DE3610921A1 - Elektrisch widerstandsbeheiztes, flaechiges heizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch widerstandsbeheiz­ tes, flächiges Heizelement mit einem Träger, auf den eine metallische Schicht aufgebracht ist.

Auf verschiedenen Gebieten ist es erforderlich, Wärme­ strahlung abstrahlende Flächen zur Verfügung zu haben. Ein praktisches Beispiel hierfür ist ein abgeschlosse­ ner Raum, der eine vorbestimmte Temperatur aufweisen soll.

Auch auf militärischem Gebiet werden Wärme abstrahlen­ de Körper oder Flächen benötigt, deren Strahlungsspek­ trum im Bereich passiv arbeitender Infrarotfühler, wie z.B. Wärmebildgeräte und Radiometer liegt.

Mit der Einführung von militärischen Aufklärungsfüh­ lern, die besonders in den Wellenlängenbereichen von 3 bis 5 µm und 8 bis 14 µm, aber auch im Bereich der pas­ siven Radiometrie bei 35 GHz arbeiten, ergibt sich die Notwendigkeit, die Truppe mit Wärmestrahlung abstrahlen­ den Übungszielen auszustatten, mit den sie den Einsatz von im thermischen Infrarot arbeitenden Aufklärungs- und Zieleinrichtungen üben kann.

Auch lassen sich im Bereich der militärischen Tarnung und Täuschung Wärmestrahlung abstrahlende Flächen und Körper zur Darstellung von Lock- und Täuschzielen ein­ setzen.

Gerade beim Einsatz militärischer Übungsziele oder Täuschziele sind im allgemeinen elektrische Versorgungs­ spannungen über 24 Volt (Batteriespannungen) nicht ver­ fügbar, und Spannungen über 42 Volt (Schutzkleinspannung nach VDE) sind aus Sicherheitsgründen nicht zulässig. Infolgedessen können keine elektrisch widerstandsbeheiz­ te Übungsziele eingesetzt werden, die aufgrund ihrer hochohmigen Eigenschaft eine hohe Versorgungsspannung be­ nötigen. Andererseits sind auch aus Widerstandsdrähten aufgebaute, flächige Übungsziele nicht gut geeignet, da sie bei Beschuß nur eine geringe Bestandsfestigkeit besitzen, weil in kürzester Zeit so viele elektrische Widerstandsdrähte durch Treffer unterbrochen sind, daß das Übungsziel als ganzes ausfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heiz­ element der eingangs genannten Art zu schaffen, welches kostengünstig hergestellt werden kann und niederohmige Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Träger ein elektrisch leitendes Material, welches aufgrund der Einlagerung von mindestens einem aus der Leitruß- Kohlenstoff- Graphit- und Metallteilchen umfas­ senden Gruppe ausgewählten Stoff elektrisch leitend ist, und/oder ein Kunststoffmaterial mit elektrischer Eigen­ leitung umfaßt, und daß die metallische Schicht eine Dic­ kenabmessung zwischen etwa 0,1nm und 2 µm aufweist.

Das erfindungsgemäße Heizelement zeichnet sich dadurch aus, daß auf einem Träger, der eine geringere spezifi­ sche Leitfähigkeit als ein Metall aufweist, eine metallische Schicht aufgebracht ist, die eine geringe Dickenabmessung aufweist. Elektrisch gesehen bedeu­ tet dies, daß ein kleiner und ein größerer elektrischer Widerstand parallel zueinander geschaltet sind. Fließt durch diese Parallelschaltung ein Strom, so verteilt sich dieser auf die parallel geschalteten Widerstände entsprechend dem Ohm′schen Gesetz. Der elektrische Wider­ stand der metallischen Schicht ist wesentlich kleiner als derjenige des Trägers, so daß auch ein entsprechend größe­ rer Strom durch diese dünne metallische Schicht fließt. Der durch die metallische Schicht fließende Strom reicht an und für sich aus, daß eine freie metallische Schicht dieser Dickenabmessung schmilzt, wenn ein solcher Strom durch sie hindurchfließt. In überraschender Weise hat sich aber nun gezeigt, daß der Träger aus dem erfindungs­ gemäß vorgesehenen Material eine ausreichende Wärmemen­ ge von der metallischen Schicht aufnimmt, so daß deren Schmelzen verhindert wird.

Durch den elektrischen Widerstand der metallischen Schicht wird im wesentlichen der Gesamtwiderstand der Parallel­ schaltung aus metallischer Schicht und Träger bestimmt, und zwar ist es möglich, diesen Gesamtwiderstand ausrei­ chend niederohmig zu halten, so daß mit einer Spannungs­ versorgung von z.B. 24 Volt eine Erwärmung des Heizele­ mentes erhalten wird, die für dessen Verwendung als Wär­ meziel ausreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes er­ geben sich aus den Unteransprüchen. So läßt sich vorteil­ hafterweise statt einer metallischen Schicht auch eine Metalloxydschicht z.B. Indiumzinnoxid, verwenden. Ist der Träger plattenförmig ausgebildet, so kann dessen Steifigkeit in Abhängigkeit von der Flächengröße ausreichen, daß das Heizelement frei als Wärmeziel ohne zusätzliche Stützflä­ chen aufgestellt werden kann. Die Ausbildung des Trägers in der Form einer Folie hat den Vorteil, daß beispiels­ weise das Heizelement aufgewickelt werden kann. Ferner könnte das Heizelement auch Oberflächenwölbungen folgen. Von besonderem Vorteil ist, wenn die metallische Schicht auf den Träger derart aufgebracht wird, daß sich Muster ergeben. Ein solches Muster könnte beispielsweise ein mäanderförmig verlaufender "Heizstreifen" sein. Auch könnte das Muster die Form eines militärischen Objektes aufweisen. In vorteilhafter Weise lassen sich auch durch unterschiedliche Ausbildung der Dickenabmessung der metal­ lischen Schicht Muster erzeugen, die ihre Eigenheit ins­ besondere durch Bereiche unterschiedlicher Ausstrahlungs­ intensität erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläu­ tert. Es zeigt:

Fig. 1 Eine Teilschnittdarstellung eines flächigen Heizelementes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Randkontaktierung auch gezeigt ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das flächige Heizele­ ment gemäß Fig.1,

Fig. 3 das elektrische Ersatzschaltbild für ein flächiges Heizelement gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines flächigen Heizelementes gemäß Fig. 2, wobei die metallische Schicht und der Träger als ein einziger elektrischer Widerstand darge­ stellt sind, und

Fig. 5 ein flächiges Heizelement nach einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung, wobei die metallische Schicht Bereiche unterschied­ licher Dickenabmessung aufweist.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Träger bezeichnet, der aus einer handelsüblichen, mit Kohlenstoff beladenen Polykarbonat­ folie besteht. Die Schichtdicke dieser Folie beträgt 100 µm und ihr Quadratwiderstand 80 Ohm. Auf eine Seite der Polykarbonatfolie ist eine dünne Schicht aus Alumi­ nium mit einer Dickenabmessung von einigen Nanometern durch z.B. Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht. Ihre optische Durchlässigkeit beträgt 30% und sie weist einen Quadratwiderstand von 7 Ohm auf.

Üblicherweise wird der elektrische Widerstand einer elek­ trisch leitenden Schicht als Flächenwiderstand angegeben. Bei entsprechender geometrischer Anordnung der Elektro­ den, also in dem Fall, wenn der Abstand zwischen den Elektroden und die Länge der Elektroden gleich sind, spricht man von einem Quadratwiderstand, der bei homo­ genem Material geringer Schichtdicke kennzeichnend für das gesamte Material ist.

Fig. 2 zeigt eine solche quadratische Anordnung in Drauf­ sicht. Hier sind beide, einander gegenüberliegende Elek­ troden 3 zu erkennen.

Fig. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines flä­ chigen Heizelementes gemäß Fig. 1 bzw. 2. Der elektrische Widerstand R _Alu der Aluminiumschicht von 7 Ohm und der elektrische Widerstand der kohlenstoffbeladenen Polykar­ bonatfolie R _c von 80 Ohm sind parallel geschaltet, und es ergibt sich ein Gesamtwiderstand R _ges von 6,43 Ohm. Bei einer angelegten Versorgungsspannung von 24 Volt ergibt sich ein Gesamtstromfluß I _ges von 3,73 A. Die in Wärme umgesetzte Leistung P beläuft sich auf 89,52 Watt und wird überwiegend als Wärmestrahlung abgeführt.

Die Berechnung der Einzelströme in den einzelnen Zweigen ergeben für den Strom I _Alu durch die Aluminiumschicht 3,43 A und den Strom I _c durch die kohlenstoffbeladene Polykarbonatfolie 0,30 A. Die Leitfähigkeit der dünnen Aluminiumschicht trägt also überproportional zur Leit­ fähigkeit der Gesamtanordnung bei und nahezu der ge­ samte elektrische Strom fließt durch die Aluminiumschicht.

In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild des Stromkreises dar­ gestellt, welches die physikalischen Zusammenhänge bei dem erfindungsgemäßen Heizelement gut wiedergibt. Die beiden Flächenwiderstände R _Alu und R _c sind hierbei nicht als einzelne Bestandteile des Stromkreises zu sehen, sondern als ein Gesamtwiderstand R _Alu/c , bei dem R _Alu überwiegend den Stromfluß bestimmt und R _c vorwiegend zur Wärmeableitung der in R _Alu erzeugten Wärmeenergie dient.

Bei einem Kontrollversuch wurde eine nichtleitfähige Folie mit Aluminium bedampft derart, daß die Aluminium­ schicht einen Quadratwiderstand von 7 Ohm aufwies. Als diese Anordnung mit der gleichen elektrischen Leistung beaufschlagt wurde, wie die vorhergehend beschriebene, schmolz die aufgedampfte Aluminiumschicht sofort, da die erzeugte Wärmeenergie nicht abgeführt werden konnte.

Es ergibt sich somit, daß die Leitfähigkeit der kohlen­ stoffbeladenen Polykarbonatfolie nur wenig zu der elek­ trischen Leitfähigkeit der gesamten Anordnung beiträgt, ihre aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit erhöhte Wärmeleitfähigkeit jedoch von großer Bedeutung ist, um die in der Aluminiumschicht erzeugte Wärmeenergie abzu­ führen.

Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium für die metallische Schicht ergibt sich ein besonderer Vorteil, der darin besteht, daß der positive Temperatur-Koeffi­ zient des Aluminiums überproportional in den gesamten Wirkungsmechanismus eingeht. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit des Aluminiums ab und wirkt da­ mit dem negativen Temperatur-Koeffizienten des in der Polykarbonatfolie vorhandenen Kohlenstoffes entgegen, dessen Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur zunimmt. Da die Aluminiumschicht den wesentlichen Anteil an der Gesamtleitfähigkeit der Anordnung liefert, geht der po­ sitive Temperatur-Koeffizient überproportional ein und kann damit eingesetzt werden, eine Strombegrenzung zu bewirken.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines elektri­ schen Heizelementes nach der Erfindung. In einem Bereich der metallischen Schicht 2 wurde durch Aufdampfen von Streifen 4 unterschiedlicher Dickenabmessung unterschied­ liche Leitfähigkeiten erzeugt, die in einem Wärmebild analog zu einem Graukeil im sichtbaren Bereich als Be­ zugsstrahler dienen, mit denen Kontrast und Helligkeit eines Wärmebildgerätes für Meßzwecke kalibriert werden können. Allgemein laßt sich durch Ausbilden von Berei­ chen unterschiedlicher Dicke bei der metallischen Schicht ein Strahlungstemperaturprofil erzeugen. So kann bei­ spielsweise ein stark strahlendes Wärmemuster vor einem weniger stark wärmestrahlenden Hintergrund dargestellt werden.

Vorstehend wurden Ausführungsformen von flächigen Heiz­ elementen nach der Erfindung im Zusammenhang mit Wärme­ zielen und Übungszielen näher erläutert. Das erfindungs­ gemäße, flächige Heizelement läßt sich aber auch bei­ spielsweise zur Auskleidung von Wärmeschränken verwenden. Ferner kann es , wenn der Träger als eine flexible Folie ausgebildet ist, beispielsweise als Heizung für Schlaf­ säcke, Zeltböden oder Autositze eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Elektrisch widerstandsbeheiztes, flachiges Heizele­ ment mit einem Träger, auf dem eine metallische Schicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) ein elektrisch leitendes Material, welches aufgrund der Einlagerung von mindestens einem aus der Leitruß-, Kohlenstoff- Graphit- und Metallteilchen umfas­ senden Gruppe ausgewählten Stoff elektrisch leitend ist, und/oder ein Kunststoffmaterial mit elektrischer Eigenlei­ tung umfaßt, und daß die metallische Schicht (2) eine Dic­ kenabmessung zwischen etwa 0,1 nm und 2 µm aufweist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallische Schicht (2) eine Metalloxydschicht ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) plat­ tenförmig ist oder die Form einer Folie aufweist.

4. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß auf beide Sei­ ten des Trägers (1) eine metallische Schicht aufgebracht ist.

5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dickenab­ messung der metallischen Schicht 0,5 nm bis 1 µm, vorzugs­ weise 0,8 nm bis 0,8 µm und besonders bevorzugt 1nm bis 0,5 µm beträgt.

6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli­ sche Schicht (2) durch Aufstäuben oder Bedampfen auf den Träger (1) aufgebracht ist.

7. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine wärmeisolierende Schicht und/oder eine Schutzschicht auf der metallischen Schicht (2) befindet.

8. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (2) einen elektrischen Quadratwiderstand in der Größenordnung von 1 bis 20 Ohm aufweist.

9. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (2) Bereiche unterschiedlicher Dic­ kenabmessung aufweist.

10. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (2) die Form eines Musters aufweist.

11. Heizelement nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die unterschiedlichen Dickenabmessungen der metallischen Schicht (2) ein Muster festlegen.