EP2533604A1

EP2533604A1 - Heating device

Info

Publication number: EP2533604A1
Application number: EP12165179A
Authority: EP
Inventors: Thomas Doll
Original assignee: Ruch Novaplast & Co KG GmbH
Current assignee: Ruch Novaplast & Co KG GmbH
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: PL2533604T3; DE202011101651U1; EP2533604B1

Abstract

The device (1) has heating elements (3) with heating layers (4) arranged on a planar substrate, where the layers are heated by supplying electricity. Gas or air stream is passed through a jacket pipe (2), where the substrate and the pipe are made of poor heat conducting particle foam e.g. polystyrene and/or polypropylene particle foam. Plates are arranged within the pipe such that a plate plane is arranged parallel to a flow direction. The heating layers are made of plastic filled with carbon nanotubes, rubber, tetrahydrofuran, graphite and/or polyurethane.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung mit einem Heizelement mit flächigem Substrat und darauf angeordneter, durch elektrische Bestromung erhitzbarer Heizschicht.The invention relates to a heating device with a heating element with flat substrate and disposed thereon, heated by electrical current heating layer.

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.Such heaters are known as so-called surface heaters for heating the seat and backrest of vehicle seats, see for example the EP 1 348 316 B1 , In this case, the substrate is formed by a woven or non-woven, in particular a non-woven fabric, and the heating layer consists of an electrically conductive plastic, which is composed for example of rubber, tetrahydrofuran, graphite and polyurethane. In operation, the heating layer forms a planar electrical resistance, which is heated by the electrical current passing through it.

Bislang wurden jedoch keine flächigen Heizvorrichtungen für weitere Anwendungen, insbesondere zur Erwärmung von Luft- oder Gasströmungen, aufgezeigt.So far, however, no two-dimensional heating devices have been shown for further applications, in particular for heating air or gas flows.

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.This is where the invention starts. It is an object of the invention to provide an easy to manufacture heater for heating large areas and of air and gas flows.

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.This object is achieved in that a substrate made of heat-insulating particle foam is provided. The invention makes use of the knowledge that extremely lightweight and mechanically stable elements can be produced with particle foams. Accordingly, heating elements with a flat substrate of particle foam and a heating layer arranged thereon have a low weight with good mechanical stability. Furthermore, it is advantageous that the particle foam is a poor conductor of heat and accordingly only comparatively little heat is transferred from the heating layer into the substrate. Thus, the heat accumulating in the heating layer can be transferred largely without losses and without delay to gas flowing over the heating layer. It is advantageous that the heating layer can be formed over a large area and, accordingly, can transfer heat to large amounts of gas or air even at low flow rate. In addition, with the heating device according to the invention an internally heatable insulation layer or a surface heating, eg in buildings, created.

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.According to a particularly preferred embodiment may be provided in the heating device according to the invention that at least in the region of a heating zone penetrated by a gas flow pipe section of heat insulating foam and within this pipe section at least one plate made of thermally insulating foam particles with a heatable by the electric current heating layer is arranged.

Grundsätzlich können Heizschichten beidseitig der Platte angeordnet sein.In principle, heating layers can be arranged on both sides of the plate.

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.In terms of production, however, it may be advantageous to provide the plates of particle foam with only one-sided heating layer and, if appropriate, to produce from two such plates a built double plate with a heating layer on both sides. Within the pipe section, a plurality of such plates are preferably arranged parallel to each other with plane parallel to the flow direction of the gas or the air plane.

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.In the area of the plates carrying the heating layers, the tube part can have a window, which can be produced, for example, from acrylic glass. This offers the advantage that the operation of the heating layers from outside the pipe section can be monitored, for example with responsive to heat radiation sensors. This is advantageous, inter alia, because the heating layers should expediently be electrically connected in parallel, but with the possibility of being able to control or regulate the respective electrical current supply as a function of the temperature and / or the electrical currents passing through the respective heating layer. Without such a control or regulation is basically the risk of overloading a single heating layer. This is based on the fact that the electrical resistance of the Kunststoffheizschichten is highly temperature-dependent, so that could occur without control and regulatory measures, the case of extremely different electrical load of individual heating layers.

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.Incidentally, with regard to preferred features of the invention, reference is made to the claims and the following explanation of the drawing, are described in detail with reference to the particularly preferred embodiments of the invention.

Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.Protection is claimed not only for specified or illustrated feature combinations, but also for any combination of the specified or illustrated individual features.

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.

In the drawing shows

Fig. 1: a highly schematic perspective view of a first heater for generating a stream of hot air,
Fig. 2: a similar representation of another embodiment,
Fig. 3: a sectional view of a heating surface,
Fig. 4: a sectional view of a heating plate with free-form surfaces,
Fig. 5: a sectional view of a heating plate with double-sided heating layer,
Fig. 6: a sectional view of a multi-zone surface heating,
Fig. 7: a sectional view of an arrangement for contact heating of a component,
Fig. 8: a sectional view of an arrangement for heating an air or gas stream and
Fig. 9: a sectional view of a surface heating.

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.According to FIG. 1 has a heater 1, a jacket tube 2, which consists of a polystyrene or polypropylene particle foam. Within the jacket tube, five heating elements 3 are arranged in the example shown, each consisting of a polypropylene particle foam plate (substrate), on which a layer of a mixed with carbon nanotubes plastic is arranged as an electrically conductive heating layer. These heating layers 4 are electrically connected at their spaced in the longitudinal direction of the jacket tube 2 edges with conductor tracks 5, which in turn are electrically connected to electrical lines 6 and thus to an electrical power source 7. This may be, for example, a low-voltage power source that can supply an operating voltage of, for example, 30 volts at currents up to 20 A. At the in FIG. 1 The left end of the jacket tube, an inner tube fan 8 is arranged so that during fan operation, the jacket tube is penetrated by a corresponding air flow. The case between the heating elements 3 flowing Air is heated according to the temperature of the respective heating layer 4. By not shown control or regulation can be ensured that all heating layers work with the same electrical power.

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.Since both the jacket tube and the substrate plates of the heating elements consist of poor heat-conducting particle foam, virtually all the heat of the respective heating layers 4 is released without delay to the flowing air.

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.In the FIG. 2 shown heater differs from the embodiment of the FIG. 1 essentially in that in the jacket tube 2 in the region of the heating elements 3, an acrylic view window 9 is arranged in order to monitor the operation of the heating elements can. In this context, for example, sensors, not shown, outside the acrylic window 9 may be arranged to detect the thermal radiation of the heating layers of the heating elements 3. This offers the possibility to control or regulate the energization of the heating layers 4 as a function of temperature, so that all the heating layers deliver the same or respectively desired heat contributions. In this way, an overload of individual heating layers can be avoided by excessive temperature increase.

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.In both illustrated embodiments, it is advantageous that the amount of heat flow which passes from the heating layers to the air flow 10 routed through the jacket tube 2 follows the electrical energization of the heating layers 4 virtually instantaneously.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen beispielhaft verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.The Fig. 2 to 6 show by way of example various applications of the invention.

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.The Fig. 3 shows a surface heating designed as a heating plate, wherein a Heizlackschicht 12 is applied to a substrate 11 made of particle foam, which extends between electrodes 13, which are also arranged on the substrate, and is electrically connected to the electrodes 13. The electrodes 13 are then connected via only schematically indicated lines 14 electrically connected to a voltage source, not shown. When the electrical voltage source is switched on, the heating lacquer layer 12 is penetrated by an electric current, whereby the heating lacquer layer heats up. Due to the poor thermal conductivity of the substrate 11, which consists of particle foam, only very small amounts of heat are introduced into the substrate 11, the majority of the heat generated is transferred to the environment on the free side of the Heizlackschicht 12.

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.Thus, wall heatings or the like which become effective quickly can be created, wherein the space enclosed by the walls is simultaneously protected against heat loss by the heat-insulating substrate 11.

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.The Fig. 4 shows a functionally similar surface heating, which differs from the arrangement Fig. 3 essentially only differs in that the substrate 11 is formed on both sides with free-form surfaces. In principle, any surface structures or adaptation to existing surfaces are possible in this way.

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. Fig. 5 shows by way of example a substrate 11 with mutually arranged Heizlackschichten 12, which are electrically connected in parallel in the illustrated example, but in principle it is also possible to energize each of the heating layers 12 separately electrically.

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.Incidentally, it is also possible in principle to connect the two Heizlackschichten 12 electrically in series. In this case, the in Fig. 5 upper electrodes 13 of the two heating layers 12 are electrically connected to each other by a line, and between the in Fig. 5 lower electrodes 13 of the two heating layers 12, an electric current source is turned on.

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. 6 shows the possibility of a multi-zone surface heating. Here, a further electrode 13 "is provided between the edge-side electrodes 13 'of the Heizlackschicht 12, in which case between the electrode 13" and in the drawing upper electrode 13', a first electrical voltage can be applied and between the electrode 13 "and in the drawing lower electrode 13 'another electrical voltage (possibly also a vanishing voltage) can be provided., In this way 12 different heating temperatures can be achieved during the heating operation on the Heizlackschicht.

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. 7 shows the possibility of a basically arbitrary component 14, which rests on the Heizlackschicht, possibly with the interposition of an electrically insulating film, to heat by contact heating. Optionally, the component 14 may be completely enveloped with particle foam. Incidentally, the component 14 may be arranged on several sides in contact with a Heizlackschicht 12.

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. 8 again shows the possibility to heat a gas or air stream 10. In the example shown, the air flow 10 also flows over one side of the heating layer 12 arranged on a substrate 11 made of particle foam. On the other side, the air flow 10 is protected from heat loss by a heat insulation made of particle foam.

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. Fig. 9 shows the example of a surface heating, which consists essentially of the substrate 11 and the heating lacquer layer 12 disposed thereon, which in turn can be electrically connected to a current source via electrodes 13. On the Heizlackschicht 12 is a seal 15, for example, made of a transparent acrylic material applied.

Claims

Heating device with a heating element (3) having a planar substrate and heating layer (4) which can be heated by electric current supply thereon,
characterized,
that the substrate consists of a poorly heat-conductive particle foam.

Heating device according to claim 1, comprising a pipe section (2) of poorly heat-conducting particle foam penetrated or flowed through by a gas or air flow, wherein at least one plate with plate plane parallel to the direction of flow is arranged within this pipe section and provided with a heating layer (4).

Heating device according to claim 2,
characterized,
that a plurality of spaced apart and mutually parallel plates are provided.

Heating device according to one of claims 1 to 3,
characterized,
that is provided to the plate plane substantially vertical window plane in the area of the plates or heating elements (3) in the pipe section a window (9).

Heating device according to one of claims 1 to 4,
characterized,
that polystyrene and / or polypropylene particle foams are provided.

Heating device according to one of claims 1 to 5,
characterized,
that the heating layer or heating layers (4) consists of a plastic filled with carbon nanotubes.

Heating device according to claim 6,
characterized,
that the heating layer rubber, tetrahydrofuran, graphite and / or polyurethane.

Heating device according to claim 7,
characterized,
that the plastic material of the heating layer is filled with carbon nanoparticles.