EP1599071A2 - Strahlungsheizungen mit heizelementen aus Graphitfolien oder Graphitlaminatfolien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Strahlungsheizungen aus Marmor, Granit, marmorisiertem Kalkstein oder anderen Natursteinen, Metall, Keramik, Glas oder deren Kombinationen mit Heizelementen aus Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten. Die Ausstattung mit solchen Heizelementen resultiert in verbesserter Energieeffizienz, höherer Lebensdauer, reduzierten Herstellkosten, erhöhter Aufheizgeschwindigkeit und begrenzter elektromagnetischer Strahlungsemissionen.

Description

Die Erfindung betrifft Strahlungsheizungen aus Marmor, Granit, marmorisiertem Kalkstein oder anderen Natursteinen, Keramik, Glas oder deren Kombinationen mit Heizelementen aus Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten. Die Ausstattung mit solchen Heizelementen resultiert in verbesserter Energieeffizienz, höherer Lebensdauer, reduzierten Herstellkosten, erhöhter Aufheizgeschwindigkeit und reduzierter elektromagnetischer Strahlungsemissionen.

Strahlungsheizungen, insbesondere aus Naturstein, sind seit längerem bekannt. Diese weisen auf der Rückseite eine elektrische Heizanordnung auf, welche den Strahlkörper erwärmt, der über eine hohe Wärmespeicherfähigkeit verfügt.. Im Vergleich zu herkömmlichen Wandheizungen entfällt größtenteils eine konvektive Umwälzung der Luft, wodurch ein angenehmes und gesundes Raumklima mit optimaler Luftfeuchtigkeit entsteht. Bei Verwendung von Natursteinen als Strahlkörper besitzen diese Heizungen auch einen ästhetischen Wert und erfüllen im Haus gleichzeitig dekorative Zwecke. Außerdem lassen sich Strahlungsheizungen beliebig formatieren und benötigen nur einen Stromanschluss, so dass sie auch als mobile Einheiten oder etwa in Caravans und in vielen anderen Bereichen außerhalb einer festen Unterkunft zur Anwendungen kommen. Eine weitere beliebte Anwendung von Strahlungsheizungen ist die Zubereitung von Speisen, so etwa beim Grillen oder für das Pizzabacken.

Aufgrund verschiedener neuer Bestimmungen durch den Gesetzgeber sind die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit von Heizungsanlagen in der jüngsten Vergangenheit stark angestiegen. Diese Entwicklung trifft vor allem die strombetriebenen Strahlungsheizungen, welche nicht mehr als Vollheizungen in Neubauten eingebaut werden dürfen.

EP 1 182 406 beschreibt eine Strahlungsheizung aus Naturstein mit auf der Rückseite in Kanälen mäander- oder spiralförmig eingelegten und verklebten Heizleitern. Hierzu müssen jedoch zunächst in das relativ teure und spröde Natursteinmaterial Kanäle eingefräst werden, in welche die Heizleiter verlegt werden. Anschließend werden dann die Kanäle mit Marmorzement verspachtelt.

In US 6,087,630 ist eine Methode zur Beheizung von Flächenheizkörpern dargelegt, wobei ein laminiertes Heizelement im Sandwich-Verfahren zwischen den zu beheizenden Strahlungskörpem eingebettet wird. Auch hierzu sind mehrere Arbeitsschritte sowie das Einbringen verschiedener weiterer Funktionsschichten notwendig.

Nach DE 200 15 750 kann eine Natursteinstrahlungsheizung auch so ausgeführt werden, dass eine laminierte Heizungsmatte auf der Rückseite des Strahlungsköpers angebracht wird. Um den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) gerecht zu werden, werden hier mehrere Klebschichten verwendet.

In allen Fällen wird bereits im Grundansatz die Energiebilanz des Strahlungsheizers dadurch verschlechtert, dass man Heizmatten verwendet, welche aus einer Kombination von meist metallischen Drähten oder dünnen Blechen mit einer oder mehreren Kunststofffolien sowie anderen isolierenden Materialien bestehen. Unter dem Begriff Heizmatte ist im Sinne der Erfindungsbeschreibung ganz allgemein ein biegsames flächiges Gebilde zu verstehen, welches als elektrische Widerstandsheizung fungiert. Durch die Isolierenden des Heizleiters entsteht ein extrem hoher Wärmeübergangswiderstand, der zu hohen Verlusten beim Wärmeübergang auf den Strahlungskörper führt. Zusätzlich werden diese Verluste noch erhöht durch den schlechten Kontakt der Heizmatten mit der Oberfläche der Strahlungskörper. Man versucht unter anderem, diesen Makel durch glattes Polieren der Oberfläche der Strahlungskörper zu beheben (EP 0445 253), wodurch jedoch das erhaltene Ergebnis das Ziel teilweise pervertiert, da nun bei glattpolierter Oberfläche die geometrische Kontaktfläche im Vergleich zu einer Fläche mit natürlicher Rauheit, etwa bei Natursteinen, nochmals deutlich reduziert wird.

Daneben nehmen die Energieverlust mit zunehmender Nutzungsdauer zu, da aus aufgrund der teilweise höchst unterschiedlichen CTEs der verwendeten Materialien, wie etwa Kupferdraht, Kunststofffolien, Klebstoffe oder Naturstein, zu Delaminationserscheinungen durch Materialermüdung wegen zyldischer thermischer Beanspruchung kommt.

Um die in der Heizmatte erzeugte Wärme möglichst nur nach vorne, also in Richtung Strahlkörper, wirken zu lassen, ist es ebenfalls üblich, wärmeisolierende Schichten in Form von Platten oder Folien auf der Hinterseite der Heizmatte anzubringen. Dies erfordert weiteren Arbeits- und Materialaufwand.

Der herausragende Vorteil von Strahlungsheizungen insbesondere aus Naturstein, deren hohe Wärmespeicherfähigkeit, kann auch als Nachteil empfunden werden. Die daraus resultierende Trägheit beim Aufheizen ist in Situationen oder Anwendungen, bei denen der Nutzer eine schnelle Erwärmung erwünscht, wie etwa beim Betreten einer kalten Wohnung oder bei der Zubereitung von Speisen, ein Makel, der sich mit herkömmlichen Heizmatten nicht beheben lässt. Die Wärmeverluste an der Grenzfläche zwischen herkömmlichen Heizmatten und dem Strahlungskörper sind so hoch, dass es mehr als einen Tag dauert, um eine Strahlungsheizung mit 30 mm dicker Marmorplatte aufzuheizen. Darüber hinaus lässt sich wegen der Wärmeverluste die Temperatur der Heizung kaum über 60 °C steigern.

Diese Heizmatten verwenden technische Kunststoffe, welche bei Temperaturen von bis zu 150 °C einsetzbar sind, dann aber schon teilweise erweichen wobei gleichzeitig die oben beschriebene Delamination stark beschleunigt wird. Es ist also in der Praxis nicht mögfich, mit diesen Heizmatten einen beschleunigte Aufheizung des Strahlkörpers durch kurzfristige Erhitzung der Matten auf Temperaturen von deutlich über 200 °C umzusetzen, ohne dass dadurch die Heizmatte selber sowie der Verbund zum Strahlkörper deutlich geschädigt würde.

Dieses irreversible nachteilige Resultat erhält man auch, wenn die herkömmlichen Heizmatten durch technische Fehlfunktion überhitzt werden.

Ein inzwischen wichtiger Qualitätsaspekt für die Anschaffung und Nutzung von Strahlungsheizungen, welche im Hausbereich vornehmlich wegen der positiven gesundheitlichen Aspekte eingesetzt werden, sowie im Hinblick auf gesetzliche Richtlinien ist die Quantität der von solchen Heizungen emittierten elektromagnetische Strahlung, auch als Elektrosmog bezeichnet. Da fast durchweg Heizmatten mit geflochtenen Kupferdrähten zum Einsatz kommen besteht eine hohe Gefahr, dass die emittierten elektromagnetische Strahlung zu unerwünschter Belastung der Nutzer führt und dass gesetzliche Normen zu Elektrosmog nicht mehr eingehalten werden können.

Es bestand also die Aufgabe, Strahlungsheizungen mit verbesserter Energieeffizienz, höherer Lebensdauer, reduzierten Herstellkosten, erhöhter Aufheizgeschwindigkeit und begrenzter elektromagnetischer Strahlungsemissionen bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man für Strahlungsheizungen ein elektrisch leitendes Heizelement aus Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten zum Beheizen des Strahlkörpers verwendet.

An verschiedenen Ausführungsbeispielen wird nachfolgend das erfinderische Element beschrieben. Die hierzu beigefügten Zeichnungen werden im Nachfolgenden erläutert.

Figur 1: Strahlungsheizung im Seitenprofil

Figur 2: Ansicht eines Graphitheizelements

Die Figur 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Strahlungsheizung, deren erfindungsmäßige Ausführung im folgenden beschrieben wird. In Figur 1 wird ein Strahlungskörper 1 aus Naturstein benutzt, welcher mindestens 0,5 cm und höchstens 10 cm dick ist. Dabei kann es sich um Marmor, Granit oder marmorisiertem Kalkstein handeln. Die wesentlichen Eigenschaften dieser Natursteinheizung ergeben sich daraus, dass hierbei hochwertige und sorgfältig ausgewählte Natursteine verwendet werden. Dadurch wird jede Natursteinheizung ein stilvolles Unikat. Der Begriff Marmor wird verschieden definiert. In der geologischen Wissenschaft versteht man unter Marmor ein aus Kalkstein umgewandeltes metamorphes Gestein. In der Bauwirtschaft, im Handel und im Volksmund wird jeder feste und damit polierfähige Kalkstein als Marmor bezeichnet. Der "echte", das heißt der metamorph entstandene Marmor ist durch Kontakt- oder Regionalmetamorphose aus Kalkstein gebildet. Er ist grobkristallin und wie Kalkstein monomineralisch aus Calcit aufgebaut. Einzelne Kristalle sind auf Kosten anderer vergröbert, so dass das ganze Aggregat ein zuckerförmiges Aussehen zeigt. Fremdbestandteile verändern das ursprünglich schneeweiße Gestein zu einem gestreiften, geflammten, gefleckten, gemaserten, geäderten bunten Marmor. Dabei zeigen sich zwei wesentliche Unterschiede auf. Kristalliner Marmor ist in den meisten Fällen grobkristallin, zuckerkömig, in Platten lichtdurchscheinend, fossiler und weist keine Hohlräume auf, wobei der marmorisierte Kalkstein feinkristallin und nicht lichtdurchscheinend ist, gelegentlich Hohlräume und häufig Fossilien beinhaltet.

Auf der Rückseite des Strahlungskörpers 1 befinden sich mäanderförmige Graphitheizelemente 2 bestehend aus Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten, welche aus Naturgrafit hergestellt werden. Dieser wird durch Einlagerung von Fremdionen zu sogenannten Einlagerungs- oder Interkalationsverbindungen umgewandelt. Bei der thermischen Zersetzung der Einlagerungsverbindungen entstehen expandierte, voluminöse Graphitflocken, die ohne Bindemittelzusatz zu flexiblen Folien gewalzt oder zu Platten und Formen gepresst werden. Dieser Werkstoff, der von der SGL Carbon Group unter dem Markennamen ®SIGRAFLEX vertrieben wird, besitzt außergewöhnliche Eigenschaften. Besonders wichtig sind die Anisotropie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, die Temperaturbeständigkeit und die Reflexion von Wärmestrahlung. Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten sind standardmäßig einsetzbar an Luft bis 400°C und unter Schutzgasatmosphäre bis über 3000 °C, sind hervorragend temperaturwechselbeständig, besitzen glatte reflektierende Oberflächen, haben eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit, sind sehr leicht und haben eine geringe Wärmespeicherkapazität. Bei Benutzung als Heizleitermaterial erlaubt ihre geringe Dicke äußerst kurze Aufheiz- und Abkühlzyklen. Insbesondere die Grafitfolien lassen sich sehr einfach durch Schneiden, Stanzen, Prägen oder ähnliche Verfahren bearbeiten.

Diese vorgenannten Vorteile machen Sie zu einem idealen Baumaterial für Hochtemperaturöfen, wo sie zur Wärmeisolation oder als Heizelement dienen (DE 2646890, Broschüre "SIGRAFLEX Graphitfolien und Graphitlaminatplatten für thermische Isolation und elektrische Heizelemente", 2001). Der wichtigste Anwendungsbereich dieses Werkstoffs sind jedoch Dichtungen, wo das Graphitmateriaf aufgrund seiner plastischen Verformbarkeit verwendet wird. Verschiedene Graphitmaterialien sind in der Lage, hochfrequente elektromagnetische Strahlung zu absorbieren, zum Beispiel bei Mobiltelefonen oder Computern. Die besondere Eignung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung resultiert aus dem speziellen energetischen Aufbau der chemischen Graphitstrukturen.

Graphitlaminatplatten werden aus 2 Graphitfolienschichten mit einem Kern aus Blech oder Drahtgeflecht zur mechanischen Verstärkung gefertigt.

Graphitfolien und viele Graphitlaminatplattentypen lassen sich sehr einfach bearbeiten. Zum Schneiden oder Stanzen lassen sich ähnliche Werkzeuge und Vorrichtungen verwenden wie zur Bearbeitung von Kartonagen.

Im Sinne dieser Erfindung werden Graphitfolien und Graphitlaminatplatten gemeinschaftlich als Graphitheizelemente bezeichnet.

Graphitheizelemente sind sehr dünn da diese aufgrund der hohen Anisotropie eine sehr hohe Leitfähigkeit innerhalb der Schichtebene besitzen und im Gegensatz zu Heizelementen aus einem Metall-Kunststoff-Laminat der komplette Materialquerschnitt zur Durchleitung des elektrischen Stroms sowie gleichzeitig zur Verteilung der Wärme genutzt wird. Die Dicke der verwendeten Graphitfolien beträgt nur 0,15 mm bis 0,5 mm und der Graphitlaminatplatten 0,5 mm bis 2mm.

Durch daraus resultierende äußerst kurze Aufheiz- und Abkühlzyklen lässt sich sehr schnell ein hervorragend justierbarer Temperatur-Beharrungszustand erreichen.

Die Aufheizzeit wird vorrangig durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Strahlungskörpers bestimmt. Sie liegt etwa für eine Temperaturdifferenz von 70°C (20°C - 90°C) bei einer Marmorplatte von 30 mm Dicke bei etwa 30 min.

Darüber hinaus kann durch eine sehr schnelle Aufheizung auf Temperaturen von 250°C bis zu 400 °C und eine entsprechend abgestimmte, leicht zu regulierende, sequentielle Abkühlung der Graphitheizelemente auch eine schnelle Aufheizzeit des Strahlungskörpers 1 auf benötigte Betriebstemperaturen bewirkt werden. Die in Figur 1 dargestellten Graphitheizelemente 2 werden zur optimalen Nutzung der Heizleistung bei geringem Einsatz von Heizleitermaterial mäanderförmig ausgeführt. Daneben lässt sich die geometrische Gestaltung der Graphitheizelemente aufgrund der einfachen Verarbeitbarkeit sehr vielfältig gestalten. Die Graphitheizelemente können so etwa mit Relief-, Netz-, Schlitz-, Serpentinen- oder Lochstrukturen hergestellt werden.

Dabei können auch Lochstrukturen eingearbeitet werden, welche Löcher oder Vertiefungen für spätere Befestigung von Zusatzaggregaten, Verkleidungen oder Wandhalterungen freilassen.

Diese geometrischen Strukturen können durch verschiedene Bearbeitungsverfahren erzeugt werden. Graphitfolien und Graphitlaminatplatten können aufgrund ihrer geringen Dicke und relativ weichen Konsistenz auf einfache Weise geschnitten, gefräst, gestanzt oder geprägt werden. Dies kann bereits während der Herstellung der Graphitfolien und Graphitlaminatplatten erfolgen, so dass keine Schnittabfälle anfallen. Selbst wenn die gewünschten Geometrien in die fertigen Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten eingebracht werden entsteht hauptsächlich Graphitfolienabfall, der wieder zu 100% recycliert werden kann.

In der Regel wird man für eine effizientere Montage das Graphitheizelement 2 an einem Stück herstellen um dies auf die Innenseite der Rückenabdeckung 5 aufizubringen, wobei jedoch bei Bedarf selbstverständlich auch kleinere Segmente hergestellt werden können.

Es wir eine Heizeinheit hergestellt, derart, dass eine Graphitfolie auf eine auf Maß geschnittene Fermacellplatte 5 geklebt wird. Als Kleber kann Weican RK 1500 verwendet werden. Der Kleber hat einen zugelassenen Temperaturbereich von - 40 °C bis + 180°C. Nach dem Aushärten wird in das Graphitheizelement 2 die Mäanderstruktur durch CNC-Frästechnik eingebracht. Die Stromkontakte 3 werden durch mit Leitkleber aufgebrachte Cu-Folien realisiert. Auf der Rückseite der Fermacellplatte 5 wird eine 230 V Anschlussdose 4 montiert, in der sich der Thermoschalter, das Sicherheitselement sowie die Anschlüsse befinden. Nach dem Säubern des Graphitheizelements 2 wird die leitende Seite mit einem bis 6 kV spannungsfesten Isolierlack überzogen. Die so hergestellte Strahlungsheizung wird dann mittels Wanddübel 7, Spezialanker 8, Wandhalterung 9 und Distanzhalter 10 and eine Wand 6 angebracht.

Die Heizleistung richtet sich nach der Größe des Strahlungskörpers 1 sowie nach der Betriebsweise des Flächenheizkörpers. Ein typischer Wert ist eine Heizleistung von 500 W für einen Flächenheizkörper der Abmessungen 1m x 0,5m bei 230V Eingangsspannung.

Figur 2 zeigt eine Ansicht eines Graphitheizelements 2 auf einer Rückenabdeckung 5 mit den Außenabmaßen der Anschlussdose 4 und den Stromkontakten 3.

Die oben beschriebene Kombination aus fehlenden Isolationsschichten und dem direkten und sehr engen Kontakt zwischen Graphitheizelement 2 und Strahlungskörper 1 ermöglicht die Erniedrigung der Wärmeübertragungsverluste über diese Grenzfläche um über 50%.

Die durch den Stromfluss im Graphitheizelement 2 erzeugte elektromagnetische Strahlung wird aufgrund der speziellen elektronischen Struktur des Graphits in situ absorbiert, es wird also sehr wenig Elektrosmog erzeugt. Darüber hinaus kann das Graphitheizelement 2 elektromagnetische Strahlung abfangen die unter Umständen durch andere Quellen, wie etwa in der Wand verlaufende Stromleitungen, erzeugt wird.
Die Ausstattung von Strahlungsheizungen mit Graphitheizelementen resultiert in deutlich verbesserter Energieeffiizienz, höherer Lebensdauer, reduzierten Herstellkosten, deutlich erhöhter Aufheizgeschwindigkeit und begrenzter elektromagnetischer Strahlungsemissionen. Durch diese Erfindung wird der Einsatz von Strahlungsheizungen als Primärheizung in Gebäuden trotz strenger Energieeffizienznormen ermöglicht. Erfindungsgemäße Strahlungsheizungen lassen aufgrund der schnellen und genauen Temperaturregulierbarkeit auch eine anwenderfreundlichere Zubereitung von Speisen bei Anwendung als Grill- oder Backplatte zu. Die einfache, flache und kostengünstige Konstruktion der erfindungsgemäßen Strahlungsheizungen ermöglicht eine weitere Verwendung dieser in Anwendungen wie etwa in Gartenlauben oder im Campingbereich.

Claims (11)

1. Strahlungsheizung mit Strahlungskörper aus Marmor, Granit, marmorisiertem Kalkstein oder anderen Natursteinen, Metall, Keramik, Glas oder deren Kombinationen mit Heizelementen, d.g.d. Heizelemente aus Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten verwendet werden.
2. Strahlungsheizung mit Strahlungskörper aus Marmor, Granit, marmorisiertem Kalkstein oder anderen Natursteinen, Metall, Keramik, Glas oder deren Kombinationen mit Heizelementen, d.g.d. sie bis zu zum Aufheizen kurzfristig auf 400 °C erhitzt werden kann.
3. Graphitheizelemente nach Anspruch 1, d.g.d. sie aus einer Graphitfolie der Stärke 0,15 mm bis 0,5 mm oder einer Graphitlaminatplatte der Stärke 0,5 mm bis 2 mm besteht.
4. Graphitheizelemente nach Anspruch 3, d.g.d. sie in Mäander-, Relief-, Netz-, Schlitz-, Serpentinen- oder Lochstrukturen aufweisen.
5. Graphitheizelemente nach Ansprüchen 3 bis 4, d.g.d. sie während oder nach Herstellung der Graphitfolien oder Graphitlaminatplatten geschnitten, gefräst, gestanzt oder geprägt werden.
6. Graphitheizelemente nach Ansprüchen 3 bis 5, d.g.d. ihre äußeren Abmaße denen des Strahlungskörpers entsprechen.
7. Graphitheizelemente nach Ansprüchen 3 bis 5, d.g.d. ihre äußeren Abmaße so beschaffen sind, dass mehrere Segmente den Strahlungskörper bedecken.
8. Herstellung von Strahlungsheizungen nach Ansprüchen 1 und 2, d.g.d. Graphitheizelemente nach Ansprüchen 3 bis 7 mittels Kleber unter Druck auf die hintere, bevorzugt raue, Oberfläche einen Strahlungskörper aufgeklebt wird.
9. Herstellung von Strahlungsheizungen nach Anspruch 8, d.g.d. die Graphitfolie nach Anspruch 3 mit aufgeklebter Kupferfolie kontaktiert wird.
10. Herstellung von Strahlungsheizungen nach Anspruch 8, d.g.d. die Graphitlaminat-platte nach Anspruch 3 direkt am metallischen Inlet kontaktiert wird.
11. Verwendung von Strahlungsheizungen nach den Ansprüchen 1 bis 10 als Primärheizung in Gebäuden, zur Zubereitung von Speisen als Grill- oder Backplatte sowie für weitere Anwendungen im Freizeit- und Campingbereich.

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