DE19848860A1

DE19848860A1 - Elektrisches Heizelement und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE19848860A1
Application number: DE1998148860
Authority: DE
Inventors: Roland Stoeckl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 1999-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement mit einer auf einen Träger 1, 6 aufgebrachten als elektrische Widerstandsheizung ausgebildeten Heizschicht 3, wobei die Heizschicht aus elektrisch leitenden nichtmetallischen Fasern 4 gebildet ist, die in eine aus Kunststoff 5 hergestellte Schicht eingebettet sind. Zur Bereitstellung eines besonders robusten Heizelements wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die elektrisch leitenden nichtmetallischen Fasern 4 als Vlies ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner ein Verfah ren zur Herstellung des Heizelements und eine Verwendung.

Aus der DE 42 21 454 A1 ist ein aus elektrisch leitfähigen Fasergeweben hergestelltes Heizelement bekannt. Zur Herstel lung eines solchen Heizelements ist es nachteiligerweise er forderlich, das Fasergewebe an den Keuzungspunkten zu ver pressen. Die gebildete Struktur weist in der Praxis mitunter keinen einheitlichen Durchgangswiderstand über der Fläche auf. Es kommt zu unerwünschten lokalen Überhitzungen, die zur Zerstörung des Heizelements führen können.

Nach dem Stand der Technik sind ferner beheizbare Außenrück spiegel für Kraftfahrzeuge bekannt. Eine dabei auf der Glas scheibe hinter einer Spiegelschicht aufgebrachte Heizschicht ist aus einer Folie hergestellt, die als elektrische Wider standsheizelemente aufgedruckte metallische Leiterbahnen trägt.

Z. B. aus der DE 37 11 035 C2 sind elektrische Flächenheizkör per bekannt, bei denen eine metallische Leiterbahnen tragende Platine auf einen Wärmespeicher, z. B. eine Steinplatte, auf geklebt ist. Die metallischen Leiterbahnen bestehen dabei üb licherweise aus Kupfer.

Beim Bruch der metallischen Leiterbahn kommt es zumindest teilweise zu einem Ausfall der Heizwirkung. Der die Heiz schicht aufnehmende Träger wird dann nur noch abschnittsweise beheizt. Der Widerstand der verwendeten metallischen Leiter nimmt mit der Temperatur zu. Also muß bei hoher Temperatur eine vergleichsweise hohe Stromleistung zum Heizen aufge bracht werden. Das ist insbesondere beim Dauerheizbetrieb nachteilig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein einfaches und kostengünstiges Heizelement bereitgestellt werden, das robust aufgebaut ist und im Dauerheizbetrieb eine möglichst geringe Leistungsaufnahme aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 und 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10, 12 bis 20 so wie 22 bis 24.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die elek trisch leitenden nichtmetallischen Fasern als Vlies ausgebil det sind.

Unter einem Vlies wird eine schichtartiges Gebilde verstan den, das aus regellos angeordneten Fasern gebildet ist.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich durch das Einbet ten eines solchen Vlieses in eine Kunststoffschicht keine Be einträchtigung der elektrischen Eigenschaften des Vlieses zu beobachten sind. Hier war an sich erwartet worden, dass die feinen und elektrisch nicht speziell miteinander verbundenen Fasern durch den Kunststoff elektrisch isoliert werden. Den noch wird mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ohne weiteres eine gute Heizleistung erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Heizschicht liegt darin, dass die Fasern nichtmetallischer Natur sind und daher die Gefahr einer Korrosion beseitigt ist.

Zudem liegen die Fasern im Vlies ungerichtet vor. Die Her stellung besonderer Leiterbahnen ist nicht erforderlich. Ein Ausfall der Heizwirkung durch den Bruch einer Leiterbahn ist nicht zu befürchten. Es wird über die Gesamtfläche des Vlie ses eine homogene Wärmewirkung erzielt. Lokale Überhitzungen werden nicht beobachtet. Eine solche Heizschicht ist einfach und kostengünstig herstellbar.

Nach einem Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung sind die nichtmetallischen Fasern Kohlenstoff-Fasern. Kohlenstoff weist vorteilhafterweise eine negative Kennlinie auf. D. h. der elektrischer Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Die elektrische Leistungsaufnahme eines aus Kohlenstoff- Fasern hergestellten Vlieses ist im Dauerheizbetrieb ver gleichsweise gering.

Die Kohlenstoff-Fasern können zweckmäßigerweise aus einem Po lyacrylnitril-Precursor hergestellt sein. Solche Fasern wei sen einen Durchmesser von etwa 2 bis 8, vorzugsweise 6 µm, auf. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohes Elastizi tätsmodul und niedrige Dichte aus.

Zweckmäßigerweise ist das Vlies abschnittsweise mit einer ei nem metallischen Leiter, vorzugsweise Kupfer, imprägniert. So kann auf einfache Weise eine zuverlässige Kontaktierung des Vlieses bereitgestellt werden. Die Imprägnierung kann mittels Galvanisierung erfolgen. Es ist aber auch eine Imprägnierung durch Einbringen schmelzflüssigen metallischen Materials in das Vlies denkbar.

Die Kunststoffschicht kann aus einem Harz, insbesondere einem Epoxidharz, hergestellt sein. Ein solches Harz lässt sich be sonders einfach verarbeiten. Es gewährleistet einen sicheren Schutz des Vlieses vor Umwelteinflüssen.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal ist die Heizschicht ein vorgefertigtes Montageteil. Dadurch kann eine Massenfer tigung besser bewerkstelligt werden.

Als Träger kommt an sich jegliches zu beheizendes Element in Frage. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, dass der Träger ein Außenrückspiegel für ein Kraftfahrzeug mit einer an einer Rückseite einer Glasscheibe angebrachten Spiegel schicht ist. Ferner kann es sich bei dem Träger um eine Steinplatte, vorzugsweise eine Marmorplatte, handeln. Es ist aber auch die Verwendung anderer Träger, wie z. B. Tragflächen von Flugzeugen, Rotorblätter von Helikoptern und dgl. denk bar.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Heizschicht mit ih rer einen Seite mittels einer ersten gummielastischen Masse an einer Rückseite des Trägers anzubringen. Durch die Verwen dung der ersten gummielastischen Masse können unterschiedli che Ausdehnungkoeffizienten des Trägers und der Heizschicht ausgeglichen werden.

Insbesondere zur Herstellung eines Raumheizkörpers ist es von Vorteil, dass an der anderen Seite der Heizschicht eine mit tels einer zweiten elastischen Masse befestigte thermische Isolationsschicht, insbesondere eine Glimmerschicht, vorgese hen ist. Das bewirkt einen gezielten Wärmeabfluss auf den Träger. Der Träger wird so besonders gut beheizt.

Eine mit dem metallischen Leiter verbundene Leitung kann durch einen in der thermischen Isolationsschicht vorgesehenen Durchbruch geführt sein. Das ermöglicht einen besonders kom pakten Aufbau des elektrischen Heizelements.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung ei nes elektrischen Heizelements mit folgenden Schritten vorge sehen:

a) Zuschneiden eines aus elektrisch leitenden, nichtmetal lischen Fasern hergestellten Vlieses,
b) Einbetten des Vlieses in eine aus Kunststoff hergestell te Schicht und
c) Anbringen des Vlieses an einem Träger.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung eines elektrischen Heiz elements. Das elektrische Heizelement ist besonders robust, aufgebaut. Aufgrund der besonderen Ausbildung der Heizschicht ist ein zumindest abschnittsweiser Ausfall der Heizwirkung über der Heizfläche nicht zu befürchten.

Nach einer vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Vlies vor dem Schritt lit. b abschnittsweise mit einem metallischen Leiter, vorzugsweise Kupfer, imprägniert werden. Die Impräg nierung erfolgt vorteilhafterweise galvanisch durch ab schnittsweises Tauchen des Vlieses in ein, vorzugsweise Kup fer-Ionen, enthaltendes saueres Elektrolytbad. Anstatt Kupfer kann auch eine Kupfer-Legierung oder eine andere geeignete Metall-Legierung verwendet werden. Die Herstellung einer sol chen Imprägnationsschicht ist einfach und kostengünstig. Im Anschluß an die Imprägnierung ist es zweckmäßig, das Vlies in eine Kunststoffschicht einzubetten. So wird ein einfacher und kostengünstiger Schutz vor der Einwirkung von Umwelteinflüs sen erzielt.

Nach weitere Maßgabe der Erfindung ist die Verwendung eines aus elektrisch leitenden, nichtmetallischen Fasern herge stellten Vlieses zur Herstellung der Heizschicht eines elek trischen Heizelements vorgesehen.

Es wird zweckmäßigerweise ein Vlies verwendet, bei dem die nichtmetallischen Fasern Kohlenstoff-Fasern sind, wobei das Vlies abschnittsweise mit einer elektrisch leitenden; vor zugsweise Kupfer enthaltenden, metallischen Leiter imprä gniert ist. Vorteilhafterweise ist das Vlies in eine aus Kunststoff hergestellte Schicht eingebettet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Außen rückspiegels,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines elek trischen Heizkörpers und

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A' in Fig. 2.

In Fig. 1 weist ein Außenrückspiegel für Kraftfahrzeuge eine Spiegelscheibe 1 auf, an deren Rückseite eine Spiegelschicht 2 vorgesehen ist. Auf der der Spiegelscheibe 1 abgewandten Seite der Spiegelschicht 2 ist eine Heizschicht 3 zum Behei zen des Außenrückspiegels vorgesehen.

Die Heizschicht 3 enthält eine Vliesschicht aus elektrisch leitenden, nichtmetallischen Fasern. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel sind die Fasern Kohlenstoff-Fasern 4, welche aus einem Polyacrilnitril-Precursor hergestellt sind. Ein derartiges Fasermaterial ist handelsüblich z. B. unter dem Handelsnamen Tenax® bekannt. Die aus den Kohlenstoff-Fasern 4 gebildete Vliesschicht ist einer aus Kunststoff 5 hergestell ten Schicht eingebettet.

Die Anschlüsse an eine Stromversorgung werden in dieser Aus führungsform durch eine (hier nicht gezeigte) selbstklebende Kupferfolie hergestellt, welche an geeigneter Stelle auf die Heizschicht 3 aufgeklebt wird. Da die Faserenden der Kohlen stoff-Fasern 4 die Klebeschicht der Kupferfolie durchdringen, ist eine zuverlässige elektrische Verbindung herstellbar.

Die Kunststoffschicht 5 kann ferner derart ausgebildet sein, dass sie an der der Spiegelschicht 2 abgewandten Seite der Heizschicht 4 deckend vorliegt, so dass die Kohlenstoff- Fasern 4 gegen äußere Einflüsse geschützt sind. Das Material der Vliesschicht kann hinsichtlich der Dicke, der Faserstärke und der genutzten Fläche auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Insbesondere können dabei folgende unter dem Handelsnamen Tenax® bekannte Materialien verwendet wer den:

Da die Vliesschicht vor dem Einbetten in die Kunststoff schicht verformbar vorliegt, kann diese an die jeweilige Wöl bung des Außenrückspiegels angepasst werden. Ferner können Löcher für die Anschlüsse der Einstellelemente des Außenrück spiegels vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines elektrischen Heizkörpers. Eine Steinplatte 6 ist auf ihrer einen Seite mit einem ersten Silikonkautschuk 7 überdeckt. Darüber befindet sich die Heizschicht 3. Sie ist aus Kohlen stoff-Fasern 4 gebildet, die in einer aus Kunststoff 5 herge stellten Schicht eingebettet vorliegen. Randlich sind die elektrisch leitenden Fasern 4 mit einem metallischen Leiter 8 imprägniert. Die so hergestellten metallischen Kontaktzonen sind durch eine Schraffur angedeutet. Die Kontaktzonen sind elektrisch mit Leitungen 9 verbunden, welche an einen Über hitzungsschutz 10 angeschlossen sind. Der Überhitzungsschutz 10 steht mit einer (hier nicht gezeigten) Stromversorgung in Verbindung.

Der Überhitzungsschutz 10 ist hier auf eine Glimmerplatte 11 montiert. Die Glimmerplatte 11 ist mittels einer zweiten Si likonkautschukschicht 12 auf eine erste, die Heizschicht 3 einbettende Silikonkautschukschicht 7 aufgeklebt.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäß der Schnittlinie A-A' in Fig. 2 daraus ist nochmals die Anordnung der abschnittsweise mit einem metallischen Leiter 8 imprägnierten Kontaktzonen erkennbar.

Selbstverständlich kann die Heizschicht 3 auch als separates Montageelement vorliegen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass sowohl die Kohlenstoff-Fasern 4 des Vlieses als auch die mit dem metallischen Leiter 8 imprägnierten Kontaktzonen mit dem Kunststoff 5 umhüllt sind.

Zur Herstellung des Heizelements nach dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel wird ein aus Kohlenstoff-Fasern 4 hergestelltes Vlies in eine Spannvorrichtung mit Abblendrahmen eingelegt und elektrisch leitfähig kontaktiert. Das Vlies wird an schließend zusammen mit der Spannvorrichtung in einen Kupfer- Ionen enthaltendes saueres Elektrolytbad getaucht. Anschlie ßend verbleibt das Vlies etwa 5 Minuten stromlos im Elektro lyten. Dabei durchtränkt der Elektrolyt das Vlies vollstän dig.

Danach wird mit einer Stromdichte von 1 A/qdm für 5 Minuten anschlagverkupfert. Die Stromdichte kann anschließend auf 2 bis 4 A/qdm erhöht und so eine Deckschicht aufgalvanisiert werden. Dieser Vorgang dauert etwa 10 bis 20 Minuten. Nach dem Galvanikprozess wird das Vlies in üblicher Weise gespült, aus der Spannvorrichtung entnommen und bei 60 bis 70° im Um lufttrockenofen für 20 Minuten getrocknet.

Anschließend werden Kabel an die mit metallischem Kupfer im prägnierten Kontaktzonen gelötet. Danach wird das kontaktier te Vlies in flüssigen Kunststoff eingebettet. Mit Ausnahme der Kontaktzonen wird dabei das Vlies vom Kunststoff durch drungen. Zur elektrischen Isolierung können die Kontaktzonen ebenfalls mit Kunststoff umgeben werden.

Die Kunststoffschicht kann auch aus einem anderen Kunststoff material als dem hier vorgesehenen Epoxidharz ausgebildet werden. Dieses Material sollte jedoch in der Lage sein, die Fasern einzubetten und dabei vor äußeren Einflüssen schützen.

Ferner können auch beliebige andere nichtmetallische Fasern anstelle der Kohlenstoff-Fasern verwendet werden, sofern die se elektrisch leitfähig sind. Das erfindungsgemäße Vlies kann aus ungerichteten Fasern oder gerichteten Lagen bestehen. Ferner ist auch die Verwendung von Filamentgarn, Faserkurz schnitt und Faserpapier möglich. Zudem können auch gewebte oder andere flächige Fasermaterialien zum Einsatz kommen.

Bezugszeichenliste

1

Glasscheibe

2

Spiegelschicht

3

Heizschicht

4

Kohlenstoff-Faser

5

Kunststoff

6

Steinplatte

7

erste Silikonkautschukschicht

8

metallischer Leiter

9

Anschlußkabel

10

Übertemperaturschutz

11

Glimmerschicht

12

zweite Silikonkautschukschicht

Claims

1. Elektrisches Heizelement mit einer auf einen Träger (1, 6) aufgebrachten als elektrische Widerstandsheizung ausgebildeten Heizschicht (3), wobei die Heizschicht aus elektrisch leitenden nichtmetallischen Fasern (4) gebildet ist, die in eine aus Kunststoff (5) herge stellte Schicht eingebettet sind, dadurch gekennzeich net, dass die elektrisch leitenden nichtmetallischen Fasern (4) als Vlies ausgebildet sind.

2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, wobei die nichtmetallischen Fasern Kohlenstoff-Fasern (4) sind.

3. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vlies abschnittsweise mit einem metallischen Leiter (8), vorzugsweise Kupfer, imprä gniert ist.

4. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kunststoff (5) aus einem Harz, insbesondere einem Epoxidharz, hergestellt ist.

5. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizschicht (3) ein vorgefertigtes Montageteil ist.

6. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (1, 6) ein Außenrückspiegel für ein Kraftfahrzeug mit einer an einer Rückseite ei ner Glasscheibe (1) angebrachten Spiegelschicht (2) ist.

7. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (1, 6) eine Steinplatte (6), vorzugsweise eine Marmorplatte, ist.

8. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizschicht (3) mit ihrer einen Seite mittels einer ersten gummielastischen Masse (7) an einer Rückseite des Trägers (1, 6) angebracht ist.

9. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 8, wobei an der anderen Seite der Heizschicht (3) eine mittels einer zweiten gummielastischen Masse (12) befestigte thermi sche Isolationsschicht, insbesondere eine Glimmer schicht (11), vorgesehen ist.

10. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mit dem metallischen Leiter (8) verbundene Leitung (9) durch einen in der thermischen Isolationsschicht (11) vorgesehenen Durchbruch geführt ist.

11. Verfahren zur Herstellung eine elektrischen Heizele ments mit folgenden Schritten.

a) Zuschneiden eines aus elektrisch leitenden nichtme tallischen Fasern (4) hergestellten Vlieses,
b) Einbetten des Vlieses in eine Kunststoffschicht und
c) Anbringen des Vlieses an einem Träger (1, 6).

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die nichtmetallischen Fasern Kohlenstoff-Fasern (4) sind.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Vlies vor dem Schritt lit. b abschnittsweise mit einem metalli schen Leiter (8), vorzugsweise Kupfer, imprägniert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis, 13, wobei die Imprägnierung galvanisch durch abschnittsweises Tauchen des Vlieses in ein, vorzugsweise Kupfer-Ionen enthal tendes, saures Elektrolytbad erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Kunststoffschicht (5) aus einem Harz, insbesondere ei nem Epoxidharz, hergestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Heizschicht (3) als vorgefertigtes Montageteil ausge bildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei als Träger ein Außenrückspiegel für Kraftfahrzeuge mit ei ner an einer Rückseite einer Glasscheibe (1) angebrach ten Spiegelschicht (2) verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei als Träger eine Steinplatte (6), vorzugsweise eine Marmor platte, verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Heizschicht (3) mit ihrer einen Seite mittels einer er sten gummielastischen Masse (7), vorzugsweise Silikon kautschuk, an einer Rückseite des Trägers (1, 6) ange bracht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei mittels einer zweiten gummielastischen Masse, vorzugsweise Silikonkautschuk, an der anderen Seite der Heizschicht (3) eine thermi sche Isolationsschicht, insbesondere eine Glimmer schicht, angebracht wird.

21. Verwendung eines aus elektrisch leitenden nichtmetalli schen Fasern (4) hergestellten Vlieses zur Herstellung einer Heizschicht (3) eines elektrischen Heizelements.

22. Verwendung nach Anspruch 21, wobei die nichtmetalli schen Fasern Kohlenstoff-Fasern (4) sind.

23. Verwendung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei das Vlies abschnittsweise mit einem metallischen Leiter (8), vorzugsweise Kupfer, imprägniert ist.

24. Verwendung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Vlies in eine aus Kunststoff (3) hergestellte Schicht eingebettet ist.