DE102021203841A1 - Device for heating a medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums mit einem metallischen Gehäuse (10, 82, 84), welches von dem Medium benetzt ist und mit mindestens einem Heizelement (32), das ein elektrisch leitfähiges Elastomer (30) enthält und über elektrische Leiter (40, 42) mit elektrischer Energie versorgt ist. Auf dem metallischen Gehäuse (10, 82, 84) ist, zumindest einseitig, eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung (20), ein keramisches Material (24) enthaltend oder ein zumindest ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial (22, 52) enthaltend, aufgebracht. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Vorrichtung in einem Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder zur Beheizung von Brennstoffzellen.The invention relates to a device for heating a medium with a metallic housing (10, 82, 84) which is wetted by the medium and with at least one heating element (32) containing an electrically conductive elastomer (30) and via electrical Head (40, 42) is supplied with electrical energy. A closed, electrically insulating coating (20) containing a ceramic material (24) or a plastic material (22, 52) containing at least one polymer is applied to the metal housing (10, 82, 84), at least on one side. In addition, the invention relates to the use of the device in a flow heater, as a tank heating element, as a surface heating element or for heating fuel cells.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums mit einem Gehäuse, welches von dem Medium benetzt ist, und mit mindestens einem Heizelement, das ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält und über elektrische Leiter mit elektrischer Energie versorgt ist. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung des Heizelementes, das ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Heizelementes als Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder zur Beheizung von Brennstoffzellen.The invention relates to the device for heating a medium with a housing which is wetted by the medium and with at least one heating element which contains an electrically conductive elastomer and is supplied with electrical energy via electrical conductors. The invention further relates to a method for producing the heating element, which contains an electrically conductive elastomer. In addition, the invention relates to the use of the heating element as a flow heater, as a tank heating element, as a surface heating element or for heating fuel cells.
Stand der TechnikState of the art
Zur Erwärmung von Körpern oder Medien, wie Gase oder Flüssigkeiten, werden unterschiedlichste Heizsysteme eingesetzt. Metallische Gehäuse bieten aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit einen guten Wärmeübergang ins Medium. Als wärmeerzeugende Heizelemente werden keramische PTC-Heizelemente, metallische Widerstandsheizungen, so z. B. Heizdrähte oder siebgedruckte Metallstrukturen, oder auch Widerstandsheizungen auf Basis elektrisch leitfähiger Kunststoffe eingesetzt. Der elektrische Strom fließt durch diese Heizelemente und erzeugt Joulesche Wärme; er soll jedoch nicht durch ein metallisches Gehäuse in das Medium eingeleitet werden, da hierdurch chemische Reaktionen des Mediums initiiert werden können.A wide variety of heating systems are used to heat bodies or media such as gases or liquids. Due to the high thermal conductivity, metallic housings offer good heat transfer into the medium. As heat-generating heating elements, ceramic PTC heating elements, metal resistance heaters, e.g. B. heating wires or screen-printed metal structures, or resistance heaters based on electrically conductive plastics are used. The electric current flows through these heating elements and generates Joule heat; however, it should not be introduced into the medium through a metallic housing, as this can initiate chemical reactions in the medium.
Auf Basis von Elastomeren lassen sich ebenfalls Heizelemente herstellen.
Die Widerstandsleiter sind als Streifen oder in anderen Formen ausgeführt. Diese sind auf der Außenfläche des Kerns angeordnet oder direkt auf dem Kern ausgebildet, wobei die Leiter elektrisch mit den Elektroden in einer derartigen Anordnung verbunden sind, dass ein axialer Stromfluss in den Leitern entsteht. Die Anbindung der Elektroden auf das leitfähige Elastomer, bei dem Wärme erzeugt wird, ist nicht befriedigend gelöst.The resistance ladders are in the form of strips or other shapes. These are arranged on the outer surface of the core or formed directly on the core, with the conductors being electrically connected to the electrodes in an arrangement such that there is axial current flow in the conductors. The connection of the electrodes to the conductive elastomer, in which heat is generated, has not been solved satisfactorily.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums vorgeschlagen, mit einem Gehäuse, welches von dem Medium benetzt ist, und mit mindestens einem Heizelement, das ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält und über elektrische Leiter mit elektrischer Energie versorgt ist, wobei auf dem metallischen Gehäuse zumindest einseitig eine geschlossene elektrisch isolierende Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend oder ein zumindest ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial enthaltend, aufgebracht ist.According to the invention, a device for heating a medium is proposed, with a housing which is wetted by the medium and with at least one heating element which contains an electrically conductive elastomer and is supplied with electrical energy via electrical conductors is, wherein a closed electrically insulating coating containing a ceramic material or a plastic material containing at least one polymer is applied to at least one side of the metallic housing.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine gute Verbindung des elektrisch leitfähigen Elastomers sowohl mit der elektrisch isolierenden Beschichtung als auch mit den elektrischen Leitern hergestellt werden.With the solution proposed according to the invention, a good connection of the electrically conductive elastomer can be established both with the electrically insulating coating and with the electrical conductors.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung ist das mindestens ein Polymer enthaltende Kunststoffmaterial ausgewählt aus einer Gruppe enthaltend: ETFE-, E-CTFE-, FEP-, PFA-, PTFE-, Polyurethan-, Polyesterimid-Beschichtungen, Epoxidharze, Thermolacke, Silikonharze, Phenylsilikonharze. Alternativ besteht die Möglichkeit, die elektrisch isolierende Beschichtung so auszubilden, dass diese ein keramisches Material enthält, wobei dieses beispielsweise aus der Gruppe Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid, Silikate, Borcarbid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Titannitrid oder Mischformen selbiger oder weiterer Keramiken ausgewählt ist.In an advantageous embodiment of the device proposed according to the invention, the plastic material containing at least one polymer is selected from a group containing: ETFE, E-CTFE, FEP, PFA, PTFE, polyurethane, polyesterimide coatings, epoxy resins, thermal lacquers, silicone resins , phenyl silicone resins. Alternatively, there is the possibility of forming the electrically insulating coating in such a way that it contains a ceramic material, for example from the group of aluminum oxide, magnesium oxide, titanium dioxide, zirconium oxide, silicates, boron carbide, silicon carbide, aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, titanium nitride or mixed forms of the same or other ceramics is selected.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann das elektrisch leitfähige Elastomer ausgewählt werden aus einer Gruppe enthaltend: EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke. Um eine elektrische Leitfähigkeit des Elastomers zu erzielen, werden ein oder mehrere leitfähige Füllstoffe, wie Graphit, Leitruße, Metallpartikel, Metallfasern oder Carbon Nanotubes dem Elastomer beigemischt.In a further embodiment of the solution proposed according to the invention, the electrically conductive elastomer can be selected from a group containing: EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, fluororubbers, silicone rubbers. In order to achieve electrical conductivity in the elastomer, one or more conductive fillers such as graphite, conductive carbon black, metal particles, metal fibers or carbon nanotubes are added to the elastomer.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers zwischen 0,01 Ωcm und 500 Ωcm, insbesondere zwischen 0,1 Ωcm und 100 Ωcm.In the solution proposed according to the invention, the specific electrical resistance of the electrically conductive elastomer is between 0.01 Ωcm and 500 Ωcm, in particular between 0.1 Ωcm and 100 Ωcm.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt die Schichtdicke der geschlossenen, elektrisch isolierenden Beschichtung im Bereich zwischen 0,2 µm und 500 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 50 µm.In a further development of the solution proposed according to the invention, the layer thickness of the closed, electrically insulating coating is in the range between 0.2 μm and 500 μm, preferably between 1 μm and 50 μm.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung umfasst des Weiteren mindestens zwei elektrische Leiter, die als Drähte, abisolierte Kabelenden, Stanzgitter, Metallgewebebänder, metallische Streife, strukturierte Stanzgitter, mit Öffnung versehene Stanzgitter ausgestaltet sein können.The device proposed according to the invention also comprises at least two electrical conductors, which can be in the form of wires, stripped cable ends, stamped grids, metal fabric strips, metallic strips, structured stamped grids, stamped grids provided with openings.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes, welches ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten:
- a) Aufbringen einer geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend oder ein mindestens ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial enthaltend,
- b) Anordnen mindestens zweier elektrischer Leiter auf der geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung und
- c) Umgießen der mindestens zwei elektrischen Leiter mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer.
- a) Application of a closed electrically insulating coating containing a ceramic material or containing a plastic material containing at least one polymer,
- b) arranging at least two electrical conductors on the closed electrically insulating coating and
- c) Encapsulation of the at least two electrical conductors with the electrically conductive elastomer.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise eine gute Verbindung des elektrisch leitfähigen Elastomers sowohl mit der elektrisch isolierenden Beschichtung als auch mit den auf diese aufgebrachten Kontaktleitern erzeugt werden. Diese hervorragende Verbindung wird durch den Prozess des Umgießens erreicht, da die Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers im unvernetzten Zustand sowohl mit den metallischen Kontaktleitern als auch mit der elektrisch isolierenden Beschichtung eine wesentlich verbesserte Haftung erzeugen. Im vernetzten Zustand jedoch stehen die reaktiven Stellen nicht mehr zur Verfügung, so dass eine nur unzureichende Verbindung mit anderen Komponenten erzeugt werden kann, was durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung in vorteilhafter Weise ausgeschlossen ist.The method proposed according to the invention can advantageously produce a good connection between the electrically conductive elastomer and both the electrically insulating coating and the contact conductors applied to it. This excellent connection is achieved through the process of encapsulation, since the molecular chains of the electrically conductive elastomer in the non-crosslinked state create a significantly improved adhesion both to the metallic contact conductors and to the electrically insulating coating. In the crosslinked state, however, the reactive points are no longer available, so that only an inadequate connection with other components can be produced, which is advantageously ruled out by the solution proposed according to the invention.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann auf das gemäß den Verfahrensschritten a) bis c) erhaltene Heizelement eine elektrisch isolierende Schicht aus einem Kunststoffmaterial aufgetragen werden. Dadurch kann ein Kontakt von außen mit dem stromführenden Elastomer ausgeschlossen werden. Es kann auch ein elektrisch isolierendes Gehäuse über das Heizelement montiert werden.In a further development of the solution proposed according to the invention, an electrically insulating layer made of a plastic material can be applied to the heating element obtained according to method steps a) to c). This means that external contact with the current-carrying elastomer can be ruled out. An electrically insulating housing can also be mounted over the heating element.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sind die mindestens zwei elektrischen Leiter einseitig oder mehrseitig oder vollständig von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Elastomer umgossen oder alternativ besteht die Möglichkeit, bei der Urformung beziehungsweise dem Gießen des elektrisch leitfähigen Elastomers Stützstellen in der Gussform oder im Metallgehäuse zur Fixierung der mindestens zwei elektrischen Leiter vorzusehen.In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the at least two electrical conductors are encapsulated by the electrically conductive elastomer on one side or on several sides or completely on all sides, or alternatively there is the possibility of supporting points in the mold or in the Provide metal housing for fixing the at least two electrical conductors.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden bei Durchführung des Verfahrensschrittes c) Molekülketten im unvernetzten Zustand des elektrisch leitfähigen Elastomers mit den mindestens zwei elektrischen Leitern und der elektrisch isolierenden Beschichtung, hergestellt gemäß Verfahrensschritt a) eine hervorragende Haftung bildend, erzeugt.In the method proposed according to the invention, when method step c) is carried out, molecular chains in the non-crosslinked state of the electrically conductive elastomer with the at least two electrical conductors and the electrically insulating coating, produced according to Ver process step a) forming excellent adhesion.
In vorteilhafter Weise kann durch das Verfahren bei Durchführung des Verfahrensschrittes a) eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend durch Anodisieren oder thermisches Spritzgießen, erzeugt werden.Advantageously, when carrying out method step a), the method can produce a closed, electrically insulating coating containing a ceramic material by anodizing or thermal injection molding.
Alternativ besteht die Möglichkeit bei Durchführung des Verfahrensschrittes a) beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine geschlossene elektrisch isolierende Beschichtung mit einem ein mindestens ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial zu erzeugen, was durch Wirbelsintern, elektrostatisches Pulverspritzen, Plasmapolimerisation durch ein Tauchverfahren oder durch Kunststoffspannspritzen erfolgen kann.Alternatively, when carrying out process step a) in the process proposed according to the invention, there is the possibility of producing a closed electrically insulating coating with a plastic material containing at least one polymer, which can be done by fluidized bed sintering, electrostatic powder spraying, plasma polymerisation by a dipping process or by plastic clamping spraying.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Heizelementes als Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder als eine Heizung für Brennstoffzellenkomponenten. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt in der Herstellung eines Heizelementes für Durchlauferhitzer für Abgasnachbehandlungssysteme zum Auftauen und/oder eines gefrierfähigen Reduktionsmittels oder eines Flächenheizelementes.In addition, the invention relates to the use of the heating element as a flow heater, as a tank heating element, as a surface heating element or as a heater for fuel cell components. A further possible use of the solution proposed according to the invention lies in the production of a heating element for flow heaters for exhaust gas aftertreatment systems for thawing and/or a freezing reducing agent or a surface heating element.
Des Weiteren kann das Heizelement aus elektrisch leitfähigem Elastomer zunächst nur an die elektrischen Kontakte angegossen werden und in einem zweiten Prozessschritt auf die isolierende Oberfläche aufgebracht werden. Die Verbindung zwischen dem Heizelement und dem isolierend beschichteten Metallgehäuse kann mit Hilfe von Kleber insbesondere thermisch leitfähigen Klebern oder einem zum Heizelement gleichen oder kompatiblen elektrisch leitfähigem Elastomer geschehen. In diesem besonderen Fall kann die Aushärtung beziehungsweise Vernetzung eines solchen Klebers oder Elastomers über das Betreiben des Heizelements thermisch initiiert und beschleunigt werden.Furthermore, the heating element made of electrically conductive elastomer can initially only be cast onto the electrical contacts and then applied to the insulating surface in a second process step. The connection between the heating element and the metal housing with an insulating coating can be effected with the aid of adhesives, in particular thermally conductive adhesives, or an electrically conductive elastomer which is the same as or compatible with the heating element. In this special case, the curing or crosslinking of such an adhesive or elastomer can be thermally initiated and accelerated by operating the heating element.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise eine hervorragende Verbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Elastomer einerseits und den auf die elektrisch isolierende Beschichtung aufgebrachten mindestens zwei elektrischen Leitern andererseits erzeugt werden. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann sowohl als eine Beschichtung ausgeführt werden, die ein keramisches Material enthält; sie kann alternativ auch als eine elektrisch isolierende Beschichtung ausgeführt sein, welche mindestens ein Polymer enthält. Entscheidend ist die beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren gegebene Möglichkeit, bei einem Urformverfahren, wie insbesondere dem Gießen, durch die noch unvernetzten Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers mit den elektrischen Leitern sowie der elektrisch isolierenden Beschichtung eine hervorragende Haftung zu erzeugen, was im vernetzten Zustand der Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers aufgrund der fehlenden reaktiven Stellen nicht mehr möglich ist. Optional besteht die Möglichkeit, über ein derart erhaltenes Heizelement in einem weiteren Prozessschritt eine elektrisch isolierende Schicht aus Kunststoffmaterial aufzutragen, um einen Kontakt von außen mit dem stromführenden elektrisch leitfähigen Elastomer zu vermeiden.The solution proposed according to the invention can advantageously produce an excellent connection between the electrically conductive elastomer on the one hand and the at least two electrical conductors applied to the electrically insulating coating on the other hand. The electrically insulating coating can be implemented either as a coating that contains a ceramic material; alternatively, it can also be designed as an electrically insulating coating which contains at least one polymer. What is decisive is the possibility given by the method proposed according to the invention, in a primary shaping method, such as in particular casting, to produce excellent adhesion through the still uncrosslinked molecular chains of the electrically conductive elastomer with the electrical conductors and the electrically insulating coating, which in the crosslinked state of the molecular chains of the electrically conductive elastomer is no longer possible due to the lack of reactive points. Optionally, there is the possibility of applying an electrically insulating layer of plastic material over a heating element obtained in this way in a further process step in order to avoid external contact with the electrically conductive elastomer carrying current.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des metallischen Gehäuses ein guter Wärmeübergang erzeugt werden; es kann insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der Jouleschen Wärme, die über das elektrisch leitfähige Elastomer erzeugt wird, über die gesamte Oberfläche erreicht werden.In the solution proposed according to the invention, a good heat transfer can be generated due to the high thermal conductivity of the metallic housing; in particular, a uniform distribution of the Joule heat, which is generated via the electrically conductive elastomer, can be achieved over the entire surface.
Für den Fall, dass die elektrisch isolierende Beschichtung mit einem keramischen Material erzeugt wird, ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erwarten. Ferner hat eine derartig erzeugte Schicht eine hohe Temperaturbeständigkeit und ist temperaturschockbeständig, was bei Heizelementen von großer Bedeutung ist. Die Härte einer beispielsweise elektrisch isolierenden Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend, fördert die Geschlossenheit, d. h. eine elektrisch dichte Schicht. Aufgrund der geringen Dicke einer derartigen elektrisch isolierenden Beschichtung zwischen 0,2 µm bis 500 µm beziehungsweise zwischen 1 µm und 50 µm wird die Wärmeleitung des metallischen Materials nochmals verbessert.If the electrically insulating coating is produced using a ceramic material, high thermal conductivity is to be expected. Furthermore, a layer produced in this way has a high temperature resistance and is resistant to thermal shock, which is of great importance in the case of heating elements. The hardness of, for example, an electrically insulating coating containing a ceramic material promotes closure, i. H. an electrically dense layer. Due to the small thickness of such an electrically insulating coating of between 0.2 μm and 500 μm or between 1 μm and 50 μm, the heat conduction of the metallic material is further improved.
Durch den Einsatz des elektrisch leitfähigen Elastomers werden mindestens zwei elektrische Kontakte zu einem elastischen Heizelement geformt. Durch die Urformung des Heizelementes in einer Form, kann diese in optimaler Weise den elektrischen Leiter aufnehmen und anformen. Das elektrisch leitfähige Elastomer kann einen Haftvermittler enthalten, um die chemische Anbindung an die elektrischen Leiter und beziehungsweise oder die elektrisch isolierende Beschichtung, sei es ein keramisches Material, sei sie aus Kunststoffmaterial mit mindestens einem Polymer gefertigt, auszuführen.By using the electrically conductive elastomer, at least two electrical contacts are formed into an elastic heating element. Due to the primary shaping of the heating element in a mold, this can accommodate and mold the electrical conductor in an optimal manner. The electrically conductive elastomer can contain an adhesion promoter in order to carry out the chemical connection to the electrical conductors and/or the electrically insulating coating, whether it is a ceramic material or made of plastic material with at least one polymer.
Das elektrisch leitfähige Elastomer wird sich unter Einwirkung mechanischer Deformationen oder thermisch bedingter Ausdehnungen nicht von den elektrischen Leitern ablösen. Die dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelement innewohnende Elastizität ermöglicht eine Erhaltung des Kontaktes und damit einen über Lebensdauer guten elektrischen Kontaktwiderstand des elektrisch leitfähigen Elastomers, der elektrisch leitfähig ist und als Heizwiderstand fungiert. Die Formgebung des Heizelementes, gebildet durch die elektrisch isolierende Beschichtung, die mindestens zwei elektrischen Leiter und das bevorzugt vergossene elektrisch leitfähige Elastomer, kann beispielweise durch Spritzgießen, Pressen oder Transfermolding erfolgen.The electrically conductive elastomer will not become detached from the electrical conductors under the influence of mechanical deformations or thermally induced expansions. The inherent elasticity of the heating element proposed according to the invention allows the contact to be maintained and thus a good electrical service life contact resistance of the electrically conductive elastomer, which is electrically conductive and functions as a heating resistor. The heating element, formed by the electrically insulating coating, the at least two electrical conductors and the preferably cast electrically conductive elastomer, can be shaped, for example, by injection molding, pressing or transfer molding.
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Matrixwerkstoff des Elastomers und den leitfähigen Partikeln im elektrisch leitfähigen Elastomer ist eine Selbstabregelungsmöglichkeit gegeben. Durch einen dadurch entstehenden PTC-Effekt sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Materials und somit die Joulesche Erwärmung, so dass die Temperatur des Heizelementes begrenzt bleibt. Dies hat Vorteile bei der Anwendung und Ansteuerung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelements.Due to the different thermal expansion between the matrix material of the elastomer and the conductive particles in the electrically conductive elastomer, there is a possibility of self-regulation. The resulting PTC effect reduces the electrical conductivity of the material and thus the Joule heating, so that the temperature of the heating element remains limited. This has advantages when using and controlling the heating element proposed according to the invention.
Wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die elektrische Isolierung mit Beschichtung so ausgeführt, dass sie mindestens ein Polymer enthält, so können ETFE-, E-CTFE-, FEP-, PFA-, PTFE-, Polyurethan-, Polyesterimid-Beschichtungen verwirklicht werden. Auch Epoxidharze, Thermolacke, wie zum Beispiel Silikonharze, Phenylsilikonharze, sind beständig gegenüber Temperaturen, wie sie bei Heizelementen auftreten können. Diese liegen in der Größenordnung von 200 °C. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise im Wege des Wirbelsinterns, durch elektrostatisches Pulverspritzen, Plasmapolymerisation, Tauchverfahren oder Kunststoffflammspritzen aufgebracht werden.If, in the solution proposed according to the invention, the electrical insulation with coating is implemented in such a way that it contains at least one polymer, ETFE, E-CTFE, FEP, PFA, PTFE, polyurethane, polyesterimide coatings can be implemented. Epoxy resins, thermal paints, such as silicone resins, phenyl silicone resins, are also resistant to temperatures that can occur with heating elements. These are in the order of 200 °C. Such a coating can be applied, for example, by means of fluidized bed sintering, by electrostatic powder spraying, plasma polymerisation, immersion processes or plastic flame spraying.
Wird die elektrisch isolierende Beschichtung hingegen derart ausgebildet, dass diese mindestens ein Keramikmaterial enthält, so kann dieses zum Beispiel über Anodisieren oder thermisches Spritzen auf die metallische Oberfläche aufgetragen werden. Eine elektrisch isolierende Beschichtung mit mindestens einem keramischen Material zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Des Weiteren ist bei einer derartig ausgebildeten elektrisch isolierenden Beschichtung eine Hochtemperaturbeständigkeit gegeben und die Temperaturschockbeständigkeit ist hervorragend, was bei Heizelementen von größerer Bedeutung ist.If, on the other hand, the electrically insulating coating is designed in such a way that it contains at least one ceramic material, this can be applied to the metallic surface, for example, by anodizing or thermal spraying. An electrically insulating coating with at least one ceramic material is characterized by high thermal conductivity. Furthermore, with an electrically insulating coating designed in this way, there is high-temperature resistance and the thermal shock resistance is excellent, which is of greater importance in the case of heating elements.
Figurenlistecharacter list
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehend beschrieben.The invention is described in detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums, -
2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums, -
3 eine Temperaturregelung beziehungsweise Überwachung der Vorrichtung gemäß den1 und2 , -
4 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung in Ringform ausgeführt, -
5 ein metallisches Gehäuse mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums in Topfform, -
6 einen Schnitt durch die Ausführungsvariante gemäß5 und -
7 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung.
-
1 a first variant of the device proposed according to the invention for heating a medium, -
2 a perspective view of a further embodiment of the device according to the invention for heating a medium, -
3 a temperature control or monitoring of the device according to the1 and2 , -
4 an embodiment variant of the device proposed according to the invention in the form of a ring, -
5 a metallic housing with the device proposed according to the invention for heating a medium in the form of a pot, -
6 according to a section through the embodiment variant5 and -
7 another embodiment of the solution proposed according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur in schematischer Weise dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only in a schematic manner.
An der dem Hohlraum 12 zuweisenden Seite des Oberteiles 14 ist eine elektrisch isolierende Beschichtung 20 ausgebildet. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann eine Beschichtung sein, die ein keramisches Material 24 enthält. Das keramische Material 24 weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf und hat zudem eine hohe elektrische Isolierungswirkung. Außerdem sind dessen Hochtemperaturbeständigkeit sowie dessen Temperaturschockbeständigkeit hervorragend, was bei Heizelementen 32 von erheblicher Bedeutung ist. Die Härte des keramischen Materials 24 begünstigt es in einem erheblichen Maße, eine elektrisch dichte Schicht auszubilden. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20, ein keramisches Material 24 enthaltend, ist in einer Schichtdicke 26 ausgeführt, die zwischen 0,2 µm bis 50 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 10 µm, liegt. Aufgrund der geringen Schichtdicke 26 des keramischen Materials 24 kann entstehende Joulesche Wärme sehr gut an das Metall des aus metallischem Material gefertigten Gehäuses 10 abgeleitet werden. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20, ein keramisches Material 24 enthaltend, kann beispielsweise durch Anodisieren oder thermisches Spritzen auf die Oberfläche des Oberteiles 14, die den Hohlraum 12 zuweist, aufgetragen werden.An electrically insulating
Alternativ besteht die Möglichkeit, die in
Eine derartige elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann beispielsweise durch Wirbelsintern, durch elektrostatisches Pulverspritzen, durch Plasmapolymerisation, durch Tauchverfahren oder durch Kunststoffflammspritzen auf das Oberteil 14 des aus metallischem Material gefertigten Gehäuses 10 aufgetragen werden, während im Falle von elektrisch isolierenden Beschichtungen 20, die ein keramisches Material 24 enthalten, dessen Auftrag beispielsweise durch Analysieren oder thermisches Spritzen auf die metallische Oberfläche des aus metallischem Material gefertigten Oberteiles 14 des Gehäuses 10 erfolgt.Such an electrically insulating
Wie aus
Aus der Darstellung gemäß
Der Darstellung gemäß
Auf die Oberseite der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 werden mindestens zwei elektrische Leiter 40, 42, die gleichmäßig voneinander beabstandet positioniert werden, aufgebracht. Bei den mindestens zwei elektrischen Leitern 40, 42 kann es sich um breite, abisolierte Kabelenden, um Stanzgitter, um Metallgewebebänder oder um freie Litzen oder strukturierte beziehungsweise mit Öffnungen, beispielsweise Löchern versehene Stanzgitter handeln. Die beiden elektrischen Leiter 40, 42 können einseitig, mehrseitig oder komplett von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30, welches das Heizelement 32 bildet, umgeben, beispielsweise umgossen, sein. Das in
Auf die elektrisch isolierende Beschichtung 20 werden die mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 positioniert. Im Anschluss wird auf die elektrisch isolierende Beschichtung 20 und die darauf positionierten elektrischen Leiter 40, 42 das elektrisch leitfähige Elastomer 30 aufgebracht, vorzugsweise aufgegossen, so dass das elektrisch leitfähige Elastomer 30 eine gute Verbindung sowohl mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 als auch mit den elektrischen Leitern 40, 42 eingeht. Eine derartige, eine hervorragende Haftung aufweisende, Verbindung wird insbesondere durch den Urformprozess des Gießens erreicht, da die Molekülketten des vergossenen elektrisch leitfähigen Elastomers 30 im unvernetzten Zustand mit den aus metallischem Material gefertigten elektrischen Leitern 40, 42 sowie mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 eine hervorragende Haftung bilden.The at least two electrical conductors are applied to the electrically insulating
Eine derartige Haftung lässt sich im vernetzten Zustand der Molekülketten nicht mehr erreichen, da die reaktiven Stellen im vernetzten Zustand des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 nicht mehr zur Verfügung stehen, um eine Verbindung mit anderen Komponenten einzugehen.Such adhesion can no longer be achieved in the crosslinked state of the molecular chains, since the reactive sites are no longer available in the crosslinked state of the electrically conductive elastomer 30 to form a connection with other components.
Über das elektrisch leitfähige Elastomer 30, welches das Heizelement 32 mit dieses kontaktierenden eingegossenen elektrischen Leitern 40, 42 bildet, kann eine elektrisch isolierende Schicht 50 aus dem mindestens ein Polymer enthaltenden ersten Kunststoffmaterial 22 aufgetragen werden, um einen Kontakt des von der Außenseite her mit dem stromführenden elektrisch leitfähigem Elastomer 30 zu vermeiden.An electrically insulating
Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 kann beispielsweise in einer Form über das zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 versehene, aus metallischem Material gefertigte Gehäuse 10 gegossen werden. Die Einheit aus mindestens zwei elektrischen Leitern 40, 42 mit zwischen diesen liegenden elektrisch leitfähigem Elastomer 30 ergibt das elastische Eigenschaften aufweisende Heizelement 32. Durch die Urformung des Gießens des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 in der Form kann sich dieses optimal an die mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 anformen. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 kann in der Form einen Haftvermittler enthalten, um die chemische Anbindung an die mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 und die elektrisch isolierende Beschichtung 20 zu verbessern. Durch die Verwendung des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 wird sich dieses auch nicht unter mechanischen Deformationen oder Ausdehnungen, hervorgerufen durch thermische Erwärmung, von den elektrischen Leitern 40, 42 ablösen. Die Elastizität ermöglicht eine Erhaltung des elektrischen Kontaktes und damit eines über die Lebensdauer gesehen guten elektrischen Kontaktwiderstands des elektrisch leitfähigen Elastomers 30, das elektrisch leitfähig gefüllt ist und als Heizwiderstand fungiert. Die Formgebung des Heizelements 32 kann durch Spritzgießen, Pressen, Transfermolding oder weitere derartige Fertigungsverfahren erfolgen. Als elektrisch leitfähiges Elastomer 30 können als Basiswerkstoff thermoplastische Elastomere, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke und dergleichen eingesetzt werden, welche zur Erreichung der elektrischen Leitfähigkeit mit leitfähigen Füllstoffen, wie z. B. Graphitleitrußmetallpartikeln oder Metallfasern oder Carbon Nanotubes, versetzt sind.The electrically conductive elastomer 30 can, for example, be cast in a mold over the
Der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 liegt zwischen 0.01 Ωcm und 500 Ωcm, bevorzugt zwischen 0,1 Ωcm und 10 Ωcm. Bevorzugt haben die in dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30 eingebetteten elektrischen Leiter 40, 42 zueinander einen konstanten Abstand, so dass bei homogen verteilten Füllstoffen im elektrisch leitfähigen Elastomer 30 gleichmäßig über die Fläche des erhaltenen Heizelements 32 Joulesche Wärme entwickelt und an das Gehäuse 10 aus metallischem Material gleichmäßig verteilt werden kann.The specific electrical resistance of the electrically conductive elastomer 30 is between 0.01 Ωcm and 500 Ωcm, preferably between 0.1 Ωcm and 10 Ωcm. The
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen dem Matrixwerkstoff und den leitfähigen Partikeln im elektrisch leitfähigen Elastomer 30, kann eine Selbstabregelung erreicht werden. Dieser PTC-Effekt limitiert die Leitfähigkeit des Materials und grenzt damit auch die Temperatur des Heizelementes 32 ab.Due to the different thermal expansions between the matrix material and the conductive particles in the electrically conductive elastomer 30, self-regulation can be achieved. This PTC effect limits the conductivity of the material and thus also limits the temperature of the heating element 32.
Die
In der Ausführungsvariante gemäß
Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Herstellungsverfahren wird ein Heizelement 32 erhalten, welches ein elektrisch leitfähiges Elastomer 30 enthält, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Aufbringen einer geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung 20, ein keramisches Material 24 enthaltend oder ein mindestens ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial 22, 52 enthaltend,
- b) Anordnen mindestens zweier elektrischer
40, 42 auf der geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung 20 undLeiter - c) Vergießen der mindestens zwei elektrischen
40, 42 mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30.Leiter
- a) Application of a closed electrically insulating
coating 20 containing a ceramic material 24 or a plastic material 22, 52 containing at least one polymer, - b) arranging at least two
40, 42 on the closed electrically insulatingelectrical conductors coating 20 and - c) Potting of the at least two
40, 42 with the electrically conductive elastomer 30.electrical conductors
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 im unvernetzten Zustand die elektrischen Leiter 40, 42 aus metallischem Material sowie die elektrisch isolierende Beschichtung 20 berühren und mit dieser gewissermaßen verschmelzen und eine hervorragende Haftung erzeugen. Dies ist im vernetzten Zustand der Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 nicht mehr möglich, da die reaktiven Stellen nicht mehr zur Verfügung stehen.The method proposed according to the invention can advantageously ensure that the molecular chains of the electrically conductive elastomer 30 in the non-crosslinked state touch the
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können die elektrischen Leiter 40, 42 auf das zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 versehene Gehäuse 10 aus metallischem Material positioniert werden. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 wird in einer Form über das zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 versehene Gehäuse 10 aus metallischem Material gegossen. Die Einheit der mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 mit zwischen diesen liegendem elektrisch leitfähigem Elastomer 30 ergibt das elastische Eigenschaften aufweisende Heizelement 32. Durch die Urformung, d. h. das Gießen des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 in der Form, kann dieses sich optimal an die Geometrie der elektrischen Leiter 40, 42 anformen. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 kann einen Haftvermittler enthalten, um die chemische Anbindung an die elektrischen Leiter 40, 42 und die elektrische isolierende Beschichtung 20 zu verbessern.In the method proposed according to the invention, the
Die elektrischen Leiter 40, 42 können beispielsweise als abisolierte Kabelenden ausgeführt sein, als strukturierte Stanzgitter oder als mit Löchern beziehungsweise Öffnungen versehene Stanzgitter oder als metallische Streifen ausgebildet sein. Die elektrischen Leiter 40, 42 sowie metallische Streifen haben den Vorteil, ebenfalls flexible Eigenschaften aufzuweisen, so dass das erhaltene elastische Eigenschaften aufweisende Heizelement 32 insgesamt elastische Eigenschaften beibehält und thermisch bedingten Ausdehnungen folgen kann. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 dringt bei seiner Formgebung, insbesondere beim Vergießen, zwischen die Litze der abisolierten Kabel oder in Strukturen beziehungsweise Löcher, die sich in den Stanzgittern befinden können, ein.The
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
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