DE1945948C3 - Elektrisches Heizelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement, das aus einem isolierenden Kunststoffkörper besteht, in den elektrisch leitende Substanzen, beispielsweise Graphit in feinverteilter Form eingebracht sind.

Die konventionellen elektrischen Heizelemente für Heizkissen u. dgl. bestehen aus Widerstandsdrähten für den Anschluß an die Spannungsquelle, die zwecks Berührungsschutz mit einem elektrisch isolierenden, jedoch möglichst gut wärmeleitenden Material isoliert sind. Da die Widerstandsdrähte nur eine begrenzte Flexibilität besitzen, besteht die Gefahr von Bruch oder Kurzschluß mit gegebenenfalls sogar gefährlichen Folgen wegen eventuell eintretender Überhitzung.

Man hat deshalb verschiedentlich versucht, die Widerstandsdrähte durch anderes Material zu ersetzen, das eine wesentlich bessere Flexibilität besitzt So ist es bekannt ein flexibles Trägermaterial mit leitendem Graphit zu imprägnieren und das so geschaffene Heizelement für beheizbare Bettdecken u. dgl. zu verwenden. Bei dem Trägermaterial kann es sich um anorganisches Fasermaterial handeln (britische Patentschrift 747 257), um organisches Gewebe, beispielsweise Baumwolle (USA.-Patentschrift 2 255 376), um Kautschuk (deutsche Patentschrift 625 773) oder auch um Kunststoff (britische Patentschrift 671 881).

Bei all diesen bekannten Heizelementen ist die Gefahr des Leiterbruchs natürlich eliminiert; trotz dieses Vorzugs haben sie sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen können. Der Grund dürfte darin zu suchen sein, daß die Imprägnierung der Trägermaterialien mit soviel Schwierigkeiten verbunden war, daß entweder keine reproduzierbaren Ergebnisse erzielt wurden oder aber die Produkte nur zu untragbar hohen Kosten zu fertigen waren. Obwohl man sich also des Bedürfnisses nach einem Heizelement für Heizkissen, bei dem die Gefahr des Drahtbruchs und Kurzschlusses ausgeschlossen ist durchaus bewußt war, ist bis heute eine befriedigende Lösung dieses Problems nicht bekannt. Wird beispielsweise massiver Kunststoff — beispielsweise Polytetrafluorethylen — mit einer leitenden Substanz, etwa leitendem Graphit — gemischt so ist das Mischungsverhältnis außerordentlich kritisch. Bei zu geringem Graphitanteil besteht keine Berührung zwischen den einzelnen Graphitkörnchen, bei zu hohem Graphitanteil wird der spezifische Widerstand sehr niedrig. Im ersteren Fall ist das Produkt nicht zu brauchen, im letzteren Fall muß es entweder sehr lang oder sehr dünn sein, um bei üblichen Spannungen den Leistungsumsatz so gering zu halten, daß das Heizelement nur die gewünschte Temperatur von etwa 40 bis 50⁰C im Gleichgewichtszustand zwischen zugerührter und durch Konvektion und Strahlung abgegebener Energie beibehält. Der Zwischenbereich iwisehen beiden Mischungsverhältnissen ist nicht groß, selbst wenn man eine verhältnismäßig schlecht leitende Substanz, wie Graphit verwendet. Infolgedessen setzt man immer genug Graphit zu, daß das Endprodukt in jedem Fall einsetzbar ist, und bildet das Heizelement bandförmig aus mit Zuleitungen an den Berandungen (britische Patentschrift 671 881).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Heizelement zu schaffen, bei de>en Herstellung es nicht so auf das kritische Mischungsverhältnis von Kunststoff zu elektrisch leitenden Substanzen ankommt, das in wirtschaftlicher Weise reproduzierbar zu fertigen ist und das nicht die anderen vorstehend beschriebenen Nachteile aufweist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß der Heizleiter als mit den leitenden Substanzen imprägnierter offenzelliger Schaumstoffkörper ausgebildet ist

Das Heizelement gemäß der Erfindung besitzt gegenüber den bekannten Heizelementen mit massivem Trägermaterial (Kautschuk oder Kunststoff) einen entscheidenden Vorteil.

Durch die Verwendung von offenzelligem Schaumstoff gemäß der Erfindung ist es möglich, die Imprägnierung genau zu dosieren, da die leitfähige Substanz nicht in den Kunststoff eingebettet ist, wodurch die einzelnen Körnchen zunächst einma! voneinander isoliert wären, sondern auch schon bei geringsten Mengen eine geschlossene leitende Schicht von Porenwandung zu

Porenwandung ausbildet, so daß sich auch Heizelemente mit relativ hohem spezifischem Widerstand reproduzierbar herstellen lassen. Dies vereinfacht nicht nur die Fertigung in kostenmäßig entscheidend-jm Maße, sondern erlaubt darüber hinaus, das Heizelement als Platte mit flächigen Zuleitungen auszubilden. Dies wiederum hat den Vorteil, daß bei gegebener Plattenstärke und Imprägnierung der Leistungsumsatz pro Flächeneinheit des Heizelements konstant ist mit dem Ergebnis, daß man große Flächen fertigen, imprägnieren und mit flächigen Zuleitungen versehen kann, wonach erst die Platte in Einzelstücke zerschnitten wird. Die Fertigung ist damit weitgehend zu rationalisieren, und man kann aus ein und derselben Plattentype beispielsweise Heizkissen verschiedener Größe fertigen, bei denen der Leistungsumsalz nur von der Flächengröße abhängi; in erster Näherung ist dabei anzunehmen, daß die abgeführte Wärme ebenso wie die zugeführte eine Funktion der Flächengröße ist.

Dabei ist natürlich erwünscht, daß der Leistungsumsatz selbst in der Platte stattfindet und nicht längs der Zuleitungselektroden. Daher wird man die Zuleitungselektroden vorzugsweise so ausbilden, daß sie einen um mindestens zwei Größenordnungen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweisen als der imprägnierte as Schaumstoffkörper.

Für die Anwendung als Heizelement für Heizkissen, heizbare Decken und Kleidung u. dgl. kann man einen volumenkompressiblen Schaumstoff wählen. Die Imprägnierung kann dabei so erfolgen, daß beispielsweise das Temperaturgleichgewicht an nicht komprimierten Stellen eines plattenförmigen Heizelements bei z. B. 20⁰C liegt und bei Druckbelastung bis zu 40⁰C ansteigt. Der Leistungsumsatz erfolgt dann spezifisch besonders an solchen Stellen, an denen beispielsweise der Benutzer eines elektrischen Heizkissens dieses belastet. Ein solches Heizelement kann jedoch auch weite Anwendung in der Therapie bestimmter Krankheiten finden, beispielsweise der örtlichen genau dosierten Erwärmung hyperalgetischer Zonen, wobei die zu erwärmenden Stellen druckbelastet werden, nachdem das ganze Glied mit einem Heizkissen umhüllt worden ist, das mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Heizelement versehen ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der chemischen Technologie:

Soll beispielsweise eine Flüssigkeit in einem Behälter längere Zeit auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, wobei der Behälter ständig wechselnde Mengen enthält, kann als Heizelement eine gemäß der Erfindung aufgebaute Platte aus volumenkompressiblen Kunststoff eingesetzt werden, auf der der Behälter steht. Bei geringer Füllmenge ist der vom Behälter auf das Heizelement ausgeübte Druck gering, so daß der Leistungsumsat/ entsprechend zurückgeht. Wird er stärker gefüllt, wird die Platte komprimiert, so daß der Widerstand sinkt, wird entsprechend mehr Leistung zugeführt. Als besonderer Vorteil kann dabei die Stromaufnahme als Anzeige für die Füllmenge dienen.

Die Verwendung von flexiblem, volumenkompressiblem Schaumkunststoff erfordert ebenfalls flexible Zuleitungen. Diese können aus Drahtgewebe bestehen, aus aufgedampften Metallschichten, oder sie können durch nachträgliche starke Imprägnierung nur der Plattenseitenoberflächen geschaffen werden.

Wird ein elastisch volumenkompressibler Schaumkunststoff eingesetzt, so hat sich folgendes Verfahren zum Imprägnieren bewährt:

Der Schaumstoffkörper wird in eine wäßrige Suspension von kolloidalem Graphit, der elektrisch leitend ist, eingebracht und gewalkt, so daß die Luft aus den offenen Poren ausgetrieben wird und sich der Schaumstoffkörper mit der Suspension vollsaugt Derartige Suspensionen sind im Handel erhältlich; es haben sich jedoch auch Kohlenstoffdispersionen in organischen Lösungsmitteln bewährt, beispielsweise in Äthylalkohol, Isopropanol, Toluol, Methylisobutylketon. Bei Anwendung der Dispersionen in organischen Lösungsmitteln kann ein Aufquellen des Schaumkunststoffs erfolgen, wodurch die Imprägnierung verbessert wird; wenn der Schaumkunststoffkörper anschließend · getrocknet wird, geht die Quellung wieder zurück. Bei Anwendung von Toluol ergibt sich eine wasserbeständige Imprägnierung. Es wurde beobachtet, daß gegebenenfalls eine chemische Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen und freien Gruppen des Kunststoffs erfolgen kann, wodurch die Leitfähigkeit des Kohlenstoffs beeinträchtigt wird. Infolgedessen geht man zweckmäßig so vor, daß der Schaumstoffkörper nach der ersten Imprägnierung, wie oben beschrieben, zunächst nur so weit getrocknet wird, daß der Graphit gerade haftet. Danach wird der Vorgang wiederholt, und der Schaumstoffkörper wird fertig getrocknet. Schließlich wird er mehrfach gereckt und gestreckt, ohne freilich die Elastizitätsgrenze zu überschreiten. Dabei erfolgt vermutlich eine Ausrichtung der hexagonalen Graphitkristalle in optimale Position; es wurde jedenfalls beobachtet, daß so imprägnierte Schaumstoffkörper eine reproduzierbaren spezifischen Widerstand besitzen, d. h., daß nach einer mechanischen Deformierung und Rückkehr in die Ausgangsform der ursprünglich gemessene Wert sich wieder einstellte.

Als Imprägniermittel wurde oben eine wäßrige Suspension von kolloidalem Graphit angegeben. Dies ist vor allem dann zu empfehlen, wenn der spezifische Widerstand des imprägnierten Materials verhältnismäßig hoch sein soll. Wenn ein niedrigerer spezifischer Widerstand gewünscht wird, muß man die leitende Schicht auf den Wandungen der offenen Zellen so dick wählen, daß die Gefahr besteht, daß bei starker mechanischer Beanspruchung die Schicht rissig wird. bzw. bricht.

Dieser G*efahr kann man durch Anwendung anderer Imprägniermittel begegnen. Die Haftfähigkeit der leitenden Schicht wird wesentlich verbessert, wenn* die leitenden Partikeln — Ruß oder Graphit beispielsweise — als Dispersion oder Suspension in eine Kunitstoffemulsion gegeben werden oder die obenerwähnte wäßrige Kohlenstoffdispersion mit einer Kunststoffdispersion, z. B. einer wäßrigen Kunststoifdispersion, abgemischt wird und das so erhaltene Produkt als Imprägniermittel eingesetzt wird. Als Kunststoffemulsion hat sich eine Latexmilch bewährt. Der sich ergebende spezifische Widerstand läßt sich bei einem solchen Imprägniermittel besonders gut reproduzierbar einstellen; er ist bestimmt durch den Cehalt des Imprägniermittels an leitenden Partikeln Wie oben erläutert, ist auch mit diesem Imprägniermittel eine mehrmalige Imprägnierung möglich und gegebenenfalls vorzusehen, etwa im 3ereich der Anschlüsse.

Bei Anwendung relativ niedrigerer spezifischer Widerstände ist es erwünscht, der Gefahr einer etwaigen thermischen Überlastung vorzubeugen. Dies geschieht dadurch, daß dem Imprägniermittel — etwa der soeben besprochenen Emulsion — neben Graphit als leitende Substanz zusätzlich kalt leitende Partikel zugesetzt werden, deren Widerstand bekanntlich mit zuneh-

mender Stromdichte ansteigt. Durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung läßt sich erreichen, daß der spezifische Widerstand bei Druckbelastung eines volumenkompressiblen Schaumstoffkörpers in etwa konstant bleibt oder sogar abnimmt, wobei die Zusammensetzung auf die thermische Belastungsgrenze des jeweiligen Kunststoffmaterials abgestimmt wird.

Beim Anbringen der flexiblen Zuleitungen ist zu beachten, daß sich keine Formhaut auf der Zuleitung bilden darf, wenn diese gleich mit eingeschäumt wird, da dann kein Strompfad mehr durch die Imprägnierung ausgebildet wird. Wenn beispielsweise ein Drahtgewebe verwendet wird, so muß dieses vor dem Einschäumen mit einem Formtrennmittel bestrichen werden; derartige Substanzen sind bekannt.

Bei einem anderen Herstellungsverfahren, das sich bewährt hat, geht man so vor, daß als flexible Zuleitungselektroden Textilgewebe mit einem Trennmittel bestrichen und an den Schaumstoffkörper einseitig haftend angeschäumt wird, daß der so gebildete Körper »o imprägniert wird und daß anschließend die mit Textilgewebe beschichteten Flächen mittels eirer Suspension kolloidalen Graphits in etwa zehnfach stärkerer Konzentration als bei der Imprägnierung benutzt eingestrichen und getrocknet werden. Das Textilgewebe selbst »5 ist dabei nicht leitend; es dient nur als Träger für die verstärkte Imprägnierung.

Man kann auch so vorgehen, daß das Textilgewebe mit einer wasserbeständigen Dispersion, etwa auf ToIuolbasis, imprägniert, dann an einen Schaumkunststoffblock angeschäumt und schließlich der ganze Block mit Elektroden in einer wäßrigen Graphitsuspension erneut imprägniert wird.

Das fertige Heizelement kann als Berührungsschutz mit einem Kunststofflack, etwa auf Polyurethanbasis, überzogen werden, z. B. durch Tauchen, Einstreichen, Besprühen oder andere übliche Verfahren. Dadurch ergibt sich eine wasserfeste Abdichtung.

Auf der Basis von volumenkompressiblem Schaumkunststoff kann man auch Heizelemente herstellen, die selbst nicht volumenkompressibel sind. Zu diesem Zweck wird ein Heizelement — etwa mit Textilelektroden — vollständig komprimiert und dann versiegelt.

Die Heizelemente können je nach Anwendungszweck für Betriebsspannungen von 24 V (Berührungs- schutz bei Heizkissen u.dgl.) oder für Netzspannung ausgelegt werden, !m ersteren Fall kann eine Isolation der frei liegenden Seiten der Zuleitungselektroden entfallen, im letzteren Fall kann man beispielsweise eine isolierschicht aus nicht porigem, aber elastischem Kunststoff aufbringen.

Es versteht sich, daß die verwendeten Kunststoffe einerseits und der Leistungsumsatz andererseits so gewählt werden, daß der Kunststoff nicht durch Überhitzung zerstört werden kann.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 halbschematisch, teilweise perspektivisch, ein Heizelement gemäß der Erfindung und

F i g. 2 und 3 ein Heizelement gemäß der Erfindung in der Anwendung zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur in einer Flüssigkeit.

Das Heizelement nach F i g. 1 ist über die Zuleitung 10 an eine (nicht dargestellte) Spannungsquelle angeschlossen, beispielsweise über einen Isoliertransformator mit einer Sekundärspannung von 24 V an das Net?. Je ein Leiter der Zuleitung 10 ist an ein dünnes Kupferdrahtgewebe 12 bzw. 14 angeschlossen: der Anschluß kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß an den Leiter eine öse angeschweißt wird, die mit dem Kupferdrahtgewebe vernietet wird, wobei eine Gegenscheibe untergelegt wird, um einen größeren flächenhaften Kontakt zu gewährleisten. Die Kupferdrahtgewebe 12 und 14 sind in innigem elektrischem Kontakt mit der Deck- bzw. Bodenfläche eines Schaumkunststoffblocks 16 in Plattenform verbunden; beispielsweise kann man für diese Verbindung ein handelsübliches, elektrisch leitendes Gießharz verwenden.

Der Schaumkunststoffblock 16 besteht aus offenzelligem, volumenkompressiblem Polyurethan, das im ausgesäumten Zustand mit elektrisch leitendem Graphit imprägniert worden ist. Die Imprägnierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Kunststoffblock in einer wäßrigen Suspension des feinverteilten Graphits getränkt wird; es ist jedoch auch möglich, den Kunststoffblock mit pulverisiertem Graphit in trockenem oder halbtrockenem Zustand zu imprägnieren, etwa durch Walken oder Einkneten. Die Erfahrung hat gezeigt, daß beide Verfahren ausgezeichnet reproduzierbar sind.

Das so hergestellte Heizelement wird anschließend mit einer Hülle 18 aus nicht porösem, jedoch sehr elastischem Kunststoff überzogen, einerseits aus Isolationsgründen, andererseits zum Ermöglichen einer leichten Reinigung. Die Hülle kann lose auf dem Heizelement sitzen, sie kann aber auch aufgeschrumpft oder aufgeklebt sein. Das Material für den Kunststoffblock 16 wie auch für die Hülle 18 ist so ausgewählt, daß selbst bei maximalem Leistungsumsatz der Kunststoff nicht zerstört oder bleibend verändert wird.

F i g. 2 und 3 zeigen schematisch die Verwendung eines Heizelementes 20, das im Prinzip aufgebaut ist wie das Heizelement nach F i g. 1, zum Beheizen eines mit Flüssigkeit 22 gefüllten Behälters 24. Wenn der Behälter 24 ganz gefüllt ist (F i g. 2). wird das Heizelement komprimiert. Damit verkürzen bich die Strompfacle. und zugleich verringert sich auch der spezifische Widerstand derselben, wenn auch nicht in gleich starkem Maße, !ti Ergebnis verringert sich der Gesamtwiderstand, so daß die umgesetzte Leistung bei gleichbleibender Spannung wesentlich höher ist als nach F i g. 3. wo der Behälter weniger gefüllt ist, somit einen geringeren Druck auf das Heizelement 20 ausübt und der Gesamtwiderstand höher ist. Es ist möglich, die Qualität des Schaumkunststoffs bezüglich Porengröße Kompressibilität etc. sowie die Imprägnierung so auszuwählen, daß die umgesetzte Leistung innerhalb ge wisser Grenzen proportional dem Druck und damit dei Füllmenge des Behälters 24 ist

In F i g. 2 und 3 ist ferner ein Strommesser 26 arige deutet. Bei konstanter Betriebsspannung und zuneh mender Leistung ist der aufgenommene Strom ein Ma[ für die umgesetzte Leistung. Der Strommesser kann, ds diese Leistung proportional der Füllmenge sein soll, al; Meßorgan für die Füllmenge dienen und andererseit! bei Oberschreiten einer maxiamal zulässigen Leistunj als Stromunterbrecher ausgebildet sein, um das Heiz element gegen Überhitzung zu sichern.

Es versteht sich, daß auch Hartschaumkunststoff, im prägniert mit leitenden Substanzen wie Graphit, gemät der Erfindung als Heizelement ausgebildet sein kann Dabei ist das Imprägnierverfahren mittels Einwalzei oder -kneten, wie es oben für elastische Schaumkunst stoffe beschrieben wurde, freilich nicht anwendbar. Da gegen biete! sich ein breites Anwendungsfeld als Hei/ element für die Beheizung von Wohnräumen da de

O

lartschaumkunststoff im Betrieb nicht verformt wird, raucht auch das Material der Zuleitungselektroden ur wenig flexibel zu sein und kann beispielsweise aus treckmetall bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

! 945 Patentansprüche:

1. Elektrisches Heizelement bestehend aus einem isolierenden Kunststoffkörper, in den elektrisch !ei- !ende Substanzen, beispielsweise Graphit, in fein- »erteilter Form eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter als mit den leitenden Substanzen imprägnierter offenzelliger Schaumstoffkörper ausgebildet ist i»

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Schaumstoffkörper aus ela- «tisch volumenkompressiblem Kunststoff besteht *nd flexible Zuleitungselektroden aufweist

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß es als Platte mit auf deren gro-Sen Flächen angeordneten Stromleitungseiektro- 4en ausgebildet ist

4. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Zuleitungselektro- ao den aus Drahtgewebe, aus durch nachträgliche verstärkte Imprägnierung der Plattenoberflächenbereiche erhaltene Schicht oder aus aufgedampftem Metall bestehen.

5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis »5 3, dadurch gekennzeichnet daß der imprägnierte Schaumstoffkörper mit einem nicht imprägnierten Schutzlack versehen ist.

6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Schaumkunststoffblock nach dem Imprägnieren und Anbringen von Zuleitungselektroden bis zum Verschwinden der Volumenkompressibilität komprimiert und so versiegelt ist.

7. Verfahren zum Herstellen eines Heizelementes nach einem der Ansprüche 1 b\» 6, dadurch gekennzeichnet, daß man einem Schaumstoffkörper aus offenzelligem elastisch volumenkompressiblem Kunststoff in einer Suspension kolloidalen, elektrisch leitenden Graphits walkt oder knetet ihn anschließend bis zum Antrocknen der Graphitschicht trocknet dann nochmals mit der Suspension tränkt vollständig und nach dem Trocknen mehrfach elastisch deformiert

8. Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß als Imprägniermittel eine mit leitenden Partikeln, wie Ruß oder Graphit, angereicherte Kunststoffemulsion, vorzugsweise eine wäßrige Kunststoffdispersion, eingesetzt wird.