DE102022205495A1

DE102022205495A1 - Heating device and method for producing such a heating device

Info

Publication number: DE102022205495A1
Application number: DE102022205495.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Thimm; Patrick Kilian
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Eine Heizeinrichtung, die insbesondere als Dickschichtheizeinrichtung ausgebildet ist, weist einen Träger auf, der vorzugsweise elektrisch leitfähig ist, eine flächige elektrische Isolierung auf dem Träger und ein elektrischer Heizleiter, das auf der elektrischen Isolierung aufgebracht ist, vorzugsweise als Dickschicht-Heizleiter. Die elektrische Isolierung weist mindestens eine Lage als Isolierschicht auf, die aus einer Mischung von Glas, insbesondere Quarzglas, in Kugelform mit einem Durchmesser von 7 nm bis 100 nm besteht. Durch diese kleinen Glaskugeln können Unebenheiten und vor allem auch kleine offene Poren in einer Schicht darunter, vorteilhaft eine Isolationsschicht, gut füllen. Der Heizleiter ist direkt auf die Isolierschicht aufgebracht.

A heating device, which is designed in particular as a thick-film heating device, has a carrier which is preferably electrically conductive, a flat electrical insulation on the carrier and an electrical heating conductor which is applied to the electrical insulation, preferably as a thick-film heating conductor. The electrical insulation has at least one layer as an insulating layer, which consists of a mixture of glass, in particular quartz glass, in spherical shape with a diameter of 7 nm to 100 nm. These small glass balls can fill unevenness and, above all, small open pores in a layer underneath, advantageously an insulation layer. The heating conductor is applied directly to the insulating layer.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKFIELD OF APPLICATION AND STATE OF TECHNOLOGY

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung, insbesondere als Dickschichtheizeinrichtung mit einem Träger und einem Heizleiter darauf, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizeinrichtung.The invention relates to a heating device, in particular as a thick-film heating device with a support and a heating conductor thereon, and to a method for producing such a heating device.

Aus der DE 102014206592 A1 ist eine Heizeinrichtung bekannt mit einem Träger, auf den eine Isolationsschicht aufgebracht wird. Auf diese Isolationsschicht werden dann Heizleiter aufgebracht und sind gegenüber dem Träger und gegenüber sich selbst elektrisch isoliert. Dabei können Poren in der Isolationsschicht entstehen, die störend sind. Sie müssen ggf. aufwendig versiegelt bzw. verschlossen werden.From the DE 102014206592 A1 a heating device is known with a support to which an insulation layer is applied. Heating conductors are then applied to this insulation layer and are electrically insulated from the carrier and from themselves. This can create pores in the insulation layer, which are disruptive. They may have to be sealed or closed at great expense.

AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Heizeinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizeinrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, eine Heizeinrichtung sicher und praxistauglich auszugestalten und möglichst gut herstellen zu können.The invention is based on the object of creating a heating device mentioned at the outset and a method for producing such a heating device, with which problems of the prior art can be solved and in particular it is possible to design a heating device in a safe and practical manner and to be able to produce it as well as possible .

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Heizeinrichtung oder nur für das Verfahren beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für eine Heizeinrichtung als auch für ein Verfahren selbständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.This object is achieved by a heating device with the features of claim 1 and by a method for producing such a heating device with the features of claim 11. Advantageous and preferred embodiments of the invention are the subject of the further claims and are explained in more detail below. Some of the features are described only for the heating device or only for the process. However, they should be able to apply independently and independently of each other to both a heating device and a process. The wording of the claims is incorporated into the content of the description by express reference.

Die Heizeinrichtung kann insbesondere als Dickschichtheizeinrichtung ausgebildet sein, alternativ mit anderen Ausgestaltungen eines Heizleiters. Die Heizeinrichtung weist einen Träger auf, der vorzugsweise elektrisch leitfähig ist. Er kann beispielsweise aus Metall bestehen, alternativ aus elektrisch leitfähiger Keramik. Auf dem Träger ist in jedem Fall eine flächige elektrische Isolierung aufgebracht. Auf der elektrischen Isolierung sind mindestens ein elektrischer Heizleiter oder ein elektrisches Heizelement aufgebracht, die grundsätzlich beliebig oder vielfältig ausgebildet sein können. Vorteilhaft ist dieser elektrische Heizleiter direkt auf die elektrische Isolierung aufgebracht, also ohne Zwischenschicht und ohne Abstand. Vorzugsweise kann gerade hier der elektrische Heizleiter ein Dünnschicht-Heizleiter oder ein Dickschicht-Heizleiter sein. Alternativ kann der Heizleiter ein metallischer Heizleiter als Heizdraht oder Heizleiterband ausgebildet sein, wobei dann zwischen einem derartigen Heizleiter und dem Träger Luft oder weiteres elektrisch isolierendes Material angeordnet sein kann.The heating device can in particular be designed as a thick-film heating device, alternatively with other designs of a heating conductor. The heating device has a carrier that is preferably electrically conductive. It can be made of metal, for example, or alternatively of electrically conductive ceramic. In any case, flat electrical insulation is applied to the carrier. At least one electrical heating conductor or an electrical heating element is applied to the electrical insulation, which can basically be of any or diverse design. This electrical heating conductor is advantageously applied directly to the electrical insulation, i.e. without an intermediate layer and without a gap. Preferably, the electrical heating conductor can be a thin-film heating conductor or a thick-film heating conductor. Alternatively, the heating conductor can be a metallic heating conductor as a heating wire or heating conductor strip, in which case air or other electrically insulating material can then be arranged between such a heating conductor and the carrier.

Erfindungsgemäß weist die elektrische Isolierung mindestens eine Lage mit einer Mischung von elektrisch isolierendem Material auf, beispielsweise von Glas, die eine Isolierschicht ist und bildet. Die Isolierschicht besteht aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Glas, insbesondere Quarzglas, oder weist solches elektrisch isolierendes Material auf. Das elektrisch isolierende Material bzw. Glas liegt in Kugelform mit einem Durchmesser von 4 nm bis 200 nm vor, insbesondere mit einem Durchmesser von 7 nm bis 100 nm. Die Isolierschicht wird vorteilhaft nach dem Aufbringen verhärtet oder ausgehärtet, dazu wird nachfolgend noch mehr ausgeführt. Der Heizleiter kann dabei in einer ersten Ausgestaltung direkt auf die Isolierschicht aufgebracht sein, vorteilhaft ohne weitere Zwischenschicht dazwischen.According to the invention, the electrical insulation has at least one layer with a mixture of electrically insulating material, for example glass, which is and forms an insulating layer. The insulating layer consists of electrically insulating material, for example glass, in particular quartz glass, or has such electrically insulating material. The electrically insulating material or glass is in spherical form with a diameter of 4 nm to 200 nm, in particular with a diameter of 7 nm to 100 nm. The insulating layer is advantageously hardened or hardened after application, more on this will be explained below. In a first embodiment, the heating conductor can be applied directly to the insulating layer, advantageously without any further intermediate layer in between.

Der Vorteil dieser Isolierschicht zur elektrischen Isolierung des Trägers liegt darin, dass sie neben sehr guten elektrischen Isolationseigenschaften sehr widerstandsfähig ist gegen Korrosion und mechanisch sowie chemisch stabil ist. Ein mögliches Aufbringen des elektrisch isolierenden Materials, das als sehr kleine Kugeln vorliegt, in spezieller Form als Glaskugeln, weist den Vorteil auf, dass so auch kleine Poren oder Unebenheiten in der Oberfläche des Trägers oder einer auf dem Träger befindlichen Beschichtung, beispielsweise eine Basis-Isolationsschicht, verschlossen werden können. Alternative Materialien für die kleinen Kugeln können Zirkoniumsilikat oder Aluminiumoxid sein.The advantage of this insulating layer for electrically insulating the carrier is that, in addition to very good electrical insulation properties, it is very resistant to corrosion and is mechanically and chemically stable. A possible application of the electrically insulating material, which is present as very small spheres, in a special form as glass spheres, has the advantage that small pores or unevenness can also be created in the surface of the carrier or a coating located on the carrier, for example a base layer. Insulation layer, can be closed. Alternative materials for the small spheres can be zirconium silicate or aluminum oxide.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Isolierschicht direkt auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht sein bzw. werden, insbesondere kann sie die einzige Schicht für die elektrische Isolierung sein. Die Isolierschicht kann mehrlagig und in mehreren Schritten auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht werden, also in Teil-Isolierschichten, beispielsweise um eine größere Gesamtdicke zu erreichen. Nach dem Aufbringen jeder Teil-Isolierschicht kann diese ausgehärtet werden. Eine Gesamtdicke der Isolierschicht bzw. aller Isolierschichten mit elektrisch isolierendem Material in Kugelform gemeinsam kann zwischen 50 µm und 500 µm liegen, vorteilhaft zwischen 60 µm und 200 µm.In an embodiment of the invention, the insulating layer can be applied directly to the surface of the carrier, in particular it can be the only layer for electrical insulation. The insulating layer can be applied to the surface of the carrier in multiple layers and in several steps, i.e. in partial insulating layers, for example in order to achieve a greater overall thickness. After each partial insulation layer has been applied, it can be cured. A total thickness of the insulating layer or all insulating layers with electrically insulating material in spherical shape together can be between 50 µm and 500 µm, advantageously between 60 µm and 200 µm.

Eine solche erfindungsgemäße Isolierschicht ist vorteilhaft nach Fertigstellung auch temperaturbeständig, vorteilhaft für Temperaturen von 800°C bis zu 900°C mit Dauern von 5 Minuten bis 20 Minuten. Dies sind typische Einbrenntemperaturprofile für ein nachfolgendes Aufbringen eines Heizleiters in einem Dickschichtverfahren. So kann die Isolierschicht durch diesen Verfahrensschritt nicht beschädigt werden. Hierfür hilft es vor allem, dass das elektrisch isolierende Material der Kugeln sehr temperaturbeständig ist, weswegen sich vor allem Glas bzw. Quarzglas anbietet, aber auch Aluminiumoxid.Such an insulating layer according to the invention is advantageously also temperature-resistant after completion, advantageous for temperatures of 800 ° C to 900 ° C with durations of 5 minutes to 20 minutes. These are typical baking temperature profiles for subsequent application of a heating conductor in a thick-film process. This means that the insulating layer cannot be damaged by this process step. It is particularly helpful for this that the electrically insulating material of the balls is very temperature-resistant, which is why glass or quartz glass is particularly suitable, but also aluminum oxide.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass auf die Oberfläche des Trägers für die elektrische Isolierung zuerst direkt eine erste Isolationsschicht bzw. eine Basis-Isolationsschicht aufgebracht ist. Diese kann insbesondere Aluminiumoxid aufweisen oder auf Basis von Aluminiumoxid oder Aluminiumdioxid ausgebildet sein. Ihre Dicke kann im Bereich üblicher Dicken für derartige Isolationsschichten liegen, beispielsweise 50 µm bis 500 µm betragen. Auf diese Basis-Isolationsschicht ist dann die Isolierschicht aufgebracht, und darauf wiederum der Heizleiter. Eine solche Basis-Isolationsschicht kann mit verschiedenen Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise mittels thermischem Spritzen, alternativ mittels Siebdrucks oder Sprühen. Eine solche Basis-Isolationsschicht kann zusätzlich oder hauptsächlich auch die Funktion eines Haftvermittlers für die nachfolgend aufgebrachte Isolierschicht bzw. Glasschicht sein. Dies kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn der Träger bzw. seine Trägeroberfläche das Haften einer direkt darauf aufgebrachtem Isolierschicht erschweren.In a further embodiment of the invention, it is possible for a first insulation layer or a base insulation layer to be applied directly to the surface of the carrier for electrical insulation. This can in particular have aluminum oxide or be based on aluminum oxide or aluminum dioxide. Their thickness can be in the range of usual thicknesses for such insulation layers, for example 50 μm to 500 μm. The insulating layer is then applied to this base insulation layer, and the heating conductor is then applied to it. Such a base insulation layer can be applied using various methods, for example using thermal spraying, alternatively using screen printing or spraying. Such a base insulation layer can additionally or primarily also function as an adhesion promoter for the subsequently applied insulating layer or glass layer. This can be particularly advantageous if the carrier or its carrier surface makes it difficult for an insulating layer applied directly to it to adhere.

Die Isolierschicht kann mittels unterschiedlicher Verfahren aufgebracht werden, auch abhängig vom verwendeten Material. Hierfür eignen sich thermisches Spritzen, Siebdruck, Sprühen und Streichen, wobei hierfür die Kugeln für die Isolierschicht in einem Lack oder einer Suspension eingemischt werden, 3D-Druckverfahren oder additive Fertigung. Vor allem das Aufbringen mittels 3D-Druckverfahren bzw. additive Fertigung wird als vorteilhaft angesehen.The insulating layer can be applied using different methods, also depending on the material used. Thermal spraying, screen printing, spraying and painting are suitable for this, with the balls for the insulating layer being mixed into a varnish or suspension, 3D printing processes or additive manufacturing. In particular, application using 3D printing processes or additive manufacturing is considered advantageous.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann es eine Strahlungsheizeinrichtung sein, welche als Träger einen Blechteller aufweist, dessen Oberfläche nach einer der vorgenannten Möglichkeiten mit der Isolierschicht versehen ist. Auf diesen Träger bzw. dessen Oberfläche mit der Isolierschicht darauf ist eine Trägerschicht aus elektrisch isolierendem Material aufgelegt. Eine solche Trägerschicht kann aus elektrisch isolierendem und thermisch dämmendem Material bestehen wie beispielsweise Vermiculite oder bekannte Materialien von der Herstellung von Strahlungsheizeinrichtungen. Diese Trägerschicht ist vorteilhaft als separates Teil hergestellt worden, wie es für Strahlungsheizeinrichtungen bekannt ist. Auf der Trägerschicht ist wiederum mindestens ein Strahlungsheizleiter aufgebracht. Dies kann auch auf bekannte Art und Weise erfolgen, beispielsweise ein aufrechtstehendes Heizleiterband, welches mit nach unten abstehenden Haltegliedern in die Trägerschicht halternd eingedrückt oder eingebettet ist.In a second embodiment of the invention, it can be a radiant heating device which has a sheet metal plate as a support, the surface of which is provided with the insulating layer according to one of the aforementioned options. A carrier layer made of electrically insulating material is placed on this carrier or its surface with the insulating layer thereon. Such a carrier layer can consist of electrically insulating and thermally insulating material such as vermiculite or known materials from the production of radiant heating devices. This carrier layer is advantageously manufactured as a separate part, as is known for radiant heating devices. At least one radiant heating conductor is in turn applied to the carrier layer. This can also be done in a known manner, for example an upright heating conductor strip which is pressed or embedded into the carrier layer with downwardly projecting holding members.

In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung kann die Heizeinrichtung als Rohrheizkörper ausgebildet sein und ein metallisches Rohr als Außenträger für die mechanische Stabilität aufweisen. Derartige Rohrheizkörper sind beispielsweise bekannt für Anwendungen als Oberhitze-Heizkörper oder Grill-Heizkörper in einem Backofen. Dabei ist das Rohr auf seiner Innenseite mit einer Isolierschicht als elektrische Isolierung beschichtet, wobei sich in dem Rohr schüttfähiges oder gußfähiges elektrisches Isolationsmaterial befindet, beispielsweise Magnesiumoxid. Mittig in dem Rohr verläuft ein elektrischer Widerstands-Heizleiter, und zwar in Längsrichtung des Rohrs mit in etwa gleichbleibendem Abstand zu dem Rohr bzw. der Isolierschicht. Durch die verbesserte elektrische Isolation aufgrund der Isolierschicht sind die Anforderungen an das schüttfähige bzw. gußfähige elektrische Isolationsmaterial geringer. Der Durchmesser eines solchen Rohrs kann zwischen 3 mm und 10 mm liegen.In a third embodiment of the invention, the heating device can be designed as a tubular heater and have a metallic tube as an external support for mechanical stability. Such tubular heaters are known, for example, for applications as top heat radiators or grill heaters in an oven. The tube is coated on its inside with an insulating layer as electrical insulation, with pourable or castable electrical insulation material in the tube, for example magnesium oxide. An electrical resistance heating conductor runs in the middle of the tube, in the longitudinal direction of the tube at an approximately constant distance from the tube or the insulating layer. Due to the improved electrical insulation due to the insulating layer, the requirements for the pourable or castable electrical insulation material are lower. The diameter of such a pipe can range from 3 mm to 10 mm.

In nochmals alternativer Weiterbildung der Erfindung kann die Heizeinrichtung bzw. der Träger zwar auch Rohrform aufweisen, allerdings mit einem weitaus größeren Durchmesser als vorgenannt, beispielsweise 20 mm und größer, insbesondere bis zu 100 mm. Vor allem aber ist hier die Isolierschicht als elektrische Isolierung auf der Außenseite des Trägers bzw. Rohrs angebracht, und nicht auf der Innenseite. Auf diese Isolierschicht kann dann ein vorgenannter Heizleiter aufgebracht werden, vorteilhaft als Dickschicht-Heizleiter, beispielsweise mittels Siebdruck. So kann ein durch den Rohr vermengen Träger strömendes Medium, beispielsweise Wasser oder auch Luft, von außen mittels des Heizleiters beheizt werden. Sowohl dieses größere Rohr als auch ein vorgenanntes Rohr für einen Rohrheizkörper bestehen vorteilhaft aus Metall, insbesondere aus Stahl.In yet another alternative development of the invention, the heating device or the carrier can also have a tubular shape, but with a much larger diameter than mentioned above, for example 20 mm and larger, in particular up to 100 mm. Above all, however, the insulating layer is applied as electrical insulation on the outside of the support or pipe, and not on the inside. An aforementioned heating conductor can then be applied to this insulating layer, advantageously as a thick-film heating conductor, for example by means of screen printing. A medium flowing through the tube containing a mixture of carriers, for example water or air, can be heated from the outside by means of the heating conductor. Both this larger tube and an aforementioned tube for a tubular heater are advantageously made of metal, in particular steel.

Auf die Oberseite der Isolierschicht samt darauf verlaufendem Heizleiter oder Heizleitern kann vorteilhaft eine Abdeckschicht zum Abschluss und insbesondere zum Versiegeln aufgebracht werden, auch als elektrische Isolierung der frei liegenden Heizleiter nach außen. Eine solche elektrisch isolierende Abdeckschicht kann auf bekannte Art und Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Abdeckglas.A cover layer can advantageously be applied to the top of the insulating layer together with the heating conductor or heating conductors running thereon for closure and in particular for sealing, also as electrical insulation of the exposed heating conductors from the outside. Such an electrically insulating cover layer can be formed in a known manner, for example as a cover glass.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Heizeinrichtung wird also auf den Träger bzw. dessen Oberfläche direkt oder auf eine darauf befindliche Basis-Isolationsschicht eine Isolierschicht flächig aufgebracht, um zumindest einen Teil der elektrischen Isolierung zu bilden. Insbesondere wird dadurch die wesentliche elektrische Isolierung gegenüber einem möglicherweise elektrisch leitfähigen Träger gebildet. Nach dem Aufbringen wird die Isolierschicht ausgehärtet, was je nach Art des Verfahrens des Aufbringens auf bekannte Art und Weise erfolgen kann. Vorzugsweise kann dies durch Erwärmen und/oder durch Bestrahlen mit UV-Licht erfolgen, alternativ kann die Isolierschicht auch mittels einer Suspension aufgebracht werden, bei der Kugeln aus elektrisch isolierendem Material in Lösemittel eingemischt sind, das nach dem Aufbringen verdampft und mit weiteren Bestandteilen wie Bindern odgl. zusammen mit den Kugeln die Isolierschicht bildet. So kann die Isolierschicht mittels einer Suspension auf Kunststoff-Basis aufgebracht werden, wobei anschließend der Kunststoff bei einem thermischen Aushärten aus der Suspension verdampft. Beispiele für die Zusammensetzungen solcher Suspensionen und der Verdampfungsprofile sind in der DE 102016012003 A1 zu finden.In a method according to the invention for producing a heating device described above, an insulating layer is applied flatly to the carrier or its surface directly or to a base insulation layer located thereon in order to form at least part of the electrical insulation. In particular, this creates the essential electrical insulation from a possibly electrically conductive carrier. After application, the insulating layer is hardened, which can be done in a known manner depending on the type of application method. This can preferably be done by heating and/or by irradiating with UV light; alternatively, the insulating layer can also be applied by means of a suspension in which balls made of electrically insulating material are mixed into solvent, which evaporates after application, and with other components such as binders or similar together with the balls forms the insulating layer. The insulating layer can be applied using a plastic-based suspension, with the plastic then evaporating from the suspension during thermal curing. Examples of the compositions of such suspensions and the evaporation profiles are in DE 102016012003 A1 to find.

Mögliche Aufbringungsverfahren sind aus der folgenden Gruppe ausgewählt: 3D-Druck, additives Fertigungsverfahren, Siebdruck, thermisches Spritzen, Streichen oder Sprühen eines Lacks, der die Kugeln enthält.Possible application methods are selected from the following group: 3D printing, additive manufacturing, screen printing, thermal spraying, painting or spraying a varnish containing the balls.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte und Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.These and other features emerge not only from the claims but also from the description and the drawings, with the individual features being implemented individually or in groups in the form of subcombinations in one embodiment of the invention and in other areas and being advantageous and protectable in their own right may represent versions for which protection is claimed here. The division of the application into individual sections and subheadings does not limit the general validity of the statements made under them.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung,
2 eine vergrößerte Seitenansicht der Heizeinrichtung aus 1,
3 zwei beispielhafte Möglichkeiten für Herstellungsverfahren, um eine Isolierschicht auf einen Träger aufzubringen und anschließend auszuhärten,
4 eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Möglichkeit, die Isolierschicht mittels 3D-Druck auf einen Träger aufzubringen,
5 eine Schrägansicht eines rohrförmigen metallischen Trägers, auf dessen Außenseite eine Isolierschicht als flächige elektrische Isolierung aufgebracht ist, auf der Heizleiter aufgebracht sind,
6 einen Schnitt durch einen Rohrheizkörper, wobei auf einer Innenseite des metallischen Rohrs eine Isolierschicht als elektrische Isolierung aufgebracht ist, und
7 eine stark vergrößerte Darstellung einer aus Glaskugeln bestehenden Glasschicht als Isolierschicht auf einem Träger mit einem Haftvermittler als Basis-Isolationsschicht.

Embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and are explained in more detail below. Shown in the drawings:

1 a top view of a heating device according to the invention,
2 an enlarged side view of the heating device 1 ,
3 two exemplary options for manufacturing processes for applying an insulating layer to a carrier and then curing it,
4 a simplified representation of another option for applying the insulating layer to a carrier using 3D printing,
5 an oblique view of a tubular metallic support, on the outside of which an insulating layer is applied as flat electrical insulation, on which heating conductors are applied,
6 a section through a tubular heating element, an insulating layer being applied as electrical insulation to an inside of the metallic tube, and
7 a greatly enlarged view of a glass layer consisting of glass balls as an insulating layer on a support with an adhesion promoter as a base insulating layer.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Die 1 zeigt eine teils entschichtete Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 11 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, die entsprechende 2 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt. Die Heizeinrichtung ist hier flach und rechteckig ausgebildet, dies soll aber nur beispielhaft sein. Die Form kann auch variieren, wie nachfolgend noch erläutert wird.The 1 shows a partially stripped top view of a heating device 11 according to the invention as an exemplary embodiment of the invention, the corresponding one 2 shows an enlarged partial section. The heating device here is flat and rectangular, but this is only intended to be an example. The shape can also vary, as will be explained below.

Die Heizeinrichtung 11 weist einen Träger 13 auf, beispielsweise aus Stahl, also aus Metall und elektrisch leitfähig. Ein Metall bzw. Stahl für den metallischen Träger 13 kann vorteilhaft eine Legierung 1.4520 oder eine Legierung 1.4521 sein. Der Träger 13 weist eine Trägeroberfläche 14 auf, auf welcher letztlich ein Heizleiter angeordnet sein soll bzw. eine Heizfunktion vorgesehen sein soll. Zuerst ist auf die Trägeroberfläche 14 ein zuvor beschriebener Haftvermittler 17 aufgebracht, beispielsweise um ein Anhaften von weiteren Schichten auf der Trägeroberfläche 14 deutlich zu verbessern. Der Haftvermittler 16 kann auch als vorgenannte Basis-Isolation dienen.The heating device 11 has a carrier 13, for example made of steel, i.e. metal and electrically conductive. A metal or steel for the metallic carrier 13 can advantageously be an alloy 1.4520 or an alloy 1.4521. The carrier 13 has a carrier surface 14 on which a heating conductor should ultimately be arranged or a heating function should be provided. First, a previously described adhesion promoter 17 is applied to the carrier surface 14, for example in order to significantly improve the adhesion of further layers to the carrier surface 14. The adhesion promoter 16 can also serve as the aforementioned base insulation.

Der Haftvermittler 16 weist eine Oberfläche 17 auf, auf welche wiederum eine erfindungsgemäße Glasschicht 19 als erfindungsgemäße Isolierschicht aufgebracht ist. Diese Glasschicht 19 besteht aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen kleinen Glaskugeln 21 mit einem Durchmesser zwischen 7 nm und 100 nm, es könnten aber auch Kugeln aus anderem elektrisch isolierendem Material sein. Beispielhaft kann dies aus der vergrößerten Schnittdarstellung der 7 ersehen werden. Die einzelnen Glaskugeln 21 der Glasschicht 19 sind noch im Wesentlichen in ihrer ursprünglichen Kugelform, werden also nicht verschmolzen odgl.. Dies wäre auch der Fall, wenn als elektrisch isolierendes Material andere vorgenannten Materialien wie beispielsweise Aluminiumoxid vorgesehen wäre. Sie werden durch einen beigemischten Binder, beispielsweise ein Polymer, zusammengehalten. Die Glasschicht 19 kann insgesamt eine Dicke von etwa 100 µm aufweisen. Diese Dicke sollte sich vor allem an den geforderten Isolationseigenschaften bemessen, dafür ist die Dicke ja bekanntermaßen bestimmend. Mit einer solchen Dicke kann bei Quarzglas eine Durchschlagfestigkeit von 1,2kV erreicht werden.The adhesion promoter 16 has a surface 17, onto which a glass layer 19 according to the invention is in turn applied as an insulating layer according to the invention. This glass layer 19 consists of a large number of small glass balls 21 according to the invention with a diameter between 7 nm and 100 nm, but they could also be balls made of other electrically insulating material. An example of this can be seen in the enlarged sectional view of the 7 be seen. The single ones Glass balls 21 of the glass layer 19 are still essentially in their original spherical shape, so are not melted or the like. This would also be the case if other aforementioned materials, such as aluminum oxide, were provided as the electrically insulating material. They are held together by an added binder, for example a polymer. The glass layer 19 can have a total thickness of approximately 100 μm. This thickness should primarily be based on the required insulation properties, as the thickness is known to be decisive for this. With such a thickness, a dielectric strength of 1.2 kV can be achieved with quartz glass.

Auf eine Oberfläche 20 der Glasschicht 19 ist ein länglicher Heizleiter 22 in Mäanderform aufgebracht, an dessen einem freien Ende ein Kontaktfeld 23 für eine elektrische Kontaktierung vorgesehen ist. Der Heizleiter 22 kann beispielsweise als Dickschicht-Heizleiter ausgebildet sein und mit einem entsprechenden Verfahren auf die Fläche 20 der Glasschicht 19 aufgebracht werden. Es könnten auch noch mehr und deutlich unterschiedliche Heizleiter aufgebracht werden, beispielsweise auch in verschiedenen und separat voneinander betreibbaren Heizkreisen. Ebenso könnten noch weitere Bauelemente direkt auf die Oberfläche 20 der Glasschicht 19 aufgebracht werden, vorteilhaft auch in Schichtbauweise bzw. hergestellt durch Schichtverfahren oder zumindest mit geringer Höhe.An elongated heating conductor 22 in a meander shape is applied to a surface 20 of the glass layer 19, at one free end of which a contact field 23 is provided for electrical contacting. The heating conductor 22 can, for example, be designed as a thick-film heating conductor and applied to the surface 20 of the glass layer 19 using a corresponding method. Even more and significantly different heating conductors could be applied, for example in different heating circuits that can be operated separately from one another. Likewise, further components could be applied directly to the surface 20 of the glass layer 19, advantageously also in a layered construction or produced by layering processes or at least with a low height.

Abschließend kann eine Abdeckschicht 26 aufgebracht werden, welche die Oberfläche 20 der Glasschicht 19 und vor allem auch der Heizleiter 22 luftdicht verschließt und somit vor Korrosion schützt. Des Weiteren wird so auch noch einmal eine elektrische Isolierung nach außen erreicht, welche vorteilhaft ist. Die Abdeckschicht 26 kann beispielsweise auch glasartig sein, aber auf bekannte Art und Weise ausgebildet sein und keine Schicht aus Glaskugeln sein.Finally, a cover layer 26 can be applied, which seals the surface 20 of the glass layer 19 and, above all, the heating conductor 22 in an airtight manner and thus protects against corrosion. Furthermore, electrical insulation from the outside is achieved, which is advantageous. The cover layer 26 can, for example, also be glass-like, but be formed in a known manner and not be a layer of glass balls.

Die 3 zeigt stark vereinfacht zwei Herstellungsverfahren für eine zuvor beschriebene Glasschicht. Beim ersten möglichen Herstellungsverfahren wird mittels einer Spritzvorrichtung 30 eine Suspension 31 auf die Trägeroberfläche 14 aufgespritzt. Dies kann ähnlich wie bei einem bekannten thermischen Spritzen erfolgen, alternativ kann eine geeignete Suspension, welche die Glaskugeln 21 samt Binder und dergleichen enthält, einfach aufgesprüht werden. Derartige Spritzvorrichtungen 30 sind dem Fachmann für beide Möglichkeiten bekannt und müssen nicht näher erläutert werden.The 3 shows, in very simplified form, two manufacturing processes for a previously described glass layer. In the first possible manufacturing process, a suspension 31 is sprayed onto the carrier surface 14 using a spray device 30. This can be done in a similar way to known thermal spraying; alternatively, a suitable suspension containing the glass balls 21 including binder and the like can simply be sprayed on. Such spray devices 30 are known to those skilled in the art for both options and do not need to be explained in more detail.

Ein zweites mögliches Herstellungsverfahren sieht vor, dass die Suspension 31 mittels einer Streichvorrichtung 33, welche vereinfacht durch eine Art Pinsel dargestellt ist, auf die Trägeroberfläche 14 aufgebracht wird. Dementsprechend eignet sich hier auch ein bekanntes Dickschichtverfahren, wobei dann die Glaskugeln in einer Paste mit üblicher Konsistenz enthalten sein können.A second possible manufacturing method provides that the suspension 31 is applied to the carrier surface 14 by means of a brushing device 33, which is represented in simplified form by a type of brush. Accordingly, a known thick-film process is also suitable here, in which case the glass balls can be contained in a paste with a usual consistency.

Nach dem Aufbringen der Suspension 31 auf die Trägeroberfläche 14 wird der Schritt des Aushärtens durchgeführt. Stellvertretend hierfür ist eine UV-Lampe 35 vorgesehen, vorteilhaft können es natürlich mehrere sein, die mittels UV-A oder UV-C-Strahlung 36 die Suspension 31 aushärtet. Somit wird die Glasschicht 19 thermisch stabil und sozusagen dicht bzw. enthält keinerlei Poren mehr. Dies wird vor allem durch die teils ja sehr geringe Größe der Glaskugeln 21 erreicht. Alternativ zu einer Bestrahlung kann der Träger 13 mit aufgebrachter Suspension 31 auch in einen Ofen odgl. eingebracht werden.After the suspension 31 has been applied to the carrier surface 14, the curing step is carried out. As a representative of this, a UV lamp 35 is provided; advantageously, of course, there can be several, which hardens the suspension 31 using UV-A or UV-C radiation 36. The glass layer 19 thus becomes thermally stable and, so to speak, tight or no longer contains any pores. This is achieved primarily by the sometimes very small size of the glass balls 21. As an alternative to irradiation, the carrier 13 with the suspension 31 applied can also be placed in an oven or the like. be introduced.

In der 4 ist ein drittes mögliches Herstellungsverfahren für eine Glasschicht 19 dargestellt. Hierfür wird ein sehr vereinfacht dargestellter 3D-Drucker verwendet, dessen Druckkopf 39 auf von derartigen Herstellungsverfahren bekannte Art und Weise die Suspension mit den kleinen Glaskugeln darin auf die Trägeroberfläche 14 aufbringt. Dies kann aufgrund der bekannten Möglichkeiten beim 3D-Druck als eine Art geschlossene Fläche ausgebildet sein, alternativ auch mit einer bestimmten Struktur oder Topographie, beispielsweise mit variablen Schichtdicken und unter Umständen sogar freigelassenen Bereichen, an denen die Trägeroberfläche 14 frei bleibt. Ein solcher 3D-Drucker 38 kann natürlich mehrfach vorgesehen sein oder mehrere Druckköpfe 39 aufweisen. Nach dem Aufbringen der Suspension erfolgt ein Aushärten wie zuvor beschrieben.In the 4 a third possible manufacturing process for a glass layer 19 is shown. For this purpose, a 3D printer, shown in a very simplified manner, is used, the print head 39 of which applies the suspension with the small glass balls in it to the carrier surface 14 in a manner known from such manufacturing processes. Due to the known possibilities in 3D printing, this can be designed as a kind of closed surface, alternatively also with a certain structure or topography, for example with variable layer thicknesses and possibly even free areas where the carrier surface 14 remains free. Such a 3D printer 38 can of course be provided multiple times or have several print heads 39. After the suspension has been applied, it hardens as described above.

Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 111, wobei hier der Träger 113 rohrförmig ist. Eine Länge des rohrförmigen Trägers 113 kann zwischen 40 mm und 400 mm liegen, ein Durchmesser kann in einem ähnlichen Bereich liegen. Der rohrförmige Träger 113 weist eine Trägeroberfläche 114 auf, auf der eine durch Strichlierung veranschaulichte Glasschicht 119 aufgebracht ist. Für das Aufbringen dieser Glasschicht 119 eignen sich grundsätzlich sämtliche vorbeschriebenen Möglichkeiten, vorteilhaft natürlich diejenigen der 3, da die Trägeroberfläche 114 nicht plan ist.The 5 shows a heating device 111 according to the invention, in which case the carrier 113 is tubular. A length of the tubular support 113 can be between 40 mm and 400 mm, and a diameter can be in a similar range. The tubular carrier 113 has a carrier surface 114 on which a glass layer 119, illustrated by dashed lines, is applied. In principle, all of the options described above are suitable for applying this glass layer 119, advantageously those of, of course 3 , since the carrier surface 114 is not flat.

Auf die Glasschicht 119 sind mehrere separat voneinander verlaufende Heizleiter 122 aufgebracht, vorteilhaft wiederum als Dickschicht-Heizleiter. Sie können separat voneinander sein, alternativ können sie auch beliebig miteinander verschaltet oder verbunden sein. Auf die Heizleiter 122 ist wiederum vorteilhaft eine nicht dargestellte Abdeckschicht aufgebracht, wie sie zuvor zu den 1 und 2 beschrieben worden ist.Several heating conductors 122 running separately from one another are applied to the glass layer 119, advantageously again as thick-film heating conductors. They can be separate from each other, alternatively they can also be interconnected or connected to one another in any way. A cover layer (not shown) is advantageously applied to the heating conductor 122, as previously described 1 and 2 has been described.

Die 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Heizeinrichtung 211, die hier als an sich bekannter Rohrheizkörper ausgebildet ist. Die Heizeinrichtung 211 weist einen rohrförmigen Träger 213 auf mit einer Trägerinnenseite 215, welche der zuvor vorhandenen Trägeroberfläche entspricht. Auf diese Trägerinnenseite 215 ist eine Glasschicht 219 aufgebracht, vorteilhaft mit einer Stärke wie zuvor möglich und vorteilhaft beschrieben. Der gesamte Rohrheizkörper als Heizeinrichtung 211 kann einen äußeren Durchmesser von 3 mm bis 10 mm aufweisen, der Träger 213 selbst kann eine Stärke von 0,2 mm bis 2 mm aufweisen. Eine Glasschicht 219 an der Trägerinnenseite 215 weist vorteilhaft eine Dicke auf wie zuvor beschrieben, da sie ja bestimmte elektrische Isolationseigenschaften aufweisen soll. Da die zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren für die Innenseite des rohrförmigen Trägers 213 nicht verwendbar sind, eignet sich hier für das Aufbringen mittels einer flüssigen Suspension beispielsweise durch Hindurchspülen, alternativ durch Aufsprühen mittels einer rundum sprühenden Vorrichtung, die durch den rohrförmigen Träger 213 gezogen wird.The 6 shows a further heating device 211 according to the invention, which is designed here as a tubular heater known per se. The heating device 211 has a tubular carrier 213 with an inner side of the carrier 215, which corresponds to the previously existing carrier surface. A glass layer 219 is applied to this carrier inside 215, advantageously with a thickness as previously described as possible and advantageous. The entire tubular heater as a heating device 211 can have an outer diameter of 3 mm to 10 mm, the carrier 213 itself can have a thickness of 0.2 mm to 2 mm. A glass layer 219 on the inside of the carrier 215 advantageously has a thickness as described above, since it should have certain electrical insulation properties. Since the production methods described above cannot be used for the inside of the tubular carrier 213, it is suitable here for application by means of a liquid suspension, for example by flushing through, or alternatively by spraying using an all-round spraying device which is pulled through the tubular carrier 213.

In dem rohrförmigen Träger 213 verläuft, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein mittig verlaufender Heizdraht als Heizleiter 222, vorteilhaft gewendelt. Er ist umgeben von einer Schüttisolierung 224 zur elektrischen Isolierung gegenüber der Glasschicht 219, vorteilhaft aus feinem Magnesiumoxid. Diese Schütteisolierung 224 übernimmt die wesentliche elektrische Isolierung, unterstützt wird dies aber natürlich auch noch zusätzlich durch die Glasschicht 219.As is known from the prior art, a centrally extending heating wire as a heating conductor 222, advantageously coiled, runs in the tubular support 213. It is surrounded by bulk insulation 224 for electrical insulation from the glass layer 219, advantageously made of fine magnesium oxide. This bulk insulation 224 provides the essential electrical insulation, but of course this is also supported by the glass layer 219.

Eine weitere Verwendung der Erfindung für eingangs genannte Strahlungsheizeinrichtungen, nämlich um deren metallische Aufnahmeschalen mit einer elektrischen Isolationsschicht zu versehen, ist hier zwar nicht dargestellt. Dies ist aber anhand der vorhandenen Ausführungsbeispiele und der eingangs dargestellten Beschreibung für den Fachmann leicht nachvollziehbar.A further use of the invention for the radiation heating devices mentioned above, namely to provide their metal receiving shells with an electrical insulating layer, is not shown here. However, this can be easily understood by a person skilled in the art based on the existing exemplary embodiments and the description presented at the beginning.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014206592 A1 [0002]
DE 102016012003 A1 [0016]

Claims

Heating device, in particular thick-film heating device, comprising: - a carrier, the carrier preferably being electrically conductive, - a flat electrical insulation on the carrier, - an electrical heating conductor which is applied to the electrical insulation, the heating conductor preferably being a thin-film heating conductor or is designed as a thick-film heating conductor and is applied to the electrical insulation, characterized in that : - the electrical insulation has at least one layer as an insulating layer which has electrically insulating material in spherical shape with a diameter of 4 nm to 200 nm, in particular 7 nm up to 100 nm.

Heating device after Claim 1 , characterized in that the material of the insulating layer is glass, in particular quartz glass.

Heating device after Claim 1 or 2 , characterized in that the insulating layer is applied directly to the surface of the carrier, in particular as a single layer for electrical insulation, preferably in multiple layers and in several steps.

Heating device after Claim 1 or 2 , characterized in that a base insulation layer is first applied directly to the surface of the carrier for the electrical insulation, in particular with aluminum oxide, the insulating layer being applied to the base insulation layer and the heating conductor in turn to this.

Heating device Claim 4 , characterized in that the base insulation layer is applied by thermal spraying or by screen printing.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer is applied by means of 3D printing or by means of additive manufacturing.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer is applied as a lacquer by brushing or spraying.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical heating conductor rests or is applied to the electrical insulation, preferably is applied directly to the electrical insulation.

Heating device according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that it is a radiation heating device and has a sheet metal plate as a carrier, the surface of which is provided with the insulating layer, a carrier layer made of electrically insulating material being placed on this carrier, with at least one radiation heating conductor in turn being applied over the carrier layer made of electrically insulating material is, preferably resting on the electrically insulating material and / or partially embedded in the electrically insulating material.

Heating device according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that it is designed as a tubular heating element with a metallic tube as an external support for mechanical stability, the tube being coated on the inside with an insulating layer as electrical insulation, with pourable or castable electrical insulation material being located in the tube and in the middle An electrical resistance heating conductor runs along the pipe.

Method for producing a heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer is applied flatly to the carrier or its surface directly or to a base insulation layer located thereon in order to form part of the electrical insulation, the insulating layer after is cured after application, preferably by heating and/or by irradiation with UV light.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the glass layer is applied using a method from the following group: 3D printing, thermal spraying, painting or spraying a varnish containing the glass balls.

Procedure according to Claim 11 or 12 , characterized in that the insulating layer is applied by means of a suspension on a plastic base, with the plastic then evaporating from the suspension during thermal curing.