DE19823498A1

DE19823498A1 - Flächiges Heizelement

Info

Publication number: DE19823498A1
Application number: DE19823498A
Authority: DE
Inventors: Hans Oppitz
Original assignee: Latec AG
Current assignee: Latec AG
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 1999-08-12
Also published as: ATA16298A; DE19823531A1; DE19823531C2; KR20010040504A; AT406924B; DE19823493A1; DE59906954D1; DE19823494A1

Description

Die Erfindung betrifft ein flächiges Heizelement, insbesondere ein Wider standsheizelement.

Zur Erzeugung von Wärme werden Widerstandsheizelemente in verschiede nen Gebieten eingesetzt. Diese Heizelemente benötigen zur Erzeugung einer ausreichenden Temperatur in der Regel hohe Spannungen. Diese hohen Spannungen können aber insbesondere bei Verwendung zur Erwärmung von Medien oder bei Kontakt mit dem menschlichen Körper Sicherheitsrisiken darstellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Heizelement zu schaffen, das mit niedrigen Spannungen betrieben werden kann.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufgabe durch ein Widerstandsheizelement gelöst werden kann, bei dem eine geeignete Wi derstandsmasse optimal vom Heizstrom durchflossen wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein flächiges Heizelement gelöst, das eine Widerstandsschicht, die ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, und zumindest zwei flächige Elektroden, die auf einer Seite der Wider standsschicht nebeneinander angeordnet und durch eine Isolierung vonein ander getrennt sind, umfaßt.

Als Elektroden im Sinne dieser Erfindung werden die Teile des Heizelemen tes bezeichnet, die der unmittelbaren Stromzu- bzw. -abführung zu bzw. von der Widerstandsschicht dienen.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement umfaßt die Widerstandsschicht ein elektrisch leitendes Polymer. Aufgrund der Polymer-Struktur fließt der an die Elektroden angelegte Heizstrom von einer Elektrode über weite Be reiche der Widerstandsmasse zu der weiteren auf der Widerstandsschicht angeordneten Elektrode. Hierbei kann der Heizstrom nicht den kürzesten Weg zwischen den beiden Elektroden nehmen, sondern folgt der Struktur des Polymeraufbaus, wodurch im wesentlichen die gesamte Widerstands masse vom Heizstrom durchflossen und dadurch erwärmt wird. Aufgrund der Anordnung der Elektroden ist die Spannung, die zur Erwärmung der Widerstandsschicht notwendig ist, gering. Im Gegensatz zu einer Ausgestal tung eines Widerstandsheizelementes, bei dem die Elektroden auf gegen überliegenden Seiten der Widerstandsschicht angeordnet sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Heizelement die Versorgungsspannung auf etwa die Hälfte reduziert werden. Dieser überraschende Effekt der vorliegenden Er findung ist zum einen auf die optimale Ausnutzung der Heizenergie durch den vorgegebenen Stromfluß durch die Widerstandsmasse zurückzuführen. Zum anderen wird die Reduzierung der Versorgungsspannung durch den durch die Isolierung zwischen den benachbarten Elektroden gebildeten Wi derstand bedingt. Wird Luft als Isolierung gewählt, so wird der Widerstand durch den Abstand der Elektroden zueinander und damit durch den Oberflä chenwiderstand bestimmt.

Zudem dient bei Verwendung eines elektrisch leitenden Polymers das Wi derstandsheizelement als schwarzer Körper, der Strahlungen aller Wellen längen abgeben kann. Mit abnehmender Temperatur verschieben sich die Wellenlängen der abgestrahlten Strahlungen immer mehr zum Infrarot. Die se Infrarotstrahlung kann in einen zu beheizenden Körper oder Behälter ein dringen und somit den Körper oder das in dem Behälter befindliche Medium erwärmen. Durch diese Tiefenwirkung sind in dem Heizelement selber keine hohen Temperaturen erforderlich, wodurch geringere Spannungen benötigt werden. Mit dem erfindungsgemäß verwendeten Widerstandsheizelement können bei geringen Spannungen Leistungen bis zu 30 kW/m² auch im Langzeitbetrieb erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Heizelement weist weiterhin den Vorteil auf, daß es vielseitig einsetzbar ist. Durch die einseitige Kontaktierung kann die den Elektroden gegenüberliegende Seite der Widerstandsschicht ideal an zu be heizende Körper angelegt werden und ermöglicht so einen guten Wärme übergang.

Sicherheitsrisiken können darüberhinaus bei dem erfindungsgemäßen Heize lement aufgrund der geringen Spannung nicht auftreten und die Einsatz möglichkeiten sind somit vielfältig. So kann das Heizelement auch für Vor richtungen verwendet werden, die von den Personen, die die Vorrichtung bedienen bzw. benutzen, berührt werden müssen. Das erfindungsgemäße Heizelement kann z. B. als Fußbodenheizung dienen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an der den beiden flächigen Elektroden gegenüberliegenden Seite der Widerstands schicht eine Schicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet.

Diese elektrisch leitende Schicht unterstützt den Stromfluß durch das Wi derstandsheizelement. Bei dieser Ausführungsform fließt der Strom von ei ner Elektrode durch die Dicke der Widerstandsschicht zu der gegenüberlie genden elektrisch leitenden Schicht, wird in dieser weitergeleitet, um dann durch die Dicke der Widerstandsschicht zu der anderen Elektrode zu gelan gen.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement fließt der Strom im wesentlichen durch die Dicke der Widerstandsschicht. Die Elektroden und die elektrisch leitende Schicht weisen vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Örtliche Überhitzungen können durch die gute Wärmeleitfähigkeit abgelei tet werden. Überhitzungen können somit nur in Richtung der Schichtdicke auftreten und wirken sich aber aufgrund der geringen Schichtdicke bei dem flächigen Widerstandsheizelement nicht negativ aus. Ein weiterer Vorteil eines solchen Aufbaus des Widerstandsheizelementes liegt darin, daß auch eine von außen, z. B. von dem zu beheizenden Körper, hervorgerufene lokale Temperaturerhöhung durch das Widerstandsheizelement ideal ausgeglichen werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Widerstandsschicht einen Aufbau auf, in dem verschiedene Widerstandsmaterialien mit unterschiedli chen spezifischen elektrischen Widerständen in Schichten vorliegen.

Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, daß durch die geeignete Wahl der Materialien in der Widerstandsschicht die Seite der Widerstandsschicht von der Wärme an den zu beheizenden Körper abgegeben werden soll, höhe re Temperaturen aufweisen kann, ohne unterschiedliche Heizströme geson dert z. B. durch Heizdrähte in einzelnen Schichten der Widerstandsschicht führen zu müssen. Dieser Effekt wird dadurch erzielt, daß der spezifische elektrische Widerstand des verwendeten Polymers von der Schicht, die an den Elektroden anliegt, zu der dem zu beheizenden Körper bzw. Gegenstand zugewandten Seite immer höher gewählt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Widerstandsschicht des Heizelementes eine Kunststoffmatrix aus einem elektrisch leitenden Poly mer und ein in der Matrix feinverteiltes, thermisch und elektrisch isolieren des Füllmaterial. Durch diesen Aufbau fungiert die Widerstandsschicht zu gleich als Abstandhalter zwischen den Elektroden und dem zu beheizenden Körper oder der leitenden Schicht. Das Füllmaterial bewirkt weiterhin, daß der Stromfluß nicht den kürzesten Weg zwischen der Elektrode, der elek trisch leitenden Schicht und der weiteren Elektrode nehmen kann, sondern an dem Füllmaterial abgelenkt oder aufgespalten wird. Dadurch wird eine optimale Ausnutzung der zugeführten Energie erzielt.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Widerstandsschicht an ihren den Elektroden und gegebenenfalls der elektrisch leitenden Schicht zugewandten Oberflächen metallisiert. Die Metallisierung der Oberfläche kann durch Aufspritzen von Metall erfolgen. Durch das Aufspritzen kann sich das Me tall an der Oberfläche der Widerstandsschicht anlagern und verbessert so den Stromfluß zwischen den Elektroden bzw. der elektrisch leitenden Schicht und der Widerstandsschicht. Zudem wird bei dieser Ausführungs form auch der Wärmeübergang von der Widerstandsschicht zu der dem zu beheizenden Körper oder Gegenstand zugewandten elektrisch leitenden Schicht verbessert.

Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrisch leitende Polymer der Widerstandsmasse des Widerstandsheizelementes einen positiven Tempera turkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auf. Hierdurch wird ein Selbstregeleffekt bezüglich der maximal erreichbaren Temperatur erzielt. Dieser Effekt ist dadurch bedingt, daß aufgrund des positiven Temperatur koeffizienten des elektrischen Widerstandes der Widerstandsschicht der Stromfluß durch die Widerstandsmasse sich in Abhängigkeit von der Tem peratur regelt. Je höher die Temperatur ansteigt, um so geringer wird die Stromstärke, bis sie schließlich bei einem bestimmten thermischen Gleich gewicht unmeßbar klein ist. Eine lokale Überhitzung und ein Schmelzen der Widerstandsmasse kann daher zuverlässig verhindert werden. Dieser Selbstregeleffekt ist für das erfindungsgemäße Heizelement von großer Be deutung, da es z. B. bei ungenügendem Kontakt des erfindungsgemäßen Heiz elementes mit einem zu beheizenden Körper und einem dadurch verursach ten geringen Wärmeübergang zu lokalen Temperaturerhöhungen kommen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen Heizelementes;

Fig. 2 schematische Seitenansicht einer Ausführungsform mit mehre ren leitenden Schichten.

Das Heizelement 1 weist eine Widerstandsschicht 2 und zwei Elektroden 3 und 4, die in einem Abstand nebeneinander angeordnet sind, auf. Auf der gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht 2 ist eine elektrisch lei tende Schicht 5 vorgesehen. Werden die Elektroden 3 und 4 mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) kontaktiert, so fließt der Strom von der Elektro de 3 durch die Widerstandsmasse 2 zu der leitenden Schicht 5, wird an die ser weitergeleitet und durchfließt die Widerstandsmasse 2 in Richtung der Elektrode 4, oder umgekehrt. Die Widerstandsmasse 2 besteht bei der dar gestellten Ausführungsform aus einer Kunststoffmatrix 6 aus elektrisch lei tendem Polymer und weist feinverteilten, thermisch und elektrisch isolie renden Füllstoff 7 auf. In der dargestellten Ausführungsform wird die Isolie rung 8 zwischen den Elektroden 3 und 4 durch einen Luftspalt gebildet. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Isolierung 8 zwischen den Elektroden 3 und 4 durch ein anderes Isoliermaterial, das in den zwischen den Elektroden 3 und 4 bestehenden Spalt eingebracht wird, zu verwirkli chen. Als Isoliermaterial können herkömmliche Dielektrika, insbesondere Kunststoffe verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Heizelement gezeigt, bei dem eine dünne Widerstands schicht 2 vorliegt. Auf einer Seiten der Widerstandsschicht 2 sind zwei flä chige Elektrode 3, 4 und mehrere leitende Schichten 5 angeordnet. Die Elektroden 3, 4 sind jeweils am gegenüberliegenden Ende der Widerstands schicht 2 vorgesehen. Die Elektroden 3, 4 und die leitenden Schichten 5 sind voneinander beabstandet und zu den an der gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht 2 angeordneten leitenden Schichten 5 versetzt. Der an die Elektroden 3, 4 angelegte Strom durchfließt bei diesem Aufbau die Widerstandsschicht 2 und die leitenden Schichten 5 in der Richtung, die in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Bei diesem Stromfluß dient die Widerstandsschicht 2 als eine Serienschaltung mehrerer elektrischer Wider stände, wodurch eine hohe Leistung erzielt werden kann. Hierbei wird so wohl der Widerstand in der Dicke der Widerstandsschicht 2, als auch der Oberflächenwiderstand in den Abständen zwischen den elektrisch leitenden Schichten 5 bzw. der elektrisch leitenden Schicht 5 und der Elektrode 3 bzw. 4 genutzt. Zudem bietet der große räumliche Abstand zwischen den Elektroden den Vorteil, daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen diesen vermieden werden kann.

Die Elektroden sowie die elektrisch leitende Schicht können bei dem erfin dungsgemäßen Heizelement z. B. aus Metallfolien oder Metallblechen beste hen. Weiterhin kann die elektrisch leitende Schicht an der der Widerstands schicht abgewandten Seite mit einem Kunststoff beschichtet sein. Durch diese zusätzliche Schicht wird die Funktion des erfindungsgemäßen Heize lementes als schwarzer Strahler noch unterstützt und die Tiefenwirkung der erzeugten Strahlung verstärkt.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement können eine Vielzahl von Elek troden auf der einen Seite der Widerstandsschicht vorgesehen sein. Durch das Vorsehen mehrerer Elektroden, die durch Isolierungen voneinander ge trennt sind und jeweils als Elektrodenpaare dienen, die mit Spannungen be aufschlagt werden können, kann eine zonenweise Erwärmung des Heizele mentes erzielt werden. Falls die Oberfläche des Heizelementes, die dem zu beheizenden Körper zugewandt ist, spannungsfrei gehalten werden soll, kann die Widerstandsschicht bzw. die elektrisch leitende Schicht durch Po lyester-, PTFE-, Polyimid- und anderen Folien beschichtet sein. Die Ver wendung dieser herkömmlichen Isoliermaterialien und der einfachen Form einer Folie wird bei dem erfindungsgemäßen Heizelement dadurch möglich, daß die elektrisch leitende Schicht nicht mit Kontakten versehen ist und somit eine glatte Oberfläche aufweist.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, eine Widerstandsschicht einzuset zen, bei der das Füllmaterial Glasfasern, Steinwolle, Keramiken, z. B. Bari um-Titanat oder Kunststoffe aufweist. Die Widerstandsschicht kann hierbei durch Eintauchen des Fasermaterials, z. B. einer Fasermatte, in eine Masse bestehend aus dem elektrisch leitenden Polymer erhalten werden. Die Schichtdicke der Widerstandsschicht ist erfindungsgemäß gering und kann z. B. 1 mm betragen.

Die Widerstandsmasse kann im Rahmen der Erfindung auch so gewählt werden, daß sie einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist. Bei einer solchen Ausführungsform werden sehr geringe Einschaltströme benötigt. Bei der erfindungsgemäßen Widerstands masse kann ab einer gewissen Temperatur, z. B. 80°C, der Temperaturkoef fizient des elektrischen Widerstandes positiv werden.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäß eingesetzten Widerstands schicht kann das Heizelement unterschiedlichste Formen aufweisen und z. B. innen oder außen an einem Rohr angebracht werden. Hierbei ist die einseiti ge Kontaktierung des Heizelementes von besonderem Vorteil, da der Wär meübergang von dem Widerstandsheizelement zu dem zu beheizenden Kör per, z. B. einem Rohr, nicht durch Kontakte behindert wird. Auch die elek trische Isolierung zwischen dem zu beheizenden Körper und dem Wider standsheizelement wird durch den Wegfall von Kontaktstellen an der elek trisch leitenden Schicht vereinfacht.

Als elektrisch leitendes Polymer können erfindungsgemäß insbesondere sol che Polymere verwendet werden, die durch Metall- oder Halbmetallatome, die an die Polymere angelagert sind, leitfähig sind. Solche Polymere können durch ein Verfahren erhalten werden, bei dem Polymer-Dispersionen, Poly mer-Lösungen oder Polymere mit Metall- oder Halbmetallverbindungen oder deren Lösung in einer Menge versetzt werden, so daß auf ein Polymer- Molekül annähernd ein Metall- oder Halbmetallatom kommt. Dieser Mi schung wird ein Reduktionsmittel in geringem Überschuß zugegeben oder durch bekannte thermische Zersetzung Metall- oder Halbmetallatome gebil det. Anschließend werden die gebildeten oder noch vorhandenen Ionen aus gewaschen und die Dispersionslösung oder das Granulat kann mit Graphit oder Ruß versetzt werden. Dadurch, daß eingebettete Leiterteilchen, z. B. Graphit, sich nicht berühren müssen, wenn ein wie oben beschrieben herge stelltes elektrisch leitendes Polymer verwendet wird, ist ein aus dem elek trisch leitenden Polymer mit Graphit hergestellter Verbundstoff nicht nur mechanisch widerstandsfähig, sondern es ist auch die Leitfähigkeit unab hängig von einer mechanischen oder thermischen Beanspruchung. Diese Unabhängigkeit der Leitfähigkeit ist insbesondere bei der vorliegenden Er findung von besonderer Bedeutung, da je nach Einsatz sowohl mechanische als auch thermische Beanspruchungen des erfindungsgemäßen Wider standsheizelementes auftreten können.

Die erfindungsgemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymere sind vor zugsweise frei von Ionen. Wie sich gezeigt hat, besitzen Polymere, die Io nen enthalten, eine nur geringe Alterungsbeständigkeit bei Einwirkung von elektrischen Strömen. Das erfindungsgemäß verwendete elektrisch leitende Polymer hingegen ist auch bei längerer Beaufschlagung mit Strom alte rungsbeständig. Als Reduktionsmittel für das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymers werden solche Reduktionsmittel verwendet, die entweder keine Ionen bilden, weil sie thermisch bei der Verarbeitung zersetzt werden, wie z. B. Hydrazin, oder mit dem Polymer selbst chemisch reagieren, wie z. B. Formaldehyd oder solche, deren Überschuß oder Reaktionsprodukte sich leicht auswaschen lassen, wie z. B. Hypophosphite. Als Metall oder Halbme talle werden vorzugsweise Silber, Arsen, Nickel, Graphit oder Molybdän verwendet. Besonders bevorzugt sind solche Metall oder Halbmetallverbin dungen, die durch reine thermische Zersetzung das Metall oder Halbmetall ohne störende Reaktionsprodukte bilden. Insbesondere Arsenwasserstoff oder Nickelcarbonyl haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Es kön nen sowohl elektrisch leitende Polymerisate wie Polystyrol, Polyvinylharze, Polyacrylsäure-Derivate und Mischpolymerisate derselben, als auch elek trisch leitende Polyamide und deren Derivate, Polyfluorkohlenwasserstoffe, Epoxyharze und Polyurethane erzeugt werden.

Die erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitenden Polymere können z. B. hergestellt werden, indem das Polymer mit 1-10 Gew.-% (bezogen auf das Polymer) einer Vormischung, die nach einer der folgenden Rezepturen hergestellt wurde, versetzt wird.

Beispiel 1

1470 Gew.-Teile Dispersion von Fluorkohlenwasserpolymers (55% Feststoff in Wasser), 1 Gew.-Teil Netzmittel, 28 Gew.- Teile Silbernitratlösung 10%, 6 Gew.-Teile Kreide, 8 Gew.- Teile Ammoniak, 20 Gew.-Teile Ruß, 214 Gew.-Teile Graphit, 11 Gew.-Teile Hydrazinhydrat.

Beispiel 2

1380 Gew.-Teile Acrylharzdispersion 60 Gew.-% in Wasser, 1 Gew.-Teil Netzmittel, 32 Gew.-Teile Silbernitratlösung 10%ig, 10 Gew.-Teile Kreide, 12 Gew.-Teile Ammoniak, 6 Gew.-Teile Ruß, 310 Gew.-Teile Graphit, 14 Gew.-Teile Hydrazinhydrat.

Beispiel 3

2200 Gew.-Teile dest. Wasser, 1000 Gew.-Teile Styrol (monomer), 600 Gew.-Teile Ampholytseife (15%ig), 2 Gew.- Teile Natriumpyrophosphat, 2 Gew.-Teile Kaliumpersulfat, 60 Gew.-Teile Nickelsuflat, 60 Gew.-Teile Natriumhypophospit, 30 Gew.-Teile Adipinsäure, 240 Gew.-Teile Graphit.

Claims

1. Flächiges Heizelement (1), das eine Widerstandsschicht (2), die ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, und zumindest zwei flächige Elek troden (3, 4), die auf einer Seite der Widerstandsschicht (2) nebeneinan der angeordnet und durch eine Isolierung (8) voneinander getrennt sind, umfaßt.

2. Heizelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der den beiden flächigen Elektroden (3, 4) gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht (2) eine Schicht (5) mit hoher elektrischer Leitfä higkeit angeordnet ist.

3. Heizelement gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Widerstandsschicht (2) einen Aufbau aufweist, in dem verschiedene Widerstandsmaterialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen in Schichten vorliegen.

4. Heizelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (2) eine Kunststoff-Matrix (6) aus einem elektrisch leitenden Polymer und ein in der Matrix fein ver teiltes thermisch und elektrisch isolierendes Füllmaterial (7) umfaßt.

5. Heizelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (2) an ihren den Elektroden (3, 4) und gegebenenfalls der elektrisch leitenden Schicht (5) zugewand ten Oberflächen metallisiert ist.

6. Heizelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das elektrisch leitende Polymer einen positiven Tem peraturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist.