DE2151626A1 - Starre, durch elektrizitaet aufheizbare flaechenheizelemente - Google Patents

Starre, durch elektrizitaet aufheizbare flaechenheizelemente

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DE2151626A1 DE19712151626 DE2151626A DE2151626A1 DE 2151626 A1 DE2151626 A1 DE 2151626A1 DE 19712151626 DE19712151626 DE 19712151626 DE 2151626 A DE2151626 A DE 2151626A DE 2151626 A1 DE2151626 A1 DE 2151626A1
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Description

Patentanwalt ^- Oktober .1971
Dr. J. Steffens A-110
1032 Lochham/Mchn., Mmrhtr. 24
Tel. (0811) 872551
Reuter Maschinen- und Werkzeugbau GmbH 2844 Lemförde, Hageweder Straße 219
Starre, durch Elektrizität aufheizbare Flächenheizelemente
Die Erfindung betrifft starre, durch Elektrizität aufheizbare Fläehenheizelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung, die beispielsweise aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften als Wand-, Fußboden- und Deckenheizungen eingesetzt werden können. Im Falle von Fußbodenheizungen empfiehlt sich zusätzlich die Aufbringung einer Estrichschicht auf die die Wärme abgebende Oberfläche, wodurch man bei geeigneter Wahl eine sogenannte Fußbodenspeicherheizung erhält.
Bekannt sind elektrisch aufheizbare Flächenheizelemente, die unter Verwendung von Drähten oder anderen elektrisch leitfähig gemachten Geweben hergestellt wurden. Bedingt
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durch Herstellungsprobleme und durch die Tatsache, daß die Wärmeabgabe nicht den gewünschten Anforderungen entspricht, konnten sich diese Fläehenheizelemente bisher nicht auf breiter Basis durchsetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flächenheizelement zu schaffen, das diese Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und gleichzeitig bessere Eigenschaften während des Aufheizvorganges besitzt.
Gelöst v/ird diese Aufgabe insbesondere dadurch, daß ein elektrisch leitfähiger Film gebildet wird, der außer den elektrisch leitfähigen Partikeln und den üblichen Bindern! ttelkomponenten ein Silikat, vorzugsweise, ein Kaliumoder Hatriumsilikat, enthält.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein starres, durch Elektrizität aufheizbares Flächenheizelement, das aus einer dünnen, wärmebeständigen, starren, die Wärme abgebenden Schicht besteht, die über einen elektrisch leitfähigen PiIm, der mit entsprechenden Elektroden und elektrischen Anschlüssen versehen ist, mit einer dickeren, wärmeisolierenden starren Schicht verbunden ist.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen drahtlosen Heizelemente ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, dem Ausführungsbeispiel und den Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Flächenheizelement, bestehend aus der
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dünnen, die Wärme abgehenden Schicht 1, dem elektrisch leitfähigen PiIm 1 und der dicken wärmeisolierenden Schicht 2,
Pig. 2 die mit Elektroden 3 und Anschlußstellen für Stromzuführung 4 versehene dünne Schicht 1,
Pig« 3 den gleichen Gegenstand wie Pig. 2, auf den jedoch nachträglich ein Heizfilm 5 aufgetragen wurde,
Pig. 4 die erfindungsgemäß mit dem elektrisch leitfähigen Film versehene dünne Schicht 1 zusammen mit einem Rahmen 6 zur Herstellung einer Schaumstoffschicht.
Als dünne Schicht 1 können alle flächigen, vorzugsweise starren, gegebenenfalls auf der wärmeabgeben&en Seite mit speziellen Designs versehenen, wärmebeständigen Materialien eingesetzt werden. TJm eine Beeinflussung des elektrisch leitfähigen Films durch äußere Einflüsse,· beispielsweise luftfeuchtigkeit, zu vermeiden, ist die dünne Schicht 1 vorzugsweise luftundurchlässig. Als Beispiel für die dünne Schicht 1 seien die im Handel unter dem Warenzeichen Resopal erhältlichen Platten genannt.
Die im elektrisch leitfähigen Film Ii enthaltenen elektrisch leitenden Partikelchen können aus Kohlenstoff, z.B. Büß oder Graphit, aus Edelmetall oder aus mit Edelmetall beschichteten anderen Metallen oder anderen Uicht-
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. sl metallen "bestehen. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß jedoch Ruß eingesetzt, insbesondere ein Acetylenruß, beispielsweise wie er im Handel in Form einer wässrigen Dispersion erhältlich ist.
Zur Herstellung des elektrisch leitfähigen Filme eignen sich als Bindemittel, die vor dem Aufbringen auf das Gewebe mit den elektrisch leitenden Partikelchen vermischt werden, insbesondere Kunststoffdiepersionen, vorzugsweise eine wässrige Dispersion von Aerylharzen, in Mischung mit einer Silikatlösung.
Zur Herstellung der vorzugsweise eingesetzten wässrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion vermischt man beispielsweise eine wässrige Dispersion von.Acrylharz, mit einer wässrigen Kaliumoder Hatriumsilikatlösung und mit einer wässrigen Eußdispersion, wobei man die Viskosität der KunBtstoffdispersion so einstellt, daß man eine gut streichfähige Mischung erhält. Diese Mischung wird dann beispielsweise auf die nicht designierte Seite der Resopalplatte aufgetragen,
^ Die Verwendung von Kaliumsilikaten für derartige elektrotechnische Einsätze ist nicht üblich, weil Kaliumoder Natriumsilika/felösungen- nicht wasserbeständig-, sind und auch durch Luftfeuchtigkeit zerstört werden können. Insbesondere durch das Anschäumen von luftundurchlässigen Polyurethanhartschäumen und der Verwendung einer luftundurchlässigen Frontplatte ist die Verwendung von silikatfilmen möglich geworden. Beispielsweise werden Heiz-
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filme ohne Silikate durch die hartschaumbildende Polyurethanausgangskomponenten stark angegriffen, so daß der Widerstandswert "bei der Schäumung eine 50#ige Veränderung erfährt.
Die zur Silikatlösung zusätzlich eingerührte Acrylharzdispersion, die genau wie die Silikatlösung zur Bindung der elektrisch leitenden Partikel dient, verleiht dem PiIm eine gewisse Elastizität. Diese Elastizität ist erwünscht, weil während der Aufheizung innerhalb von 10 Sekunden von 20° C auf 100° C erhebliche Temperaturunterschiede und mechanische Spannungen im System auftreten.
Es hat sich gezeigt, daß ein Silikat-Polymer-System · besonders gut geeignet ist um solche. Temperatursprünge aufzufangen, wodurch insbesondere die leitfähigkeit des Heizfilms im Startmoment sehr günstig beeinflußt wird. Der Film aus Silikat-Polymer-Rußmischungen ist resistent gegen die aggressiven Ausgangskomponenten zur Bildung des Polyurethanhartschaumstoffes, denn die Schaumstoffkomponenten werden direkt auf den Heizfilm geschossen. Die auf dem Film liegende Eestfeuchtigkeit (durch polare Oberflächen) wird durch die Isocyanat enthaltenden Schaumstoffkomponenten aufgenommen.
Als Kunststoffdispersion sind neben alterungsbeständigen Acrylharzdispersionen auch Polytetrafluoräthylene gut geeignet.
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Für den weiteren Aufbau eines Heizelementes werden darüber hinaus mindestens zwei Elektroden benötigt. 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. Besonders gut für die erfindungsgemäßen Zwecke geeig-P net sind die Elektroden, die wie nachfolgend beschrieben hergestellt werden. Als Leitsubstanz wird nicht Pulver aus MassiYsilbei*, 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 Teilchendurchmesser von ca. 180 Mikron unter Rühren in eine 50#ige wässrige Acrylharzdispersion. Es wird soviel Pulver zugegeben, daß die Mischung gerade noch streichfähig ist. Da die relativ großen Metallpulverpartikel neben den tangentialen Berührungspunkten größere Zwischenräume zeigen, wird in die vorhandene Mischung eine 25$ige wässrige Bußdispersion eingerührt. Die Rußdispersion mit 25 i> gut leitendem Acetylenrußgehalt (23 Millikron-Teilchendurchmesser) füllt die vorher unausgefüllten Zwischenräume nach dem Abtrocknen der filmbildenden Trägerflüssigkeit vollständig mit Rußpartikeln aus. Dadurch wird
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der Korngrenzenwiderstand, der Metallpartikel erheblich entlastet.
Die dickere, wärmeisolierende Schicht 2 kann irgendein beliebiger homogener oder geschäumter Kunststoff sein, der den gewünschten Anforderungen entspricht, Vorzugsweise besteht diese Schicht aus Polyurethanhartschaum. Die Herstellung der verschiedenartig eingestellten Polyurethanhart sehäume ist dem Fachmann bekannt, so daß auf die entsprechende Literatur verwiesen wird.
Die erfindungsgemäßen drahtlosen Widerstandsheizungen, die vorzugsweise mit einer rückseitigen Polyurethanhartschaumbeschichtung versehen sind, sind universell einsetzbar, da sich die Polyurethanmaterialien neben ihrer guten Verarbeitbarkeit zu Hartschäumen besonders durch ihr ausgezeichnetes thermisches Isoliervermögen auszeichnen.
Das Gewicht einer 1 m großen und 20 mm starken Heizfläche mit einer Polyurethanhartschaumbeschichtung beträgt etwa 1000 g. Die wärmeabstrahlende Seite besteht aus einem 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 Heizelemente 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.
Für die erfindungsgemäßen Flächenheizelemente mit geringen Betriebsspannungen ist lediglich die heizfumbildende Mischung etwas.zu ändern, indem der Widerstand durch Zugabe von mit Silber beschichtetem Metallpulver den _ gewünschten Werten entsprechend herabgesetzt wird.
P " ■ .
Das nachfolgende Beispiel erläutert die Erfindung,
ohne sie jedoch einzuschränken.
Beispiel Herstellung eines mit;Resopal beschichteten Heizelementes
Eine Resopalplatte wird zunächst auf der nicht designierten Seite mit Elektroden versehen. 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 50$igen Dispersion eines Mischpolymerisats aus Butylacrylat, Vinylacetat und Acrylsäure, 100 Gew.-Teilen mit Silber beschichtetem Kupferpulver und 100 Gew.-Teilen einer 25$igen Acetylenrußdispersion.
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Anschließend wird mit Hilfe einer Rahmenschablone (270 χ 370 mm) der eigentliche Heizfilm L aufgetragen. Zur Herstellung des Heizfilms gibt man zu einer Mischung aus 100 Gew.-Teilen einer Kaliumsilikatlösung (Kaliumwasserglas, Trockensubstanz 30 $,Wasser 70 fo) mit einem K2O : SiOp Verhältnis von 1 : 2,45 und 80 Gew.-Teilen einer 25$igen wässrigen Rußdispersion 80 Teile einer 50$igen wässrigen Acrylharzdispersion. Die gut streichfähige Mischung wird gleichmäßig auf die nicht designierte Seite der Resopalplatte aufgetragen. Die Elektroden werden von dem Heizfilm gut überdeckt. Anschließend wird der Film ca. 30 Min. bei ca. 90° C getrocknet. Ein Kontaktplättchen und ein Kerbkabelschuh wird an jeder Elektrode befestigt, um den Spannungsanschluß zu ermöglichen.
Der gesamte Heizfilm kann gegebenenfalls mit einer elektrisch isolierenden Kunststoffdispersion versiegelt werden.
Die Bildung eines starren Polyurethanhartschaumstoffs auf dem Heizfilm wird nun vorbereitet. Das Anschäumen des Polyurethanschaumstoffes erfolgt in bekannter Weise und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden. Ein Formenrahmen, mit z.B. 40 mm Seitenhöhe, wird so auf die Heizfolie gelegt, daß die Innenseite des Formenrahmens zu jeder Seite des Heizfilms einen Mindestabstand von 15 nun zeigt. Das den Hartschaumstoff bildende Reaktionsgemisch wird in den Formraum gegossen. Ein Formdeckel wird auf die Form gelegt und angepresst, um
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ein Austreten des aufschäumenden Schaumstoffes zu vermeiden.
Nach der Entfernung des lOrmrahmens weist das Heizelement auf der Rückseite die starre Polyurethanhartschaumstoffschicht auf. Die hei einer angelegten Spannung erzeugte Wärme wird nur von der Oberfläche der Resopalplatte abgegeben.
Selbstverständlich kann man auch erst die dickere, wärmeisolierende Schicht herstellen, den Leitfilm und die Elektroden etc. auftragen und dann die wärmeabgebende dünne Schicht aufbringen. Beispielsweise kann man zunächst eine Polyurethanhartschaumplatte herstellen, diese an einer Seite mit dem elektrisch leitfähigen Film und den entsprechenden Anschlüssen versehen und dann eine dünne Polyurethanhartschaumschicht als wärmeabgebende Schicht aufschäumen.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    Starres, durch Elektrizität aufheizbares Flächenheizelement, bestehend aus einer dünnen, wärmebeständigen, starren, die Wärme abgebenden Schicht, die über einen elektrisch leitfähigen Film, der mit entsprechenden Elektroden und elektrischen Anschlüssen versehen ist, mit einer dickeren, wärmeisolierenden starren Schicht verbunden ist.
  2. 2. Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Film durch Aufbringen einer elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion erhalten wurde.
  3. 3. Flächenheizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Partikelchen Edelmetalle, mit Edelmetall beschichtete andere Metalle oder Substanzen, oder Kohlenstoff, z.B. Ruße oder Graphit, sind, wobei Ruß bevorzugt ist.
  4. 4. Flächenheizelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den elektrisch leitfähigen Film mitbildende Kunststoff ein Acrylharz ist.
  5. 5. Flächenheizelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Film Kalium- und/oder Natriumsilikat enthält.
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  6. 6. Flächenheizelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne, die Wärme abgebende Schicht eine luftundurchlässige Kunststoffschicht, insbesondere Resopal, ist.
  7. 7. Flächenheizelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dickere Schicht aus einem homogenen oder geschäumten, vorzugsweise luftundurchlässigen Kunststoff, insbesondere aus einem geschlossenporigen Polyurethanhartschaum besteht.
  8. 8. Flächenheizelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es vor oder nach dem Verlegen auf einem Fußboden, wobei die dickere, wärmeisolierende Schicht auf dem Fußboden liegt, auf der dünneren, die Wärme abgebenden Schicht mit einer als Wärmespeicher ausgebildeten Estrichschicht versehen ist.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelements nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung des elektrisch leitfähigen Films auf die dünne, die Y/ärme abgebende Schicht eine wässrige, die elektrisch leitenden Partikelchen enthaltende Kunststoffdispersion aufbringt, die vorzugsweise als Kunststoff ein Acrylharz, als elektrisch leitfähige Partikelchen Ruß und zusätzlich ein Kaliumoder Natriumsilikat enthält, und nach Trocknung des Films, vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 90° C und einer Trocknungszeit von ca. 30 Min., und Anbringen von Elektroden und entsprechenden elektrischen
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    Anschlußstellen die dickere, wärmeisolierende Schicht aufbringt, vorzugsweise eine Polyurethanhartschaumschieht, wobei man im !Falle der Polyurethanhartschaumschicht das schaumbildende Reaktionsgemisch direkt mit dem vorher aufgebrachten elektrisch leitfähigen Film in Berührung bringt.
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