DE102018007624A1

DE102018007624A1 - Heizelemente und Heizvorrichtungen

Info

Publication number: DE102018007624A1
Application number: DE102018007624.6A
Authority: DE
Inventors: Jonathan A. Weldon
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: DuPont Electronics Inc
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2019-04-11
Also published as: US20190098703A1; CN109561526B; CN109561526A

Abstract

In einem ersten Aspekt enthält ein Heizelement ein Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten, die eine Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten und zwei oder mehrere Elektroden, die in Kontakt mit dem Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten sind, umfassen. Die widerstandsfähigen Polymerschichten weisen einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 0,5 Ohm/Quadrat bis etwa 2 Megaohm/Quadrat auf. Das Array aus Elektroden verbindet das Heizelement elektrisch mit einer Leistungsquelle. In einem zweiten Aspekt umfasst eine Zwangskonvektions-Heizvorrichtung das Heizelement des ersten Aspekts.

Description

HINTERGRUNDINFORMATIONEN
Gebiet der Offenbarung
Diese Offenbarung bezieht sich auf Heizelemente und Heizvorrichtungen.
Beschreibung des Stands der Technik
In einem herkömmlichen Benzinfahrzeug, in dem ein Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt, wird die durch den Motor erzeugte Wärme während des Betriebs verwendet, um der Fahrgastzelle über die Heizung und Zwangskonvektion von heißer Luft Wärme zuzuführen. Jedoch haben Verbesserungen zur Reduzierung von Emissionen dazu geführt, dass Motoren mit höherer Effizienz weniger Wärme produzieren. Im Falle von Hybrid-Elektrofahrzeugen und Elektrofahrzeugen (HEV und EV) ist der Motor entweder eine sekundäre Leistungsquelle oder nicht vorhanden, wodurch wenig (HEV) oder keine (EV) Wärme erzeugt wird. Darüber hinaus werden herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren zunehmend effizienter, was ebenfalls die Wärmeerzeugung mit überschüssiger Wärme vom Motor, die typischerweise für die Standheizung verwendet wird, verringert. Bei Fahrzeugen, in denen durch den Motor minimale Wärme erzeugt wird, sind Keramikmaterialien mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Keramikmaterialien), die an Wärmetauscher (z. B. Kühlkörper) angebracht sind, als Heizelemente in einer Zwangskonvektionsausgestaltung verwendet worden, um der Fahrgastzelle Wärme bereitzustellen. Zum Beispiel können mehrere Stangen von PTC-Heizelementen an ein Array auf Metallrippen, die als Kühlkörper fungieren, befestigt werden, um die Wärme effizienter zu verteilen. Die Heizelemente sind normalerweise wegen ihren mechanischen Eigenschaften auf kleine Flächen beschränkt und bauen auf thermische Schnittstellen und gut ausgestaltete Metallstrukturen, um die erzeugte Wärme auf einen Konvektionsluftstrom zu senken. Die eingeschränkte Natur des Heizelements begrenzt seine Größe und hat diese Technologien in Verbindung mit der thermischen Schnittstelle und den Kühlkörperanforderungen auf ein Leistungsplateau (d. h. 5 kW oder 180 °C Heiztemperatur) getrieben. Die Stromversorgung von elektrischen PTC-Heizungen kann hohe Anforderungen an die Batterien von Hybrid-Elektrofahrzeugen und Elektrofahrzeugen stellen, insbesondere in kalten Klimazonen, wenn eine hohe Heizleistung am meisten benötigt wird. Darüber hinaus benötigen keramische Materialien, die in elektrischen PTC-Heizsystemen verwendet werden, zusätzlich dazu, dass sie schwer, voluminös und spröde sind, Zeit, um sich aufzuwärmen und der Heizvorrichtung angemessene Wärme zuzuführen.
Metallpasten werden verwendet, um widerstandsfähige Heizelemente, die durch temperaturresistente Folien verstärkt werden, zu erzeugen. Das europäische Patent Nr. 2 181 015 offenbart relativ dünne Heizvorrichtungen, die bei Anwendungen wie Sitzen und Lenkrädern in Automobilen nützlich sind. Die Heizvorrichtung enthält eine dielektrische Polyimid-Substratschicht mit einer widerstandsfähigen Schicht aus mit Kohlenstoff gefülltem Polyimid, die über der Substratschicht liegt, und einem Leiter, der sowohl als eine Elektroden- als auch eine Sammelschienenstruktur dient, die die widerstandsfähige Schicht überlagert und in Kontakt damit steht. Die Elektroden und die Sammelschienenstruktur können in Form einer Metallpaste, wie einer druckbaren leitfähigen Tinte, bereitgestellt werden. Das US-Patent Nr. 8,263,202 offenbart Heizvorrichtungen auf Folienbasis mit einer widerstandsfähigen Folie auf Polyimidbasis, die einen elektrisch leitfähigen Füllstoff wie Industrieruß enthält, der mittels eines leitfähigen Klebstoffs an Metallfoliensammelschienen haftet. Durch Verwendung von Metallfolie als Sammelschienen anstelle von Metallpaste wird die Spannungsstabilität entlang der Länge der Sammelschiene stark verbessert, jedoch kann das Klebstoffsystem die Leistung einschränken. Diese Heizvorrichtung auf Folienbasis kann einen sekundären Basisfolie aus einem dielektrischen Material wie Polyimid umfassen.
Während diese Heizvorrichtungen bei Anwendungen im kleinen Maßstab in relativ günstigen Umgebungen bei geringen Temperaturen und mit niedrigeren Spannungen nützlich sein können, gestaltet sich die Herstellung von Heizvorrichtungen auf Polymerbasis für größere Anwendungen mit höherer Leistungsabgabe viel schwieriger. Es besteht ein Bedarf an leichteren Heizelementen für Zwangskonvektions-Heizvorrichtungen mit verbesserter Leistung, geringerer Leistungsdichte und erhöhter maximaler Betriebstemperatur.
KURZDARSTELLUNG
In einem ersten Aspekt umfasst ein Heizelement ein Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten, das eine Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten und zwei oder mehrere Elektroden, die in Kontakt mit dem Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten stehen, umfass. Die widerstandsfähigen Polymerschichten weisen einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 0,5 Ohm/Quadrat bis etwa 2 Megaohm/Quadrat auf. Das Array aus Elektroden verbindet das Heizelement elektrisch mit einer Leistungsquelle.
In einem zweiten Aspekt umfasst eine Zwangskonvektions-Heizvorrichtung das Heizelement des ersten Aspekts.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In einem ersten Aspekt umfasst ein Heizelement ein Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten, das eine Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten und zwei oder mehrere Elektroden, die in Kontakt mit dem Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten stehen, umfasst. Die widerstandsfähigen Polymerschichten weisen einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 0,5 Ohm/Quadrat bis etwa 2 Megaohm/Quadrat auf. Das Array aus Elektroden verbindet das Heizelement elektrisch mit einer Leistungsquelle.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts enthalten die widerstandsfähigen Polymerschichten ein erstes dielektrisches Polymermaterial. In einer spezifischen Ausführungsform enthält das erste dielektrische Polymermaterial ein Polyimid.
In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfassen die ersten widerstandsfähigen Polymerschichten ferner elektrisch leitfähige Füllstoffe.
In noch einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfassen die elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine Vielzahl von dielektrischen Polymerschichten, die in Kontakt mit der Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten steht. In einer spezifischen Ausführungsform enthalten die dielektrischen Polymerschichten ein zweites dielektrisches Polymermaterial. In einer spezifischeren Ausführungsform enthält das zweite dielektrische Polymermaterial ein Polyimid.
Immer noch in einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts enthalten die zwei oder mehreren Elektroden eine elektrisch leitfähige Paste oder ein Metall.
Immer noch in der weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts ist das Netz ein offenzelliges Netz. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das offenzellige Netz eine Waben-Zellengeometrie.
In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts enthalten die elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine oder mehrere Durchkontaktierungen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfassen die elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine oder mehrere dielektrische Außenschichten.
Immer noch in einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Heizelement ferner eine Verkapselung.
Immer noch in einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Heizelement ferner einen Rahmen oder eine mechanische Trägerstruktur.
In einem zweiten Aspekt umfasst eine Zwangskonvektions-Heizvorrichtung das Heizelement des ersten Aspekts.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts enthält die Zwangskonvektions-Heizvorrichtung ferner eine oder mehrere Sammelschienen, die mit dem Heizelement elektrisch verbunden sind.
Viele Aspekte und Ausführungsformen sind vorstehend beschrieben worden und sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Nach der Lektüre dieser Spezifikation erkennt der Fachmann, dass andere Aspekte und Ausführungsformen möglich sind, ohne dabei vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus den Ansprüchen ersichtlich.
Definitionen
Die folgenden Definitionen werden hierin zum weiteren Definieren und Beschreiben der Offenbarung verwendet.
So wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „umfasst“, „umfassen“, „enthält“, „enthalten“, „haben“, „aufweisen“ oder jegliche andere Variation davon eine nicht ausschließende Einbeziehung abdecken. Zum Beispiel ist ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung, der bzw. das bzw. die eine Liste von Elementen umfasst, nicht unbedingt nur auf diese Element beschränkt, sondern kann andere Elemente enthalten, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder einem derartigen Prozess, einem derartigen Verfahren, einem derartigen Gegenstand oder einer derartigen Vorrichtung eigen ist. Wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, bezieht sich „oder“ ferner auf ein einschließendes Oder und nicht auf ein ausschließendes Oder. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch ein beliebiges der Folgenden erfüllt: A ist richtig (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist richtig (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind richtig (oder vorhanden).
Wie hierin verwendet, enthält der Begriff „ein/e“ die Auffassungen von „mindestens ein/e“ und „ein/e oder mehr als eine/r“.
Wenn nicht anders angegeben, werden alle Prozentsätze, Bestandteile, Verhältnisse usw. nach Gewicht angegeben.
Wenn der Begriff „etwa“ beim Beschreiben eines Werts oder eines Endpunkts eines Bereichs verwendet wird, soll die Offenbarung so verstanden werden, dass sie den spezifischen Wert oder Endpunkt, auf hingewiesen wird, einschließt.
Heizelement
In einer Ausführungsform enthält ein Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten für ein Heizelement eine Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten. In einer Ausführungsform kann eine widerstandsfähige Polymerschicht ein erstes dielektrisches Polymermaterial enthalten. In einer Ausführungsform kann ein Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine Vielzahl von dielektrischen Polymerschichten, die in Kontakt mit der Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten steht, umfassen. In einer Ausführungsform kann eine dielektrische Polymerschicht ein zweites dielektrisches Polymermaterial enthalten. Das erste dielektrische Polymermaterial und das zweite dielektrische Polymermaterial können jeweils ein Polyimid, ein Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), ein Perfluoralkoxy-Polymer (PFA), ein Polyvinylfluorid (PVF), ein Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein Polyester (wie es Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN)), ein Polyetheretherketon (PEEK), ein Polycarbonat (PC) oder eine Mischung davon enthalten. In einer zweiten Ausführungsform können das erste dielektrische Polymermaterial und das zweite dielektrische Polymermaterial das gleiche oder unterschiedlich sein. In einer Ausführungsform können die widerstandsfähige Polymerschicht und die dielektrische Polymerschicht jeweils ein siebgedrucktes oder lichtempfindliches Epoxidharz, ein Silikon, ein gefülltes Epoxidharz, ein gefülltes Silikon oder eine Mischung davon enthalten.
In einer Ausführungsform kann ein Polyimid ein aromatisches Polyimid sein. In einer spezifischen Ausführungsform kann ein aromatisches Polyimid aus mindestens einem aromatischen Dianhydrid und mindestens einem aromatischen Diamin abgeleitet werden. In einem Ausführungsform können das Polyimidmaterial der widerstandsfähigen Schicht und das Polyimidmaterial der dielektrischen Schicht das gleiche oder unterschiedlich sein.
In einer Ausführungsform enthält die widerstandsfähige Polymerschicht einen elektrisch leitfähigen Füllstoff in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 45 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der widerstandsfähigen Polymerschicht. In einer spezifischen Ausführungsform ist der elektrisch leitfähige Füllstoff in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 40 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der widerstandsfähigen Polymerschicht vorhanden. In einer spezifischeren Ausführungsform ist der elektrisch leitfähige Füllstoff in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 35 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der widerstandsfähigen Polymerschicht vorhanden. In einigen Ausführungsformen ist der elektrisch leitfähige Füllstoff Industrieruß. In einigen Ausführungsformen ist der elektrisch leitfähige Füllstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetylenrußen, superabriebsfesten Ofenrußen, leitfähigen Ofenrußen, leitfähige Ruße vom Kanaltyp und feine Thermalruße und Mischungen davon.
In einigen Ausführungsformen weist der elektrisch leitfähige Füllstoff einen elektrischen Widerstand von mindestens 100 Ohm/Quadrat auf. In einigen Ausführungsformen weist der elektrisch leitfähige Füllstoff einen elektrischen Widerstand von mindestens 1000 Ohm/Quadrat auf. In einer weiteren Ausführungsform weist der elektrisch leitfähige Füllstoff einen elektrischen Widerstand von mindestens 10.000 Ohm/Quadrat auf. In manchen Ausführungsformen ist der elektrisch leitfähige Füllstoff Metall oder Metalllegierung. In einigen Ausführungsformen ist der elektrisch leitfähige Füllstoff eine Mischung aus elektrisch leitfähigen Füllstoffen. In einiges Ausführungsformen wird der elektrisch leitfähige Füllstoff gemahlen, um eine gewünschte Agglomeratgröße (Partikelgröße) zu erhalten. In einer Ausführungsform liegt die durchschnittliche Partikelgröße des elektrisch leitfähigen Füllstoffs in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 µm. Die durchschnittliche Partikelgröße kann mittels eines Horiba Light Scattering Particle Size Analyzer (Horiba, Inc., Japan) ermittelt werden. In einer Ausführungsform liegt die durchschnittliche Partikelgröße des elektrisch leitfähigen Füllstoffs in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5 µm. Im Allgemeinen ist es wahrscheinlicher, dass eine durchschnittliche Partikelgröße über 1 µm elektrische Kurzschlüsse und/oder Heißstellen verursacht. In einer Ausführungsform ist die Partikelgröße des elektrisch leitfähigen Füllstoffs kleiner gleich 1 µm. Gewöhnliche Fähigkeiten und Experimente können notwendig sein, um eine Feineinstellung der Art und Menge an elektrisch leitfähigem Füllstoff, die ausreicht, um den gewünschten Widerstand in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung zu erzielen, vorzunehmen. In einer Ausführungsform enthält die widerstandsfähige Polymerschicht ein Polyimidmaterial mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff und weist einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 0,5 Ohm/Quadrat bis etwa 2 Megaohm/Quadrat auf, der unter Verwendung einer FPP5000-Vier-Punkt-Messung (Veeco Instruments, Inc., Somerset, New Jersey). In einer Ausführungsform weist die widerstandsfähige Polymerschicht einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 2 Ohm/Quadrat bis etwa 10.000 Ohm/Quadrat auf. In einer spezifischen Ausführungsform weist die widerstandsfähige Polymerschicht einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 Ohm/Quadrat auf. In einer spezifischeren Ausführungsform weist die widerstandsfähige Polymerschicht einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 150 Ohm/Quadrat auf.
In einer Ausführungsform enthält das Heizelement gegebenenfalls einen nichtelektrisch leitfähigen Füllstoff entweder in den widerstandsfähigen Polymerschichten, den dielektrischen Polymerschichten oder beiden. Nichtelektrisch leitfähige Füllstoffe können enthalten sein, um die Wärmeleitfähigkeit, die mechanischen Eigenschaften usw. zu verbessern. In einigen Ausführungsformen wird ein nichtelektrisch leitfähiger Füllstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxiden, Titandioxid, Siliziumdioxid, Glimmer, Talkum, Bariumtitanat, Bariumsulfat, Dicalciumphosphat und Mischungen davon.
In einer Ausführungsform umfassen die elektrisch leitfähigen Schichten ferner ein Array aus elektrisch leitfähigen Durchkontaktierungen oder Öffnungen in den elektrisch leitfähigen Schichten, die zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einzelnen elektrisch leitfähigen Schichten sowie zum elektrischen Verbinden des Heizelements mit der Leistungsquelle der Heizvorrichtung verwendet werden können. Leitfähige Durchkontaktierungen können Durchgangslöcher, blind oder vergraben, sein und können mit einem leitfähigen Material, das entweder gesintert oder gehärtet ist, plattiert oder gefüllt sein. Leitfähige Materialien können leitfähige Metalle, leitfähige Pasten, leitfähige Tinten oder jegliches andere leitfähige Material, das herkömmlicherweise bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet wird, einschließen. In einer Ausführungsform können die Durchkontaktierungen mit einem leitfähigen Material gefüllt sein, das aus einer Reihe von elektrisch leitfähigen Tinten oder Pasten ausgewählt ist, wie etwa siebgedruckte DuPont CB Series-Tintenmaterialien, DuPont 5025-Silber-Leiter und DuPont™ Kapton™ KA801-Polyimid-Silber-Leiter (alle von DuPont Microcircuit Materials, Research Triangle Park, North Carolina erhältlich).
In einer Ausführungsform kann das Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten eines Heizelements in der Form eines offenzelligen Netzes vorliegen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „offenzelliges Netz“ auf eine periodische dreidimensionale Struktur, wobei ein Array aus geometrischen Strukturen Wände um die Öffnungen bilden. In einer Ausführungsform kann ein offenzelliges Netz ein Array aus Hexagonen sein, die eine „Wabenstruktur“ bilden (d. h. eine Waben-Zellengeometrie). Eine Wabenstruktur stellt eine angemessene mechanische Festigkeit bereit, um ein Heizelement zu tragen und in ein Zwangskonvektions-Heizsystem zu passen, während sie ebenfalls eine verbesserte Kühlkörperstruktur bereitstellt. In einer weiteren Ausführungsform kann ein offenzelliges Netz ein Array aus Quadraten, Rechtecken, Rauten, Dreiecken oder komplexeren geometrischen Strukturen mit gekrümmten Wänden sein. In einer Ausführungsform kann ein offenzelliges Netz eine Mischung aus zwei oder mehreren geometrischen Formen sein. Ein Fachmann wird die breite Vielfalt an Formen, die ein offenzelliges Netz bilden können, erkennen und dass es nicht nötig ist, dass die periodische Struktur eine perfekt gleichmäßige Größe und Form über das Array hinweg aufweist.
In einer Ausführungsform hat das offenzellige Netz eine Wanddicke in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 250 µm. In einer spezifischen Ausführungsform liegt die Wanddicke in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 150 µm. In einer spezifischeren Ausführungsform liegt die Wanddicke in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 75 µm. In einer Ausführungsform weisen die widerstandsfähigen Polymerschichten eine Dicke im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 µm auf. In einer spezifischen Ausführungsform haben die widerstandsfähigen Polymerschichten eine Dicke im Bereich von etwa 10 bis etwa 50 µm. In einer Ausführungsform, in der die elektrisch leitfähige Schicht eine dielektrische Polymerschicht umfasst, hat die dielektrische Polymerschicht eine Dicke im Bereich von etwa 10 bis etwa 50 µm. In einer Ausführungsform können eine widerstandsfähige Polymerschicht und eine dielektrische Polymerschicht zusammen stranggepresst werden, um die elektrisch leitfähige Schicht zu bilden. In einer Ausbildungsform kann ein Heizelement, das ein offenzelliges Netz aufweist, aus einer Kapton® 200RS100-Polyimidfolie stammen (verfügbar von E.I. du Pont de Nemours and Co., Wilmington, Delaware).
In einer Ausführungsform kann das Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten eines Heizelements in der Form von voneinander beabstandeten Schichten (d. h. Rippen) vorliegen. Die voneinander beabstandeten Schichten können physisch verbunden oder voneinander getrennt sein, aber sie sind elektrisch verbunden, um der Heizvorrichtung Wärme bereitzustellen. Zwischen den Rippen ist ein angemessener Raum vorgesehen, um in einem Zwangskonvektions-Heizsystem eine gute Luftströmung zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform kann ein Heizelement ferner eine Verkapselung umfassen. Eine Verkapselung kann ein Harzsystem (Phenolharz, Epoxidharz usw.) sein, dass, wenn notwendig, dem Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten elektrische Isolation und mechanische Festigkeit bereitstellt. In einer Ausführungsform kann eine Verkapselung ein dielektrisches Material sein, das entweder auf das Heizelement aufgetragen oder laminiert wird.
Sammelschienen
In einer Ausführungsform enthält eine Heizvorrichtung eine oder mehrere Sammelschienen, die elektrisch mit einem Heizelement verbunden sind. In einer Ausführungsform enthält die Sammelschiene bzw. enthalten die Sammelschienen ein erstes strukturiertes leitfähiges Material (z. B. eine elektrisch leitfähige Paste, ein Metall usw.). In einer Ausführungsform ist das erste strukturierte leitfähige Material ein hochleitfähiges Material (z. B. Kupfer, Silber, Gold usw.), das ermöglicht, dass elektrischer Strom effizient und gleichmäßig an das Heizelement geliefert wird. In einer Ausführungsform können die Sammelschienen eine Metallfolie, entweder alleinstehend oder an ein dielektrisches Material haftend, enthalten, wobei die Metallfolie eine Dicke von etwa 5 bis etwa 140 µm (d. h. 0,5 oz. bis 4 oz. Metallfolie) und eine minimale dielektrische Dicke von 12,5 bis 75 µm aufweist. Ein strukturierter Grundriss kann ausgestaltet werden, um die Gleichförmigkeit des Stroms, der dem Heizelement zugeführt wird, zu optimieren.
In einer Ausführungsform enthält die Sammelschiene bzw. enthalten die Sammelschienen ein drittes dielektrisches Polymermaterial. Das dritte dielektrische Polymermaterial kann dem ersten strukturierten leitfähigen Material mechanische Unterstützung bereitstellen sowie das erste strukturierte leitfähige Material vor ungewollten elektrischen Verbindungen elektrisch isolieren. Das dritte dielektrische Polymermaterial kann jegliches der oben beschriebenen dielektrischen Materialien für das erste dielektrische Polymermaterial und das zweite dielektrische Polymermaterial enthalten und kann das gleiche wie eines oder beide des ersten dielektrischen Polymermaterials und des zweiten dielektrischen Polymermaterials oder unterschiedlich von diesen sein.
In einer Ausführungsform kann die Sammelschiene bzw. können die Sammelschienen für eine Heizvorrichtung über eine Klebeschicht an einer dielektrischen Polymerschicht des Heizelements haften. In einer Ausführungsform kann eine Klebeschicht ein thermisch ausgehärteter Klebstoff, wie etwa ein Acrylklebstoff (z. B. Pyralux® LF-Klebstoff, DuPont, der bei 150-180 °C und 150 psi härten kann) oder ein thermoplastischer Klebstoff (z. B. Pyralux® HT-Verbundfolie, DuPont, die bei hoher Temperatur und Druck, ab 350 °C und 450 psi, härtet), sein. In einer Ausführungsform kann ein Epoxidklebstoff oder ein druckempfindlicher Acrylklebstoff verwendet werden.
Elektroden
In einer Ausführungsform enthalten eine oder mehrere Elektroden für ein Heizelement ein zweites strukturiertes leitfähiges Material (z. B. eine elektrisch leitfähige Paste, ein Metall usw.), das an der widerstandsfähigen Polymerschicht der elektrisch leitfähigen Schicht haftet. In einer Ausführungsform kann das zweite strukturierte leitfähige Material eine elektrisch leitfähige Paste sein. In einer Ausführungsform kann die elektrisch leitfähige Paste ein Polyimidpolymer enthalten, das durch Formel I dargestellt ist:

wobei X für C(CH₃)₂, O, SO₂ oder C(CF₃)₂, O-Ph-C(CH₃)₂-Ph-O, O-Ph-O- oder eine Mischung aus zwei oder mehreren von C(CH₃)₂, O, SO₂, und C(CF3)₂, O-Ph-C(CH₃)₂-Ph-O, O-Ph-O- steht;
wobei Y für eine Diaminkomponente oder eine Mischung aus Diaminkomponenten steht, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus:

m-Phenylendiamin (MPD), 3,4'-Diaminodiphenylether (3,4'-ODA),
4,4'-Diamino-2,2'-bis(trifluormethyl)biphenyl (TFMB), 3,3'-Diaminodiphenylsulfon (3,3'-DDS),
4,4'-(Hexafluorisopropyliden)bis(2-aminophenol) (6F-AP) bis-(4-(4-aminophenoxy)phenyl)sulfon (BAPS) und
9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren (FDA); 2,3,5,6-Tetramethyl-1,4-phenylendiamin (DAM), 2,2-Bis[4-(4-aminophenoxyphenyl)]propan (BAPP),
2,2-Bis[4-(4-aminophenoxyphenyl)]hexafluorpropan (HFBAPP), 1,3-Bis(3-aminophenoxy)benzol (APB-133), 2,2-Bis(3-aminophenyl)hexafluorpropan,
2,2-Bis(4-aminophenyl)hexafluorpropan (Bis-A-AF), 4,4'-Bis(4-amino-2-trifluormethylphenoxy)biphenyl, 4,4'-[1,3-Phenylenbis(1-methylethyliden)] bisaniline (Bisaniline-M) mit der Maßgabe, dass:
1. i. wenn X für O steht, Y dann nicht für m-Phenylendiamin (MPD), Bis-(4-(4-aminophenoxy)phenyl)sulfon (BAPS) und 3,4'-Diaminodiphenylether (3,4'-ODA); BAPP, APB-133, Bisaniline-M steht;
2. ii. wenn X für SO₂ steht, Y dann nicht für 3,3'-Diaminodiphenylsulfon (3,3'-DDS) steht;
3. iii. wenn X für C(CF₃)₂ steht, Y dann nicht für m-Phenylendiamin (MPD), Bis-(4-(4-aminophenoxy)phenyl)sulfon (BAPS), 9,9-Bis(4-aminophenyl)fluoren (FDA) und 3,3'-Diaminodiphenylsulfon (3,3'-DDS) steht;
4. iv. wenn X für O-Ph-C(CH₃)₂-Ph-O oder O-Ph-O- steht, Y dann nicht für m-Phenylendiamin (MPD), FDA, 3,4'-ODA, DAM, BAPP, APB-133, Bisaniline-M steht.

Diese Paste ist insofern vorteilhaft, als sie Lösungsmittel beinhaltet, die nicht auf den üblichen DMAC- oder NMP-Lösungsmitteln basieren, die normalerweise mit Polyimiden verwendet werden, aber auf Lösungsmitteln basieren, die sich für Siebdruck besser eignen, weniger toxisch sind und eine bessere Handhabung, Viskosität und Trocknungsverarbeitungsfenster für routinemäßigen Siebdruck aufweisen. Da diese leitfähige Paste auf Polyimid-Chemie basiert, ist sie auch nach dem Drucken und Trocknen thermisch stabil und ermöglicht eine gute elektrische Verbindung mit der widerstandsfähigen Polymerschicht der elektrisch leitfähigen Schicht, so dass eine Elektrode für ein Heizelement, das bei hoher Temperatur arbeiten kann, hergestellt werden kann.
In einer Ausführungsform kann leitfähiges Metallpulver, wie etwa Silber, in einer organischen Lösung eines organolöslichen Polyimids eine elektrisch leitfähige Paste bilden, die sich für den Siebdruck eignet. Zweckdienliche Lösungsmittel umfassen Dipropylenglycolmethylether (DOWANOL™ DPM, Dow Chemical Co., Midland, Michigan), Propylenglycolmethyletheracetat (DOWANOL™ PMA, Dow Chemical), dibasische Ester, Lactamide, Acetate, Diethyladipat, Texanol, Glycolether, Carbitole und dergleichen. Solche Lösungsmittel können das organolösliche Polyimidharz lösen und eine Lösung bilden, in der Ag und andere elektrisch leitfähige Metallpulver dispergiert werden können, wodurch eine siebdruckfähige Pastenzusammensetzung erhalten wird. Die Lösung des Polyimidharzes in den ausgewählten Lösungsmitteln ist durch die Auswahl der Monomere, die zur Herstellung des Polyimids verwendet werden, möglich. In einigen Ausführungsformen können andere, von Ag verschiedene Metalle, wie etwa Ni, Cu, Pt, Pd und dergleichen, und Pulver mit verschiedenen Morphologien und Kombinationen dieser Morphologien verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann die elektrisch leitfähige Paste bis zu einer Dicke von 10 bis 15 µm nass auf die widerstandsfähige Polymerschicht der elektrisch leitfähigen Schicht gedruckt werden, dann bei 130 °C 10 Minuten lang in Luft getrocknet und dann wieder bei 200 °C für 10 Minuten getrocknet werden. Basierend auf dem spezifischen Widerstand der widerstandsfähigen Polymerschicht bei der gewünschten Betriebstemperatur und Spannung des Heizelements und der Gesamtgröße des Heizelements kann die Größe und Anordnung der Elektroden der elektrisch leitfähigen Paste gewählt werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die Betriebstemperatur etwa 200 °C und die Spannung 220 V betragen.
In einer Ausführungsform kann das zweite strukturierte leitfähige Material ein Metall (z. B. AI, Cu, Ag, Au, Ni usw.), eine Metalllegierung (z. B. CrNi, CuNi usw.) oder ein Metalloxid (z. B. AlO2, ITO, IZO usw.) sein. In einer Ausführungsform wird die Elektrode durch Sputtern eines Metalls und anschließendes Plattieren der metallischen Schicht gebildet, um die gewünschte Metalldicke zu erzielen. Die resultierende Metallschicht kann dann strukturiert werden, um Elektroden unter Verwendung subtraktiver Verfahren zu bilden, die bei der Herstellung von Leiterplatten üblicherweise zum Einsatz kommen.
In einer Ausführungsform weist die Elektrode eine Dicke im Bereich von etwa 0,155 bis etwa 250 µm auf. Wenn das zweite strukturierte leitfähige Material eine elektrisch leitfähige Paste ist, weist in einer spezifischen Ausführungsform die dielektrische Polymerschicht eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis etwa 250 µm oder von etwa 5 bis etwa 50 µm auf. In einer Ausführungsform enthält die elektrisch leitfähige Paste in der Elektrode ein Ag-Pulver in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der getrockneten Paste, und weist eine Trockendicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 40 µm auf, was einen elektrischen spezifischen Widerstand in einem Bereich von etwa 4 bis etwa 100 Milliohm/Quadrat ergibt.
Dielektrische Außenschichten
In einer Ausführungsform kann ein Heizelement eine dielektrische Außenschicht auf einer oder beiden Seiten der elektrisch leitfähigen Schichten umfassen. Die dielektrische Außenschicht kann als eine Sperrschicht wirken, die eine Verschlechterung des Heizelements in der Umgebung verhindert und ein unerwünschtes Austreten von elektrischem Strom von dem Heizelement verhindert. In einer Ausführungsform kann eine dielektrische Außenschicht ein Polymermaterial umfassen, wie ein Polyimid, ein Tetrafluorethylenhexafluorpropylen-Copolymer (FEP), ein Perfluoralkoxypolymer (PFA) oder eine Mischung davon. Beispiele für dielektrische Polymeraußenschichten umfassen Pyralux® LF und Pyralux® LG (beide erhältlich von DuPont) und Teflon® FEP und Teflon® PFA (beide erhältlich von Chemours). In einer Ausführungsform kann ein Polymermaterial für eine dielektrische Außenschicht Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polyester (wie Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat), Polyetheretherketon, Polycarbonat und Mischungen davon umfassen. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Außenschicht ein siebgedrucktes oder lichtempfindliches Epoxid, Silikon, gefülltes Epoxid oder gefülltes Silikon umfassen. Beispiele hierfür sind FR-4203 (Asahi Rubber) und Pyralux® PC Photoimageable Coverlay (DuPont).
In einer Ausführungsform kann eine dielektrische Außenschicht direkt auf die elektrisch leitfähigen Schichten geschmolzen oder presslaminiert werden, bevor die Netzstruktur gebildet wird. In einer Ausführungsform kann eine dielektrische Außenschicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 150 µm aufweisen. In einer spezifischen Ausführungsform kann eine dielektrische Außenschicht eine Dicke in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 75 µm aufweisen.
Heizvorrichtung
In einer Ausführungsform kann eine Heizvorrichtung ein Heizelement auf Polymerbasis umfassen, das zu einer Wabenstruktur geformt ist. Die Wabenform ist eine effizientere Kühlkörperstruktur, und trotz der geringeren Wärmeleitfähigkeit der Polymerheizschicht gegenüber dem Aluminium eines herkömmlichen Kühlkörpers vergrößert sie die Oberfläche der Heizvorrichtung und verbessert die Wärmeübertragung in den Konvektionsfluss. Außerdem wird dank dieser Konstruktion das Erfordernis eines metallischen Kühlkörpers überflüssig, wodurch das Problem der thermischen Verbindung zwischen metallischen Kühlkörpern und PTC-Heizelementen effektiv beseitigt wird und das Gewicht des Systems drastisch reduziert wird.
In einer Ausführungsform werden Elektroden zur Bildung des Heizelements mit einer Wabenstruktur zuerst auf elektrisch leitfähige Schichten, beispielsweise auf eine kontinuierliche Rolle aus DuPont Kapton® 200RS100, gefolgt von Linien eines Klebstoffs, wie einem flüssigen Epoxidklebstoff, strukturiert. In einer anderen Ausführungsform, bei der Sammelschienen in das Heizelement eingebaut sind, werden Sammelschienen auch auf elektrisch leitfähige Schichten strukturiert, bevor Klebstofflinien aufgebracht werden. Die Elektroden (und Sammelschienen) sind mit einer schützenden Trennschicht bedeckt, die entfernt werden kann, nachdem die Struktur in das Einkapselungsharz eingetaucht worden ist. Der Film wird dann in Lagen geschnitten und gestapelt, so dass die Zellengröße der endgültigen Wabenstruktur durch die Stelle des Klebstoffs benachbarter Elektroden (und Sammelschienen) bestimmt wird. Sobald die geeignete Anzahl von Lagen gestapelt ist, werden sie unter hoher Temperatur und Druck laminiert, um die Lagen aneinander zu kleben und den Klebstoff vollständig auszuhärten. Dieser Block wird an einem Rahmen befestigt und gezogen, um die Wabenzellen auszudehnen und zu öffnen. In einer Ausführungsform wird diese große Wabenstruktur dann in ein Harzsystem (Phenolharz, Epoxidharz usw.) getaucht, um ein Verkapselungsmaterial zu bilden, das bei Bedarf elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit bereitstellt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Wabenstruktur „thermogeformt“, d. h., sie wird über ihrer Glasübergangstemperatur erhitzt, um eine mechanische Steifigkeit bereitzustellen. In einer Ausführungsform wird die Wabenstruktur sowohl in ein Harzsystem eingetaucht, um ein Verkapselungsmaterial zu bilden, als auch oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur erhitzt, um das Heizelement zu thermoformen.
Nachdem die Struktur getrocknet und abgekühlt ist, wird der Materialstapel geschnitten, wobei die Lagen in mehrere Abschnitte getrennt werden. Das Schneiden wird zwischen jedem zweiten Abschnitt der gedruckten Elektroden durchgeführt, wobei jede Schicht jedes Abschnitts effektiv zu einem gleichförmigen Heizelement wird. Die schützende Trennschicht wird entfernt, um die Elektroden (und Sammelschienen) freizulegen. Dies legt die Elektroden entlang der kurzen Kante frei, wo elektrische Verbindungen hergestellt werden können. Dieses Heizelement wird dann für eine kurze Dauer erhitzt (z. B. auf eine Temperatur von 300 °C unter Verwendung von Kapton® 200RS100), um die Zellstruktur thermisch einzustellen.
Somit wird ein Heizelement mit einer Wabenstruktur erzeugt, bei der alle Oberflächen Wärme bereitstellen und dem konvektiven Luftstrom des Umluftsystems ausgesetzt sind. Die Verwendung eines Materials wie Kapton® 200RS100 ermöglicht, dass die Leistungsdichte an jede Anwendung angepasst werden, und selbst eine kleine Erhöhung der Leistungsdichte (0,2 W/cm²) kann die Gesamtausgangsleistung des Heizers, je nach Wabenkonstruktion, um mehrere hundert Watt erhöhen. Die Struktur gestattet auch eine einfachere Konstruktion von einzigartigen Größen, um den Platzbedarf des HVAC-Systems zu erfüllen, und verwendet Materialien mit einer maximalen Betriebstemperatur von 240 °C. Das Endergebnis ist eine Heizvorrichtung, die den räumlichen Anforderungen der gegenwärtigen Heizsysteme entspricht, aber alle Leistungsparameter der derzeitigen Technologien übertrifft und viele ihrer Konstruktions- und Leistungsbeschränkungen überwindet. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Sammelschienen getrennt von dem Heizelement ausgebildet und elektrisch mit dem Heizelement verbunden werden, nachdem es ausgebildet wurde.
Bei einer Heizvorrichtung wird eine Zwangskonvention erzeugt, wenn eine Fluidbewegung von einer externen Quelle (z. B. einer Pumpe, einer Saugvorrichtung oder einem Gebläse) erzeugt wird. Dieses Fluid (typischerweise Luft) wird über das Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten des Heizelements, wie etwa das oben beschriebene offenzellige Netz oder die oben beschriebene Wabenstruktur, geleitet. Wenn die Heizvorrichtung mit Energie versorgt wird und die Luft über das offenzellige Netz geleitet wird, erhöht dies die Geschwindigkeit, mit der die Luft erwärmt wird, und ermöglicht es der warmen Luft, einen größeren Raum zu füllen. In einer Ausführungsform kann ein Rahmen oder eine mechanische Trägerstruktur verwendet werden, um eine zusätzliche mechanische Unterstützung für das Heizelement in der Heizvorrichtung bereitzustellen.
Heizvorrichtungen, die wie hierin beschriebene Heizelemente verwenden, können in einer großen Vielzahl von Anwendungen zusätzlich zu HEV- und EV-Fahrzeugen verwendet werden, zum Beispiel Patronenheizkörper in Luft- und Raumfahrtanwendungen, denen die erhebliche Gewichtsreduzierung dieser Heizelemente zu Nutzen kommt, und kleine Haushaltsgeräte, wie beispielsweise Föhne, Raumheizkörper, elektrische HVAC-Heizgeräte usw.
Es wird angemerkt, dass nicht alle der oben beschriebenen Vorgänge in der allgemeinen Beschreibung oder den Beispielen erforderlich sind, dass ein Teil eines spezifischen Vorgangs möglicherweise nicht notwendig ist und dass ein oder mehrere Vorgänge neben den beschriebenen durchgeführt werden können. Darüber hinaus ist die Reihenfolge, in der die Vorgänge auflistet sind, nicht notwendigerweise die Reihenfolge, in der sie ausgeführt werden. Nach der Lektüre dieser Spezifikation wird der Fachmann in der Lage sein, festzulegen, welche Vorgänge er für seine spezifischen Bedürfnisse oder Wünsche verwenden kann.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Ein Durchschnittsfachmann erkennt jedoch, dass eine oder mehrere Modifikationen oder eine oder mehrere andere Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist. Dementsprechend sind die Beschreibung und die Figuren eher in einem veranschaulichenden als in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, und jegliche und alle derartigen Modifikationen und anderen Änderungen sollen in den Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen sein.
Ein beliebiger oder mehrere Vorteile, ein oder mehrere andere Vorteile, eine oder mehrere Lösungen für ein oder mehrere Probleme oder eine beliebige Kombination davon wurden vorstehend in Bezug auf eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen beschrieben. Der Nutzen bzw. die Nutzen, der Vorteil bzw. die Vorteile, die Lösung bzw. die Lösungen für das Problem bzw. die Probleme oder ein beliebiges Element bzw. die Elemente, die dazu führen, dass ein beliebiger Nutzen, Vorteil oder eine beliebige Lösung erfolgt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als ein kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Element von irgendeinem oder allen der Ansprüche auszulegen.
Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Verständlichkeit halber oben und im Folgenden im Zusammenhang mit getrennten Ausführungsformen beschrieben sind, auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform bereitgestellt werden können. Im Gegenzug können verschiedene Merkmale der Erfindung, die der Kürze halber im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben werden, auch getrennt oder in irgendeiner Unterkombination bereitgestellt werden. Ferner enthalten Verweise auf Werte, die in Bereichen angegeben sind, jeden einzelnen Wert innerhalb dieses Bereichs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2181015 [0003]
US 8263202 [0003]

Claims

Heizelement, umfassend: ein Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten, die eine Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten umfassen, wobei die widerstandsfähigen Polymerschichten einen Flächenwiderstand in einem Bereich von etwa 0,5 Ohm/Quadrat bis etwa 2 Megaohm/Quadrat aufweisen; und zwei oder mehrere Elektroden, die in Kontakt mit dem Netz aus elektrisch leitfähigen Schichten sind, wobei das Array aus Elektroden das Heizelement elektrisch mit einer Leistungsquelle verbindet.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei die widerstandsfähigen Polymerschichten ein erstes dielektrisches Polymermaterial umfassen.
Heizelement nach Anspruch 2, wobei das erste dielektrische Polymermaterial ein Polyimid umfasst.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei die ersten widerstandsfähigen Polymerschichten ferner elektrisch leitfähige Füllstoffe umfassen.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine Vielzahl von dielektrischen Polymerschichten umfassen, die in Kontakt mit der Vielzahl von widerstandsfähigen Polymerschichten sind.
Heizelement nach Anspruch 5, wobei die dielektrischen Polymerschichten ein zweites dielektrisches Polymermaterial umfassen.
Heizelement nach Anspruch 6, wobei das zweite dielektrische Polymermaterial ein Polyimid umfasst.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehreren Elektroden eine elektrisch leitfähige Paste oder ein Metall umfassen.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei das Netz ein offenzelliges Netz ist.
Heizelement nach Anspruch 9, wobei das offenzellige Netz eine Waben-Zellengeometrie umfasst.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine oder mehrere Durchkontaktierungen umfassen.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten ferner eine oder mehrere dielektrischen Außenschichten umfassen.
Heizelement nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Verkapselung.
Heizelement nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Rahmen oder eine mechanische Trägerstruktur.
Zwangskonvektions-Heizvorrichtung, umfassend das Heizelement nach Anspruch 1.
Zwangskonvektions-Heizvorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend eine oder mehrere Sammelschienen, die elektrisch mit dem Heizelement verbunden sind.