DE4221455A1 - Heizelement aus Komposit-Werkstoffen - Google Patents
Heizelement aus Komposit-WerkstoffenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement aus
Komposit-Werkstoffen.
Heizelemente aus Komposit-Werkstoffen sind bereits mehrfach beschrieben
worden. Der Grund für den bisher 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.
So beschreibt z. B. die DE Patentschrift 29 28 293 C2 ein Gewebe-
Imprägnierverfahren durch Harzinjektion mittels Kohlefasergewebe
zur Wärmeübertragung, wobei das Kohlefasergewebe als elektrische
Heizmatte zur Steuerung der Harz-Viskosität verwendet wird. Es
werden hierbei die Gewebeenden jeweils in Kupferblechstreifen ein
gefaßt.
Hierzu kann festgestellt werden, daß das Herstellen von großfächi
gen Bauteilen, wie z. B. Rotorblätter von Hubschraubern, nach heuti
gem Erkenntnisstand durch die Verwendung von Prepregs (mit Harz
per Imprägnier-Automaten vorimprägnierte Fasermaterialien) erfolgt,
da das Harzinjektionsverfahren für Präzisionsbauteile zu ungenau ist.
Außerdem ist das beschriebene Kohlefasergewebe ein Teil der tragenden
Struktur des zu erstellenden Bauteiles selbst und damit als Halbzeug
mit dem individuell und universell einsetzbaren erfindungsgemäßen
Heizelement nicht vergleichbar. Lt. Beschreibung "bleiben die Heiz
elemente als tragende Struktur im Bauteil selbst erhalten".
Die US-Patentschrift 3,146,340 beschreibt ebenfalls ein Heizelement
unter Verwendung von Kohlefasergewebe als Primär-Element allerdings
in aufwendiger hermetisch dichter Einkapselung mit je zwei äußeren
Schichten aus isolier- und hitzeleitfähigem Material. Die Ränder
dieses plattenförmigen Heizelementes, welches u. a. für Öfen, Toaster
und ähnliche Einsätze vorgesehen war, sind aus unterschiedlichen
Isolierstoffen. Keinesfalls ist somit eine exakt gleichmäßige
Wärmeverteilung über die Gesamtfläche des Heizkörpers möglich.
Außerdem ist die Herstellung und Instandhaltung eines derartigen
Heizelementes doch recht aufwendig und kostspielig und der Ein
satzbereich gegenüber dem erfindungsmäßigen Heizelement stark
eingeschränkt. Immerhin ist vorgesehen, das eingekapselte Primär
heizelement in einem Vacuum oder einer Gasumgebung aus Argon
oder Nitrogen anzuordnen. Offenbar für eine bessere Vernetzung
der Kohlefasergewebe ist vorgesehen, dieses in eine Suspension
von Aluminium-Gel zu tauchen. Es sei auch eine variable Temperatur
erzeugung möglich bei Aufteilung in einzelne streifenförmige Sektionen
(ohne Querverbindungen), wozu allerdings eine Vielzahl von einzeln
elektrisch geschalteten und einzeln zu überwachenden Versorgungs
stellen erforderlich wäre.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann alle vorgenannten Nachteile
vermeiden, da es sich die allerneuesten Erkenntnisse der Werkstoff
forschung und grundsätzliche neue Ideen zunutze macht.
Der wesentliche Erfindungsgedanke dabei ist die Verwendung einer
einzigen durchlaufenden Gewebebahn aus hochleitfähigem Faser
material gleichzeitig als Leiterbahn sowohl für die Stromführung
als auch für die Wärmeabstrahlung.
Bereits bei der Konfektionierung der Gewebebahn, nach Abzug von
der von der Weberei übernommenen Warenrolle, entsteht die Konfi
guration aus z. B. Kohlefasergewebe (10) mit ihren parallel zu den
Leiterstegen (10) verlaufenden Luftspalten (11) in beliebiger,
einsatzzweck-angepaßten Gesamtlänge. Bei Standardisierung der
einsatzzweck-angepaßten Einzellängen ist somit ein Modulsystem
vorgegeben. Die Anordnung der parallel zueinander verlaufenden Leiter
bahnen in exakt gleicher Breite ohne Überleitungselementen in
den Querstegen (10a) ermöglicht eine absolut gleichmäßige Strom
führung, da der Innenwiderstand an allen Stellen gleich ist.
Um eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung in allen Bereichen zu
gewährleisten, wird das Gewebe einer weiteren erfindungsge
mäßen Maßnahme unterzogen. Nach oder vor der Imprägnierung
des Gewebes mit Laminierharz, vorzugsweise auf der Basis von
Epoxid oder einem flüssigen bzw. pastösen organischen Matrix
system, wird es in einer Presse mit hohem Druck von ca. 500 N/cm2
verdichtet. Hierdurch wird erreicht, daß das zuvor relativ offene
und im Querschnitt voluminöse Gewebe (14), an den Fadenverkreuzungs
punkten derart stark zusammengedrückt wird, das die Fadenver
kreuzungspunkte abgeplattet werden, wodurch ein beidseitiger
linsenförmiger Nietkopf entsteht. Durch die Vielzahl der so ent
standenen 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 Unter
seite des Gewebes zusätzliche Multi-Kontaktbereiche (10, Fig. 4).
Ein weiterer erfindungsgemäßer Gedanke stellt die Vermeidung bzw.
Entfernung von Lufteinschlüssen aus den Gewebezwischenräumen dar.
Hierzu wird sogenanntes Abreißgewebe für die Entlüftung mit verpreßt
und nach der Verpressung und Aufnahme des überschüssigen Laminier
harzes entfernt (abgerissen). Dieses sog. Abreißgewebe ist ein grob
maschiges Polyamidgewebe, welches keine Verbindung mit dem zu ent
lüftenden Laminat eingeht.
Das so entstandene Heizelement wird mit einer oder mehreren Lagen
beidseitig angeordneter Deckschichten zur elektrischen Isolierung
und Wärmeübertragung (13) versehen. Diese Isolierschichten, vorzugs
weise aus Glasfaserlaminat unter Verwendung unidirektionaler Prepregs
oder keramischen Stoffen bzw. hochtemperaturbeständigem Glas bilden
die Kontaktflächen zu den zu beheizenden Medien.
Entscheidend ist weiterhin, daß die Breite der als Leiter dienenden
Stege (10) auf eine Toleranz von ±1 mm eingehalten wird, auch dann,
wenn aus Kapazitätsgründen mehrere durch Aufeinanderlegen verbundene
Heizelemente eingesetzt werden. Entscheidend ist, daß exakt gleiche
Innen- bzw. Durchgangswiderstandswerte über die Gesamtzahl der Stege
vorhanden sind. Eine auch denkbare Verwendung von z. B. Kupfer
streifen als Querverbindung bzw. Quersteg (10a) würde viele
Nachteile haben. Kupfer würde an dieser Stelle zwar den Strom,
nicht aber die Wärme, wie erforderlich, weiterleiten.
Durch die große Flexibilität, ermöglicht dadurch, daß im oder
am erfindungsgemäßen Heizelement keine starren Teile oder
Komponenten verwendet werden, läßt sich dieses in alle Richtungen
in gemäßigten Radien biegen und 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 Walzen
mantels. Weitere Ausgestaltungen der Beheizung von Rohrkörpern sind
in gleicher der ähnlicher 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 Entformungen wichtig).
Modulbauweise und partielle Steuerung über Temperaturfühler 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 Korrosionsbeständigkeit.
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Unzerbrechlichkeit, Feuchtigkeits- und Korrosionsbeständigkeit.
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, wären folgende Anwendungen
denkbar:
Maschinenbau: Druck-, Imprägnier-, Transport-, Kalander- und Umlenk walzen aller Art;
Heizplatten für Plattenpressen;
Heiztrommeln für Papier- u. Textilverarbeitung, Durchlaufpressen;
Heizungen für galvanische Bäder sowie Rohrleitungen und Behälter im Chemiebereich.
Maschinenbau: Druck-, Imprägnier-, Transport-, Kalander- und Umlenk walzen aller Art;
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Lebensmittelindustrie: Kochgeräte, Heizungen für Misch- und
Rührwerke, Schnellauftauvorrichtungen, Molkereien, Trocknungsanlagen;
Fahrzeugbau: Warmhaltevorrichtungen für Isolierfahrzeuge, Motorraum- Vorwärmevorrichtungen, Sitzheizungen, Rückspiegelheizungen, Einstiegstreppen-Enteisungen für Busse und Bahnen;
Flugzeugbau: Vorflügel-, Leitwerks- und Rotorblatt-Enteisungen, Kabinenheizungen.
Bauwesen: Start- und Landebahn-Enteisungen, Rasenheizungen für Sportfelder, Enteisungen von gefährdeten Brücken und Fahrbahnteilen, Enteisungen von Weichen, Stellwerken und Signalen, Enteisungen im Liegeplatzbereich von Booten und Schiffen;
Wohnungsbau: Kochfelder im Küchenbereich, Wannenheizung im Bad, Fußboden- und Deckenheizung, Speicherheizungen, Heizdecken, Wäschetrockner, Bügelpressen, Warmhalteplatten etc.
Fahrzeugbau: Warmhaltevorrichtungen für Isolierfahrzeuge, Motorraum- Vorwärmevorrichtungen, Sitzheizungen, Rückspiegelheizungen, Einstiegstreppen-Enteisungen für Busse und Bahnen;
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Wohnungsbau: Kochfelder im Küchenbereich, Wannenheizung im Bad, Fußboden- und Deckenheizung, Speicherheizungen, Heizdecken, Wäschetrockner, Bügelpressen, Warmhalteplatten etc.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben:
Es zeigen:
Fig. 1 ein Heizelement in der Draufsicht,
Fig. 2 ein Heizelement im Querschnitt mit zugehörigen Decklagen,
Fig. 3 ein Heizelement mit aufgebrachten Decklagen teilweise abgedeckt;
Fig. 4 ein Teilbereich des Heizelementes mit teilweise
verpreßter Oberfläche.
Neben den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen sind
auch andere Formen und Materialzuordnungen der einzelnen Komponenten
möglich. So ist z. B. anstelle des Glasfaserkunststoffes (13) auch
eine Beschichtung mit keramischem flüssigen oder pastösem härtbarem
Material möglich, ebenso wie eine Klebeverbindung mit einer hochhitze
beständigen Glasplatte aus "JENAER GLAS, Hersteller Schott, Mainz".
Auch besteht die die Möglichkeit, das Gewebe (10), welches als
Leiterplatte des Heizelementes dient, mit hochhitzebeständigen
Materialien durch Tauchen, Aufsprühen, Plasmaschweißen o. ä. zu
verbinden.
In der Fig. 1 wird das Heizelement (10) aus elektrisch leitfähigem
Faserkunststoff wie z. B. Carbonfaser oder anderer carbonisierter Kunst
faser mit einem Imprägnierharz, z. B. Epoxid-, Silikon-, Furanharz
oder einem Binder auf Wasserglas- oder anderer organischer Basis
imprägniert, dadurch, daß mittels Auftragswalzen oder Rakel das Harz
so auf die Gewebebahn übertragen wird, daß alle Zwischenräume der
Einzelfäden und alle Kapillaren der Faden-Einzelfilamente mit Harz
gefüllt sind. Danach wird das auf diese Weise entstandene sog. Prepreg
vorgetrocknet, mit einem Abreißgewebe beidseitig abgedeckt und unter
Zuführung von Hitze und einem Druck von ca. 500 N/cm2 in einer Heiz
presse ausgehärtet.
Nach dem Entfernen des Abreißgewebes, welches eine homogene und
luftblasenfreie Struktur bewirkt, werden unter Einsatz von Stanz
werkzeugen, Trennscheiben, Wasserstrahl-Schneidvorrichtungen o. ä.
die Spalte (11) zwischen den Stegen (10) und den Querstegen (10a)
herausgetrennt, so daß bei exakt gleichmäßiger Breite aller Stege
eine Leiterplatte mit genau gleichem Durchgangswiderstand entsteht.
Im Bedarfsfalle können auch mehrere gleiche Leiterplatten übereinander
gelegt und verpreßt werden.
Diese Leiterplatte (10) ist bereits das Heizelement, dessen beidseitige
Decklagen (13) als Isolierschicht gleichzeitig die genaueste Wärme
abstrahlung von jedem Punkt der Oberfläche gewährleisten, da die
Wärmeübertragung von der Heizelementoberfläche direkt ohne Luft
spalte erfolgt. Es können dadurch auch nicht die kleinsten Wärme
verluste wie etwa bei stabbeheizten Geräten auftreten. Die Fertigung
der Deckplatten (13) erfolgt dadurch, daß imprägnierte Glasfasergelege
als sog. Prepregs im noch klebrigen Zustand auf beide Seiten der
Leiterplatte (10) gelegt und mit diesen unter Hitzezuführung verpreßt
werden.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt des elektrisch leitfähigen Gewebes
sichtbar, wobei ein Teilbereich (10) die verpreßte Oberfläche des
unverpreßten Gewebes (14) darstellt, das mit der Oberfläche des
erfindungsgemäßen Heizelementes identisch ist.
Dieser Erfindungsgedanke des Verpressens des elektrisch leit
fähigen Gewebes ermöglicht durch das Zusammendrücken der Faden
verkreuzungen eine beidseitige Abplattung ähnlich Nietköpfen, die
sich ausdehnen und auf vier Seiten gegenseitig berühren, so daß
außer den ohnehin schon vorhandenen Kontakten durch die Schuß-
und Kettfäden weitere Mehrfachkontakte entstehen.
Ein auf diese Weise gefertigtes Heizelement mit den neuartigen
Multikontakten in Modulbauweise gewährleistet eine extrem hohe
Funktions- und Betriebssicherheit bei einem sehr breiten Einsatz
spektrum. Das erfindungsgemäße Heizelement ist ein beachtlicher
Schritt auf dem Wege in die Zukunft durch Einsparung von Energie.
Claims (8)
1. Heizelement aus Komposit-Werkstoffen, dadurch
gekennzeichnet, daß sich zwischen mindestens zwei
parallel verlaufenden Stegen (10) aus elektrisch leit
fähigem Faserkunststoff ein Spalt (11) befindet und an
den Stegenden eine Querverbindung (10a) aus demselben
Material und mit demselben Durchgangswiderstand.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Bereiche des Heizelementes (10 u. 10a) aus
demselben elektrisch leitfähigen Faserkunststoffgewebe
sind mit konstantem Innenwiderstand über den ganzen Bereich
der Leiterbahn.
3. Heizelement nach Anspruch 1 und Verfahren zur Herstellung des
Heizelementes, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial
für die Herstellung des Heizelementes ein Gewebe aus Carbon
fasern oder carbonisierten Kunstfasern verwendet wird, dessen
Faden-Kreuzungspunkte (10) der Schuß- und Kettfäden (14) durch
Verpressen zusammengedrückt und beidseitig abgeplattet werden.
4. Heizelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
aus einer Gewebahn parallel verlaufende Spalte (11) durch
schneiden, stanzen, sägen, laser- oder wasserstrahlschneiden
herausgetrennt werden.
5. Heizelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Entlüftung des verpreßten Laminates für das
Heizelement (10) ein sogenanntes Abreißgewebe verwendet wird.
6. Heizelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Decklagen (13) aus elektrisch isolierendem Material gefertigt
und mit dem Heizelement (10) durch Verklebung verbunden sind.
7. Heizelement aus Komposit-Werkstoffen nach den Ansprüchen
1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zuordnung
der Werkstoff-Komponenten eine Flexibilität erreicht wird,
die es ermöglicht, daß das Heizelement innerhalb eines
Rohrkörpers an dessen Innenwandung mittels direktem Kontakt
anliegt und damit eine Aufheizung des Rohrmantels ermöglicht.
8. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Querverbindung der Stegenden (10a) aus einem metallischen
Stoff besteht.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4221455A DE4221455A1 (de) | 1992-06-30 | 1992-06-30 | Heizelement aus Komposit-Werkstoffen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE4221455A DE4221455A1 (de) | 1992-06-30 | 1992-06-30 | Heizelement aus Komposit-Werkstoffen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE4221455A1 true DE4221455A1 (de) | 1994-01-13 |
Family
ID=6462157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE4221455A Withdrawn DE4221455A1 (de) | 1992-06-30 | 1992-06-30 | Heizelement aus Komposit-Werkstoffen |
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|---|---|---|---|
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| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: FIBERTEC GMBH, 47877 WILLICH, DE |
|
| 8141 | Disposal/no request for examination |