DE102017212579A1

DE102017212579A1 - Heizelement und Verfahren zum Herstellen eines Heizelements

Info

Publication number: DE102017212579A1
Application number: DE102017212579.9A
Authority: DE
Inventors: Guido Bernd Finnah
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-24
Also published as: WO2019015886A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement (1), mit einem Heizkörper (2), der aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gefertigt ist, und mit wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Leiterbahnen (5,6), die beabstandet zueinander in und/oder an dem Heizkörper (2) angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass der Heizkörper (2) vernetzt, insbesondere strahlenvernetzt oder chemisch vernetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement mit einem Heizkörper, der aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gefertigt ist, und mit wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Leiterbahnen, die beabstandet zueinander in und/oder an dem Heizkörper angeordnet sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Heizelements.
Stand der Technik
Heizelemente und Verfahren zu deren Herstellung sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift DE 10 2012 212 798 A1 unterschiedliche elektrische Heizelemente, die einen elektrisch leitfähigen Kunststoffkörper aufweisen, dem zwei elektrische Leiterbahnen oder Leitungen zugeordnet sind. Werden die Leiterbahnen bestromt, tritt über den Kunststoff zwischen den Leiterbahnen eine Joulesche Erwärmung auf. Durch den Anstieg des elektrischen Widerstands mit der zunehmenden Erwärmung zwischen den Leitern regelt sich die Stromaufnahme bei konstanter Spannung ab und die Heizleistung des Heizelements ist limitiert. Dabei ist es beispielsweise bekannt, zwei Kabel unter Einhaltung eines konstanten Abstands mit einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial zu extrudieren oder durch Spritzgießen Heizelemente aus elektrisch leitfähigem Kunststoff zu formen und anschließend durch das Aufspritzen von metallischen Pulvern Leiterbahnen auf der Oberfläche hinzuzufügen. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 011 141 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchen Leiterbahnen gespritzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Heizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die maximal zulässige Dauergebrauchstemperatur des Heizelements auf einfache Art und Weise erhöht wird, ohne dass dabei thermische Ausdehnungskoeffizienten des Kunststoffs und der elektrisch leitfähigen Bestandteile im Kunststoff merklich beeinträchtigt werden. Die Erfindung sieht hierzu vor, dass der Heizkörper des Heizelements vernetzt, insbesondere Strahlen-vernetzt oder chemisch vernetzt, ist. Durch das Strahlenvernetzen werden seitenständige Atome (Wasserstoff) oder andere Gruppen abgespalten und dadurch seitenständige freie Radikale gebildet. Diese reagieren unter Rekombination mit anderen Radikalen und bewirken somit eine Vernetzung von Polymerketten im Kunststoff. Dadurch wird der Kunststoff Temperatur-robust und es ist eine höhere Dauergebrauchstemperatur erreichbar, wodurch sich weitere Anwendungen für das Heizelement ergeben. Darüber hinaus ergibt sich der positive Effekt, dass Schmelzpunkt und Flammpunkt des Kunststoffs durch die Strahlenvernetzung ansteigen, wodurch die Betriebssicherheit des Heizelements erhöht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizköper durch Elektronen- oder Gammastrahlen vernetzt ist. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige Vernetzung des Kunststoffmaterials beziehungsweise des Heizkörpers gewährleistet. Chemisches Vernetzen wird vorzugsweise durch Peroxide oder Silane erreicht.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Heizkörper eine elektrisch isolierende Kunststoffmatrix mit elektrisch leitfähigen Komponenten aufweist. Hierdurch ist auf einfache Art und Weise der Heizkörper elektrisch leitfähig mit Kunststoff als Basismaterial herstellbar.
Vorzugsweise weist das Heizelement beziehungsweise der Heizkörper als elektrisch leitfähige Komponenten Metallpartikel, Ruße, Graphit und/oder Carbon-Nanotubes auf. Durch ein einfaches Anpassen der Füllmengen der leitfähigen Komponenten ist die Leitfähigkeit des Heizkörpers insgesamt einstellbar.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Heizelement einen spezifischen Widerstand von 100 Ohm cm bis 0,1 Ohm cm, insbesondere von 10 Ohm cm bis 1 Ohm cm aufweist. Hierdurch ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten des Heizelements.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Heizelements zeichnet sich dadurch aus, dass der Heizkörper vernetzt, insbesondere strahlenvernetzt oder chemisch vernetzt wird. Hierdurch ergeben sich die zuvor bereits genannten Vorteile.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Heizkörper durch Gamma- oder Elektronenstrahlen vernetzt wird, um eine Vernetzung der Polymerketten zu erreichen. Alternativ wird der Heizkörper bevorzugt mittels Peroxide oder Silane chemisch vernetzt.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Heizkörper aus einer elektrisch isolierenden Kunststoffmatrix und elektrisch leitfähigen Komponenten hergestellt wird. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass als leitfähige Komponenten Metallpartikel, Ruße, Graphit oder Carbon-Nanotubes verwendet werden. Es ergeben sich dadurch die bereits genannten Vorteile.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 ein Heizelement in einer vereinfachten Schnittdarstellung und
2 ein Diagramm zur Erläuterung des vorteilhaften Heizelements.

1 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung ein Heizelement 1, das einen elektrisch leitfähigen Heizkörper 2 aufweist. Der Heizkörper 2 ist aus einer elektrisch isolierenden Kunststoffmatrix 3 gefertigt, welche mit elektrisch leitfähigen Komponenten versetzt ist. Partikel 4 der elektrisch leitfähigen Komponenten sind in der 1 vereinfacht gezeigt. Tatsächlich vorliegende Größenverhältnisse spiegeln sich in 1 nicht wieder.
Durch den Heizkörper 2 sind außerdem zwei elektrische Leiterbahnen 5, 6 geführt, die im Berührungskontakt mit dem Heizkörper 2 stehen. Alternativ können diese auch an der Außenseite des Heizkörpers 2 anliegen. Wichtig ist, dass die Leiterbahnen 5, 6 beabstandet zueinander vorliegen. Werden die Leiterbahnen 5, 6 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, entsteht in dem Heizkörper 2 aufgrund der elektrisch leitfähigen Komponenten eine elektrische Spannung zwischen den beiden Leiterbahnen 5, 6. Zwischen den beiden Leiterbahnen 5, 6 tritt durch die Bestromung eine Joulesche Erwärmung auf und der damit ansteigende elektrische Widerstand zwischen den beiden Leiterbahnen 5, 6 regelt die Stromaufnahme bei konstanter Versorgungsspannung ab, wodurch die Heizleistung des Heizelements 1 limitiert wird.
Der Heizkörper 2 beziehungsweise die Kunststoffmatrix ist dabei durch Gammastrahlen, Elektronenstrahlen oder chemisch durch Peroxide oder Silane vernetzt, sodass seitenständige Atome (Wasserstoff) oder andere Gruppen abgespaltet und dadurch seitenfreie Radikale gebildet sind, welche unter Rekombination mit anderen Radikalen zur Vernetzung von Polymerketten des Kunststoffs führen.
Bei den elektrisch leitfähigen Komponenten handelt es sich beispielsweise um Metallpartikel, Ruße, Graphit oder auch Carbon-Nanotubes.
Durch die vernetzte Ausbildung des Heizkörpers 2 wird erreicht, dass die maximal zulässige Dauergebrauchstemperatur des Heizelements 1 verglichen mit herkömmlichen Heizelementen höher ausfällt, sodass über einen längeren Zeitraum beziehungsweise ein Beheizen möglich ist.
Dies soll anhand von 2 näher erläutert werden. In 2 ist in einem Diagramm der spezifischen Widerstand w_sp des Heizelements 1 beziehungsweise des Heizkörpers 2 über die Körpertemperatur T des Heizkörpers 2 aufgetragen. Ein erster Bereich I zeigt dabei den bisher zulässigen Dauertemperaturbereich für Kunststoffheizelemente. Ein zweiter Bereich II zeigt die zulässige Gebrauchstemperatur für das erfindungsgemäße Heizelement 1 an. Es zeigt sich, dass durch die vorteilhafte Vernetzung des Kunststoffkörpers 2 eine deutliche Erhöhung der zulässigen Dauergebrauchstemperatur erreicht wird. Ausgangsmaterial bei dem Test ist ein HD-PE-Kunststoff mit einem spezifischen Widerstand von 5 Ohm cm. Weil die Dauerbeheizung nicht auf 80°C limitiert ist, sondern bis 120°C aufgeheizt werden kann, liegt ein wesentlich höherer PTC-Effekt und damit eine wesentlich bessere Abregelung gegen Überschreiten der zulässigen Dauergebrauchstemperatur vor, Faktor 7 mit Vernetzung anstatt Faktor 2 ohne. Der selbstregelnde Effekt ist somit wesentlich ausgeprägter bei dem strahlenvernetzten Kunststoffkörper 2. Der HDT/B-Wert (maximal zulässige Temperatur unter Belastung) von einem unvernetzten HD-PE liegt dabei bei 65°C. Durch die erfindungsgemäße Vernetzung wurde ein HDT/B-Wert von 81°C gemessen. Die beiden gestrichelten Kurven in 2 zeigen außerdem den spezifischen Widerstand für zwei unterschiedliche Materialien, die sich in ihrem Anteil von elektrisch leitfähigen Füllstoffen unterscheiden, wobei der Matrixwerkstoff der gleiche ist.
Neben der Anhebung der maximal zulässigen Dauergebrauchstemperatur durch das Vernetzen ergibt sich außerdem der Vorteil, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Partikel 4 nur geringfügig verringert werden und somit ein ausreichend großer Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Matrixwerkstoff (Kunststoff) und Füllstoff (Partikel 4) verbleibt, und der Abregeleffekt (Selbstlimitierung) nahe vollständig erhalten bleibt. Für Heizelemente aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen wirken sich somit einhergehend zwei Effekte positiv auf die Leistungsfähigkeit des Heizelements 1 aus. Die für das Heizelement 1 vorgesehenen Anwendungen können dadurch auf höhere Leistungen ausgelegt werden. So kann ein derartiges Heizelement beispielsweise als Heizelement für Abgasnachbehandlungsmittel, beliebige Medien, Haushaltsgeräte, wie beispielsweise Kaffeemaschinen, Waschmaschinen oder Durchlauferhitzer, oder auch für selbstlimitierende Heizkabel verwendet/eingesetzt werden.
Ein weiterer positiver Effekt der Vernetzung ist, dass der Heizkörper 2 nur noch schwer schmelzen kann und auch der Flammpunkt steigt. In der Anwendung als Heizelement ist dies von Vorteil, weil der Kunststoffkörper warm werden, jedoch der Abstand zum Schmelzpunkt beziehungsweise Flammpunkt ausreichend groß sein soll.
Steht das Heizelement 1 mit einem zu beheizenden Medium, wie beispielsweise einem Abgasnachbehandlungsmittel, in Berührungskontakt, so ist auch die Medienbeständigkeit des Heizkörpers 2 von Bedeutung. Durch die vorteilhafte Vernetzung wird die Medienbeständigkeit des Kunststoffs je nach chemischer Paarung verbessert. Während bei üblichen Heizelementen aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen zwischen Raumtemperatur und Dauergebrauchstemperatur maximal Widerstandszunahmen um Faktor 2 erzielt werden, ist durch die Strahlenvernetzung und der damit einhergehenden höheren Dauergebrauchstemperatur ein Faktor von 4 bis 7 realisierbar. Die Effekte werden insbesondere genutzt in einem Bereich des spezifischen Widerstands von 100 Ohm cm bis 0,1 Ohm cm. Insbesondere lassen sich Heizelemente mit spezifischen Widerständen w_sp im Bereich von 10 Ohm cm bis 1 Ohm cm durch die vorteilhafte Ausbildung des Heizelements 1 erreichen beziehungsweise herstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012212798 A1 [0003]
DE 102015011141 A1 [0003]

Claims

Heizelement (1), mit einem Heizkörper (2), der aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gefertigt ist, und mit wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Leiterbahnen (5,6), die beabstandet zueinander in und/oder an dem Heizkörper (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (2) vernetzt, insbesondere strahlenvernetzt oder chemisch vernetzt ist.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (2) Elektronen- oder Gammastrahlen oder durch Peroxide oder Silane chemisch vernetzt ist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (2) eine elektrisch isolierende Kunststoffmatrix (3) mit elektrisch leitfähigen Komponenten aufweist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähige Komponente Metallpartikel, Ruße, Graphit und/oder Carbon-Nanotubes vorhanden sind.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (1) einen spezifischen Widerstand w_sp von 100 Ohm cm bis 0,1 Ohm cm, insbesondere von 10 Ohm cm bis 1 Ohm cm aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Heizelements (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das einen Heizkörper (2) aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff und wenigstens zwei elektrisch leitfähige Leiterbahnen (5,6), die beanstandet zueinander in und/oder an dem Heizkörper (2) angeordnet werden, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (2) vernetzt, insbesondere strahlenvernetzt oder chemisch vernetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (2) durch Gamma- oder Elektronenstrahlen oder mittels Peroxide oder Silane vernetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (2) aus einer elektrisch isolierenden Kunststoffmatrix (3) und der elektrisch leitfähigen Komponenten hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als leitfähige Komponenten Metallpartikel, Ruße, Graphit und/oder Carbon-Nanotubes verwendet werden.