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Drahtlose Flächenheizelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung Die
Erfindung betrifft drahtlose elektrische Flächenheizelemente, die beispielsweise
aufgrund ihrer elastischen und flexiblen Eigenschaften insbesondere für die Verwendung
schmiegsamer Blektrowärmegeräte, z.B. Heizkissen, vorgesehen sind, jedoch auch für
bestimmte technische Aufgaben mit Vorteil anwendbar sind, bei denen starre Anordnungen
erwünscht sind.
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Bei herkömmlich verwendeten elektrischen Wärmeerzeugern wird elektrische
Energie durch sogenannte Widerstandsdrähte, nach den Joul'schen Gesetzen, in Stromwärme
überführt, wobei die erzeugte Wärme vom Widerstandsdraht über eine Isolation an
die eigentliche, wärmeabstrahlende Nutzfläche geleitet wird. Diese Ifcizlciterdrahte,
die z.B. aus Nickelin oder Rheotan und Konstantandraht bestehen, brechen leicht
bei mechanischer Beanspruchung aufgrund von Ermüdungserscheinungen.
Die
damit verbundenen Nachteile liegen auf der Hand. Es ist verständlich, daß nach diesem
System aufgebaute schmiegsame Wärmeerzeuger empfindlich gegen jede Art mechanischer
Beanspruchung sind und weder als biegsam, flexibel noch elastisch benannt werden
dürften. Für schmiegsame Elektrowärmegeräte wird vom VDE der Aufdruck "nicht falten"
empfohlen. In der allgemeinen Technik, im Haushalt und in der Medizin, sind jedoch
elastische, flexible Wärmeerzeuger erwünscht, z.B. wenn komplizierte Konturen erwärmt
werden sollen oder wenn Druck-Biegeauslenkungen gefordert werden, wie es z.B. bei
einem sich den Körperkonturen anpassendem Heizkissenpolster erwünscht ist. ran hat
deshalb verschiedentlich versucht, die Widerstandsdrähte durch ein anderes Itaterial
zu ersetzen, das eine wesentlich bessere mechanische Stabilität aufweist.
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So ist es bekannt, ei flexibles Trägermaterial mit leitendem Graphit
zu imprägnieren und das so geschaffene Heizelement fur heizbar Bettdecken und dergleichen
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).
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Bei diesen bekannten Heizelementen ist die Gefahr des Leiterbruchs
vor allem bei organischen Trägern elimealiert.
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Trotz dieses Vorzuges haben sie sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen
können. Der Grund dafür dürfte darin zu suchen sein, daß die Trägermaterialien,
sowie die Seite
substanzen, nicht den gewünschten mechanischen Beanspruhunger
standhalten, sobald Zug- oder Druckkräfte einwirken.
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Es sind auch z.3. flexible Heizelemente aus Textilgewebe bekannt,
die ihre Leitfähigkeit durch Bestreichen oder Imprägnieren mit einer Graphitdispersion
erhalten. Mit Textilgewebe ist hierbei eine mechanische Verbindung von Kett- und
Schußfaden gemeint. Die mit Hilfe einer Dispersion auf die Textilfäden aufgetragene
Graphitschicht liegt auf den Kett- und Schußfäden und verbindet sie. Diese Verbindung
ist weder flexIbel noch elastisch, so daß eine leichte Zugbelastung eines einzelnen
Kett- oder Schußfadens die Graphitschicht aufreißen läßt, auch dann, wenn zusätzliche
Bindemittel, wie Kunstharze, die Haftung verstärken sollen. Wird dieses leitfähige
Gewebe dann mit einer elektrisch isolierenden Abdeckfolie kaschiert, oder anders
mechanisch belastet, so verändern sich die elektrischen Werte aufgrund der Fadenbewegungen
zu nicht reproduzierbaren Werten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, drahtlose
Fläch@nheizelemente und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, das die
Herstellung flexibler, elastischer Heizelemente mit mechanischer und elektrischer
Stabilität sowie reproduzierbaren elektrischen Werten ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe unter anderem dadurch, daß die Bewegungsfreiheit
der Einzelfäden eingeschränkt wird, inde;; das Gewebe einseitig mit einer Kunststoffkaschierung
versehen wird, und daß als Bindemittel für die leitfähigen
Substanzen
ein hochelastischer, alterungsbeständiger Kunststoff gewählt wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein drahtloses Flächenheizeiement,
das aus einem einseitig kaschierten Gewebe und einer auf der nicht kaschierten Seite
des Gewebes angebrachten Kunststoffschicht besteht, bei dem die nicht kaschierte
Seite des Gewebes vor dem Arbringen der Kunststoffschicht mit einer wässrigen, elektrisch
leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion behandelt und mit elastischen
Elektroden und entsprechenden elektrischen Anschlußstellen versehen wurde.
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Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen drahtlosen Heizelemente
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, dem Ausführungsbeispiel und den
Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1 ein einseitig kaschiertes Gewebe, z.B.
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Textilgewebe, bestehend aus dem Gewebe 1 und der Kunststoffkaschierung
2, Fig. 2 ein mit elastischen Elektroden 3 und Anschlußflächen für Stromzuführung
4 versehenes kaschiertes Gewebe, Fig. 3 den gleichen Gegenstand wie Fig. 2, auf
den jedoch nachträglich ein Heizfilm 5 aufgetragen wurde,
Fig. 4
das erfindungsgemäß behandelte, einseitig kaschierte Gewebe zusammen mit einem Rahmen
6 zur Herstellung der Schaumstoffschicht, Fig. 5 ein erfindungsgemäßes drahtloses
Plächenheizelement, bestehend aus dem mit der elektrisch leitende Partikel enthaltenden
Kunststoffdispersion behandelten einseitig kaschierten Gewebe 7 und dem Schaumstoffpolster
8 sowie der Anschlußschnur 9.
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Für die Zwecke der Erfindung lassen sich grundsätzlich alle einseitig
kaschierten Gewebe verwenden, wobei das Gewebe aus organischen oder anorganischen
Materialien bestehen kann. Vorzugsweise werden jedoch saugfähige Gewebe eingesetzt,
da bei der Behandlung dieser Gewebe mit der wässrigen Dispersion eine bessere Haftung
des zu bildenden elektrisch leitfähigen Films erzielt wird.
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Die Verwendung von nicht saugfähigen Geweben ist natürlich auch möglich,
nämlich dann, wenn die aufzubringenden elektrisch leitfähigen Filme ausreichend
auf dem Gewebe haften. Als Textilgewebe können solche aus Natur- wie aus Kunstfasern
eingesetzt werden. Hinsichtlich der Kaschierung haben sich erfindungsgemäß insbesondere
solche einseitig kaschierten Gewebe bewährt, bei denen die Kunststoffbeschichtung
etwa 100 g/m2 beträgt. Besonders bevorzugt werden gemäß der Erfindung die einseitig
mit flexiblem Kunststoff kaschierten Textilgewebe, beispielsweise die, die im Handel
unter den Bezeichnungen Vistram und Knautschlack erhältlich sind. Selbstverständlich
kann
man gemäß der vorliegenden Erfindung auch starre Heizelemente, .sçB. Wand- oder
Deckeriheizungen, herstellen, wobei man dann auf die nicht kaschierte Seite des
Gewebes beispielsweise einen Polyurethanhartschaum ausbringt ür solche Zwecke könnte
das Gewebe natürlich auch mit einem starren Kunststoff kaschiert sein.
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Die in der wässrigen Kunststoffdispersion enthaltenen elektrisch leitenden
Partikelchen können aus Xohlenstoff, z.B. Ruß oder Graphit, aus Edelmetall oder
aus mit Edelmetall beschichteten anderen Metallen oder anderen Nichtmetallen bestehen.
Vorzugsweise wird erfindungsgemäß Ruß eingesetzt, insbesondere ein Acetylenruß,
beispielsweise wie er im Handel in Form einer wässrigen Dispersion erhältlich ist.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen flexiblen und elastischen drahtlosen
Flächenheizelemente eignen sich als Kunststoffdispersionen, die vor dem Aufbringen
auf das Gewebe mit den elektrisch leitenden Partikelchen vermischt werden, alle
Kunststoffdispersionen, die einen elastischen, alterungsbeständigen Film bilden.
Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung eine ziege wässrige Dispersion von Polyisobutylen
verwandt.
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Zur Herstellung der wässrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden
Kunststoffdispersion vermischt man beispielsweise eine wässrige Dispersion von Polyisobutylen
mit einer wässrigen Rußdispersion, wobei
man die Viskosität der
Kunststoffdispersion durch das Abmischen mit der Rußdispersion so einstellt, daß
man eine gut streichfähige Mischung erhält. Diese Mischung wird dann beispielsweise
auf die Gewebeseite des einseitig kaschierten Textilgewebes aufgetragen, d.h. auf
das Textilgewebe, wobei das Textilgewebe die heizfilmbildende Mischung schnell aufsaugt.
Der Film bildet sich innerhalb 30 Min. bei Raumtemperatur. Anschließend wird der
Film, je nach aufgetragener Schichtdicke, einige Stunden bei 800 C künstlich gealtert.
Die Alterung ist für eine Widerstandsstabilisierung notwendig, weil die vorher in
der Kunststoffdispersion vorhandenen Kunststoffpartikel, durch i;ünstliche Alterung,
eine Schrumpfung zeigen. Die schrumpfung wirkt sich dadurch aus, daß der Kontakt
der an den Kunststoffpartikeln anhaftenden, leitfähigen Partikel etwas gelockert
wird, wodurch der elektrieche Widerstand des Films etwas ansteigt. Die den Heizfilm
bildende Dispersion besteht vorzugsweise aus einer wässrigen Kunststoffdispersion,
die durch H nzumischen einer wässrigen Rußdispersion auf die gewünschten Werte bezüglich
einer Leitfähigkeit und der Verarbeitungseigenschaft eingestellt wird. Eine fertige
Folie mit dem auf der Rückseite aufgetragenen elektrisch leitfähigen Film ist flexibel
und zeigt überraschend gutes elastisches Verhalten.
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Für den weiteren Aufbau eines Heizelementes werden darüber hinaus
mindestens zwei Elektroden benötigt.
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Die Elektroden haben die Aufgabe, einen zwischen den Elektroden, über
die gesamte leitfähige Fläche gleichmäßigen
Widerstandswert einzustellen.
Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden gelegt, so bildet sich, aufgrund
des Pilmwiderstandes, ein homogenes Spannungspotential zwischen den Elektroden.
Die Elektroden können aus flexiblem Metallband oder z.B. aus kupferkaschierten Kunststoffolien
gefertigt werden, solange die Elektroden nicht mechanisch beansprucht werden.
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Für beheizbare Autosltze, Xeizkissen, Heizdecken und dergleichen ist
eine flexible und in gewissen Grenzen elastische Elektrode erforderlich, weil diese
Heizelemente über die gesamte Fläche mit Druck- und Biegeauslenkungen belastet werden.
Neben der Erfüllung dieser mechanischen Anforderungen müssen die Elektroden eine
sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die etwa den metallischen Leitern
entspricht. Es wurde gefunden, daß Elektroden mit elastischen und gut leitenden
Eigenschaften, die wie nachfolgend beschrieben hergestellt werden, besonders gut
für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet sind. Als Leitsubstanz wird nicht Pulver
aus Massivsilber, sondern ein Pulver aus versilbertem Kupfer verwendet. Das Pulver
ist im Handel erhältlich. Die Teilchengröße liegt bei etwa 180 Mikron. Andere Metallpulver,
außer mit Edelmetallen beschichtete, sind hierfür nicht brauchbar. Zur Herstellung
der Elektroden gibt man beispielsweise ein Pulver aus versilbertem Kupfer mit einem
Deilchendurchmesser von ca. 180 Mikron unter Rühren in eine ziege wässrige Acrylharzdispersion.
Es wird soviel Pulver zugegeben, daß die Mischung gerade noch streichfähig ist.
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Da die relativ großen etallpulverpartikel neben den tangentialen Berührungspunkten
größere Zwischenräume zeigen, wird in die vorhandene Mischung eine 25%ige wässrige
Rußdispersion eingerührt. Die Rußdispersion mit 25 % gut leitendem Azetylenrußgehalt
(23 Millikron-Teilchendurchmesser) füllt die vorher unausgefüllten Zwischenräume
nach dem Abtrocknen der filmbildenden Trägerflüssigkeit vollständig mit Rußpartikeln
aus. Dadurch wird der Korngrenzenw.derstand der Metallpartikel erheblich entlastet.
Es handelt sich hierbei um eine Parallelschaltung von Einzeiwiderständen.
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Diese sehr gut leitenden Filme xi' aben je nach Schichtstärke einen
Widerstand von etwa 0,1 Ohm/cm2 und zeigen nach einer Trocknungszeit von etwa 1
Stunde bei Raumtemperatur ein gutes flexibles und elast sches Verhalten.
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Die auf der nicht kaschierten Seite des Gewebes nach der Behandlung
mit der wassrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion,
aufgebrachte Kunststoffschicht kann irgendein beliebiger homogener oder geschäumter
Kunststoff sein, der den gewünschten Anforderungen entspricht. Vorzugsweise besteht
die Kunststoffschicht aus Polyurethang insbesondere aus weichelastischem Polyurethanschaurn,
der sich besonders leicht direkt an die Gewebeschicht anschäumen läßt. Die Herstellung
der verschiedenartigen Polyurethanschäume, d.h. der Weich- und Hartschäume, ist
dem Fachmann bekannt.
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Die erfindungsgemäßen drahtlosen Widerstandsheizungen, die vorzugsweise
mit einer rückseitigen Polyurethanschaumbeschichtung kaschiert sind, sind universell
einsetzbar. Polyurethanmaterialien zeichnen sich neben ihrer guten Verarbeitbarkeit
zu Weich- und Hartschäumen besonders durch ihr ausgezeichnetes thermisches Isoliervermögen
aus. Die erfindungsgemäßen Heizelememte zeigen insbesondere drei. Vorteile: 1. Die
erzeugte Wärme wird nur über die Nutzfläche abgegeben, so daß minimale Konduktionsverluste
austreten.
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2. Bedingt durch die geringen Wärmeverluste und den Aufbau der Heizfläche
sind die Aufheizzeiten selbst bei quadratmetergroßen Heizflächen sehr kurz.
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3. Dadurch, daß die Polyurethanrückseite weich, federnd elastisch
oder hart ausgelegt werden kann, ist die Fertigung heizbarer Polsterelemente und
Wand- und Großflächenheizungen in nur einem Arbeitsgang möglich.
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Das Gewicht einer 1 m2 großen und 20 mm starken heiz flache beträgt
etwa 1000 g. Die wärmeabstrahlende Seite besteht aus flexiblem Material, das in
den unterschiedlichsten Designs geliefert werden kann. Um Gefahren zu eliminieren,
die z.B. durch Einschlagen von Nägeln in die Heizfläche entstehen, arbeiten diese
Üei -elemente
vorzugsweise mit Kleinspannungen. Je nach Anwendungsgebiet
werden die Heizelemente für die unterschiedlichsten Temperaturbereiche eingestellt
und können für alle Betriebsspannungen entworfen werden.
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Wenn aufgrund einer schlechten Wärmeableitung eine obere Temperaturbegrenzung
vorgesehen werden muß, dann kann ein "Kaltleiter" oder ein anderer Temperaturbegrenzer
direkt in oder an den Heizfilmstromkreis geschaltet werden.
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Für beheizbare Polster mit geringen Betriebsspannungen ist lediglich
die heizfilmildende Mischung etwas zu ändern, indem der Widerstand durch Zugabe
von mit Silber beschichtetem Metallpulver den gewünschten Werten entsprechend herabgesetzt
wird.
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Das nachfolgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie jedoch
einzuschränken.
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Beispiel Herstellung eines flexiblen Heizpolsters.
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Ein mit Kunststoff einseitig kaschiertes Textilgewebe (vergl. Fig.
1) wird auf der nichtkaschierten Seite mit flexibel-elastischen Elektroden versehen
(vergl. Fig.2).
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Die Elektroden werden mit Hilfe einer Schablone (14 mm breit, 270
mm lang) und einem gegenseitigen Abstand von 370 mm aufgetragen. Die Mischung der
Elektroden besteht
aus 80 Gew.-Teilen einer eigen Dispersion eines
Mischpolymerisats aus Butylacrylat, Vinylacetat und Acrylsäure, 100 Gew.-Teilen
mit Silber beschichtetem Kupferpulver und 100 Gew.-Teilen einer eigen Acetylenruß
dispersion.
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Anschließend wird mit Hilfe einer Rahmenschablone (270 x 370 mm) der
eigentliche Heizfilm aufgetragen. Zur Herstellung des Heizfilms wird eine wässrige
Dispersion von Polyisobutylen unter Rühren mit einer 25%igen wässrigen Azetylenrußdispersion
gut vermischt. Die gut streichfähige Mischung wird gleichmäßig auf das Gewebe aufgetragen.
Die Elektroden werden von dem Heizfilm gut überdeckt. Anschließend wird der Film
getrocknet.
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Ein Kontaktplättchen und ein Kerbkabelschuh wird mit Hilfe von Kunststoffnieten
an jeder Elektrode befestigt, um den Spannungsanschluß zu ermöglichen (vergl. Pig.
3).
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Der gesamte Heizfilm kann gegebenenfalls mit einer elektrisch isolierenden
Kunststoffdispersion versiegelt werden.
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Die Bildung eines weichelastischen Polyurethanschaumstoffpolsters
auf dem Heizfilm wird nun vorbereitet.
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Das Anschäumen des Polyurethanschaumstoffes erfolgt in bekannter Weise
und braucht daher nicht näher beschrieben werden. Ein Formenrahmen, mit z.B. 40
mm Seitenhöhe, wird so auf die Heizfolie gelegt, daß die Innenseite des Pormrahmens
zu jeder Seite des Heizfilms einen Mindestabstand von 15 mm zeigt (vergl. Fig. 4).
Das den
Schaumstoff bildende Reaktionsgemisch wird in den Formraum
gegos,,sen. Ein Formdeckel wird auf die Form gelegt und angepresst, um ein Austreten
des aufschäumenden Schaumstoffes zu vermeiden.
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Nach 10 Minuten kann der Formrahmen entfernt werden.
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Das Heizelement zeigt auf der Rückseite das elastische Schaumstoffpolster
(vergl. Fig. 5). Die bei einer angelegten Spannung erzeugte Wärme wird nur von der
kaschierten Oberfläche abgegeben.