DE4221454A1

DE4221454A1 - Heizelement aus elektrisch leitfähigen Fasergeweben und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4221454A1
Application number: DE19924221454
Authority: DE
Inventors: Robert Menczel; Ernst Heinrich Grundmann
Original assignee: FIBERTEC GmbH
Current assignee: FIBERTEC GmbH
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1994-03-10

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement aus elek trisch leitfähigen Fasergeweben, welche in ein Harz eingebettet sind, und das Verfahren zu seiner Herstellung.

Heizelemente aus elektrisch leitfähigen Fasergeweben sind bereits mehrfach beschrieben worden. Der Grund für den bis her nur geringen Erfolg ist u. a. der Nachteil, daß eine genaue Temperatur-Vorwahl für alle Bereiche der Heizfläche nicht möglich ist, die Herstellungskosten zu hoch und die Einsatzbereiche stark eingeschränkt sind.

Die US-PS 3 146 340 beschreibt ein Heizelement unter Verwen dung von Kohlefasergewebe als Primär-Element, welches her metisch dicht zwischen zwei äußeren Schichten aus elektrisch isolieren dem/hitzeleitfähigen Material eingekapselt ist. Das Kohlefa sergewebe besteht aus Graphiteinzelfasern einer Dicke von 0,001-0,02 mm, welche zu Fäden von 0,2-1 mm Dicke zusammen gefaßt sind, wobei 1-3 Fäden pro mm als Schuß- und Kettfäden verwoben sind. Die äußeren Schichten bestehen aus tempera turbeständigem Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff etc. Die Ränder dieses plattenförmigen Heizelementes, welches u. a. für Öfen, Toaster und ähnliche Einsätze vorgesehen war, sollen in aufwendiger Weise durch eine Hülle aus rostfreiem Stahl zusammengehalten werden, wodurch der Einsatzbereich solcher Heizelemente stark eingeschränkt ist. Die aufwendige Einkapselung ist jedoch notwendig, um das eingekapselte Pri märheizelement in einem Vakuum oder einer Gasumgebung aus Stickstoff oder Argon anzuordnen und dadurch eine Oxidation der Kohlefasern durch Luftsauerstoff zu verhindern. Offenbar für eine bessere Vernetzung der Kohlefasergewebe ist vorge sehen, dieses in eine Suspension von Aluminium-Gel zu tau chen. Eine variable Temperatureinstellung über die Fläche ist möglich bei Aufteilung des plattenförmigen Heizelementes in einzelne streifenförmige Sektionen, die allerdings durch eine Vielzahl von einzeln elektrisch geschalteten und ein zeln zu überwachenden Versorgungsstellen mit Strom beauf schlagt werden.

Aus der DE 39 17 107 sind Heizelemente aus Kohlefasergeweben bekannt, welche zur Innenheizung von Rohren verwendet wer den. Zwei parallel laufende Kupfergeflechte, die mit Leit silber auf das Kohlenstoff-Fasergewebe aufgeklebt sind, die nen der Stromversorgung, eine Epoxidharzbeschichtung der Isolation gegenüber der Umgebung und der Formbarkeit des Verbundes, so daß dieser auf die Innenseite eines Rohres auflaminiert werden kann. Es erweist sich dabei als nachtei lig, daß aufgrund der über die Gewebefläche verschieden großen Widerstände, insbesondere aber des Widerstandes gegenüber dem aufgeklebten Leiter, die Temperaturverteilung über die Fläche nicht gleichmäßig ist, d. h. kalte und über hitzte Zonen vorkommen können.

Es bestand daher die Aufgabe, flexible, gleichmäßig erwärm bare, flache Heizelemente zu finden, welche die vorstehend genannten Nachteile vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst und durch die Unteransprüche gefördert.

Der wesentliche Erfindungsgedanke dabei ist die Verwendung einer einzigen durchlaufenden Gewebebahn aus schwachleitfä higem Fasermaterial, insbesondere Kohlefasern als Leiter bahn, sowohl für die Stromführung als auch für die Wärmeab strahlung.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Heizelemente wer den vorzugsweise Kohlefasergewebe, welche in verschiedenen Breiten als aufgerollte Rohware bekannt sind, verwendet. Die Kohlefasern werden dabei z. B. aus dünnen Polyacrylnitrilfä den durch Pyrolyse erzeugt und als Fäden aus 1000-12000 Einzelfilamenten, zu Geweben mit "Leinwandbindung" vereinigt. Der Kohlefaden kann dabei noch über eine Schlicht stabilisiert sein. Anstelle eines echten Gewebes kann alternativ auch eine aus unidirektiona len Fasern, die überkreuzt mehrlagig verlegt sind, gebildete Schicht oder auch eine Vliesschicht aus solchen Fasern ver wendet werden. Im folgenden wird der Einfachheit halber nur noch von Gewebe gesprochen. Die Gewebe werden dann mit einem Bindemittel versehen, welches vorzugsweise, aus einem tempe raturbeständigen Epoxidharz oder einem anderen organischen oder anorganischen Material besteht, welche die Fadenoberfläche beschichtet. Das Bindemittel hat die Aufgabe, nach dem Aushärten die Gewebestruktur gegen Verschiebung und Zerstörung der Fasern zu sichern. Dies wird nachfolgend als Laminat bezeichnet.

Das Laminat wird anschließend in einer Presse unter hohem Druck verdichtet. Preßdrucke von 100-1000 N/cm², vor zugsweise 500 N/cm², sind notwendig. Vorzugsweise wird in dieser Stufe das Laminat auch ausgehärtet. Hierdurch wird erreicht, daß das zuvor relativ offene und im Querschnitt voluminöse Gewebe (14) an den Fadenkreuzungspunkten derart stark zusammengedrückt wird, daß die Fäden an diesen Stellen abgeplattet werden, wodurch ein beidseitiger linsenförmiger Nietkopf entsteht. Durch die Vielzahl der so entstandenen Nietköpfe, von denen jeder nach vier Seiten hin Berührungs kontakt zu den benachbarten Köpfen hat, entstehen so neben den Kontakten durch die Schuß- und Kettfäden auf der Ober- und Unterseite des Gewebes zusätzliche Multi-Kontaktbereiche (16, Fig. 3).

Durch diese wird erreicht, daß zwischen den in Stromrichtung verlaufenden Kohlenstoff-Fasern über die querverlaufenden Fasern ein Spannungsausgleich erfolgt und unterschiedliche Widerstände über die verschiedenen Fasern ausgeglichen wer den. Dadurch wird die erfindungsgemäße gleichmäßige Erwär mung des Heizelementes erreicht.

Durch die Verpressung des Gewebes wird gleichzeitig auch die im Gewebe, noch enthaltene Luft sowie ein Überschuß von Lami nierharz entfernt. Vorzugsweise verpreßt man dazu das Lami nat zusammen mit einem grobmaschigen "Abreißgewebe", in des sen Löcher Luftblasen und überschüssiges Laminierharz über treten können. Das Abreißgewebe besteht z. B. aus einem Poly amidgewebe, welches sich mit dem Laminierharz nicht verbin det und daher nach der chemischen oder thermischen Verfesti gung desselben leicht abgezogen werden kann.

Das so entstandene Heizelement kann anschließend mit einer Deckschicht aus einer oder mehreren Lagen ein- oder beidsei tig zur elektrischen Isolierung und Wärmeübertragung (13) versehen werden. Diese Isolierschichten, vorzugsweise aus Glasfaserlaminat unter Verwendung unidirektionaler Prepregs oder keramischen Stoffen bzw. hochtemperaturbeständigem Glas, bilden die Kontaktflächen zu den zu beheizenden Medien. Je nach der gewünschten Temperatur des Heizelementes können aber auch ändere Materialien, beispielsweise tempera turbeständige Kunststoffe verwendet werden. Bei einer Fußbo denheizung wäre es z. B. denkbar, das Heizelement direkt in den Kunststoffbodenbelag einzubauen.

Obwohl die Kohlefasern der erfindungsgemäßen Heizelemente einen hohen Durchgangswiderstand aufweisen, kann dieser bei kleineren Elementen und höheren Spannungen nicht ausreichen, um eine Überhitzung zu verhindern. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, das Kohlefasergewebe in schmälerere Streifen zu schneiden und diese so parallel und hintereinan der zu schalten, daß sich über die Gesamtlänge ein Wider stand ergibt, welcher bei gegebener Spannung die, gewünschte Temperatur einstellt. Der einzelne Streifen hat z. B. eine Breite, die mindestens 3, vorzugsweise 5-10 Fäden des Ursprungsgewebes entspricht, so daß über die durch das Zer schneiden gebildeten kurzen Querfasern eine gleichmäßige Stromführung gewährleistet ist und die Länge des Streifens direkt proportional zum Widerstand ist, so daß über den gan zen Streifen eine gleichmäßige Erwärmung erfolgt. Soll eine ungleichmäßige Erwärmung erfolgen, läßt sich dies entspre chend durch eine ungleichmäßige Breite oder Parallelschal tung der Einzelstreifen erreichen. Die Streifen sind nor malerweise am Ende mit einer metallischen Kontaktstelle ver sehen (z. B. aus Kupfer oder Silber), über die die gewünsch ten Verbindungen hergestellt werden. Durch eine mäanderar tige Anordnung der Einzelstreifen läßt sich so eine gleich mäßige Erwärmung eines flächigen Heizelementes besonders einfach steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch durch Ausschneiden oder Ausstanzen von Teilen eines der Fläche des Heizelementes entsprechenden Kohlefasergewe belaminats, ein entsprechendes Mäander-Muster mit Verbin dungsstegen aus Kohlefasern, gebildet. Durch Einbringen dieser Form zwischen die durchgehenden Deckschichten, so daß eine Verschiebung der Leiterbahnen und ein gegenseitiger elektrischer Kontakt vermieden wird, erhält man dann das gewünschte Heizelement mit erhöhtem Innenwiderstand. Um unnötige Übergangswiderstände zu vermeiden, erfolgt das Aus stanzen, wie es in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, parallel zu den Kohlenstoff-Fasern. Die Verbindungsstege, die beim Ausstanzen stehenbleiben, sollen vorzugsweise die gleiche Breite besitzen,wie die Leiterbahnen, um einen glei chen Innenwiderstand und damit eine gleichmäßige Erwärmung des ganzen Heizelementes zu gewährleisten. Selbstverständ lich können aber auch die Stege z. B. breiter sein, so daß in diesem Bereich ein geringerer Widerstand anfällt und folg lich die Erwärmung in diesem Randbereich des Heizelementes geringer ist.

Besonders vorteilhaft läßt sich in dieser Weise bei einer kontinuierlichen Fertigung ein Endlosband mit querverlauf en den Aussparungen gemäß den Fig. 1, 3 oder 5 erzeugen, von dem beliebige, einsatzzweckmäßig angepaßte Stücke abge schnitten werden können. Bei einer Standardisierung des Gewebes ist somit ein Modulsystem vorgegeben.

Entscheidend für eine gleichmäßige Temperatur ist weiterhin, daß die Breite der als Leiter dienenden Stege z. B. auf eine Toleranz von ± 1 mm eingehalten wird, auch dann, wenn aus Kapazitätsgründen mehrere durch Aufeinanderlegen verbundene Heizelemente eingesetzt werden, so daß exakt gleiche Innen bzw. Durchgangswiderstandswerte über die Gesamtzahl der Stege vorhanden sind.

Durch die große Flexibilität, ermöglicht dadurch, daß im oder am erfindungsgemäßen Heizelement keine starren Teile oder Komponenten verwendet werden müssen, läßt sich dieses in alle Richtungen in gemäßigten Radien biegen oder rollen. So ist es z. B. möglich, Rohre, Trommeln oder Walzen von innen zu beheizen, was bisher nur mit großem Aufwand bei enormem Energieverbrauch möglich war. Möglich wird eine Walzen-Innenbeheizung z. B. dadurch, daß das erfindungsgemäße Heizelement so im Walzeninnenraum plaziert wird, daß seine Außen-Decklage (13) an der Innenwand der Walze anliegt und über direkten Kontakt die Wärme an den Walzenmantel abgibt. Die Baulänge des Heizelementes entspricht dabei dem Umfang der Innenseite des Walzenmantels. Weitere Ausgestaltungen der Beheizung von Rohrkörpern sind in gleicher oder ähnli cher Weise möglich.

Entscheidende Vorteile des erfindungsgemäßen Heizelementes sind:
Hohe Heizleistung bei geringem Stromverbrauch.
Genaueste Temperaturhaltung, auf ±0,5°C genau.
Schnellste Aufheizung und Abkühlung (für kurze Entfor mungen wichtig).
Modulbauweise und partielle Steuerung über Temperatur fühler und Programmsteuerung.
Anpassung an Formenoberflächen durch hohe Flexibilität - dadurch auch Möglichkeit der direkten Innenbeheizung von Walzen, Rohren und Trommeln mittels Stromversorgung z. B. über Schleifringe und Kohlebürsten.
Unzerbrechlichkeit, Feuchtigkeits- und Korrosionsbe ständigkeit.

Ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, wären folgende Anwendungen denkbar:
Maschinenbau: Druck-, Imprägnier-, Transport-, Kalan der- und Umlenkwalzen aller Art;
Heizplatten für Plattenpressen;
Heiztrommeln für Papier- und Textilverarbeitung, Durch laufpressen:
Heizungen für galvanische Bäder sowie Rohrleitungen und Behälter im Chemiebereich;
Lebensmittelindustrie: Kochgeräte, Heizungen für Misch- und Rührwerke, Schnellauftauvorrichtungen, Molkereien und Trocknungsanlagen;
Fahrzeugbau: Warmhaltevorrichtungen für Isolierfahr zeuge, Motorraum-Vorwärmevorrichtungen, Sitzheizungen, Rückspiegelheizungen, Einstiegstreppen-Enteisungen für Busse und Bahnen;
Flugzeugbau: Vorflügel-, Leitwerks- und Rotorblatt-Ent eisungen, Kabinenheizungen;
Bauwesen: Start- und Landebahnen-Enteisungen, Rasenhei zungen für Sportfelder, Enteisungen von gefährdeten Brücken und Fahrbahnteilen, Enteisungen von Weichen, Stellwerken und Signalen, Enteisungen im Liegeplatzbe reich von Booten und Schiffen;
Wohnungsbau: Kochfelder im Küchenbereich, Wannenheizung im Bad, Fußboden- und Deckenheizung, Speicherheizungen, Heizdecken, Wäschetrockner, Bügelpressen, Warmhalte platten etc.;

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend be schrieben:

Es zeigen:

Fig. 1 ein Heizelement mit aufgebrachten Decklagen, teil weise abgedeckt;

Fig. 2 ein Heizelement im Querschnitt mit zugehörigen Decklagen;

Fig. 3 ein Teilbereich des Heizelementes mit teilweise verpreßter Oberfläche;

Fig. 4 ein Heizelement mit parallel verlaufenden Leiter bahnen.

Neben den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen sind auch andere Formen und Materialzuordnungen der einzel nen Komponenten möglich. So ist z. B. anstelle des Glasfaser kunststoffes (13) auch eine Beschichtung mit keramischem flüssigem oder pastösem härtbarem Material möglich, ebenso wie eine Klebeverbindung mit einer hochhitzebeständigen Glasplatte. Auch besteht die Möglichkeit, das Gewebe (14), welches als Leiterplatte des Heizelementes dient, mit hoch hitzebeständigen Materialien durch Tauchen, Aufsprühen, Plasmaschweißen o. ä. zu verbinden.

In der Fig. 1 wird ein Gewebe (15) aus elektrisch leitfähi gem Faserkunststoff, wie z. B. Carbonfaser, oder anderer car bonisierter Kunstfaser mit einem Imprägnierharz, z. B. Epo xid-, Silikon-, Füranharz oder einem Binder auf Wasserglasöder anderer organischer Basis imprägniert, dadurch, daß mittels Auftragswalzen oder Rakel das Harz so auf die Gewe bebahn übertragen wird, daß alle Zwischenräume der Einzelfä den und alle Kapillaren der Faden-Einzelfilamente mit Harz gefüllt sind. Danach wird das auf diese Weise entstandene sogenannte Prepreg vorgetrocknet, mit einem Abreißgewebe beidseitig abgedeckt und unter Zuführung von Hitze (150-200°C) und einem Druck von ca. 500 N/cm² in einer Heizpresse ausgehärtet.

Nach dem Entfernen des Abreißgewebes, welches eine homogene und luftblasenfreie Struktur des verpreßten Gewebes (14) bewirkt, werden unter Einsatz von Stanzwerkzeugen, Trenn scheiben, Wasserstrahl-Schneidvorrichtungen o. ä. die Spalte (11) zwischen den Stegen; (10) und den Querste gen (10a) herausgetrennt, so daß bei exakt gleichmäßiger Breite, aller Stege eine Leiterplatte (14) mit genau gleichem Durchgangswiderstand entsteht. Im Bedarfsfalle können auch mehrere gleiche Leiterplatten übereinandergelegt und ver preßt werden. Anfang und Ende der Stege (10) werden mit Lei terklemmen (12) für den Stromanschluß versehen.

Diese Leiterplatte ist bereits das Heizelement, dessen beid seitige Decklagen (13) als Isolierschicht gleichzeitig die genaueste Wärmeabstrahlung von jedem Punkt der Oberfläche gewährleisten, da die Wärmeübertragung von der Heizelement oberfläche direkt ohne Luftspalte erfolgt. Es können dadurch auch nicht die kleinsten Wärmeverluste wie etwa bei stabbe heizten Geräten auftreten. Die Fertigung der Deckplat ten (13) erfolgt dadurch, daß imprägnierte Glasfasergelege als sogenannte Prepregs im noch klebrigen Zustand auf beide Seiten der Leiterplatte (10) gelegt und mit diesen unter Hitzezuführung verpreßt werden.

Fig. 2 zeigt ein solches Heizelement im Querschnitt, wobei Deckschicht (13) und Leiterplatte (10) aus zeichnerischen Gründen mit einem gewissen Abstand dargestellt sind.

In Fig. 3 ist ein stark vergrößerter Ausschnitt des elek trisch leitfähigen Gewebes sichtbar, wobei ein Teilbe reich (14) die verpreßte Oberfläche und ein Teilbereich (15) das unverpreßte Gewebe darstellen. Die abgeplatteten Kreu zungspunkte (16) sind durch Kreise angedeutet. Der größere Abstand zwischen jeweils drei Einzelfäden soll die Gewebe struktur symbolisieren.

Dieser Erfindungsgedanke des Verpressens des elektrisch leitfähigen Gewebes ermöglicht durch das Zusammendrücken der Fadenkreuzungen eine beidseitige Abplattung ähnlich Niet köpfen, die sich ausdehnen und auf vier Seiten sich gegen seitig berühren, so daß außer den ohnehin schon vorhandenen Kontakten durch die Schuß und Kettfäden weitere Mehrfach kontakte entstehen.

In Fig. 4 ist eine Endlosbahn eines erfindungsgemäßen Heiz elementes dargestellt, in welchem die Spalten (11) wie in Fig. 1 Stege (10) und Querstege (10a) bilden, aber eine zusätzliche Trennlinie (11a) die Leiterbahn nochmals der Länge nach teilt. Jeder Abschnitt der Bahn kann nunmehr so geschaltet werden, daß die beiden Leiterbahnteile an einem Ende miteinander und am anderen Ende mit der Stromquelle verbunden werden, wodurch sich ein Leiter doppelter Länge ergibt, oder die beiden Leiterbahnteile können mit verschie denen Stromquellen beaufschlagt werden.

Eine besonders exakte Anordnung der Stege und Spalten in der Ebene läßt sich dadurch erzeugen, daß das verpreßte und gegebenenfalls ausgehärtet Laminat auf einem festen Deckma terial befestigt und die Spalte anschließend durch Fräsen oder Schneiden entstehen, wobei das Deckmaterial nicht mitgeschnitten wird. Danach wird dann die zweite Abdeckung aufgebracht.

Es lassen sich auch kreisförmige oder ovale Heizelemente herstellen, in denen die Leiterbahn bzw. der Trennspalt spiralförmig verläuft.

Ein auf diese Weise gefertigtes Heizelement mit den neuarti gen Multikontakten in Modulbauweise gewährleistet eine extrem hohe Funktions- und Betriebssicherheit bei einem sehr breiten Einsatzspektrum, größtmöglicher Energie-Ausnutzung. Es ist zugleich ein Schritt auf dem Wege in die Zukunft durch Einsparung von Energie.

Claims

1. Heizelement aus elektrisch leitfähigen Fasergewe ben (15), welche in ein härtbares Kunstharz eingebettet sind und an entgegengesetzten Enden mit einer Strom quelle (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern an den Faserkreuzungspunkten (16) durch Verpressen abgeplattet und das so entstandene Faserge webe (14) über die Gewebestruktur und die Berührungs punkte leitend verbunden ist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasergewebe (14) beidseitig mit einer zusätzli chen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Deck schicht (13) versehen ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fasergewebe, (14) aus Kohlefaser fäden besteht, welche in Leinwandbindung verwebt sind.

4. Heizelement insbesondere nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Fasergewebe (14) in Streifen (10) unterteilt ist und die Einzelstreifen elektrisch lei tend so verbunden sind, daß sie parallel oder hinter einander geschaltet sind.

5. Heizelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einzelstreifen (10) parallel zueinan der zu einer Fläche angeordnet und durch gemeinsame Deckschichten (13) zusammengehalten werden.

6. Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Einzelstreifen (10) über Quer- Stege (10a) aus dem gleichen Material bewirkt wird und Streifen (10) und Stege (10a) durch Ausschnitte (11) in dem Gewebe (14) gebildet werden.

7. Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (10) und Querstreifen (10a) gleiche Breite bzw. den gleichen Durchgangswiderstand besitzen.

8. Verfahren zur Herstellung von Heizelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Faser gewebe (15) mit einem härtbaren Kunstharz imprägniert, mit einem Preßdruck von 100-1000 N/cm², vorzugsweise 500 N/cm², beaufschlagt, das Kunstharz aushärtet und das erhaltene Heizelement gegebenenfalls mit Deck schichten (13) versieht.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verpressen ein zusätzliches Abreißgewebe, wel ches Luftblasen und überschüssiges Harz aufnimmt, mit gepreßt und nach Aushärten des Harzes abgezogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß man das imprägnierte, gepreßte und ausgehär tete Gewebe (14) in Einzelstreifen (10) schneidet, wel che über metallische Kontakte oder nichtdurchschnittene Querstege (10a) miteinander verbunden sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstreifen (10) zwischen elektrisch isolieren den, wärmeleitfähigen Deckschichten (13) fixiert wer den.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß aus dem Fasergewebe (14) parallel verlau fende Spalte (11) durch Schneiden, Stanzen, Sägen, Laser- oder Wasserstrahlschneiden herausgeschnitten werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebebahn (14) vor dem Herausschneiden der Spalte (11) auf einer Deckschicht (13) fixiert wird, welche nicht mitgeschnitten wird.