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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Flächenheizelementes, mit eine Substratoberfläche aufweisenden aus einem formstabilen, steifen Werkstoff bestehenden Substrat, an dessen Substratoberfläche wenigstens abschnittsweise eine als Widerstandsheizung ausgebildete Heizdrahtanordnung thermisch gekoppelt ist. Ferner wird ein derartiges Flächenheizelement beschrieben.
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Stand der Technik
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Flächenheizelemente dienen einem flächigen Wärmeübergang zu einem zu beheizenden Gegenstand, der mit dem Flächenheizelement in thermischem Kontakt steht. Typischerweise weisen Flächenheizelemente eine hitzebeständige Trägerfolie auf, die Temperaturen von bis zu 700° C zu widerstehen vermögen. Auf der Trägerfolie ist vorzugsweise mäanderförmig ein Heizdraht derart aufgebracht, dass der Heizdraht nahezu die gesamte Trägerfolienoberfläche mit gleichbeabstandeten Mäanderabständen überdeckt.
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Aus Gründen eines mechanischen Schutzes sowie zur elektrischen Isolierung ist der Heizdraht von einer zweiten Folienschicht in Form einer Abdeckfolie überdeckt, die mittels üblicher Klebetechnik mit der Trägerfolie in innigen Kontakt gebracht wird und somit den Heizdraht vollständig einschließt. Hierbei sind vorzugsweise Trägerfolie und Abdeckfolie aus dem gleichen hitzebeständigen Kunststoffmaterial gefertigt.
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Flächige Heizdrahtanordnungen können aufgrund ihrer Flexibilität auf ebenen oder gekrümmten Körperoberflächen aufgebracht werden, die es gilt, nahezu homogen über ihre gesamte Körperfläche zu beheizen. Beispielsweise können auf diese Weise Gefäßheizungen realisiert werden. Hierzu sind an den Gefäßaussenwänden die flächigen Heizdrahtanordnungen entsprechend angebracht.
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Aus Gründen eines möglichst guten Wärmeüberganges zwischen der flächigen Heizdrahtanordnung und dem flächig zu beheizenden Gegenstand sollte der Flächenkontakt zwischen der Heizdrahtanordnung und der zu beheizenden Oberfläche möglichst innig und ohne Unterbrechungen sein, zumal bereits kleinste Lufteinschlüsse bzw. Ablösungen zwischen der Trägerfolie und der Oberfläche des Gegenstandes zum einen den Wärmeübergang entscheidend verschlechtern und zum anderen infolge des verschlechterten Wärmeüberganges eine lokale Überhitzung des Heizdrahtes und der Trägerfolie bewirken, die die flächige Heizdrahtanordnung irreversibel zu schädigen vermag. Zudem hängt der Wärmeübergang zwischen dem Flächenheizelement und dem zu erwärmenden Objekt und damit verbunden die Heizeigenschaften des Flächenelementes signifikant von der thermischen Ankopplung des Heizdrahtes an die zu beheizende Objektoberfläche ab. Üblicherweise wird die Trägerfolie hierzu über eine Klebstoffschicht mit der zu beheizenden Oberfläche in innigen Kontakt gebracht. Vergleichbare Flächenheizvorrichtungen sind den Druckschriften
US 3 946 193 A sowie
US 4 314 144 A zu entnehmen, bei denen jeweils isolierte Heizdrähte in Art einer Sandwich-Struktur zwischen wenigstens zwei Schutzschichten untergebracht sind.
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Die Druckschrift
DE 20 2010 001 576 U1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung, die eine hohle zylinderförmige Gestalt besitzt, zwischen deren Zylinderinnen- und -außenwand eine elektrische Heizdrahtanordnung eingebracht ist, die von einer Pulver- oder Granulatmatrix umfasst ist. Die bekannte Heizvorrichtung vermag über ihre Zylinderinnen- sowie -außenwand Wärme an einen zu beheizenden Gegenstand abzugeben.
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Die Druckschrift
EP 1 158 837 B1 offenbart eine Heizdrahtanordnung mit einem flächigen Trägersubstrat, auf dessen Oberseite ein Heizdraht angebracht ist, der mit einer weiteren Abdeckfolie zum mechanischen Schutz und aus Gründen elektrischer Isolation abgedeckt ist. Die flächige Heizdrahtanordnung wird mit Hilfe eines Haftvermittlers an einer Oberfläche eines zu beheizenden Gegenstandes angebracht. Um zu vermeiden, dass sich zwischen der Flächenheizanordnung und der Oberfläche Lufteinschlüsse ausbilden, sind entsprechende Entlüftungskanäle vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 103 40 857 A1 offenbart ein Heizelement zur Abgabe von Strahlungswärme über eine Trägerplatte, die eine die Strahlungswärme abgebende erste Oberfläche und eine dieser Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, an der eine Heizdrahtanordnung flächig mit einem Trägergeflecht mit Hilfe einer erstarrungsfähigen Vergussmasse gefügt ist. Für die Herstellung des Flächenheizelementes wird das auf der Oberfläche der Trägerplatte aufliegende Trägergeflecht samt Heizdrahtanordnung mit einem fließfähigen Haftmittel vergossen, das sowohl die Heizdrahtanordnung als auch Trägerplatte ummantelt.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 007 885 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils für ein Fahrzeug, bei welchem wenigstens eine Deckschicht auf einer Kernschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffschaum angeordnet und mit der Kernschicht verbunden wird, wobei zwischen der Kernschicht und der Deckschicht wenigstens ein elektrisches Heizelement angeordnet wird.
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Die Druckschrift
EP 3 449 689 B1 offenbart eine Heizvorrichtung für einen Flugzeuginnenraum, mit einer mechanisch belastbaren Tragstruktur, einer mechanisch belastbaren und wärmeleitenden Deckstruktur und einem Heizer zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie, wobei der Heizer zwischen der Tragstruktur und der Deckstruktur angeordnet ist und eine Heizschicht aus einem Widerstandsmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Die Heizschicht weist zumindest bereichsweise Perforationen auf, die befüllbare Hohlräume zwischen der Tragstruktur und der Deckstruktur darstellen.
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Die Druckschrift
DE 41 12 565 A1 offenbart eine Heizmatte aus einem flexiblen Träger und einem damit verbundenen Heizleiter. Der Träger ist von poröser Struktur und bildet eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen. Er wird auf eine Dämmschicht aus Hartschaum, die auf ihrer Oberseite mit einer Feuchtigkeitssperre versehen ist, aufgelegt und sodann mit Estrich bedeckt. Dabei tritt der Estrich durch den Träger hindurch und ummantelt den Heizleiter.
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Die Druckschrift
DE 669 619 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizplatte mit einem in Isoliermasse zwischen zwei Deckschichten angeordneten Heizwiderstand, der an einer mit Kunstharzstoffen getränkten Textilschicht befestigt oder in eine solche eingewebt wird, wobei diese Textilschicht zwischen mit Kunstharzschichten überzogenen Deckschichten aus Holz (Furnier), Papier oder Gewebe gelagert wird und aus diesen Teilen unter Anwendung von Druck und Wärme ein einheitlicher Körper hergestellt wird.
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Die Druckschrift
DE 18 91 493 U offenbart eine elektrisch beheizte Warmhalteplatte, bestehend aus zwei Trägerplatten, die beide aus nicht oder sehr gering hygroskopischem, hitzebeständigem Material bestehen und zwischen die ein elektrischer Heizdraht eingebettet ist, wobei in mindestens einer Trägerplatte über die ganze Fläche Bohrungen angeordnet sind, deren Größe und Abstände zueinander von der Viskosität der Einbettmasse abhängen und die Bohrungen vorzugsweise mit Einbettmasse ausgefüllt sind.
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Die Druckschrift
DE 35 30 690 A1 offenbart eine Heizplatte, bestehend aus einer Deckplatte und einer Unterplatte, die einen elektrischen Heizdraht umschließen. Die Deckplatte und die Unterplatte weisen innenseitig glatte Oberflächen auf, zwischen denen der Heizdraht in einer dünnen Klebestoffschicht eingebettet ist.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Flächenheizelementes, mit eine Substratoberfläche aufweisenden, aus formstabilen, steifen Werkstoff bestehenden Substrat, auf dessen Substratoberfläche ein als Widerstandsheizung ausgebildeter Heizdraht thermisch gekoppelt ist, derart auszubilden, so dass zum einen für einen optimierten Wärmeübergang zwischen Heizdraht und Substratoberfläche gesorgt und zum anderen der zeit-, kosten- und verfahrenstechnische Aufwand zur Herstellung des Flächenheizelementes reduziert werden sollen. Insbesondere soll es möglich sein, das Flächenheizelement nicht nur auf ebenen, sondern auch längs gekrümmter, vorzugsweise zylinderförmigen Substratoberflächen mit hoher Güte und Qualität hinsichtlich eines flächig homogenen Wärmeübergang aufbringen zu können.
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Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 7 ist ein lösungsgemäß ausgebildetes Flächenheizelement, das mit dem Verfahren erhalten wird. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
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Das lösungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Flächenheizelementes, mit eine Substratoberfläche aufweisenden, aus einem formstabilen, steifen Werkstoff, vorzugsweise aus Keramik oder einem keramischen Werkstoff bestehenden Substrat, an dessen Substratoberfläche wenigstens abschnittsweise ein als Widerstandsheizung ausgebildeter Heizdraht thermisch gekoppelt ist, zeichnen sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- Auf die Oberfläche einer an sich bekannten, hitzebeständigen, flächig ausgebildeten Trägerfolie, an der eine Klebeschicht angebracht ist, wird der Heizdraht unter Vorgabe eines bestimmten Verlegemusters, vorzugsweise mäander- oder spiralförmig aufgelegt und vermittels der Klebeschicht relativ zur Trägerfolie ortsfest angeheftet.
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Auf die Oberfläche der Trägerfolie, auf der der Heizdraht fixiert ist, wird im Weiteren ein schichtförmiges Haftmittel, vorzugsweise in Form eines doppelseitig klebenden Flächenelementes aufgebracht. Das doppelseitig klebende Flächenelement entspricht einer Art Transferfolie, die vorzugsweise aus einem auf Silikon basierenden Haftmittel besteht, das sich flächig sowohl an die nicht von der Heizdrahtanordnung überdeckte Klebeschicht an der Oberfläche der Trägerfolie als auch an die elektrisch leitende Oberfläche des Heizdrahtes anhaftend anschmiegt.
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Die derart vorkonfektionierte Trägerfolie wird nun auf die Substratoberfläche aufgebracht, so dass das schichtförmige Haftmittel die Substratoberfläche flächig kontaktiert. Um zu vermeiden, dass sich Lufteinschlüsse während des Fügevorganges zwischen dem schichtförmigen Haftmittel an der Oberfläche der Trägerfolie und der Substratoberfläche ausbilden, erfolgt das Anhaften der Trägerfolie sukzessive, d.h. vorzugsweise längs einer Kontaktlinie, über die die vorstehend vorkonfektionierte Trägerfolie im Wege eines Roll- oder Wälzvorganges auf die Substratoberfläche gefügt wird.
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Nach oder während des Fügevorgangs wird die Trägerfolie an die Substratoberfläche kraftbeaufschlagt angepresst, so dass das schichtförmige Haftmittel in Bereichen unmittelbar zwischen dem Heizdraht und der Substratoberfläche längs der Substratoberfläche und seitlich zum Heizdraht verdrängt wird, so dass der Heizdraht die Substratoberfläche mit seiner elektrisch leitenden Drahtoberfläche unmittelbar kontaktiert und das Haftmittel, insbesondere das seitlich verdrängte Haftmittel den Heizdraht ansonsten zwischen der Substratoberfläche und der Trägerfolie in Art einer Matrix umgibt.
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Durch die jeweils lokale seitlich zum Verlauf des Heizdrahtes erfolgende Verdrängung des schichtförmigen Haftmittels, das über elastomere Eigenschaften verfügt, erfahren jene Bereich des Haftmittels in umittelbarer Nähe zum Heizdraht eine lokale Verdichtung, wodurch sich die Anhaftung des Haftmittels an der elektrisch leitenden Oberfläche des Heizdrahtes mit Ausnahme jener Bereiche, an denen der Heizdraht die Substratoberfläche zumindest linienhaft kontaktiert sowie dieser gegenüberliegend mit der Trägerfolie verbunden ist, nahtlos und besonders innig ausbildet, so dass der Heizdraht einen sehr guten thermischen Kontakt zum dem den Heizdraht matrixartig umgebenden Haftmittel besitzt.
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Die vom Heizdraht abgegebene Wärme vermag lösungsgemäß ohne thermische oder elektrische isolierende Zwischenschicht durch den direkten körperlichen Kontakt zur Substratoberfläche unmittelbar in das Substrat einzuwirken. Zudem koppelt die vom Heizdraht abgegebene Wärme über den innigen Kontakt zum Haftmittel sowie dem innigen Kontakt zwischen dem Haftmittel und der Substratoberfläche in das Substrat ein.
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Das lösungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Heizelementes, das nicht nur über einen signifikant reduzierten Wärmeübergangswiderstand zu der zu beheizenden Substartoberfläche verfügt, sondern ermöglicht eine verfahrenstechnisch einfache Herstellung von Flächenheizelementen, die auch und insbesondere an gekrümmten, vorzugsweise zylinderförmig gekrümmten Substratoberflächen anhaften. So lässt sich die vorstehend erläuterte, vorkonfektionierte Trägerfolie als eine Art Halbzeug ohne weiteren Aufwand handhaben und bevorraten, so dass unabhängig von Neigung und Lage einer Substratoberfläche der Fügevorgang zwischen Trägerfolie und Substratoberfläche problemlos durchgeführt werden kann, im Unterschied zu einer eingangs erwähnten Verfahrenstechnik, bei der ein fließfähiges Haftmittel verwendet wird, um eine auf einem Trägergeflecht angeordnete Heizdrahtanordnung an einer Substratoberfläche anzubringen. Der Einsatz eines fließfähigen Haftmittels ist zumindest problematisch beim Aufbringen an gekrümmten Substratoberflächen.
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Somit zeichnet sich ein Flächenheizelement, das mit dem lösungsgemäßen Verfahren hergestellt wird dadurch aus, dass der Heizdraht eine elektrisch leitende Drahtoberfläche aufweist, die die Substratoberfläche unmittelbar, d.h. direkt kontaktiert. Der Heizdraht ist zwischen der Substratoberfläche und einer zumindest bereichsweise an der Substratoberfläche adhäsiv anhaftenden Trägerfolie angebracht, wobei der Heizdraht zumindest lateral zur Substratoberfläche von einem Haftmittel in Art einer Matrix unmittelbar, d.h. ohne jegliche Lufteinschlüsse umgeben ist.
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Das vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff bestehende Substrat sowie auch das Haftmittel und die Trägerfolie besitzen elektrisch isolierende Eigenschaften, so dass elektrische Kurzschlüsse längs des Heizdrahtes, der vorzugsweise mäander- oder spiralförmig an der Substratoberfläche angeordnet ist, vermieden werden können.
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An die Ausbildung des Heizdrahtes werden grundsätzlich keine besonderen Anforderungen erhoben, so eignen sich alle Arten von Heizdrähte, vorzugsweise Heizdrähte aus Runddraht oder aus einem Draht mit rechteckförmigem Drahtquerschnitt, letzterer erlaubt einen größerflächigen Kontakt zwischen Substrat und Substratoberfläche im Vergleich zum Einsatz eines Runddrahtes.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
- 1a,b,c Sequenzbilddarstellungen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des lösungsgemäßen Flächenheizelementes,
- 2 Illustration zur Herstellung eines lösungsgemäß ausgebildeten Flächenheizelementes auf einem zylinderförmig ausgebildeten Substrat
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1a illustriert einen schematischen Querschnitt durch eine vorkonfektionierte flächige Trägerfolie 1, auf deren Oberfläche eine Klebeschicht 2 angebracht ist, an die ein Heizdraht 3 adhäsiv anhaftend gefügt ist. Der Heizdraht 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Runddraht, vorzugsweise ein Kupferrunddraht. Gleichsam ist es möglich anstelle eines Runddrahtes auch einen Draht mit einem rechteckförmigen Drahtquerschnitt vorzusehen. Zudem ist ein schichtförmiges Haftmittel 4 in Art einer Transferfolie auf den Heizdraht 3 sowie der Klebeschicht 2 flächendeckend aufgebracht. Nicht notwendigerweise, jedoch in vorteilhafter Form schmiegt sich das Haftmittel 4 allumfassend an die elektrisch leitende Oberfläche des Heizdrahtes 3 an.
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In 1b wird auf das schichtförmige Haftmittel 4 ein Substrat 5 derart aufgebracht, so dass sich keinerlei Lufteinschlüsse zwischen der Substratoberfläche 6 des Substrates 5 und dem schichtförmigen Haftmittel 4 ausbilden. Zeitgleich mit dem Aufbringen oder im zeitlichen Anschluss daran erfolgt ein kraftbeaufschlagtes F Anpressen der Trägerfolie 1 an die Substratoberfläche 6 des Substrates 5 derart, so dass das zwischen dem Heizdraht 3 und der Substratoberfläche 6 des Substrates 5 befindliche schichtförmige Haftmittel 4 lateral zur Substratoberfläche 6 und seitlich zum Heizdraht 3 verdrängt wird, siehe Verdrängungspfeile V, siehe 1c, wodurch sich ein direkter körperlicher Kontakt 7 zwischen der elektrisch leitenden Drahtoberfläche des Heizdrahtes 3 und der Substratoberfläche 6 des Substrates 5 ausbildet.
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Messungen haben ergeben, dass der Wärmeübergang vom Heizdraht 3 zum Substrat 5 durch den direkten Kontakt 7 des Heizdrahtes 3 mit der Substratoberfläche 6 signifikant, d.h. um wenigstens den Faktor 3-4, gegenüber einer Heizdrahtanordnung verbessert ist, bei der der Heizdraht 3 durch wenigstens eine elektrische Isolationsschicht zur Substratoberfläche getrennt angeordnet ist.
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Der verbesserte Wärmeübergang zwischen Heizdraht 3 und Substrat 5 begründet sich nicht nur allein durch den unmittelbar körperlichen Kontakt 7 zwischen Heizdraht 3 und Substrat 5, sondern auch durch einen verbesserten Wärmeübergang zwischen der elektrisch leitenden Drahtoberfläche des Heizdrahtes 3 und dem den Heizdraht 3 unmittelbar umgebenen, vorzugsweise auf Silikonbasis beruhenden Haftmittel 4, das aufgrund des Verdrängungsvorganges eine im nahen Oberflächenbereich um den Heizdraht 3 eine Verdichtung 8 erfährt, wodurch das Haftmittel 4 innig an der Drahtoberfläche des Heizdrahtes 3 anliegt.
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2 zeigt ein hohlzylinderförmig ausgebildetes Substrat 5 mit einer Substratoberfläche 6, die einer gradzylinderförmigen Mantelfläche entspricht. Das Substrat 5 ist einstückig aus einer Keramik gefertigt und verfügt über eine formstabil harte Keramik-Substratoberfläche 6.
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Dargestellt ist der Fügevorgang, bei dem das hohlzylinderförmige Substrat 5 mit der vorkonfektionierten Trägerfolie 1 verbunden wird, auf der die Klebeschicht 2, der Heizdraht 3 sowie das schichtförmige Haftmittel 4 (nicht weiter illustriert) vorgesehen sind. Das zylinderförmige Substrat 5 wird mit einer Anpresskraft F längs der Oberfläche der vorkonfektionierten Trägerfolie 1, 2, 3, 4 unter Ausführung eines Rollvorganges R abgerollt, wobei sich die vorkonfektionierte Trägerfolie 1, 2, 3, 4 sukzessive an der zylinderförmigen Substratoberfläche 6 des Substrates 5 fest anhaftet und der Heizdraht 3 einen direkten Kontakt zur Substratoberfläche 6 erhält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägerfolie
- 2
- Klebeschicht
- 3
- Heizdraht
- 4
- schichtförmiges Haftmittel
- 5
- Substrat
- 6
- Substratoberfläche
- 7
- Kontakt
- 8
- Verdichtung
- F
- Presskraft
- R
- Rollbewegung
- V
- Verdrängung