlüssige Verbindungen wie Kleben oder Umspritzen. Da es sich bei der Verbindung zwischen Anschlüssen und Kontaktpolymer nicht um große, flächige Verbindungen handelt, spielt hier der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient eine eher untergeordnete Rolle. Vorteilhaft kann die Verbindung auch außerhalb eines Gehäuses und/oder beabstandet zum Heizpolymer liegen, wodurch die Anforderungen an die Verbindung in Bezug auf Temperatur-, und Korrosionsbeständigkeit sinken.
Die freie Ausgestaltung ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen auch im Automobilbereich. Bei einem flächigen Heizelement, wozu hier auch ein rohrförmiges Heizelement zählt, ist prinzipiell die Anbringung des Kontaktpolymers an den Stirnseiten oder auf Ober- und Unterseite zu unterscheiden. Der gute, dauerhafte Kontakt zwischen dem Heizpolymer und dem Kontaktpolymer erlaubt hier vorteilhaft beide Ausgestaltungsvarianten. Mit der geeigneten Auswahl des Basispolymerwerkstoffes sind damit zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten zum Beheizen von Kraftstoff, Additiven, Luft, Blowby-Gasen oder auch Filterelementen gegeben.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung dargestellt sind.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung als Steckverbinder 10 ausgeführt. Der Steckverbinder weist in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Medienanschluss 14 zum Anschluss einer Medienleitung und einen zweiten Anschluss 16 auf, der mit dem Anschlussstutzen einer Pumpe gekoppelt ist. Eine Steckerbuchse 44 nimmt einen Stecker auf, der den Steckverbinder mit einer Spannungsquelle verbindet. Das Gehäuse 12 des Steckverbinders ist aus einem isolierenden Polymerwerkstoff hergestellt. 2 zeigt den Steckverbinder ohne Gehäuse 12. Das Heizelement 2 ist als zylindrisches Kunststoffteil aus einem el. leitenden Heizpolymer ausgeführt. An seine beiden Stirnseiten sind Kontaktringe 3 und 4 aus einem hoch leitfähigen Kontaktpolymer angespritzt. Die Leitfähigkeit dieses Polymers ist dabei wesentlich größer als die Leitfähigkeit des Heizpolymeres. Bevorzugt ist die Leitfähigkeit größer als 10³ S/m, äußerst bevorzugt größer als 10⁴ S/m. Dadurch ist es ermöglicht, dass die Stromdichte durch den Heizzylinder relativ homogen ist. Heiz- und Kontaktpolymer sind aus dem gleichen Basispolymer hergestellt, was eine gute Haftfähigkeit und vergleichbare Ausdehnungskoeffizienten ermöglicht. An den Kontaktringen sind weiterhin Laschen 3a und 4a angeformt. Sie dienen zur Verbindung der Kontaktringe mit metallischen Anschlussleitungen 5 und 6. Die Anschlussleitung kann dabei beispielsweise angeöst, geklemmt, verrastet, genietet, geklebt oder gelötet werden. Diese innere Heizeinrichtung entsprechend 2 ist als Isolierung und zum Schutz vor korrosiven Einflüssen vollständig mit einer weiteren Kunststoffschicht 12 umspritzt, die das Gehäuse des Steckverbinders darstellt.
In gleicher Weise könnte der Steckverbinder dadurch hergestellt werden, dass nicht an die Stirnseiten, sondern an die Innen- und Außenseite des Heizzylinders eine hoch leitfähige Polymerschicht angespritzt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 9100254 U1 [0003]

Claims

Heizvorrichtung mit einem ersten elektrisch leitfähigen Kunststoffpolymer, das das Heizelement als Heizpolymer bildet, und mindestens eine damit verbundene elektrisch gut leitende Kontakteinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Kunststoffpolymer, dem Kontaktpolymer, gebildet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Kontaktpolymeres mindestens 10mal, bevorzugt 100mal, äußerst bevorzugt 1000mal so groß ist wie die Leitfähigkeit des Heizpolymeres.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Kontaktpolymeres größer als 10³ S/m, bevorzugt größer als 10⁴ S/m ist.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Heizpolymer und Kontaktpolymer aus jeweils einem mit Füllstoffen versetzten Basispolymer bestehen, wobei Heizpolymer und Kontaktpolymer das gleiche Basispolymer aufweisen.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelement und Kontakteinheit zumindest teilweise von einem elektrisch isolierenden Polymer umgeben sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Polymer, das Heizpolymer und das Kontaktpolymer das gleiche Basispolymer aufweisen.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement und die Kontakteinheit als Zweikomponentenspritzgussteil hergestellt ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung zusätzlich zumindest teilweise noch mit einem el. isolierenden Polymer umspritzt ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung vollständig von einem elektrisch isolierenden Polymer umspritzt ist.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basispolymer ein Polyolefin, insbesondere Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) ist.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktpolymer als eine Füllkomponente ein niedrig schmelzendes Metall aufweist.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktpolymer als eine Füllkomponente Kupferfasern aufweist.
Heizvorrichtung nach mind. einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement mit zwei Kontakteinheiten direkt verbunden ist.