DE19961781C2 - Laminierbare Heizungsfolie mit hoher Temperaturbeständigkeit und Verfahren zum Aufbringen einer derartigen Heizungsfolie auf ein Trägermaterial - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizungsfolie mit einem mit einem Isolierwerkstoff verbundenen Heizwiderstand sowie ein Verfahren zum Aufbringen der Heizungsfolie auf ein Substrat.

Aus der Druckschrift DE 23 29 424 A1 ist ein Widerstand, insbesondere ein Flächenhei­ zelement, mit hoher Belastbarkeit bekannt. Dieses Flächenheizelement besteht aus einer dichten Keramik von 0,5 bis 1,1 mm Dicke und hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit. Die dichte Keramik kann aus mindestens zwei Keramikfolien bestehen. Alternativ kann die dichte Keramik aus mindestens einer Keramikfolie und einer Glasurschicht bestehen. Aus der Druckschrift DE 33 25 204 A1 ist ein Heizelement aus elektrisch leitenden Werk­ stoffen bekannt, das auf einen Träger aus elektrisch isolierenden Werkstoffen aufge­ bracht ist. Aus der DE 37 23 345 A1 ist eine elektrische Heizvorrichtung für eine Heiz­ platte bekannt. Hierbei ist ein Heizwiderstand als gedruckte Leiterplatte und dadurch über eine Haftverbindung auf einem Träger aus einem hochtemperaturbeständigen, syntheti­ schen Papier angeordnet und mit seiner von diesem abgekehrten blanken Seite über eine ganzflächige Haftverbindung unmittelbar an der zugehörigen Aufnahmeseite des zu be­ heizenden Körpers befestigt. Aus der Druckschrift DE 40 12 643 A1 ist eine Anordnung für Wasser erwärmende Geräte bekannt, in der als Heizungselement flächenhafte Folien, die aus mehreren Lagen bestehen, verwendet werden. Zwischen diesen Lagen ist auf eine der Folien der Heizleiter durch Siebdruck von Silber- oder Kupferleitkleber aufge­ bracht. Aus der Druckschrift DE 198 13 786 A1 ist ein Backofen mit einstückiger Backofenmuffel bekannt, wobei zumindest die Innenseite der Muffelwand mit einer Sol-Gel- Hartschicht versehen ist.

Eine weitere Heizungsfolie ist bekannt aus der EP 0 298 567 A1, wobei sie in einem als Backblech dienenden Blechkörper angeordnet ist. Dieser weist zumindest zwei bereichs­ weise miteinander verbundene Formbleche auf. Das Heizelement enthält eine Heizfolie mit einem in Isoliermaterial eingebetteten Heizwiderstand. Vor dem Verbinden der Form­ bleche zu einem Blechkörper bzw. Backblech wird zwischen sie die Heizfolie eingelegt. Damit der Blechkörper mit der in ihm enthaltenen Heizfolie nach außen wasser- und dampfdicht abgeschlossen ist, ist der Zwischenraum zwischen den Seitenwänden der Formbleche durch eine Dichtmasse, wie beispielsweise Silikon, abdichtbar. Die Heizfolie kann an beiden Formblechen anliegen, so daß sich eine gute Wärmeübertragung mit geringen Wärmeverlusten sowohl für den Einsatz des Blechkörpers als Ober- wie auch als Unterhitze ergibt. Weiterhin kann eine gute Wärmeübertragung bezüglich Back- oder Bratgut erreicht werden, das unmittelbar auf dem Auflagebereich des Backbleches auf­ gebracht wird.

Aus der Druckschrift EP 0 838 638 A2 ist weiterhin bekannt, ein Heizelement auf ein Trä­ gerelement mittels Dünnfilm- oder mittels Dickfilmtechnologie aufzutragen, das beispiels­ weise zur direkten Aufnahme von Backgut ausgebildet ist. Auch kann als Trägerelement eine Wand einer Ofenmuffel dienen.

Aus der Druckschrift DD 216 594 A1 ist eine flexible Heizfolie bekannt, wobei eine Metall- oder Widerstandsschicht, die sich auf einem flexiblen Basismaterial, beispielsweise aus Polyester, befindet, mittels der bekannten photolithographischen Ätztechnik zu einer Lei­ terbahn ausgebildet, die von dem Heizstrom durchflossen wird.

Weiterhin ist aus der US 4,908,497 ein Heizfolienelement bekannt, wobei ein Heizleiter zwischen Filmen aus Isolierwerkstoff angeordnet ist. Der Isolierwerkstoff ist beispielswei­ se Polyester, PVC oder für höhere Temperaturen bis 200°C Polyimid.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gut laminierbare Heizungsfolie bereitzu­ stellen mit einer Temperaturbeständigkeit von über 250°C sowie ein Verfahren zum Auf­ bringen dieser Heizungsfolie auf ein Substrat bereitzustellen.

Erfindungsgemäß ist dies bei einer Heizungsfolie mit den Merkmalen des Patentanspru­ ches 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 erreicht. Eine derartig realisierte Heizungsanordnung erlaubt Dauergebrauchstemperaturen von über 250°C bis zu beispielsweise etwa 800°C. Vorteilhafterweise dient als Isolierwerkstofffolie eine Isolationsemailfolie, die ausreichende elektrische Isolationseigenschaften aufweist, um den einschlägigen Sicherheitsvorschriften, beispielsweise bei elektrischen Haushalts­ geräten, genügen zu können, bei Raumtemperatur ausreichend flexibel ist, um sich dem Oberflächenverlauf des zu beheizenden Substrates bzw. Trägers, beispielsweise einer Ofenmuffelwand oder eines Gargutträgers, anpassen zu können, sowie insbesondere auf Metall gut laminierbar ist, um vor dem Einbrennvorgang geeignet auf dem zu beheizen­ den Substrat fixiert werden zu können. Als Isolierwerkstoff können auch Glaskeramik, Keramik, Porzellan oder eine anorganisch-organische Hybridschicht z. B. aus Sol-Gel- Material Verwendung finden, z. B. über Sol-Gel-Technik hergestelltes und organisch mo­ difiziertes SiO₂.

Eine besonders kostengünstige und bezüglich der Produktionsausbeute gute Lösung ist erreicht, wenn der Heizwiderstand durch einen Heizdraht oder eine strukturierte Hei­ zungsfolie gebildet ist. Auch ist die Kontaktierung des Heizleiters dabei besonders ein­ fach. Die Realisierung des Heizleiters in Drucktechnik, beispielsweise mit Dickschichtpa­ sten, ist vergleichsweise teurer, und die Reproduzierbarkeit des Dickschichtheizleiterwi­ derstandes insbesondere bei erforderlichen Rüstvorgängen der Siebdruckmaschine pro­ blematischer. Auch wäre es möglich, das Heizleitermaterial über galvanische Verfahren oder Vakuumverfahren, wie beispielsweise CVD- oder PVD-Verfahren auf dem Isolier­ werkstoff zu applizieren.

Zum besseren Handling der Heizungsfolie weist diese eine Trägerfolie auf; zur Erleichte­ rung des Fixierens der Heizungsfolie auf einem zu beheizenden Substrat vor dem Lami­ niervorgang weist die Heizungsfolie eine Transferschicht, insbesondere eine Klebe­ schicht, auf.

Um unerwünschte Bewegungen des beispielsweise in Form eines Heizdrahtes realisier­ ten Heizleiters beim Einbrennen der Heizungsfolie auf den Träger bzw. das Substrat si­ cher auszuschließen, ist der Heizwiderstand in eine Fixierfolie der Heizungsfolie eingebettet. Diese Fixierfolie weist beispielsweise infolge höherer keramischer Anteile eine deutlich erhöhte Schmelzviskosität auf.

Zur verbesserten Wärmeverteilung in der Heizungsfolie kann in dieser eine Wärmever­ teilungsfolie vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist die Wärmeverteilungsschicht mit möglichst geringem Abstand zum zu beheizenden Substrat angeordnet.

Die Verfestigung und enge Verbindung der Heizungsfolie zum Substrat erfolgt vorteilhaf­ terweise durch Einbrennen in einem Ofen bei entsprechend der jeweiligen späteren An­ wendung der Heizanordnung gewählten Temperaturen. Alternativ wäre es auch möglich, den notwendigen Energieeintrag mit Lasertechnologie zu realisieren.

Nachfolgend sind anhand schematischer Darstellungen zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Heizungsfolie sowie ein Verfahren zum Aufbringen der Heizungsfolie auf ein Trägermaterial beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung stark vereinfacht eine Heizungsfolie gemäß ei­ nem Vergleichsbeispiel,

Fig. 2 die Heizungsfolie gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 3 in einer Schnittdarstellung stark vereinfacht eine Heizungsfolie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, sowie

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Backofenmuffel mit einer applizierten Heizungsfolie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Eine Heizungsfolie 1 gemäß dem Vergleichsbeispiel nach Fig. 1 weist eine Isolationse­ mailfolie 3 auf, auf die ein Dickschichtheizleiter 5 beispielsweise in Siebdrucktechnik appliziert ist. Die Isolationsemailfolie 3 besteht beispielsweise aus keramisch angerei­ chertem Isolationsemail mit einem organischen Binder, beispielsweise Polyvinyl-Alkohol, der der Folie ausreichende Flexibilität und Laminierbarkeit verleiht. Als Oxidations- und/oder Berührschutzschicht ist auf den Dickschichtheizleiter 5 wiederum eine weitere Isolationsemailfolie 3 aufgebracht und mit der Trägerisolationsemailfolie über Kaschieren verbunden. Die Gesamtstärke der Verbund-Heizungsfolie beträgt dabei je nach Anwen­ dung etwa 50 bis 500 µm, insbesondere etwa 300 µm. Seitlich frei zugänglich stehen von der Heizungsfolie 1 zwei Heizleiteranschlüsse 7 ab. Die Heizungsfolie 1 kann später an vorgesehener Stelle aufgeklebt, anschließend laminiert und schließlich eingebrannt wer­ den, beispielsweise an der Unterseite eines Backbleches oder einer Wand einer Ofen­ muffel. Dazu kann, falls es erforderlich ist, die Heizungsfolie 1 vorab geeignet perforiert oder zugeschnitten werden.

Eine Heizungsfolie 11 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 baut auf einer Trägerfolie 13 auf, die beispielsweise durch eine PE-Folie gebildet ist. Die Trägerfolie 13 dient dabei insbesondere als Folienträger, um die Heizungsfolie 11 während des Herstel­ lungs- und Applikationsprozess besser fertigungstechnisch handhaben zu können. Auf der Trägerfolie 13 ist eine Isolierglaskeramikfolie 15 als Berühr- und Oxidationsschutz vorgesehen. Die Folie 15 besteht aus elektrisch gut isolierender Glaskeramik mit einem Binder, beispielsweise Polyvinyl-Butyral. Als nächste Schicht weist die Heizungsfolie 11 eine Wärmeverteilungsfolie 17 beispielsweise aus gut wärmeleitendem Glas auf, die die in der Heizungsfolie 11 erzeugte Wärme über die gesamte Fläche der Heizungsfolie 11 besser verteilt und auf das zu beheizende Substrat leitet. Darauf folgen eine erste Fixier­ folie 19 und eine zweite Fixierfolie 21, zwischen denen ein Heizdraht 23 eingebettet ist. Die Fixierfolien 19, 21 bilden jeweils eine Schicht mit deutlich höherer Schmelzviskosität und können aus mit Al₂O₃ angereichertem Glas bestehen. So ist sichergestellt, daß wäh­ rend des Einbrennprozesses beim Applizieren der Heizungsfolie 11 auf einen Träger bzw. das Substrat ein Wandern des Heizleiters in der Heizungsfolie 11 ausgeschlossen ist. Der Heizdraht 23 kann also insbesondere nicht in elektrisch leitenden Kontakt mit dem Trä­ germaterial oder beispielsweise der Wärmeverteilungsfolie 17 kommen. Die Wärmever­ teilungsschicht 17 kann auch, wenn dies vorteilhaft ist, näher am zu beheizenden Sub­ strat angeordnet sein als beispielsweise die Fixierfolien 19, 21. Als Isolierschicht ist als obere Schicht der Heizungsfolie 11 eine weitere Isolierglaskeramikfolie 25 vorgesehen. Auf die Isolierfolie 25 ist eine Schicht eines geeigneten Transfermaterials 26 aufgebracht als erster Haftvermittler zwischen der Heizungsfolie 11 und einem zu beheizenden Trä­ germaterial bzw. Substrat im Applikationsprozess vor dem Laminiervorgang. Das Hei­ zungsfolien-Sandwich 11 mit seinen verschiedenen funktionellen Schichten (13, 15, 17, 19, 21, 25) und dem Heizleiter (23) wird nach dem Herstellungsvorgang zur Applikation der Heizungsfolie auf dem Substrat auf dieses geklebt, anschließend auflaminiert sowie später gemeinsam an dem zu beheizenden Substrat z. B. durch Einbrennen thermisch verfestigt und fest mit dem Trägermaterial verbunden.

Eine Heizungsfolie 31 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist nach Fig. 4 auf die Wände einer Ofenmuffel 33 appliziert. Der Folienaufbau ist dem des ersten Ausführungs­ beispieles vergleichbar, wobei als Heizelement im zweiten Ausführungsbeispiel eine Heizstrukturfolie 35 verwendet wird. Dazu kann die Metallfolie 35 vor dem Einbringen in die Heizungsfolie 31 durch beispielsweise Ätzen oder Stanzen realisiert sein. Es ist je­ doch auch möglich, die Metallfolie bzw. Heizstrukturfolie 35 erst nach dem Aufbringen auf die Isolationsemailfolie der Heizungsfolie 31 mittels Laserschneiden zu strukturieren. Über den Heizleiteranschluß 37 kann die Heizstrukturfolie 35 zum Beheizen der Ofen­ muffel an elektrische Spannung gelegt werden. Vor der Applizierung der Heizungsfolie 31 - oder auch der Heizungsfolie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel - auf den Muffel­ wänden 33 kann die als Trägermaterial bzw. Substrat dienende Muffelwand 33 in den relevanten Flächenbereichen entfettet und beispielsweise gestrahlt werden. Dadurch kann die Verbindung zwischen dem Substrat bzw. der Muffelwand und der Heizungsan­ ordnung beim späteren Einbrennen verbessert werden. Zur Applizierung der Heizungsfo­ lie 31 wird diese auf die Wand der Ofenmuffel 33 bei einer Temperatur von etwa 60 bis 150°C in wenigen Sekunden laminiert. Anschließend wird die Heizungs-Anordnung je nach Anwendung auf eine Temperatur von über 300°C, gegebenenfalls bis zu 900°C, erhitzt und die Heizungsfolie 31 auf dem Substrat eingebrannt. Beim Einbrennvorgang verflüchtigen sich die organischen Bestandteile der Heizungsfolie 31 und nach dem Ein­ brennen verbleibt auf dem Substrat ein in einen Isolationswerkstoff eingebettetes Heize­ lement, das fest mit dem Substrat verbunden ist. Nachfolgend wird die gesamte Hei­ zungsanordnung kontrolliert abgekühlt. Die Heizungsfolie 31 bzw. die Heizstrukturfolie 35 kann großflächig im wesentlichen allen Unebenheiten, wie z. B. Rippen oder Bombierun­ gen u. ä., der Wand der Backofenmuffel 33 folgen und ist über die gesamte Heizungsfoli­ enfläche unmittelbar und fest mit der Substratoberfläche verbunden. Dies führt zu einer über die gesamte Heizungsfolienfläche hervorragenden thermischen Ankopplung der Fo­ lie 31 an die Backofenmuffel 33. Dabei besteht der Isolationswerkstoff in Abhängigkeit von der Anwendung und dem geforderten Eigenschaftsprofil der Heizungsfolie aus Email, Glas, Glaskeramik, Keramik oder einer geeigneten anorganisch/organischen Hybridschicht. Besonders günstig ist, dass die funktionellen Schichten und der Heizleiter ge­ meinsam in einem einzigen Einbrennvorgang an der Oberfläche des zu beheizenden Trägermaterials eingebrannt werden können. Weiterhin kann zuvor die Laminierung der Heizungsfolien an den Wänden einer Ofenmuffel ohne großen Aufwand gleichzeitig erfol­ gen.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, daß die Heizungsfolie im Coil-Coating-Verfahren vor dem Umformen auf ein Substrat, beispielsweise aus Stahl oder emailliertem Stahl, aufgebracht wird. Der Stahl wird dann zusammen mit der applizierten bzw. laminierten Heizungsfolie geeignet umgeformt, und im umgeformten Zustand wird anschließend die Heizungsfolie geeignet thermisch verfestigt, insbesondere wie oben beschrieben einge­ brannt.

Claims (7)

1. Heizungsfolie mit einem Isolierwerkstoff und einem Heizwiderstand (23; 35), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsfolie (11; 31) eine Trägerfolie (13) aufweist auf der in einer Schichtfolge eine hochtemperaturbeständige und laminierbare Isolierwerkstofffolie (15), zumindest eine Fixierfolie (19; 21), in die der Heizwiderstand (23) eingebettet ist, eine weitere hochtemperaturbeständige und laminierbare Isolierwerkstoffolie (25) sowie eine Transfermaterialschicht (26) als Haftvermittler zwischen der Heizungsfolie und einem zu beheizenden Substrat vorgesehen ist.

2. Heizungsfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierwerkstoff eine anorganische oder anorganisch-organische Hybridschicht (35) dient.

3. Heizungsfolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand durch einen Heizdraht (23) oder eine Heizstrukturfolie (35) gebildet ist.

4. Heizungsfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsfolie (11) eine Wärmeverteilungsfolie (17) aufweist.

5. Verfahren zum Aufbringen einer Heizungsfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsfolie (11; 31) auf das Substrat laminiert wird, und dass anschliessend zum thermischen Verfestigen die Heizungsfolie auf eine Temperatur von über 300°C, insbesondere im Bereich von etwa 800 bis 900°C erhitzt wird.

6. Haushaltsgerät mit einem beheizbaren Substrat (33), dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizungsfolie (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf dem Substrat (33) aufgebracht ist.

7. Haushaltsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (33) eine unebene Oberfläche aufweist und dass die Heizungsfolie (31) grossflächig mit der Substratoberfläche verbunden ist und deren Verlauf folgt.