EP2457412A1 - Heizung, insbesondere hochtemperaturheizung, sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Heizung, insbesondere hochtemperaturheizung, sowie verfahren zu dessen herstellung

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EP2457412A1
EP2457412A1 EP10736624A EP10736624A EP2457412A1 EP 2457412 A1 EP2457412 A1 EP 2457412A1 EP 10736624 A EP10736624 A EP 10736624A EP 10736624 A EP10736624 A EP 10736624A EP 2457412 A1 EP2457412 A1 EP 2457412A1
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EP
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layer
carrier material
electrically conductive
heating
functional layer
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Harun Erismis
Michael Geiss
Dominik Nemec
Frank JÖRDENS
Gerhard Schmidmayer
Philipp Schaller
Jürgen Salomon
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • Heating in particular high-temperature heating, and method for its production
  • the invention relates to a method for producing a heater, in particular high-temperature heating, as well as such a heater, in particular a high-temperature heating, in which on a carrier material at a current flow heat generating layer is provided.
  • Such heaters are used for products of white goods, for example as a heater for an oven, toaster or hobs or glass ceramic hobs.
  • a heater for an oven toaster or hobs or glass ceramic hobs.
  • the use of such heating elements leads to an inhomogeneous Warm-up. A targeted focus on the food or to be heated Good is not given.
  • there is an air cushion between the heating wires and the carrier material which has a negative effect on the heat transfer.
  • induction hobs are known in which the heat is generated directly in the cooking pot by eddy currents.
  • the initial cost is complex, and it requires special pots for heating the food.
  • this high-temperature heating can not be easily transferred to any white goods.
  • a plate-shaped heating element which is used for room air conditioning of apartments and buildings.
  • a heating layer of a carbon-fiber mixture with non-conductive materials has become known, which is applied to a gypsum board or composite panel provided on the backside with a composite building material.
  • strip-shaped contact elements are provided so that a surface heating of the layer is made possible on carbon fiber mixture.
  • Such sheet-like heaters allow due to their design of the heating layer only temperatures in a range of ⁇ 50 0 C and are not suitable for the use of white goods.
  • the application of such fiber blends or fiber fabrics is very costly.
  • an electric hotplate with at least one cooking zone which serves as carrier material glassware. mik, glass or ceramic.
  • an electrical insulation layer is provided for heating the cooking zones and a thermally insulating cover layer, wherein a Schuwiderstandsmaterial is provided therebetween lying.
  • the heating resistor material consists of electrically conductive carbon, graphite particles or carbon fibers which are contacted with electrodes.
  • the heating resistor element may be mixed with a binder of heat-resistant organic or inorganic substances.
  • the second thermally insulating covering layer applied thereon terminates airtight with respect to the atmosphere of the heating resistance element, wherein the covering layer consists of heat-resistant glass or an enamel layer.
  • the assembly of the hotplate body is carried out by electrochemical bonding of the superimposed layers, wherein it is provided that the heating resistor element is brought by heating to a temperature above 400 0 C and in addition an electrical voltage of more than 400 V to the hotplate body and the Schuwiderstandselement is applied.
  • This layer structure of the cooking zone has the disadvantage that a complex representation of the adhesion properties is given by high voltages and no free choice of the contacting method is possible because the contact must be directly on the conductive layer.
  • DE 103 36 920 A1 discloses an electric roasting oven plate for heating, which makes reference to a construction of the electric hotplate according to DE 100 01 330 A1, wherein this structure is to be used for electric baking, cooking or electric roasting ovens.
  • the invention has the object of providing a method for producing a heater, in particular a high-temperature heating and a heater, in particular a high-temperature heating to propose, in which a heating element in a simple manner can be applied over the entire surface as a thin layer and allows homogeneous heat transfer.
  • a heating element in a simple manner can be applied over the entire surface as a thin layer and allows homogeneous heat transfer.
  • This object is achieved by a first alternative of the method for producing the heater, in particular the high-temperature heating, in which for the production of a heating element on the carrier material, a first electrically conductive layer is applied, which is formed from a flowable base material and carbon nanotubes dispersed therein in that a protective layer is applied to this first layer, which at least partially penetrates through the application to the first layer.
  • the object is achieved by a second alternative of the method for producing the heating, in which a functional layer with carbon nanotubes dispersed therein is applied to the carrier material.
  • Both methods make it possible to produce a very thin heating element, which can be heated up very quickly and allows a uniform heat transfer to the carrier material. Due to the heat treatment process after the application of the first layer and the protective layer or the functional layer, it has been found that the carbon nanotube selected as the conductive material can be introduced in a temperature-resistant manner in the first layer and the protective layer or the functional layer and combustion is avoided , As a result, a heating element is provided which allows operation with temperatures of> 400 0 C and a corresponding thermal shock stability and mechanical adhesion to the substrate. By the subsequent heat treatment or by the heating, a compression of the layers is achieved in the first layer and the protective layer or the functional layer. This has the advantage that such Hochtemperatursortetti be compressed air or oxygen tight. As a result, the temperature stability of the dispersed carbon nanotubes can be achieved.
  • the at least one layer or the functional layer contacts with contact elements and that is applied to the carrier material Layers or the functional layer are heated. As a result, an increased mechanical adhesion between the contact element and the carrier material can be achieved.
  • a further preferred embodiment of the method provides that the contact elements are strip-shaped. As a result, a surface-shaped heating can be achieved.
  • the applied first layer and protective layer or the applied functional layer in particular to a temperature between 300 0 C to 700 0 C is heated.
  • a sintering process of the layers takes place. This can be done in particular a compression of the layers or the functional layer.
  • This has the advantage that such high-temperature heaters are compressed by the sintering oxygen-tight and thus suitable for operation at temperatures of> 400 0 C and are resistant.
  • the first electrically conductive layer and protective layer or the functional layers applied to the carrier material is heated only by applying a voltage to the strip-shaped contact elements.
  • This embodiment has the advantage that the high-temperature heating is heated from the inside out. This makes it possible, for example, for first organic material to diffuse out of the first electrically conductive layer or to diffuse through the already applied protective layer. This internal heating has the advantage that mechanical stresses do not arise in the first electrically conductive layer. Thus, this heating can contribute to the stability of the layer.
  • the high-temperature heating is applied with its carrier material only on a stove top or external heat source, so that the resulting heat rises from bottom to top and first the electrically conductive layer and only then on ⁇ closing the further protective layer is heated.
  • This can be a be given analog effect as in the immediate heating of the heating element by the contact elements.
  • a preferred embodiment of the method provides that the first layer is dried after application and then the protective layer is applied.
  • This drying process has the advantage that the first layer is at least slightly compressed, in particular water-soluble constituents can evaporate before the further protective layer is applied. As a result, a thin structure of the heating element can be favored.
  • the first layer and, separately, the protective layer or the functional layer are applied by a spraying process by knife coating or a printing process.
  • a screen printing method can be provided, by which the in particular pasty first layer is applied in a simple manner to the carrier material.
  • the likewise preferred pasty trained second protective layer can be applied in the same way.
  • known technologies can be used for the production of high-temperature heating elements.
  • a spraying method or a spraying method may be provided in order to apply the first and second layer or the functional layer to the carrier material.
  • a so-called spray coating, a dip coating, so a dip coating or a spin coating can be realized.
  • a further preferred embodiment of the method provides that the first layer is applied over the entire surface or in adjacent strips, the protective layer is applied over the entire surface of the first layer and this completely envelopes the substrate, in particular before or after the application of the first layer strip-shaped contact elements be applied.
  • the first layer is connected as an electrically conductive layer with the strip-shaped contact elements and then an electrical insulation by the protective layer with the exception of connection points to the allows strip-shaped contact elements.
  • the complete encapsulation of the first electrically conductive layer by the protective layer further makes it possible to use water-soluble materials as the basis for a dispersion for the production of the first electrically conductive layer. These in turn have the advantage that processing without the use of solvents is possible and thus harmless to health.
  • a further preferred embodiment of the method provides that before applying the first layer or the functional layer to the carrier material in the heating region, an electrically insulating layer is applied to the carrier material. This is done in particular when the carrier material is not made of a dielectric material, but of an electrically conductive or weakly electrically conductive material.
  • a preferred embodiment of the method provides that an aqueous solution, in particular water or distilled water, is used for producing the first layer as an electrically nonconductive base material, which preferably comprises a dispersant such as gum arabic.
  • a dispersant such as gum arabic.
  • a further preferred embodiment of the method provides that incorporated into the electrically non-conductive base material fillers of carbon nanotubes and / or graphite and this paste can then be printed.
  • the last step describes the application of the protective layer (TopCoat), which preferably consists of ethyl silicate with graphite.
  • single, double or multiwalled nanotubes can preferably be used.
  • the combination of graphite and carbon nanotubes has the advantage that a flowable dispersion is achieved for the first layer for full-surface application to a substrate.
  • a silicate in particular an ethyl silicate, is preferably provided for forming an inorganic layer.
  • This has the advantage that, in particular after the temperature treatment by heating, the production of an inorganic layer is achieved, which is robust and airtight in use and therefore and in addition allows operation of temperatures> 400 0 C. At the same time this also gives thermal shock stability and mechanical adhesion to the carrier material.
  • a filler in particular graphite
  • the protective layer serves not only for insulation against atmospheric oxygen, by the addition of graphite, which is more temperature stable in air than the CNTs, also after the penetration and the resulting shift of the weight percentages of the fillers, a functional layer for effective
  • the functional layer contains carbon nanotubes and / or graphite
  • a simple application in a process step such as in a printing operation, good adhesion is achieved. It is also possible to produce elements for higher voltages.
  • an adhesive in particular gum arabic, is dispersed into the first layer.
  • the gum arabic is used before the application of the protective layer (TopCoat) as a primer. This guarantees that when printing the protective layer (TopCoat) this does not destroy the first layer (PreCoat).
  • Gum arabic is also possible with other surfactants such as SDS or Triton.
  • a heating element in particular a high-temperature heating element, for example for thermal household appliances, in which a first electrically conductive layer consisting of a base material and a carbon nanotube dispersed therein and a protective layer are provided on the carrier material the first layer is at least partially pene- trated and covers the first layer or that on the carrier material, a functional layer having dispersed therein carbon nanotubes is applied.
  • a heating element in particular a high-temperature heating element, for example for thermal household appliances, in which a first electrically conductive layer consisting of a base material and a carbon nanotube dispersed therein and a protective layer are provided on the carrier material the first layer is at least partially pene- trated and covers the first layer or that on the carrier material, a functional layer having dispersed therein carbon nanotubes is applied.
  • This special design of the heating element allows a high temperature resistance as well as the
  • Thermal shock stability can be created. At the same time can thus any geometry for the heating elements on a Susuna ⁇ TERIAL, in particular for forming a high-temperature heating can be selected.
  • a preferred embodiment of the heating element provides that the layers or the functional layer are contacted with contact elements. As a result, a simple connection can be created.
  • the contact elements are strip-shaped.
  • Eint further preferred embodiment of the heating provides that the layers or the functional layer are compressed by a temperature treatment. As a result, the temperature resistance and / or thermal shock stability can be further increased.
  • the first layer and the protective layer or the functional layer form a heating element with a layer thickness of less than 500 ⁇ m, in particular less than 100 ⁇ m. Due to the choice of materials, an ultra-thin application may be possible. At the same time, a homogeneous heat generation within the first electrically conductive layer and thus of the carrier material can take place.
  • the heater preferably has a first layer, which has a concentration of 0.1 to 100 wt% CNT in the flowable base material, in particular in water or distilled water. This can be given a high electrical conductivity, so that you can work with low voltages.
  • a concentration of 1 to 3 wt% CNT and 5 to 50 wt% graphite is provided as a filler in the base material. By adding graphite, the flowability of the first layer or the mixture can be increased.
  • the functional layer is a concentration of 0.1 to 100 wt% CNT in the base material, which preferably consists of silicate, in particular ethyl silicate is introduced.
  • a matrix of a concentration of 1 to 3 wt% CNT and 5 to 50 wt% graphite can be introduced into the functional layer.
  • the functional layer can be applied for example by screen printing. At the same time, the air insulation and the stability of the carbon nanotubes are sufficiently achieved.
  • the heating element preferably has a heating element with a first layer and a protective layer or a functional layer which has an electrical resistance of less than 100 ohms / sq. having. This allows a temperature generation of> 400 0 C on large Substrates using a standard power supply in the home. In addition, the layers could be made even thinner to ensure even better mechanical stabilities.
  • a carrier material is preferably provided which consists of ceramic, glass ceramic, ceran ceramic, aluminum oxide ceramic, MgO, KER 520.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of a heating
  • FIG. 2 shows a schematic side view from below of the heater according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic side view of an alternative heater to FIG. 1,
  • Figure 4 is a schematic side view of an alternative heating to Figure 1 and
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a further alternative embodiment to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a heater 11, in particular a high-temperature heater.
  • FIG. 2 shows a schematic view from below.
  • the high-temperature heating 11 comprises a carrier material 12 which, for example, when used in the field
  • the white goods may be formed as ceramic, glass ceramic, Cerankeramik, alumina ceramics or the like.
  • On the underside of a heating element 14 is provided within a heating area.
  • This heating element 14 comprises a first electrically conductive layer 16, on which a protective layer 17 is applied.
  • the protective layer 17 completely surrounds the first electrical layer 16, so that it is electrically insulated and mechanically protected against the environment on the substrate 12 is provided.
  • the first electrically conductive layer 16 extends between two strip-shaped contact elements 18, which are guided for contacting the electrical layer 16, for example, to an edge region of the carrier material 12. Between the two preferably parallel to each other extending contact elements 18, the first layer 16 extends and forms the heating area.
  • the protective layer 17 covers the first layer 16 and preferably the strip-shaped contact elements 18, so that only for example in the edge region a free contact point can be recessed. Alternatively, it can also be provided that initially the first layer 16 and the protective layer 17 are applied and subsequently the strip-shaped contact elements 18 are brought to the heating region formed by the first layer 16 and protective layer 17.
  • the first electrically conductive layer 16 consists of a flowable, electrically non-conductive base material.
  • an aqueous-based dispersion is provided. Carbon nanotubes are dispersed in this dispersion as an electrically conductive material.
  • the dispersion comprises a filler, in particular graphite, in order to support the electrical conductivity and to adjust the flowability.
  • an adhesive is preferably provided in the dispersion. This may be, for example, gum arabic. Other surfactants such as SDS or Triton can be used. As a result, a flowable or pasty mass can be produced, which can be applied to the carrier material 12 by a printing method or spraying method. This dispersion is high-temperature, thermoshock-stable and hydrophobic.
  • the protective layer 17 is preferably made of a silicate, which may preferably be enriched with adhesive, filler or other particles to to increase the adhesion properties. This allows the
  • the electrically conductive material preferably consists of a composite of CNTs and graphite or further electrically conductive particles or constituents which make it possible to form a pasty mass or a sprayable mass.
  • the heating element 14 shown in FIG. 1 is produced by first mixing the constituents of an electrically nonconductive base material and carbon nanotubes dispersed therein or a composite of carbon nanotubes with further electrically conductive materials in order to form a flowable or pasty mass , which is applied over the entire surface of the substrate 12 by means of a screen printing process. Subsequently, the strip-shaped contact elements 18 can preferably be printed by applying a conductive paste, in particular silver conductive paste, by screen printing. These contact elements 18 can also be provided on the carrier material 12 before the application of the first layer 16. Following this, according to a variant of the first embodiment of the production method, this first layer 16 can be subjected to temperature treatment.
  • the protective layer 17 is preferably applied by a screen printing method. Alternatively, this can also be applied without an intervening drying process of the first layer 16.
  • the carrier material 12 is treated with the layers 17 applied thereto as well as the contact elements 18, so that at least the protective layer 17 is preferably sintered.
  • the compression takes place and requires a further "compression" of the conductive particles, which leads to a lower specific resistance because of the increased number of contacts and the compactness Again, a conductivity improvement in the first layer 16 are created.
  • Such high-temperature heaters 11 have heating elements 14, the thickness of which may be formed, for example, ⁇ 100 ⁇ m.
  • heating elements 14 the thickness of which may be formed, for example, ⁇ 100 ⁇ m.
  • the full-surface arrangement of the electrically conductive layer 16 on the carrier material 12 a homogeneous heating and thermal radiation of the carrier material 12 is made possible.
  • the protective layer 17 may be associated with a reflector to reflect the heat radiation from the heating element 14 in the opposite direction to the carrier material 12 and to accelerate the heating of the carrier material 12.
  • FIG. 3 An alternative embodiment to FIG. 1 is shown in FIG. 3 and given in that instead of a successive application of the first layer 16 and the protective layer 17, a functional layer 21 is applied.
  • This functional layer 21 is made of the same basic material as the protective layer 17.
  • a silicate in particular ethyl silicate, is used, are dispersed in the CNT's.
  • this functional layer 21 may comprise further conductive particles to the CNTs and in particular a binder, preferably graphite, as a further component.
  • a functional layer 21 it is possible to provide a pasty mass which can be applied by a spray method or screen printing method.
  • the subsequent heating also achieves a compression of this layer by a sintering process, which increases the conductivity.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment to FIG. This embodiment differs from that in FIG. 1 in that prior to the application of the first electrically conductive layer 16, an electrical insulating layer 19 is applied over the entire surface of the carrier material 12 in order to arrange the electrically conductive layer 16 in an insulated manner relative to the carrier material 12. This arrangement of the insulating layer 19 may also be provided when applying a mixture consisting of the first electrically conductive layer 16 and the protective layer 17. Likewise, an electrically insulating layer 19 can be applied over the entire surface before the functional layer 21 is applied to the carrier material.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment to FIG. This embodiment differs only in that instead of a full-surface first electrically conductive layer 16, a strip-shaped layer 16 is formed.
  • a strip-shaped layer 16 is formed.
  • Such webs or ribs can be adapted in geometry and contour to the corresponding applications.
  • the strip geometry can heat targeted areas. In addition, it further favors the adhesion properties of the respective substrate.
  • the strips can be arranged as desired, so that different heating zones can be implemented on a substrate in a targeted manner.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere Hochtemperaturheizung sowie eine Hochtemperaturheizung, beispielsweise für thermische Hausgeräte, bei der auf einem Trägermaterial (12) eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Schicht als Heizelement (14) vorgesehen ist, wobei auf dem Trägermaterial (12) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (16) aufgebracht wird, welche aus einem fließfähigen, nicht elektrisch leitfähigen Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes gebildet wird, dass auf diese erste Schicht (16) eine Schutzschicht (17) aufgebracht wird, welche durch das Aufbringen in die erste Schicht (14) zumindest teilweise penetriert wird oder dass eine Funktionsschicht (21) mit darin eindispergierten Carbon-Nanotubes auf das Trägermaterial (12) aufgebracht und dass die zumindest eine Schicht (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) mit streifenförmigen Kontaktelementen (18) kontaktiert und die auf dem Trägermaterial aufgebrachten Schichten (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) erhitzt werden.

Description

Heizung, insbesondere Hochtemperaturheizung, sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere Hochtemperaturheizung, sowie eine solche Heizung, insbesondere eine Hochtemperaturheizung, bei der auf einem Trägermaterial eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Schicht vorgesehen ist.
Solche Heizungen, insbesondere Hochtemperaturheizungen, werden für Produkte der Weißen Ware, beispielsweise als Heizung für einen Backofen, Toaster oder auch Herdplatten bzw. Glaskeramikkochfelder, eingesetzt. Zur Aufheizung dieser Gegenstände bis zu Temperaturen von > 400 0C werden bislang Heizstäbe eingesetzt, von denen aus eine Wärmestrahlung erfolgte, um das angrenzende Trägermaterial aufzuheizen. Durch den Einsatz solcher Heizstäbe kommt es zu einem inhomogenen Aufwärmvorgang. Eine gezielte Fokussierung auf das Kochgut oder das zu erwärmende Gut ist dadurch nicht gegeben. Des Weiteren besteht zwischen den Heizdrähten und dem Trägermaterial ein Luftpolster, welches sich negativ auf die Wärmeübertragung auswirkt.
Zur Vermeidung eines inhomogenen Aufheizvorganges sind beispielsweise Induktionskochfelder bekannt, bei denen die Wärme im Kochtopf durch Wirbelströme direkt erzeugt wird. Dadurch wird zwar eine homogene Aufheizung des Kochgutes erzielt, jedoch sind die Anschaffungskosten aufwändig, und es werden spezielle Töpfe zum Erwärmen des Kochgutes benötigt. Diese Hochtemperaturheizung lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres auf beliebige Produkte der Weißen Ware übertragen.
Aus der DE 10 2005 049 428 Al ist ein plattenförmiges Heizelement bekannt geworden, welches zur Raumklimatisierung von Wohnungen und Gebäuden eingesetzt wird. Auf einer Verbundplatte ist eine Heizschicht aus einem Kohlenstoff-Fasergemisch mit nicht leitenden Materialien bekannt geworden, welche auf einer Gipskartonplatte oder eine rückseitig mit einem Verbundbaustoff versehene Verbundplatte aufgebracht ist. Zur Kontaktierung der Heizschicht sind streifenförmige Kontaktelemente vorgesehen, so dass eine flächige Erwärmung der Schicht auf Kohlenstofffaser-Gemisch ermöglicht wird. Solche flächenförmige Heizungen ermöglichen aufgrund deren Ausgestaltung der Heizschicht lediglich Temperaturen in einem Bereich von < 50 0C und eignen sich nicht für den Einsatz der Weißen Ware. Darüber hinaus ist das Aufbringen von solchen Fasergemischen oder Fasergeweben sehr kostenintensiv.
Analoges gilt beispielsweise für die aus der DE 20 2005 013 822 bekannt gewordenen flächenförmigen Heizelemente, welche analog zum Heizungselement zur Raumklimatisierung aufgebaut sind. Solche Verbundsysteme mit einer papierähnlichen Faserstruktur sind in der Herstellung aufwändig und kostenintensiv. Darüber hinaus ist die Anpassung an beliebige Geometrien und ein leichtes Aufbringen erschwert.
Aus der DE 100 01 330 Al ist eine Elektrokochplatte mit mindestens einer Kochzone bekannt geworden, welche als Trägermaterial Glaskera- mik, Glas oder Keramik einsetzt. An deren Unterseite ist zum Beheizen der Kochzonen eine elektrische Isolierschicht vorgesehen sowie eine thermisch isolierende Abdeckschicht, wobei dazwischen liegend ein Heizwiderstandsmaterial vorgesehen ist. Das Heizwiderstandsmaterial besteht aus elektrisch leitfähigem Kohlenstoff, Graphitteilchen oder Kohlenstofffasern, die mit Elektroden kontaktiert sind. Das Heizwiderstands- element kann mit einem Bindemittel aus hitzebeständigen organischen oder anorganischen Stoffen vermischt sein. Die darauf aufgebrachte zweite thermisch isolierende Abdeckschicht schließt luftdicht gegenüber der Atmosphäre des Heizwiderstandselementes ab, wobei die Abdeckschicht aus hitzebeständigem Glas oder einer Emailschicht besteht. Der Zusammenbau des Kochplattenkörpers erfolgt durch elektrochemisches Verbinden der aufeinander liegenden Schichten, wobei vorgesehen ist, dass das Heizwiderstandselement durch Aufheizen auf eine Temperatur über 400 0C gebracht wird und zusätzlich eine elektrische Spannung von mehr als 400 V an den Kochplattenkörper und das Heizwiderstandselement angelegt wird.
Dieser Schichtaufbau der Kochzone weist den Nachteil auf, dass eine aufwendige Darstellung der Haftungseigenschaften durch hohe Spannungen gegeben ist und keine freie Wahl der Kontaktierungsmethode ermöglicht ist, da die Kontaktierung direkt an der leitfähigen Schicht sein muss.
Aus der DE 103 36 920 Al geht des Weiteren eine Elektrobratofenplatte zum Heizen vor, welche auf einen Aufbau der Elektrokochplatte gemäß der DE 100 01 330 Al Bezug nimmt, wobei dieser Aufbau für Elektro- back-, Gar- oder Elektrobratöfen eingesetzt werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere eine Hochtemperaturheizung sowie eine Heizung, insbesondere eine Hochtemperaturheizung, vorzuschlagen, bei welchem ein Heizelement in einfacher Weise als dünne Schicht ganzflächig aufgebracht werden kann und eine homogene Wärmeübertragung ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine erste Alternative des Verfahrens zur Herstellung der Heizung, insbesondere der Hochtemperaturheizung gelöst, bei der zur Herstellung eines Heizelementes auf dem Trägermaterial eine erste elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht wird, welche aus einem fließfähigen Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes gebildet wird, dass auf diese erste Schicht eine Schutzschicht aufgebracht wird, welche durch das Aufbringen auf die erste Schicht in diese zumindest teilweise penetriert.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine zweite Alternative des Verfahrens zur Herstellung der Heizung gelöst, bei dem eine Funktionsschicht mit darin eindispergierten Carbon-Nanotubes auf das Trägermaterial aufgebracht wird.
Beide Verfahren ermöglichen, dass ein sehr dünnes Heizelement hergestellt wird, welches sehr schnell aufgeheizt werden kann und eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf das Trägermaterial ermöglicht. Durch den Wärmebehandlungsprozess nach dem Auftragen der ersten Schicht und der Schutzschicht oder der Funktionsschicht hat sich er- stauπlicherweise herausgestellt, dass die als leitfähiges Material ausgewählten Carbon-Nanotubes temperaturbeständig in der ersten Schicht und der Schutzschicht oder der Funktionsschicht eingebracht werden können und ein Verbrennen vermieden wird. Dadurch wird ein Heizelement bereitgestellt, welches einen Betrieb mit Temperaturen von > 400 0C ermöglicht sowie eine entsprechende Thermoschockstabilität und eine mechanische Haftung auf dem Trägermaterial. Durch die anschließende Wärmebehandlung beziehungsweise durch das Erhitzen wird bei der ersten Schicht und der Schutzschicht oder der Funktionsschicht eine Komprimierung der Schichten erzielt. Dies weist den Vorteil auf, dass solche Hochtemperaturheizelemente luft- beziehungsweise sauerstoffdicht komprimiert werden. Dadurch kann auch die Temperaturstabilität der eindispergierten Carbon-Nanotubes erzielt werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zumindest eine Schicht oder die Funktionsschicht mit Kontaktelementen kontaktiert und die auf dem Trägermaterial aufgebrachten Schichten oder die Funktionsschicht erhitzt werden. Dadurch kann eine erhöhte mechanische Haftung zwischen dem Kontaktelement und dem Trägermaterial erzielt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Kontaktelemente streifenförmig sind. Dadurch kann eine flächenför- mige Aufheizung erzielt werden.^
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die aufgebrachte erste Schicht und Schutzschicht oder die aufgebrachte Funktionsschicht, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 300 0C bis 700 0C erhitzt wird. Durch diese Temperaturbehandlung erfolgt ein Sinterprozess der Schichten. Dadurch kann insbesondere eine Komprimierung der Schichten bzw. der Funktionsschicht erfolgen. Dies weist den Vorteil auf, dass solche Hochtemperaturheizungen durch den Sinterprozess luftsauerstoffdicht komprimiert werden und somit für einen Betrieb bei Temperaturen von > 400 0C geeignet und beständig sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die auf dem Trägermaterial aufgebrachte erste elektrisch leitfähige Schicht und Schutzschicht oder die Funktionsschichten nur durch Anlegen einer Spannung an den streifenförmigen Kontaktelementen erhitzt wird. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Hochtemperaturheizung von innen heraus aufgeheizt wird. Dies ermöglicht beispielsweise, dass zunächst organisches Material der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ausdiffundiert oder durch die bereits aufgebrachte Schutzschicht hindurch diffundieren kann. Diese von innen heraus erfolgende Aufheizung weist den Vorteil auf, dass mechanische Spannungen in der ersten elektrisch leitfähigen Schicht nicht entstehen. Somit kann diese Erwärmung zur Stabilität der Schicht beitragen. Alternativ ist vorgesehen, dass die Hochtemperaturheizung mit ihrem Trägermaterial nur auf eine Herdplatte oder externe Heizquelle aufgebracht wird, so dass die dadurch entstehende Wärme von unten nach oben steigt sowie zunächst die elektrisch leitfähige Schicht und erst daran an¬ schließend die weitere Schutzschicht erwärmt wird. Dadurch kann ein analoger Effekt wie bei der unmittelbaren Aufheizung des Heizelementes durch die Kontaktelemente gegeben sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die erste Schicht nach dem Aufbringen getrocknet und anschließend die Schutzschicht aufgebracht wird. Dieser Trocknungsvorgang weist den Vorteil auf, dass die erste Schicht zumindest geringfügig komprimiert wird, insbesondere wasserlösliche Bestandteile ausdampfen können, bevor die weitere Schutzschicht aufgetragen wird. Dadurch kann ein dünner Aufbau des Heizungselementes begünstigt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Schicht und getrennt davon die Schutzschicht oder die Funktionsschicht durch ein Sprüh verfahren durch Aufrakeln oder ein Druckverfahren aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein Siebdruckverfahren vorgesehen sein, durch welches die insbesondere pastöse erste Schicht in einfacher Weise auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Anschließend kann in gleicher Weise die ebenfalls bevorzugt pastös ausgebildete zweite Schutzschicht aufgetragen werden. Somit können bekannte Technologien für die Herstellung von Hochtemperaturheizelementen eingesetzt werden. Analoges gilt für das Aufbringen der Funktionsschicht auf das Trägermaterial. Alternativ kann ein Spritzverfahren bzw. ein Sprühverfahren vorgesehen sein, um die erste und zweite Schicht oder die Funktionsschicht das Trägermaterial aufzubringen. Hier kann ein sogenanntes Spraycoating, ein Dipcoating, also eine Tauchbeschichtung oder ein Spincoating realisiert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die erste Schicht vollflächig oder in nebeneinander liegenden Streifen aufgebracht wird, die Schutzschicht vollflächig auf die erste Schicht aufgebracht wird und diese vollständig zum Trägermaterial umhüllt, wobei insbesondere vor oder nach dem Aufbringen der ersten Schicht streifenförmige Kontaktelemente aufgebracht werden. Dadurch wird die erste Schicht als elektrisch leitfähige Schicht mit den streifenförmigen Kontaktelementen verbunden und anschließend eine elektrische Isolierung durch die Schutzschicht mit Ausnahme von Anschlussstellen an den streifenförmigen Kontaktelementen ermöglicht. Durch die vollständige Umhüllung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht durch die Schutzschicht wird des Weiteren ermöglicht, dass für die Herstellung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht wasserlösliche Materialien als Basis für eine Dispersion eingesetzt werden können. Diese weisen wiederum den Vorteil auf, dass eine Verarbeitung ohne den Einsatz von Lösungsmitteln möglich und somit gesundheitlich unbedenklich ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass vor dem Aufbringen der ersten Schicht oder der Funktionsschicht auf das Trägermaterial im Erwärmungsbereich eine elektrisch isolierende Schicht auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn das Trägermaterial nicht aus einem dielektrischen Material, sondern aus einem elektrisch leitfähigen oder schwach elektrisch leitfähigem Material, hergestellt ist.
Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass zur Herstellung der ersten Schicht als elektrisch nicht leitfähiges Grundmaterial eine wässrige Lösung, insbesondere Wasser oder destilliertes Wasser, eingesetzt wird, welches vorzugsweise einen Dispergenten, wie beispielsweise Gummi Arabicum umfasst. Dieser ermöglicht ein einfaches Aufbringen, insbesondere als vollflächige Schicht, ohne Lösungsmittel für die Herstellung der Dispersion als auch für die Reinigung von Maschinen einzusetzen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in das elektrisch nicht leitende Grundmaterial Füllstoffe aus Carbon- Nanotubes und/oder Graphit eingearbeitet und diese Paste dann verdruckt werden kann. Der letzte Schritt beschreibt das Aufbringen der Schutzschicht (TopCoat), welche vorzugsweise aus Ethylsilikat mit Graphit besteht.
Dabei können bevorzugt Single-, Double- oder Multiwalled-Nanotubes eingesetzt werden. Insbesondere die Kombination von Graphit und Carbon-Nanotubes weist den Vorteil auf, dass eine fließfähige Dispersion für die erste Schicht zum vollflächigen Aufbringen auf ein Trägermaterial erzielt wird.
Zur Herstellung der Schutzschicht oder Funktionsschicht wird bevorzugt ein Silikat, insbesondere ein Ethylsilikat zur Bildung einer anorganischen Schicht vorgesehen. Diese weist den Vorteil auf, dass insbesondere nach der Temperaturbehandlung durch Erhitzen die Herstellung einer anorganischen Schicht erzielt wird, welche im Einsatz robust und luftdicht ist und daher und darüber hinaus einen Betrieb von Temperaturen > 400 0C ermöglicht. Gleichzeitig ist dadurch auch eine Thermoschockstabilität sowie eine mechanische Haftung an dem Trägermaterial gegeben.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in die Schutzschicht oder in die Funktionsschicht ein Füllmittel, insbesondere Graphit, eindispergiert wird. Dies weist den Vorteil auf, dass insbesondere bei der ersten alternativen Ausführungsform des Verfahrens beim Einpenetrieren der Schutzschicht in die erste elektrisch leitfähige Schicht das Füllstoffverhältnis erhöht wird, wodurch sich auch die Leitfähigkeit in der zweiten Schicht erhöht. Dadurch kann die Kon- taktierung zu beliebigen Zeitpunkten aufgebracht und an unterschiedlichen Orten flexibel angebracht werden. Die Schutzschicht dient nicht nur zur Isolierung gegen Luftsauerstoff, durch die Zugabe von Graphit, welches temperaturstabiler an Luft als die CNTs ist, wird ebenso nach der Penetration und der daraus resultierenden Verschiebung der Gewichtsprozentanteile der Füllstoffe eine Funktionsschicht zur effektiven
Durchkontaktierung gegeben. Insgesamt hat diese Schicht also drei Merkmale:
1) Haftung durch Penetration; 2) Isolierung gegen Luftsauerstoff; 3) leitfähige, CNT freie Schicht zur Durchkontaktierung.
Bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Funktionsschicht Carbon-Nanotubes und/oder Graphit enthält, wird ein einfaches Aufbringen in einem Prozessschritt, wie beispielsweise in einem Druckvorgang, eine gute Haftung erzielt. Es können bevorzugt Elemente auch für höhere Spannungen hergestellt werden. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass in die erste Schicht ein Haftmittel, insbesondere Gummi Arabicum eindispergiert wird. Dadurch kann eine Haftvermittlung zwischen der ersten Schicht und einem Trägermaterial verbessert werden. Das Gummi Arabicum dient vor dem Aufbringen der Schutzschicht (TopCoat) als Haftvermittler. Dadurch ist garantiert, dass beim Aufdrucken der Schutzschicht (TopCoat) dieses nicht die erste Schicht (PreCoat) zerstört.
Während dem Einbrand der Schichten wird das Gummi Arabicum ausgebrannt. Bevor sich die Schutzschicht gasdicht ausbildet, diffundieren die flüchtigen Bestandteile des Gummi Arabicum aus. Alternativ zum
Gumnmi Arabicumsind auch ebenso andere Tenside wie SDS oder Triton denkbar.
Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß durch ein Heizelement, insbesondere ein Hochtemperaturheizelement, beispielsweise für thermische Hausgeräte, gelöst, bei dem auf dem Trägermaterial eine erste elektrisch leitfähige Schicht bestehend aus einem Grundmaterial und einem darin eindispergierten Carbon-Nanotube und eine Schutzschicht vorgesehen sind, welche in die erste Schicht zumindest teilweise pene- triert ist und die erste Schicht überdeckt oder dass auf dem Trägermaterial eine Funktionsschicht mit darin eindispergierten Carbon-Nanotubes aufgebracht ist. Dieser besondere Aufbau des Heizelementes ermöglicht, dass eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie die
Thermoschockstabilität geschaffen werden kann. Gleichzeitig können dadurch beliebige Geometrien für die Heizelemente auf einem Trägerma¬ terial, insbesondere zur Bildung einer Hochtemperaturheizung, ausgewählt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Heizelementes sieht vor, dass die Schichten oder die Funktionsschicht mit Kontaktelementen kontaktiert sind. Dadurch kann ein einfacher Anschluss geschaffen sein.
Bevorzugt sind die Kontaktelemente streifenförmig ausgebildet. Eint weitere bevorzugte Ausgestaltung der Heizung sieht vor, dass die Schichten oder die Funktionsschicht durch eine Temperaturbehandlung komprimiert sind. Dadurch kann die Temperaturbeständigkeit und/oder Thermoschockstabilität weiter erhöht werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Schicht und die Schutzschicht oder die Funktionsschicht ein Heizelement mit einer Schichtdicke von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 100 μm, bilden. Aufgrund der Auswahl der Materialien kann ein ultradünnes Auftragen ermöglicht sein. Gleichzeitig kann eine homogene Wärmeerzeugung innerhalb der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und somit des Trägermaterials erfolgen.
Die Heizung weist bevorzugt eine erste Schicht auf, welche eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im fließfähigen Grundmaterial, insbesondere im Wasser oder destilliertem Wasser, aufweist. Dadurch kann eine hohe elektrische Leitfähigkeit gegeben sein, so dass mit niederen Spannungen gearbeitet werden kann. Bevorzugt ist eine Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit als Füllmittel in dem Grundmaterial vorgesehen. Durch die Hinzugabe von Graphit kann die Fließfähigkeit der ersten Schicht oder des Gemisches erhöht werden.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Heizung ist vorgesehen, dass die Funktionsschicht eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im Grundmaterial, welches vorzugsweise aus Silikat, insbesondere Ethylsilikat, besteht, eingebracht wird. Alternativ kann eine Matrix aus einer Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit in die Funktionsschicht eingebracht werden. Durch eine solche Mischung kann die Funktionsschicht beispielsweise durch Siebdruck appliziert werden. Gleichzeitig wird auch die Luftisolation sowie die Stabilität der Carbon-Nanotubes ausreichend erzielt.
Das Heizelement weist bevorzugt ein Heizelement mit einer ersten Schicht und einer Schutzschicht oder einer Funktionsschicht auf, welches einen elektrischen Widerstand von weniger als 100 Ohm/Sq. aufweist. Dies ermöglicht eine Temperaturgenerierung von > 400 0C auf großen Substraten mittels einer üblichen Spannungsversorgung im Haushalt. Darüber hinaus könnten die Schichten noch dünner ausgelegt werden, um noch bessere mechanische Stabilitäten zu gewährleisten.
Zur Herstellung der Heizung ist bevorzugt ein Trägermaterial vorgesehen, welches aus Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik, MgO, KER 520 besteht. Dadurch werden vielfältige Einsatzbereiche, insbesondere in der Weißen Ware, ermöglicht. Gleichzeitig kann dadurch eine kostengünstige Herstellung erzielt werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Heizung,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht von unten auf die Heizung gemäß Figur 1,
Figur 3 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Heizung zu Figur 1,
Figur 4 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Heizung zu Figur 1 und
Figur 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform zu Figur 1.
In Figur 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Heizung 11, insbesondere einer Hochtemperaturheizung dargestellt. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht von unten. Die Hochtemperaturheizung 11 umfasst ein Trägermaterial 12, welches beispielsweise beim Einsatz im Bereich der Weißen Ware als Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik oder dergleichen ausgebildet sein kann. Auf deren Unterseite ist innerhalb eines Erwärmungsbereiches ein Heizelement 14 vorgesehen. Dieses Heizelement 14 umfasst eine erste elektrisch leitfähige Schicht 16, auf der eine Schutzschicht 17 aufgebracht ist. Bevorzugt umgibt die Schutzschicht 17 vollständig die erste elektrische Schicht 16, so dass diese elektrisch isoliert und mechanisch geschützt gegenüber der Umgebung an dem Trägermaterial 12 vorgesehen ist. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 16 erstreckt sich zwischen zwei streifenförmigen Kontaktelementen 18, welche zur Kontaktierung der elektrischen Schicht 16, beispielsweise bis an einen Randbereich des Trägermaterials 12, geführt sind. Zwischen den beiden bevorzugt parallel zueinander verlaufenden Kontaktelementen 18 erstreckt sich die erste Schicht 16 und bildet den Erwärmungsbereich. Die Schutzschicht 17 überdeckt die erste Schicht 16 und bevorzugt die streifenförmigen Kontaktelemente 18, so dass lediglich beispielsweise im Randbereich eine freie Kontaktie- rungsstelle ausgespart sein kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zunächst die erste Schicht 16 und die Schutzschicht 17 aufgebracht wird und anschließend die streifenförmigen Kontaktelemente 18 zu dem durch die erste Schicht 16 und Schutzschicht 17 gebildeten Erwärmungsbereich gebracht werden.
Die erste elektrisch leitfähige Schicht 16 besteht aus einem fließfähigen, elektrisch nicht leitfähigen Grundmaterial. Bevorzugt ist eine Dispersion auf wässriger Basis vorgesehen. In dieser Dispersion sind als elektrisch leitfähiges Material Carbon-Nanotubes dispergiert. Ergänzend umfasst die Dispersion ein Füllmittel, insbesondere Graphit, um die elektrische Leitfähigkeit zu unterstützen und die Fließfähigkeit einzustellen. Ergänzend ist bevorzugt in der Dispersion ein Haftmittel vorgesehen. Dieses kann beispielsweise Gummi Arabicum sein. Auch andere Tenside wie SDS oder Triton sind einsetzbar. Dadurch kann eine fließfähige oder pas- töse Masse hergestellt werden, welche durch ein Druckverfahren oder Sprühverfahren auf das Trägermaterial 12 applizierbar ist. Diese Dispersion ist hochtemperatur-, thermoschockstabil und hydrophob. Die Schutzschicht 17 besteht bevorzugt aus einem Silikat, das bevorzugt mit Haftmittel, Füllmittel oder weiteren Partikeln angereichert sein kann, um die Haftungseigenschaften zu erhöhen. Dadurch kann die
Thermoschockstabilität sowie die mechanische Haftung auf dem Trägermaterial verbessert werden. Durch das Penetrieren der Schutzschicht 17 in die erste Schicht 16 sind diese CNT's auch für einen Temperatureinsatz oberhalb von 350 0C geeignet, da die Schutzschicht 17 die CNT's luftdicht einschließt. Bevorzugt besteht das elektrisch leitfähige Material aus einem Verbund aus CNT's und Graphit oder weiteren elektrisch leitfähigen Partikeln oder Bestandteilen, die das Ausbilden einer pastösen Masse oder einer sprühfähigen Masse ermöglichen.
Das in Figur 1 dargestellte Heizelement 14 wird dadurch hergestellt, dass zunächst die Bestandteile aus einem elektrisch nicht leitfähigen Grundmaterial und darin dispergiertem Carbon-Nanotubes oder ein Verbund aus Carbon-Nanotubes mit weiteren elektrisch leitfähigen Materialien gemischt werden, um eine fließfähige oder pastöse Masse zu bilden, die mittels eines Siebdruckverfahrens vollflächig auf das Trägermaterial 12 aufgebracht wird. Anschließend können die streifenförmigen Kontaktelemente 18 vorzugsweise durch Auftragen einer leitfähigen Paste, insbesondere Silberleitpaste, im Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Diese Kontaktelemente 18 können auch vor dem Aufbringen der ersten Schicht 16 auf dem Trägermaterial 12 vorgesehen sein. Darauf folgend kann gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens diese erste Schicht 16 temperaturbehandelt werden. Dies weist den Vorteil auf, dass eine Aushärtung und Austrocknung des Grundmaterials beziehungsweise der wässrigen Basis für die als Dispersion ausgebildete erste Schicht 16 erfolgt, wodurch eine anschließende Penetration der Schutzschicht 17 verbessert wird. Anschließend wird die Schutzschicht 17 bevorzugt durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht. Alternativ kann diese auch ohne einen dazwischengeschalteten Trocknungsvorgang der ersten Schicht 16 aufgebracht werden. Anschließend wird das Trägermaterial 12 mit den darauf aufgebrachten Schichten 17 als auch den Kontaktelementen 18 temperaturbehandelt, so dass zumindest die Schutzschicht 17 vorzugsweise gesintert wird. Hier findet die Komprimierung statt und bedingt ein weiteres„Zusammenpressen" der leitfähigen Partikel, was wegen der erhöhten Berühruπgsanzahl und der Kompaktheit zu einem geringeren spez. Widerstand führt. Dadurch kann wiederum eine Leitfähigkeitsverbesserung in der ersten Schicht 16 geschaffen werden.
Solche Hochtemperaturheizungen 11 weisen Heizelemente 14 auf, deren Dicke beispielsweise < 100 μm ausgebildet sein können. Darüber hinaus wird aufgrund der vollflächigen Anordnung der elektrisch leitfähigen Schicht 16 an dem Trägermaterial 12 eine homogene Erwärmung und Wärmestrahlung des Trägermaterials 12 ermöglicht.
Bevorzugt kann der Schutzschicht 17 ein Reflektor zugeordnet sein, um die vom Heizelement 14 in entgegengesetzter Richtung zum Trägermaterial 12 erfolgende Wärmestrahlung zu reflektieren und das Aufheizen des Trägermaterials 12 zu beschleunigen.
Eine alternative Ausführungsform zu Figur 1 ist in Figur 3 gezeigt und dahingehend gegeben, dass anstelle eines nacheinander erfolgenden Aufbringen der ersten Schicht 16 und der Schutzschicht 17 eine Funktionsschicht 21 aufgetragen wird. Diese Funktionsschicht 21 wird aus demselben Grundmaterial wie die Schutzschicht 17 hergestellt. Hierbei wird ein Silikat, insbesondere Ethylsilikat, eingesetzt, in die CNT's eindispergiert sind. Bevorzugt kann diese Funktionsschicht 21 zu den CNT's noch weitere leitfähige Partikel umfassen und insbesondere ein Bindemittel, vorzugsweise Graphit, als weiteren Bestandteil aufweisen. Durch eine solche Funktionsschicht 21 wird ermöglicht, dass eine pastö- se Masse gegeben ist, welche durch ein Sprühverfahren oder Siebdruckverfahren aufgebracht werden kann. Des Weiteren wird durch die anschließende Erhitzung ebenfalls eine Komprimierung dieser Schicht durch einen Sintervorgang erzielt, wodurch die Leitfähigkeit erhöht wird. Diese alternative Ausführungsform vereinfacht die Herstellung eines solchen Heizelementes 14, wobei gleichzeitig auch die Anforderungen an einen Betrieb bei Temperaturen von > 400 0C sowie eine mechanische Haftung als auch eine Thermostabilität gegeben ist. Die streifenförmigen Kontaktelemente 18 können vor oder nach dem Aufbringen der Funktionsschicht 21 auf das Trägermaterial 12 aufgebracht werden. In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform zu Figur 1 dargestellt. Diese Ausführungsform weicht dahingehend von der in Figur 1 ab, dass vor dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 16 eine elektrische Isolierschicht 19 vollflächig auf dem Trägermaterial 12 aufgebracht wird, um die elektrisch leitfähige Schicht 16 gegenüber dem Trägermaterial 12 isoliert anzuordnen. Diese Anordnung der Isolierschicht 19 kann ebenfalls beim Aufbringen eines Gemisches bestehend aus der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 16 und der Schutzschicht 17 vorgesehen sein. Ebenso kann vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 21 auf das Trägermaterial eine elektrisch isolierende Schicht 19 vollflächig aufgebracht werden.
In Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform zu Figur 1 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch, dass anstelle einer vollflächigen ersten elektrisch leitfähigen Schicht 16 eine streifenförmige Schicht 16 gebildet ist. Solche Stege oder Rippen können in der Geometrie und der Kontur an die entsprechenden Anwendungsfälle angepasst werden. Die Streifengeometrie kann gezielte Bereiche aufheizen. Darüber hinaus begünstigt sie weiterhin die Haftungseigenschaften an dem jeweiligen Substrat. Die Streifen können beliebig angeordnet werden, so dass auf einem Substrat gezielt verschiedene Heizzonen implementiert werden können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere für thermische Hausgeräte, bei der auf einem Trägermaterial (12) eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Schicht als Heizelement (14) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass auf dem Trägermaterial (12) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (16) aufgebracht wird, welche aus einem fließfähigen, Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes gebildet wird,
- dass auf diese erste Schicht (16) eine Schutzschicht (17) aufgebracht wird, welche durch das Aufbringen auf die erste Schicht (16) in diese zumindest teilweise penetriert oder
- dass eine Funktionsschicht (21) mit darin eindispergierten
Carbon-Nanotubes auf das Trägermaterial (12) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schicht (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) mit Kontaktelementen (18) kontaktiert und die auf dem Trägermaterial aufgebrachten Schichten (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) erhitzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (18) streifenförmig sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Trägermaterial (12) aufgebrachte Schichten (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) auf eine Temperatur von 300 0C bis 700 0C erhitzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Trägermaterial (12) aufgebrachte Schicht (16), Schutzschicht (17) oder die Funktionsschicht (21) nur durch Anlegen einer Spannung an den Kontaktelementen (18) erhitzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) nach dem Aufbringen auf dem Trägermaterial (12) getrocknet und anschließend die Schutzschicht (17) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) und getrennt davon die Schutzschicht (17) oder die Funktionsschicht (21) durch ein Sprühverfahren durch Aufrakeln oder ein Druckverfahren aufgebracht werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) vollflächig oder in Streifen auf das Trägermaterial (12) aufgebracht wird, die Schutzschicht (17) anschließend vollflächig auf die erste Schicht (16) und diese umhüllend zum Trägermaterial (12) aufgebracht wird, wobei vor oder nach dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) oder die Schutzschicht (17) streifenförmige Kontaktelemente (18) auf dem Trägermaterial (12) aufgebracht werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) oder der Funktionsschicht (21) im Erwärmungsbereich eine elektrisch isolierende Schicht (19) auf das Trägermaterial (12) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) als nicht elektrisch leitfähiges, fließfähiges
Grundmaterial eine wässrige Lösung, insbesondere Wasser oder destilliertes Wasser, eingesetzt wird, welches vorzugsweise einen Dispergenten, wie beispielsweise Gummi Arabicum, umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das fließfähige Grundmaterial der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) oder in die Funktionsschicht (21) als elektrisch leitfähiges Material Carbon-Nanotubes und/oder Graphit dispergiert werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Schutzschicht (17) oder der Funktionsschicht (21) ein Silikat, insbesondere Ethylsilikat, zur Bildung einer anorganischen Schicht eingesetzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schutzschicht (17) oder Funktionsschicht (21) ein Füllmittel, insbesondere Graphit, eindispergiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Schicht (16) ein Haftmittel, insbesondere Gummi Arabicum, eindispergiert wird.
15. Heizung, insbesondere Hochtemperaturheizung, insbesondere für thermische Hausgeräte, welche auf einem Trägermaterial (12) eine bei Stromfluss Wärme erzeugende Schicht als Heizelement (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Trägermaterial (12) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (16) bestehend aus einem Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes und eine Schutzschicht (17) vorgesehen ist, welche in die erste Schicht (16) zumindest teilweise penetriert ist oder dass auf dem Trägermaterial (12) eine Funktionsschicht (21) mit darin eindispergierten Carbon-Nanotubes aufgebracht ist.
16. Heizung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schichten (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) mit Kontaktelementen (18) kontaktiert sind.
17. Heizung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (18) streifenförmig sind.
18. Heizung nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) durch eine Temperaturbehandlung komprimiert sind.
19. Heizung nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Schicht (16, 17) oder die Funktionsschicht (21) eine Schichtdicke von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 100 μm, aufweisen.
20. Heizung nach Anspruch 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im fließfähigen Grundmaterial aufweist oder dass eine Matrix aus einer Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit im Grundmaterial vorgesehen ist.
21. Heizung nach Anspruch 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (21) eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im Grundmaterial oder eine Matrix aus einer Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit im Grundmaterial aufweist.
22. Heizung nach Anspruch 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der ersten und zweiten Schicht (16, 17) oder der Funktionsschicht (21) hergestellte Heizelement (14) einen elektrischen Widerstand von weniger als 100 Ω/Sq aufweist.
23. Heizung nach Anspruch 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) aus Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik, MgO, KER500 besteht.
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