EP2533604A1 - Heizvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung mit einem Heizelement (3) mit flächigem Substrat und darauf angeordneter, durch elektrische Bestromung erhitzbarer Heizschicht (4), wobei das Substrat aus einem schlecht wärmeleitenden Partikelschaumstoff besteht.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung mit einem Heizelement mit flächigem Substrat und darauf angeordneter, durch elektrische Bestromung erhitzbarer Heizschicht.
• Derartige Heizvorrichtungen sind als sogenannte Flächenheizungen zur Erwärmung der Sitzfläche und Rückenlehne von Fahrzeugsitzen bekannt, vergleiche beispielsweise die EP 1 348 316 B1 . In diesem Falle wird das Substrat durch ein Gewebe oder Vlies, insbesondere ein Faservlies, gebildet, und die Heizschicht besteht aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, welcher beispielsweise aus Kautschuk, Tetrahydrofuran, Graphit und Polyurethan zusammengesetzt ist. Im Betrieb bildet die Heizschicht einen flächigen elektrischen Widerstand, der durch den ihn durchsetzenden elektrischen Strom erwärmt wird.
• Bislang wurden jedoch keine flächigen Heizvorrichtungen für weitere Anwendungen, insbesondere zur Erwärmung von Luft- oder Gasströmungen, aufgezeigt.
• Hier setzt die Erfindung an. Dabei ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfach herstellbare Heizvorrichtung zur Erwärmung großer Flächen sowie von Luft- und Gasströmungen zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Substrat aus wärmeisolierendem Partikelschaumstoff vorgesehen ist. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sich mit Partikelschaumstoffen äußerst leichte und mechanisch stabile Elemente herstellen lassen. Dementsprechend besitzen Heizelemente mit einem flächigen Substrat aus Partikelschaumstoff und einer darauf angeordneten Heizschicht ein geringes Gewicht bei guter mechanischer Stabilität. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass der Partikelschaumstoff einen schlechten Wärmeleiter darstellt und dementsprechend von der Heizschicht nur vergleichsweise wenig Wärme in das Substrat übertragen wird. Somit kann die in der Heizschicht anfallende Wärme weitgehend ohne Verluste und ohne Verzögerung auf über die Heizschicht strömendes Gas übertragen werden. Dabei ist vorteilhaft, dass die Heizschicht großflächig ausgebildet sein kann und dementsprechend Wärme auf große Gas- bzw. Luftmengen auch bei geringer Strömungsgeschwindigkeit übertragen kann. Außerdem kann mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eine innenseitig beheizbare Isolationsschicht bzw. eine Flächenheizung, z.B. in Gebäuden, erstellt werden.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung vorgesehen sein, dass zumindest im Bereich einer Heizzone ein von einem Gasstrom durchsetzter Rohrabschnitt aus wärmeisolierendem Partikelschaum und innerhalb dieses Rohrabschnittes mindestens eine Platte aus wärmeisolierendem Partikelschaum mit einer durch die elektrische Bestromung erhitzbaren Heizschicht angeordnet ist.
• Grundsätzlich können Heizschichten beidseitig der Platte angeordnet sein.
• Herstellungsmäßig kann es jedoch vorteilhaft sein, die Platten aus Partikelschaum lediglich mit einseitiger Heizschicht zu versehen und gegebenenfalls aus zwei derartigen Platten eine gebaute Doppelplatte mit beidseitiger Heizschicht herzustellen. Innerhalb des Rohrabschnittes sind vorzugsweise mehrere derartige Platten mit zur Strömungsrichtung des Gases bzw. der Luft paralleler Plattenebene parallel zueinander angeordnet.
• Im Bereich der die Heizschichten tragenden Platten kann das Rohrteil ein Fenster aufweisen, welches beispielsweise aus Acrylglas hergestellt sein kann. Dies bietet den Vorteil, dass der Betrieb der Heizschichten von außerhalb des Rohrabschnittes überwacht werden kann, beispielsweise mit auf Wärmestrahlung reagierenden Sensoren. Dies ist unter anderem auch deshalb vorteilhaft, weil die Heizschichten zweckmäßiger Weise elektrisch parallel geschaltet sein sollten, jedoch mit der Möglichkeit, die jeweilige elektrische Bestromung in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der die jeweilige Heizschicht durchsetzten elektrischen Ströme steuern bzw. regeln zu können. Ohne eine derartige Steuerung bzw. Regelung besteht grundsätzlich die Gefahr einer Überlastung einer einzelnen Heizschicht. Dies beruht darauf, dass der elektrische Widerstand der Kunststoffheizschichten stark temperaturabhängig ist, so dass ohne Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen der Fall einer extrem unterschiedlichen elektrischen Belastung einzelner Heizschichten auftreten könnte.
• Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
• Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
• In der Zeichnung zeigt

Fig. 1

eine stark schematisierte perspektivische Darstellung einer ersten Heizvorrichtung zur Erzeugung eines Warmluftstromes,

Fig. 2

eine ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 3

ein Schnittbild einer Heizfläche,

Fig. 4

ein Schnittbild einer Heizplatte mit Freiformoberflächen,

Fig. 5

ein Schnittbild einer Heizplatte mit doppelseitiger Heizschicht,

Fig. 6

ein Schnittbild einer Mehrzonenflächenheizung,

Fig. 7

ein Schnittbild einer Anordnung zur Kontakterwärmung eines Bauteiles,

Fig. 8

ein Schnittbild einer Anordnung zur Erwärmung eines Luft- oder Gasstromes und

Fig. 9

ein Schnittbild einer Flächenheizung.

• Gemäß Figur 1 besitzt eine Heizvorrichtung 1 ein Mantelrohr 2, welches aus einem Polystyrol- oder Polypropylen-Partikelschaum besteht. Innerhalb des Mantelrohrs sind im dargestellten Beispiel fünf Heizelemente 3 angeordnet, die jeweils aus einer Polypropylen-Partikelschaumplatte (Substrat) bestehen, auf der eine Schicht aus einem mit Carbonnanoröhrchen vermischten Kunststoff als elektrisch leitfähige Heizschicht angeordnet ist. Diese Heizschichten 4 sind an ihren in Längsrichtung des Mantelrohrs 2 beabstandeten Rändern elektrisch mit Leiterbahnen 5 verbunden, die ihrerseits mit elektrischen Leitungen 6 elektrisch und damit mit einer elektrischen Stromquelle 7 verbunden sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Niedervolt-Stromquelle handeln, die eine Betriebsspannung von beispielsweise 30 Volt bei Stromstärken bis zu 20 A liefern kann. Am in Figur 1 linken Ende des Mantelrohrs ist ein Innenrohrventilator 8 angeordnet, so dass beim Ventilatorbetrieb das Mantelrohr von einem entsprechenden Luftstrom durchsetzt wird. Die dabei zwischen den Heizelementen 3 hindurchströmende Luft wird entsprechend der Temperatur der jeweiligen Heizschicht 4 erwärmt. Durch eine nicht dargestellte Steuerung bzw. Regelung kann gewährleistet werden, dass alle Heizschichten mit gleicher elektrischer Leistung arbeiten.
• Da sowohl das Mantelrohr als auch die Substratplatten der Heizelemente aus schlecht wärmeleitendem Partikelschaum bestehen, wird praktisch die gesamte Wärme der jeweiligen Heizschichten 4 verzögerungsfrei an die strömende Luft abgegeben.
• Die in Figur 2 dargestellte Heizvorrichtung unterscheidet sich von der Ausführungsform der Figur 1 im Wesentlichen dadurch, dass im Mantelrohr 2 im Bereich der Heizelemente 3 ein Acrylsichtfenster 9 angeordnet ist, um den Betrieb der Heizelemente überwachen zu können. In diesem Zusammenhang können beispielsweise nicht dargestellte Sensoren außerhalb des Acrylfensters 9 angeordnet sein, um die Wärmestrahlung der Heizschichten der Heizelemente 3 zu erfassen. Dies bietet die Möglichkeit, die Bestromung der Heizschichten 4 temperaturabhängig zu steuern bzw. zu regeln, so dass alle Heizschichten gleiche bzw. jeweils gewünschte Wärmebeiträge liefern. Auf diese Weise kann auch eine Überlastung einzelner Heizschichten durch übermäßigen Temperaturanstieg vermieden werden.
• Bei beiden dargestellten Ausführungsformen ist vorteilhaft, dass das Maß des Wärmestroms, der von den Heizschichten auf den durch das Mantelrohr 2 geleiteten Luftstrom 10 übergeht, praktisch verzögerungsfrei der elektrischen Bestromung der Heizschichten 4 folgt.
• Die Fig. 2 bis 6 zeigen beispielhaft verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
• Die Fig. 3 zeigt eine als Heizplatte ausgebildete Flächenheizung, wobei auf einem Substrat 11 aus Partikelschaum eine Heizlackschicht 12 aufgetragen ist, die sich zwischen Elektroden 13, die ebenfalls auf dem Substrat angeordnet sind, erstreckt und mit den Elektroden 13 elektrisch verbunden ist. Die Elektroden 13 sind dann über nur schematisch angedeutete Leitungen 14 elektrisch mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbindbar. Bei Einschaltung der elektrischen Spannungsquelle wird die Heizlackschicht 12 von einem elektrischen Strom durchsetzt, wobei sich die Heizlackschicht erwärmt. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Substrates 11, welches aus Partikelschaum besteht, werden nur sehr geringe Wärmemengen in das Substrat 11 eingeleitet, der größte Teil der erzeugten Wärme wird auf die Umgebung auf der freien Seite der Heizlackschicht 12 übertragen.
• Somit lassen sich schnell wirksam werdende Wandheizungen oder dergleichen erstellen, wobei der von den Wänden umschlossene Raum durch das wärmeisolierende Substrat 11 gleichzeitig gegen Wärmeverluste geschützt wird.
• Die Fig. 4 zeigt eine funktional gleichartige Flächenheizung, die sich von der Anordnung nach Fig. 3 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass das Substrat 11 beidseitig mit Freiformflächen ausgebildet ist. Auf diese Weise sind prinzipiell beliebige Oberflächenstrukturen oder Anpassung an vorhandene Oberflächen möglich.
• Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Substrat 11 mit beidseitig angeordneten Heizlackschichten 12, die im dargestellten Beispiel elektrisch parallel geschaltet sind, grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, jede der Heizschichten 12 separat elektrisch zu bestromen.
• Im Übrigen ist es auch prinzipiell möglich, die beiden Heizlackschichten 12 elektrisch in Reihe zu schalten. In diesem Falle werden die in Fig. 5 oberen Elektroden 13 der beiden Heizschichten 12 miteinander durch eine Leitung elektrisch verbunden, und zwischen den in Fig. 5 unteren Elektroden 13 der beiden Heizschichten 12 wird eine elektrische Stromquelle eingeschaltet.
• Fig. 6 zeigt die Möglichkeit einer Mehrzonenflächenheizung. Hier ist zwischen den randseitigen Elektroden 13' der Heizlackschicht 12 eine weitere Elektrode 13" vorgesehen, wobei dann zwischen der Elektrode 13" und der in der Zeichnung oberen Elektrode 13' eine erste elektrische Spannung angelegt werden kann und zwischen die Elektrode 13" und die in der Zeichnung untere Elektrode 13' eine andere elektrische Spannung (ggf. auch eine verschwindende Spannung) vorgesehen sein kann. Auf diese Weise können während des Heizbetriebes auf der Heizlackschicht 12 unterschiedliche Heiztemperaturen erreicht werden.
• Fig. 7 zeigt die Möglichkeit, ein prinzipiell beliebiges Bauteil 14, welches auf der Heizlackschicht, ggf. unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Folie, aufliegt, durch Kontakterwärmung zu beheizen. Gegebenenfalls kann dabei das Bauteil 14 vollständig mit Partikelschaum umhüllt sein. Im Übrigen kann das Bauteil 14 an mehreren Seiten in Kontakt mit einer Heizlackschicht 12 angeordnet sein.
• Fig. 8 zeigt nochmals die Möglichkeit, einen Gas- oder Luftstrom 10 zu erwärmen. Im dargestellten Beispiel überströmt der Luftstrom 10 auch einer Seite die auf einem Substrat 11 aus Partikelschaum angeordnete Heizlackschicht 12. Auf der anderen Seite wird der Luftstrom 10 durch eine Wärmeisolierung aus Partikelschaum gegen Wärmeverlust geschützt.
• Fig. 9 zeigt das Beispiel einer Flächenheizung, die im Wesentlichen aus dem Substrat 11 sowie der darauf angeordneten Heizlackschicht 12 besteht, welche sich wiederum über Elektroden 13 elektrisch mit einer Stromquelle verbinden lässt. Auf der Heizlackschicht 12 ist eine Versiegelung 15, beispielsweise aus einem transparenten Acrylmaterial, aufgebracht.

Claims (8)

1. Heizvorrichtung mit einem Heizelement (3) mit flächigem Substrat und darauf angeordneter, durch elektrische Bestromung erhitzbarer Heizschicht (4),
   dadurch gekennzeichnet,
   dass das Substrat aus einem schlecht wärmeleitenden Partikelschaumstoff besteht.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem von einem Gas- oder Luftstrom durchsetzten bzw. durchströmbaren Rohrabschnitt (2) aus schlecht wärmeleitendem Partikelschaum, wobei innerhalb dieses Rohrabschnittes mindestens eine Platte mit zur Strömungsrichtung paralleler Plattenebene angeordnet und mit einer Heizschicht (4) versehen ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass mehrere voneinander beabstandete und zueinander parallele Platten vorgesehen sind.
4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass im Bereich der Platten bzw. Heizelemente (3) im Rohrabschnitt ein Fenster (9) mit zur Plattenebene im Wesentlichen senkrechter Fensterebene vorgesehen ist.
5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass Polystyrol- und/oder Polypropylen-Partikelschaumstoffe vorgesehen sind.
6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Heizschicht bzw. Heizschichten (4) aus einem mit Carbon-Nanoröhren verfüllten Kunststoff besteht.
7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Heizschicht Kautschuk, Tetrahydrofuran, Graphit und/oder Polyurethan enthält.
8. Heizeinrichtung nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass das Kunststoffmaterial der Heizschicht mit Carbon-Nanopartikeln verfüllt ist.

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