EP3631320A1 - Fluidheizgerät und verfahren zur herstellung eines solchen - Google Patents

Fluidheizgerät und verfahren zur herstellung eines solchen

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EP3631320A1
EP3631320A1 EP18728826.1A EP18728826A EP3631320A1 EP 3631320 A1 EP3631320 A1 EP 3631320A1 EP 18728826 A EP18728826 A EP 18728826A EP 3631320 A1 EP3631320 A1 EP 3631320A1
Authority
EP
European Patent Office
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polymer structure
metallic layer
μιτι
fluid
conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18728826.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Zoske
Volodymyr Ilchenko
Christoph JÖRG
Bengt Meier
Mina KROMPIC
Patrick SPIELBERGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of EP3631320A1 publication Critical patent/EP3631320A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology

Definitions

  • the invention relates to a fluid heater and method for producing such.
  • Electric air heaters are usually based on ceramic heating elements with a comparatively strong temperature-dependent electrical resistance, through which a self-regulation of the heat release is possible.
  • These resistors are typically PTC ceramic elements (PTC for Positive Temperature Coefficient). These can be connected to heat exchanger surfaces of aluminum sheet and also be contacted electrically.
  • a PTC element comprises a PTC resistor, ie a
  • Temperature-dependent resistor with a positive temperature coefficient which conducts the electric current better at low temperatures than at high temperatures.
  • a mechanical and electrical connection of the PCT elements can be done for example by clamping on the heat exchanger.
  • Disadvantages of conventional air heaters with ceramic PTC elements include i.a. a complicated production due to a comparatively complicated heat exchanger production and a comparatively complicated
  • Heating element surface and heat exchanger sheet a comparatively high risk of short circuit, in particular due to a low geometric
  • the object is achieved by a method for (or) production of an electric fluid heater, in particular an air heater (or alternatively liquid, in particular water heater) for a vehicle, preferably motor vehicle, more preferably passenger cars or trucks (or even ship or aircraft), dissolved, preferably comprising at least one Fluidleitkanal for passing the fluid, wherein at least one conductive polymer structure containing a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, with at least one metallic layer, in particular cohesively coated.
  • an electric fluid heater in particular an air heater (or alternatively liquid, in particular water heater) for a vehicle, preferably motor vehicle, more preferably passenger cars or trucks (or even ship or aircraft), dissolved, preferably comprising at least one Fluidleitkanal for passing the fluid, wherein at least one conductive polymer structure containing a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, with at least one metallic layer, in particular cohesively coated.
  • Method can as a method step, the formation of the at least one
  • a compound is to be understood as meaning a compound in which the connection partners are protected by atomic and / or molecular forces
  • the compound is non-releasable (or non-destructive, that is, without, in particular irreversible, destruction of the connection partners solvable).
  • a material bond can also be a force and / or positive fit. In embodiments, however, if necessary
  • an interfacial connection should be present in particular if adherence over at least 50%, more preferably at least 80%, possibly (at least approximately) 100% of a contact surface is ensured between the connection partners.
  • a core idea of the invention is to use a metallic layer as
  • Polymer structure and metal layer is preferably comparatively durable and durable. Overall, in particular a thin contacting structure can be achieved with a low weight associated therewith.
  • the metal layer further preferably allows a solder connection with a contact electrode, which simplifies the manufacturing process as a whole.
  • a fluid heater or air heater is in particular a heater to understand that is designed as an assembly (assembly).
  • the fluid heater or air heater may be delimited by an appropriate housing to the outside. Within this housing are then preferably the
  • One volume of the fluid heater may be less than
  • Fluid heater have a fluid inlet and a fluid outlet through which the fluid (in particular the air) can flow in or out.
  • the fluid heater can also as
  • Liquid heater in particular water heater, be designed (for mobile applications).
  • a metallic layer is to be understood in particular as a layer comprising at least 50% by weight, preferably at least 80%, more preferably at least 95% by weight of metal (s).
  • the metallic layer can also be composed at least substantially completely of metal (s).
  • the metallic layer may be homogeneous (ie in particular without local material and / or density fluctuations) or inhomogeneous.
  • the metallic layer may be monolithic.
  • the metallic layer may be structured or unstructured.
  • the (respective, assigned to a particular, in particular per se integral or contiguous, polymer structure) metallic layer of (only) one or more separate (each for themselves coherent) part (s) be constructed.
  • the Metallic layer may have at least substantially constant thickness.
  • a maximum thickness is preferably not greater than a minimum thickness plus 20% (or plus 10%) of the minimum thickness.
  • the (respective) metallic layer can cover a (flat) surface of the polymer structure to at least 50%, preferably at least 80%, more preferably at least 90%. Overall, at least 50%, preferably at least 80%, more preferably at least 90%, of an (entire) surface area of the (respective overall contiguous) polymer structure may be covered with one or more metallic layers.
  • the metallic layer is preferably adhesively bonded to the polymer structure at least substantially over its entire area (or at least 50% or at least 80%) (with respect to a surface facing the polymer structure).
  • the metallic layer may be at least partially, in particular (in weight and / or surface) predominantly or completely, (first) on the
  • Polymer structure are built. Alternatively or additionally, the
  • metallic layer at least partially, in particular (weight and / or surface) predominantly or completely, preferably as a film, be completed before joining with the polymer structure or be, wherein the metallic layer (or their prefabricated portion) then preferably before Bonding with the polymer structure pretreated, in particular roughened.
  • the adhesion can be improved with the polymer structure.
  • the metallic layer preferably has a layer thickness of at least 10 nm, preferably at least 100 nm, more preferably at least 1 ⁇ , more preferably at least 10 ⁇ , optionally at least 25 ⁇ and / or at most 2 mm, preferably at most 500 ⁇ , more preferably at most 200th ⁇ , more preferably at most 150 ⁇ , possibly at most 50 ⁇ or at most 20 ⁇ or at most 15 ⁇ , on.
  • the metallic layer preferably comprises at least partially copper or a copper alloy.
  • a surface of the polymer structure may be pretreated, in particular structured, preferably in such a way that the conductive component (in particular the conductive component at least partially forming conductive particles) of the polymer structure is at least partially exposed.
  • the metallic layer is preferably provided with a contact electrode
  • Contact electrode may be an electrical lead, z. B. comprising a wire section and / or a Päd, act.
  • the metallic layer is preferably at least partially by spraying, in particular thermal spraying, and / or lamination, in particular thermal lamination and / or lamination by (preferably conductive) adhesion promoter, and / or vapor deposition, in particular by PVD (PVD for physical vapor deposition), and / or galvanic and / or by welding, preferably ultrasonic welding applied.
  • spraying in particular thermal spraying, and / or lamination
  • thermal lamination and / or lamination by (preferably conductive) adhesion promoter, and / or vapor deposition, in particular by PVD (PVD for physical vapor deposition), and / or galvanic and / or by welding, preferably ultrasonic welding applied.
  • the (respective) metallic layer is (at least partially) applied by the thermal spraying method.
  • the material to be applied is first melted before it (via a
  • the metallic layer can be produced over a comparatively wide range of possible layer thicknesses and adheres well to the polymer structure, with only a comparatively small electrical transition resistance occurring at a material boundary.
  • a metal layer produced in the thermal spraying process is particularly well suited as an electrical connection layer between polymer structure and contact electrode, in particular for heaters, in which a good current carrying capacity of a contact layer is required.
  • a metallic foil may be laminated to the polymer structure.
  • the material of the polymer structure is preferably thermally melted on the surface, in particular in order to achieve or improve a mechanical or electrical connection between the metal foil and the material of the polymer structure.
  • the metal foil can be applied to the polymer structure surface by applying pressure by pressing the metal foil.
  • the metal foil may comprise, for example, copper or a copper alloy.
  • a layer thickness can be at least 30 ⁇ and / or highest 110 ⁇ .
  • a surface of the metal foil may at least on a contact side to the polymer structure in terms of their
  • Polymer structure with a surface of the metal foil causes.
  • the toothing or the comparatively large contact surface can allow a low electrical contact resistance and a good mechanical
  • Adhesion between the polymer structure and the metal foil Adhesion between the polymer structure and the metal foil.
  • a surface (s) of the material of the polymer structure may be pretreated by means of an appropriate method such that the surface of the polymer structure is in the
  • Polymer matrix embedded conductive structures are at least partially exposed and thus an improved electrical contact can be made.
  • a metal foil (at least partially) by means of adhesion promoter on the polymer structure (for electrical contacting) are laminated. Via the applied metal foil, the polymer structure can be connected to a (contact) electrode and thus reliably electrically contacted.
  • the bonding agent (glue) can be good for a good
  • an electrically conductive adhesive may optionally be used as adhesion promoter.
  • An electrically non-conductive adhesive is also conceivable in principle. Then, if necessary, an electrical contact must be ensured in another way (for example, by a particularly thin formation of the adhesive layer and / or by partially free-lying areas in which no adhesive layer is provided).
  • the layer thickness can be at least 30 ⁇ and / or at most 110 ⁇ , wherein a surface on a
  • the surface treatment of the metal foil can produce a rough surface structure, which preferably brings about a toothing of the adhesion promoter with the foil surface. Gearing and large contact surface cause a low electrical contact resistance and a comparatively good mechanical adhesion between the
  • pretreated to at least partially expose the conductive structures embedded on a surface in a polymer matrix (in particular filler particles) and thus to produce a good electrical contact.
  • the metallic layer may be applied (at least in part) to the polymer structure in the PVD process.
  • the PVD (Physical Vapor Deposition) process refers to the physical deposition of thin metal layers through the vapor phase.
  • the applied layer can be very thin (possibly thinner than 15 ⁇ ) are formed and adheres relatively well on the material of the polymer structure, with only a small electrical contact resistance occurs at the material interface. Therefore, a metal layer produced in the PVD process is particularly well suited as an electrical intermediate layer between the polymer structure and at least one contact electrode, in particular for heating elements in which a good
  • a surface treatment of the polymer structure can take place under vacuum conditions, if appropriate in the plasma process, and ensure a low contact resistance at the interface of both materials.
  • the metallic layer may be applied (at least in part) to the polymer structure by means of a galvanic process. This is an electrolytic process.
  • Deposition can be made metallic coatings on the polymer structure. If necessary, the applied layer can be made comparatively thin (for example up to 50 ⁇ m) and adheres well to the polymer structure, with only a small electrical contact resistance occurring at a material interface.
  • the metal layer produced by electroplating is particularly well suited as an electrical intermediate layer between polymer structure and contact electrode, in particular for heaters, in which a good current carrying capacity of the Contact layer is needed without the material of the polymer structure
  • Ultrasonic welding can be applied to the polymer structure.
  • Ultrasonic welding is understood as a welding process that connects the two joining partners by means of high-frequency mechanical vibrations.
  • the ultrasonic process can be intermittent, semi-continuous or continuous.
  • the surface of the metallic layer (eg metallic foil) prior to application to the polymer structure may be patterned, activated and / or roughened to improve adhesion.
  • Polymer structure in particular a conductive component (conductive particles) of the polymer structure can be achieved.
  • Ultrasonic welding is process-reliable and suitable for mass production. It may also be preferred to use polymeric materials which are difficult or impossible to melt and / or react negatively to increased heat.
  • a sonotrode or a plurality of sonotrodes can / can be designed as stamps and / or as rotating rollers.
  • two sonotrodes are provided to connect the polymer structure on both sides with a corresponding connection electrode.
  • the two sonotrodes can then be arranged opposite each other so that during the process, the polymer structure and the electrodes to be connected therewith lie between the two sonotrodes.
  • the sonotrodes can be configured as rotating rollers.
  • an electric fluid heater in particular an air heater (alternatively liquid, in particular water heater), for a vehicle, in particular a motor vehicle, preferably produced by the method described above, preferably comprising at least one fluid guide channel, at least one conductive polymer structure containing a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, and at least one, in particular materially bonded, connected to the polymer component metallic layer.
  • an electric fluid heater in particular an air heater (alternatively liquid, in particular water heater)
  • a vehicle in particular a motor vehicle, preferably produced by the method described above, preferably comprising at least one fluid guide channel, at least one conductive polymer structure containing a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, and at least one, in particular materially bonded, connected to the polymer component metallic layer.
  • the present structure may be formed at least in sections, possibly completely, dimensionally stable (self-supporting).
  • the polymer structure is formed as a (solid) block.
  • a thickness of the polymer structure may be at least 1 mm or at least 3 mm.
  • the polymer structure can be or are formed at least in sections, possibly completely, flexibly, preferably as a film or strip (or arrangement of a plurality of strips).
  • the polymer structure in terms of weight either predominantly dimensionally stable or predominantly flexible.
  • a flexible embodiment is understood in particular to be an embodiment in which the polymer structure does not retain its shape when it is placed on an uneven surface or is placed on only one edge.
  • the polymer structure may have a thickness of less than 0.1 mm, preferably less than 0.01 mm.
  • the conductive component in particular carbon component, can in
  • Particle shape and / or as a (carbon) skeleton (skeleton) are present.
  • Carbon component may be in the form of carbon black and / or graphite and / or graphene and / or carbon fibers and / or carbon nanotubes.
  • the polymer structure may include an electrical insulating polymer component.
  • the metallic layer is preferably at least partially by spraying, in particular thermal spraying, and / or lamination, in particular thermal lamination and / or lamination by preferably conductive Adhesive, and / or vapor deposition, in particular by PVD, and / or galvanically and / or by welding, in particular ultrasonic welding applied.
  • the above object is achieved in particular by a method for operating a fluid heating device of the above type and / or produced by the method of the above type, wherein fluid,
  • the above object is achieved in particular by the use of a fluid heater of the above type or produced by a method of the above type for heating a fluid, preferably air, in particular in a motor vehicle, preferably for a motor vehicle interior.
  • the polymer structure may (especially if it is not self-supporting
  • a substrate for example, applied (printed).
  • a screen printing or doctoring can be used.
  • Such a substrate can simultaneously as a heat exchanger surface for heating the
  • this surface can still be increased by unevenness, in particular projections, such as ribs and / or fins on the substrate.
  • the substrate or the substrates can / at least partially, preferably be made entirely of plastic, in particular a polymer such as, for example, polyether ketone and / or polyamide. Particularly preferred is a production of polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP) and / or polyetheretherketone (PEEK) and / or (short) fiber-reinforced polyamide (for example PA-GF).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PA-GF fiber-reinforced polyamide
  • the substrate may be made of an electrically insulating material.
  • An electrically insulating material is in particular a material to be understood, having at room temperature (25 ° C), an electrical conductivity of less than 10 "1 S 1 irr 1 (possibly less than 10" 8 S 1 m "1). Accordingly, is under an electrical conductor or a material (or coating) with electrical conductivity to understand a material that is an electrical
  • the substrate may be formed as a plate, in particular plastic plate, and / or a thickness of at least 0.1 mm, preferably at least 0.5 mm, more preferably at least 1.0 mm and / or at most 5.0 mm, more preferably at most 3 , 0 mm.
  • the respective thickness is an average thickness or a thickness of the largest area of constant thickness.
  • the polymer structure eg polymer coating
  • a corresponding paste for the production thereof can (as especially crystalline
  • Binder comprise at least one polymer, preferably based on at least one olefin; and / or at least one copolymer of at least one olefin and at least one monomer which can be copolymerized therewith, e.g. As ethylene / acrylic acid and / or ethylene / ethyl acrylate and / or
  • polyacetylene or polyalkenylene such as.
  • polyoctenamer polyoctenamer
  • fluoropolymer such as.
  • polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof As polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof.
  • the polymer structure (eg, polymer coating) may be cured in an oven (at elevated temperature).
  • the (respective) polymer structure is preferably above at least 20%, more preferably at least 50%, further
  • the polymer structure may have or may have a continuous area (without interruptions), such as gaps (apertures), or recesses.
  • the polymer structure eg polymer coating
  • Carbon component such as. B. the carbon particles.
  • the respective polymer structure (eg polymer coating) may be (at least on average) thinner than a corresponding substrate, for example by a factor of 1.1; more preferably by a factor of 1.5.
  • conductive with regard to the conductive components of the air heater is to be understood as an abbreviation for “electrically conductive”.
  • the (respective) polymer structure is preferably a conductive layer with PTC behavior.
  • the fluid heater is preferably designed for operation in the low-voltage range (eg ⁇ 100 volts or ⁇ 60 volts).
  • the fluid heater may be designed for the high-voltage range (eg> 100 volts, preferably> 400 volts, possibly greater than 800 volts).
  • the air heater may be designed for operation with DC and / or AC voltage and / or PWM.
  • a (layer) thickness of the respective polymer structure can be ⁇ 1 mm, preferably ⁇ 0.5 mm, even more preferably ⁇ 0.2 mm.
  • the polymer structure (eg, polymer coating) and / or the substrate may be at least substantially planar. If surveys (recesses) are provided, these may be less than 10% of one
  • the carbon content in the polymer structure may be configured to allow flow of current (eg, in particulate form, with the particles correspondingly touching or in close proximity to one another).
  • At least 3, preferably at least 5 heating elements can be provided, each of which has its own polymer structure and optionally one or two or more metallic layers.
  • the above object is achieved by a heating element having the features described above and / or below.
  • the heating element can form the mentioned fluid channels completely or partially or (per se) be formed without fluid channels. In the latter case, corresponding fluid channels can be used when necessary
  • Fig. 1 is a schematic section of an inventive
  • Fig. 2 is a schematic representation of a method for producing a fluid heater according to the invention.
  • Fig. 1 shows a detail of an embodiment of a fluid heater according to the invention.
  • the fluid heater comprises an electrically conductive
  • Polymer structure 10 of a PPTC material a first metallic layer 11 on a first side of the polymer structure 10 and a second metallic layer 12 on a second (opposite) side of the polymer structure 10.
  • the metallic layers are preferably full-surface, cohesively with the Connected polymer structure.
  • the metallic layers 11, 12 are each connected to a connection electrode (contact electrode) 13 or 14, so that an electric current can flow through the polymer structure 10 via the metallic layers 11, 12.
  • FIG. 2 shows a polymer structure 10 which is connected on both sides to a first metallic layer 11 and a second metallic layer 12.
  • the arrows 18 indicate a direction of rotation of the roller-shaped sonotrodes 15, 16.
  • the material for the metallic layers 11, 12 can be unrolled, for example, from a storage roll and / or guided by deflection rollers in the direction of polymer structure 10 (not shown in FIG. 1).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Fluidheizgerätes, insbesondere eines Luftheizgerätes für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Fluidleitkanal zum Durchleiten des Fluides, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, mit mindestens einer metallischen Schicht (11, 12), insbesondere stoffschlüssig, beschichtet wird.

Description

dheizgerät und Verfahren zur Herstellung eines solchen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Fluidheizgerät und Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Elektrische Luftheizgeräte (insbesondere solche, die in mobilen Anwendungen eingesetzt werden) basieren zumeist auf keramischen Heiz-Elementen mit einem vergleichsweise stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird. Bei diesen Widerständen handelt es sich üblicherweise um Keramik-PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Diese können mit Wärmeübertrager-Flächen aus Aluminiumblech verbunden werden und darüber auch elektrisch kontaktiert werden. Ein PTC-Element umfasst einen PTC-Widerstand, also einen
temperaturabhängigen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, der bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen. Eine mechanische und elektrische Anbindung der PCT-Elemente kann beispielsweise durch Anklemmen an den Wärmeübertrager erfolgen.
Nachteile von herkömmlichen Luftheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a. eine aufwändige Herstellung aufgrund einer vergleichsweise komplizierten Wärmeübertrager-Fertigung und eines vergleichsweise aufwendigen
Zusammenbaus von einzelnen Heizelementen und Wärmeübertragerblechen, insbesondere hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung der Heizelemente; eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik-Elemente aufgrund von
Fertigungstoleranzen; eine vergleichsweise geringe Heizleistung durch eine lokale Wärmeerzeugung bzw. inhomogene Temperaturverteilung in den Keramik- Elementen (einen geringen Temperaturgradienten zwischen
Heizelementoberfläche und Wärmeübertragerblech); eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen
Abstands von Bauteilen mit einer hohen Spannungsdifferenz; und eine wenig prozesssichere Kontaktierung der Heizelemente. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfach durchführbares Verfahren zur
Herstellung eines effizienten Fluidheizgerätes, insbesondere Luftheizgerätes für ein Kraftfahrzeug, vorzuschlagen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Fluidheizgerät, insbesondere Luftheizgerät für ein Kraftfahrzeug, vorzuschlagen, das effizient arbeitet und einfach in der Herstellung ist. Gemäß weiteren Aspekten soll auch ein entsprechendes Kraftfahrzeug, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Fluidheizgerätes sowie eine Verwendung eines Fluidheizgerätes vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur (bzw. einer) Herstellung eines elektrischen Fluidheizgerätes, insbesondere eines Luftheizgerätes (oder alternativ Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerätes) für ein Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen (oder auch Schiff oder Flugzeug), gelöst, umfassend vorzugsweise mindestens einen Fluidleitkanal zum Durchleiten des Fluides, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente enthält, mit mindestens einer metallischen Schicht, insbesondere stoffschlüssig, beschichtet wird. Das
Verfahren kann als Verfahrensschritt das Ausbilden des mindestens einen
Fluidkanals umfassen.
Unter einem Stoffschluss ist insbesondere eine Verbindung zu verstehen, bei der die Verbindungspartner durch atomare und/oder molekulare Kräfte
zusammengehalten werden. Vorzugsweise ist die Verbindung nicht-lösbar (bzw. nicht zerstörungsfrei, d . h. ohne, insbesondere irreversible, Zerstörung der Verbindungspartner lösbar). Zusätzlich zu einem Stoffschluss kann auch ein Kraft- und/oder Formschluss vorliegen. In Ausführungsformen liegt jedoch ggf.
ausschließlich ein Stoffschluss vor. Weiterhin soll ein Stoffschluss insbesondere dann vorliegen, wenn zwischen den Verbindungspartnern ein Aneinanderhaften über mindestens 50 %, weiter vorzugsweise mindestens 80 %, ggf. (zumindest annähernd) 100 % einer Berührungsfläche gewährleistet ist.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, eine metallische Schicht als
Kontaktierungs- und/oder Wärmeübertragungsschicht bereitzustellen und diese, insbesondere stoffschlüssig, mit der Polymerstruktur zu verbinden. Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein vergleichsweise kompaktes und effizient arbeitendes Heizgerät hergestellt werden. Insbesondere wird eine einfache, gut automatisierbare (großserientaugliche) Kontaktierung zwischen Metall und Polymerstruktur ermöglicht. Eine (mechanische) Verbindung zwischen
Polymerstruktur und Metallschicht ist vorzugsweise vergleichsweise haltbar und langlebig. Insgesamt kann insbesondere eine dünne Kontaktierungsstruktur mit einem damit verbundenen geringen Gewicht erzielt werden. Ein
Kontaktwiderstand zwischen metallischer Schicht und Polymerstruktur ist gering. Die Metallschicht ermöglicht weiterhin bevorzugtermaßen eine Lötverbindung mit einer Kontaktelektrode, was das Herstellungsverfahren insgesamt vereinfacht.
Unter einem Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät ist insbesondere ein Heizgerät zu verstehen, das als Baugruppe (Baueinheit) ausgebildet ist. Das Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät kann durch ein entsprechendes Gehäuse nach außen abgegrenzt sein. Innerhalb dieses Gehäuses sind dann vorzugsweise die
Polymerstruktur, die mindestens eine Anschlusselektrode und der mindestens eine Fluidkanal vorgesehen. Ein Volumen des Fluidheizgerätes kann kleiner als
2500 cm3, vorzugsweise kleiner als 1000 cm3 sein. Weiterhin kann das
Fluidheizgerät einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweisen, durch den das Fluid (insbesondere die Luft) ein- bzw. ausströmen kann. Alternativ zur Ausbildung als Luftheizgerät kann das Fluidheizgerät auch als
Flüssigkeitsheizgerät, insbesondere Wasserheizgerät, (für mobile Anwendungen) ausgebildet sein.
Unter einer metallischen Schicht ist insbesondere eine Schicht zu verstehen, die mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 80.-%, weiter vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% Metall(e) umfasst. Die metallische Schicht kann auch zumindest im Wesentlichen vollständig aus Metall(en) aufgebaut sein. Die metallische Schicht kann homogen (also insbesondere ohne lokale Material- und/oder Dichteschwankungen) oder inhomogen ausgebildet sein. Weiterhin kann die metallische Schicht monolithisch ausgebildet sein. Die metallische Schicht kann strukturiert sein oder unstrukturiert sein. Weiterhin kann die (jeweilige, einer bestimmten, insbesondere per se einstückigen bzw. zusammenhängenden, Polymerstruktur zugeordnete) metallische Schicht aus (nur) einem oder mehreren getrennten (jeweils für sich zusammenhängenden) Teil(en) aufgebaut sein. Die metallische Schicht kann zumindest im Wesentlichen eine konstante Dicke aufweisen. Insofern die Dicke schwankt, ist eine maximale Dicke vorzugsweise nicht größer als eine minimale Dicke plus 20 % (oder plus 10 %) von der minimalen Dicke. Weiterhin kann die (jeweilige) metallische Schicht eine (ebene) Fläche der Polymerstruktur zu mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80 %, weiter vorzugsweise mindestens 90 % bedecken. Insgesamt können mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80 %, weiter vorzugswies mindestens 90 %, einer (gesamten) Oberfläche der (jeweiligen gesamten zusammenhängenden) Polymerstruktur mit einer oder mehreren metallischen Schicht(en) bedeckt sein.
Die metallische Schicht wird vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollflächig (oder zu mindestens 50 % oder zu mindestens 80 %) (in Bezug auf eine der Polymerstruktur zugewandten Fläche) mit der Polymerstruktur stoffschlüssig verbunden. Dadurch können ein besonders fester Verbund sowie ein effizienter Betrieb des Fluidheizgeräts ermöglicht werden.
Die metallische Schicht kann zumindest teilweise, insbesondere (gewichts- und/oder flächenmäßig) überwiegend oder vollständig, (erst) auf der
Polymerstruktur aufgebaut werden. Alternativ oder zusätzlich kann die
metallische Schicht zumindest teilweise, insbesondere (gewichts- und/oder flächenmäßig) überwiegend oder vollständig, vorzugsweise als Folie, bereits vor dem Verbinden mit der Polymerstruktur fertiggestellt werden bzw. sein, wobei die metallische Schicht (bzw. deren vorgefertigter Anteil) dann vorzugsweise vor dem Verbinden mit der Polymerstruktur vorbehandelt, insbesondere aufgeraut wird. Durch eine derartige Vorbehandlung kann die Haftung (Verzahnung) mit der Polymerstruktur verbessert werden.
Die metallische Schicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke von mindestens 10 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm, weiter vorzugsweise mindestens 1 μιτι, weiter vorzugsweise mindestens 10 μιτι, ggf. mindestens 25 μιτι und/oder höchstens 2 mm, vorzugsweise höchstens 500 μιτι, weiter vorzugsweise höchstens 200 μιτι, weiter vorzugsweise höchstens 150 μιτι, ggf. höchstens 50 μιτι oder höchstens 20 μιτι oder höchstens 15 μιτι, auf.
Die metallische Schicht umfasst vorzugsweise zumindest teilweise Kupfer oder eine Kupferlegierung. In Ausführungsformen kann eine Oberfläche der Polymerstruktur vorbehandelt, insbesondere strukturiert, werden, vorzugsweise derart, dass die leitfähige Komponente (insbesondere die leitfähige Komponente zumindest teilweise ausbildende leitfähige Partikel) der Polymerstruktur zumindest teilweise freigelegt wird (werden). Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein guter (mechanischer bzw. elektrischer) Kontakt zwischen Polymerstruktur und metallischer Schicht erreicht werden.
Die metallische Schicht wird vorzugsweise mit einer Kontaktelektrode,
insbesondere durch Löten, verbunden und/oder als Zwischenschicht zwischen Polymerstruktur und einer/der Kontaktelektrode ausgebildet. Bei der
Kontaktelektrode kann es sich um eine elektrische Zuleitung, z. B. umfassend einen Drahtabschnitt und/oder ein Päd, handeln.
Die metallische Schicht wird vorzugsweise zumindest teilweise durch Aufspritzen, insbesondere thermisches Aufspritzen, und/oder Auflaminieren, insbesondere thermisches Auflaminieren und/oder Auflaminieren per (vorzugsweise leitfähigen) Haftvermittler, und/oder Aufdampfen, insbesondere per PVD (PVD für Physical Vapor Deposition), und/oder galvanisch und/oder durch Schweißen, vorzugsweise Ultraschallschweißen, aufgebracht.
Ausführungsgemäß wird die (jeweilige) metallische Schicht (zumindest teilweise) im thermischen Spritzverfahren aufgebracht. Beim thermischen Spritzen wird der aufzubringende Werkstoff zunächst aufgeschmolzen, bevor er (über einen
Gasstrom; partikelweise) auf die zu beschichtende Oberfläche der
Polymerstruktur aufgebracht wird. Die metallische Schicht kann hierbei über einen vergleichsweise weiten Bereich möglicher Schichtdicken erzeugt werden und haftet gut auf der Polymerstruktur, wobei nur ein vergleichsweise geringer elektrischer Übergangwiderstand an einer Materialgrenze auftritt. Eine im thermischen Spritzverfahren erzeugte Metallschicht eignet sich besonders gut als elektrische Verbindungsschicht zwischen Polymerstruktur und Kontaktelektrode, insbesondere für Heizgeräte, bei denen eine gute Stromtragfähigkeit einer Kontaktschicht benötigt wird .
In Ausführungsformen kann eine metallische Folie auf die Polymerstruktur auflaminiert werden. Dabei wird das Material der Polymerstruktur vorzugsweise an der Oberfläche thermisch aufgeschmolzen, insbesondere um eine mechanische bzw. elektrische Verbindung zwischen der Metallfolie und dem Material der Polymerstruktur zu erreichen bzw. zu verbessern. Die Metallfolie kann unter Aufbringung von Druck durch Verpressen der Metallfolie auf die Polymerstruktur- Oberfläche aufgebracht werden. Die Metallfolie kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung umfassen. Ein Schichtdicke kann mindestens 30 μιτι und/oder höchsten 110 μιτι betragen. Eine Oberfläche der Metallfolie kann zumindest auf einer Kontaktseite zur Polymerstruktur hinsichtlich ihrer
Oberflächenbeschaffenheit vorbehandelt (aufgeraut) sein. Die
Oberflächenbehandlung der Metallfolie erzeugt vorzugsweise eine raue
Oberflächenstruktur, die insbesondere eine Verzahnung des Materials der
Polymerstruktur mit einer Oberfläche der Metallfolie bewirkt. Die Verzahnung bzw. die vergleichsweise große Kontaktoberfläche können einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand ermöglichen sowie eine gute mechanische
Haftung zwischen der Polymerstruktur und der Metallfolie. Ggf. kann eine/die Oberfläche des Materials der Polymerstruktur mittels eines entsprechenden Verfahrens derart vorbehandelt werden, dass die an der Oberfläche in die
Polymermatrix eingebetteten leitfähigen Strukturen (insbesondere leitfähigen Füllstoffpartikel) zumindest teilweise freigelegt werden und somit ein verbesserter elektrischer Kontakt hergestellt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen kann eine Metallfolie (zumindest teilweise) mittels Haftvermittler auf die Polymerstruktur (zur elektrischen Kontaktierung) auflaminiert werden. Über die aufgebrachte Metallfolie kann die Polymerstruktur mit einer (Kontakt-) Elektrode verbunden werden und damit zuverlässig elektrisch kontaktiert werden. Der Haftvermittler (Klebstoff) kann für eine gute
mechanische bzw. elektrische Verbindung zwischen Metallfolie und
Polymerstruktur sorgen. Um einen elektrischen Kontakt sicherzustellen oder zu verbessern kann ggf. ein elektrisch leitfähiger Klebstoff als Haftvermittler verwendet werden. Auch ein elektrisch nichtleitfähiger Klebstoff ist grundsätzlich denkbar. Dann muss ggf. auf andere Art und Weise ein elektrischer Kontakt sichergestellt werden (beispielsweise durch besonders dünne Ausbildung der Klebstoffschicht und/oder durch teilweise freibleibende Bereiche, in denen keine Klebstoffschicht vorgesehen ist). Die Schichtdicke kann mindestens 30 μιτι und/oder höchstens 110 μιτι betragen, wobei eine Oberfläche auf einer
Kontaktseite zur Polymerstruktur hin hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit vorbehandelt sein kann. Die Oberflächenbehandlung der Metallfolie kann insbesondere eine raue Oberflächenstruktur erzeugen, die vorzugsweise eine Verzahnung des Haftvermittlers mit der Folienoberfläche bewirkt. Verzahnung und große Kontaktoberfläche bewirken einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand und eine vergleichsweise gute mechanische Haftung zwischen der
Polymerstruktur und der Metallfolie. Auch hier kann die Oberfläche der
Polymerstruktur vorzugsweise mittels eines entsprechenden Verfahrens
vorbehandelt werden, um die an einer Oberfläche in eine Polymermatrix eingebetteten leitfähigen Strukturen (insbesondere Füllstoffpartikel) zumindest teilweise freizulegen und somit einen guten elektrischen Kontakt herzustellen.
In weiteren Ausführungsformen kann die metallische Schicht (zumindest teilweise) im PVD-Verfahren auf die Polymerstruktur aufgebracht werden. Das PVD-Verfahren (PVD für Physical Vapor Deposition) bezeichnet die physikalische Abscheidung dünner Metallschichten über die Dampfphase. Die aufgebrachte Schicht kann sehr dünn (ggf. dünner als 15 μιτι) ausgebildet werden und haftet vergleichsweise gut auf dem Material der Polymerstruktur, wobei nur ein geringer elektrischer Übergangswiderstand an der Materialgrenzfläche auftritt. Daher eignet sich eine im PVD-Verfahren erzeugte Metallschicht besonders gut als elektrische Zwischenschicht zwischen der Polymerstruktur und mindestens einer Kontaktelektrode, insbesondere für Heizelemente, bei denen eine gute
Stromtragfähigkeit der Kontaktschicht benötigt wird. Eine Oberflächenbehandlung der Polymerstruktur kann unter Vakuumbedingen, ggf. im Plasmaverfahren, erfolgen und einen geringen Übergangswiderstand an der Grenzfläche beider Materialien sicherstellen.
In Ausführungsformen kann die metallische Schicht (zumindest teilweise) mittels eines galvanischen Verfahrens auf die Polymerstruktur aufgebracht werden. Dabei handelt es sich um einen elektrolytischen Prozess. Durch elektrochemische
Abscheidung können metallische Überzüge auf der Polymerstruktur hergestellt werden. Die aufgebrachte Schicht kann ggf. vergleichsweise dünn ausgebildet werden (beispielsweise bis 50 μιτι) und haftet gut auf der Polymerstruktur, wobei nur ein geringer elektrischer Übergangswiderstand an einer Materialgrenzfläche auftritt. Die durch Galvanisieren erzeugt Metallschicht eignet sich besonders gut als elektrische Zwischenschicht zwischen Polymerstruktur und Kontaktelektrode, insbesondere für Heizgeräte, bei denen eine gute Stromtragfähigkeit der Kontaktschicht benötigt wird, ohne das Material der Polymerstruktur beim
Herstellungsprozess thermisch zu schädigen. Insbesondere kann durch ein derartiges Verfahren ein guter elektrischer Kontakt zwischen der metallischen Schicht und der Polymerstruktur, insbesondere einer leitfähigen Komponente (leitfähige Partikel) der Polymerstruktur, erreicht werden.
Weiterhin kann die metallische Schicht (zumindest teilweise) mittels
Ultraschallschweißung auf die Polymerstruktur aufgebracht werden. Als
Ultraschallschweißung wird eine Schweißverfahren verstanden, das die beiden Fügepartner mittels hochfrequenter mechanischer Schwingungen miteinander verbindet. Der Ultraschallprozess kann intermittierend, semi-kontinuierlich oder kontinuierlich ablaufen. So kann z. B. eine entsprechende Sonotrode als Stempel oder als rotierende Walze ausgeformt sein. Die Oberfläche der metallischen Schicht (z. B. metallischen Folie) vor dem Aufbringen auf die Polymerstruktur kann strukturiert, aktiviert und/oder aufgeraut sein, um eine Haftung zu verbessern. Durch ein Verbinden mittels Ultraschall kann eine zuverlässige Verbindung zwischen Polymerstruktur und metallischer Schicht erreicht werden, insbesondere ohne das Material der Polymerstruktur beim Herstellungsprozess thermisch zu schädigen. Insbesondere kann durch ein derartiges Verfahren ein guter elektrischer Kontakt zwischen der metallischen Schicht und der
Polymerstruktur, insbesondere einer leitfähigen Komponente (leitfähige Partikel) der Polymerstruktur erreicht werden. Ultraschallschweißen ist prozesssicher umsetzbar und für die Großserienfertigung geeignet. Es können bevorzugt auch polymere Materialien verwendet werden, die schwer oder gar nicht aufschmelzen und/oder negativ auf erhöhte Wärmeeinwirkung reagieren.
Eine Sonotrode oder mehrere Sonotroden kann/können als Stempel und/oder als rotierende Walzen ausgebildet sein. In einer konkreten Ausführungsform sind zwei Sonotroden vorgesehen, um die Polymerstruktur beidseitig mit einer entsprechenden Anschlusselektrode zu verbinden. Die beiden Sonotroden können dann gegenüberliegend angeordnet sein, so dass während des Verfahrens, die Polymerstruktur und die damit zu verbindenden Elektroden zwischen den beiden Sonotroden liegen. Insbesondere in diesem Fall können die Sonotroden als rotierende Walzen ausgestaltet sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe insbesondere durch ein elektrisches Fluidheizgerät, insbesondere Luftheizgerät (alternativ Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren, gelöst, vorzugsweise umfassend mindestens einen Fluidleitkanal, mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, sowie mindestens eine, insbesondere stoffschlüssig, mit der Polymerkomponente verbundene metallische Schicht.
In Ausführungsformen kann die vorliegende Struktur zumindest abschnittsweise, ggf. vollständig, formstabil (sich selbst tragend) ausgebildet sein. Optional ist die Polymerstruktur als (fester) Block ausgebildet. Eine Dicke der Polymerstruktur kann mindestens 1 mm oder mindestens 3 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerstruktur zumindest abschnittsweise, ggf. vollständig, flexibel, vorzugsweise als Folie oder Streifen (oder Anordnung mehrerer Streifen) ausgebildet sein bzw. werden. Wenn die Polymerstruktur sowohl
(abschnittsweise) formstabil als auch (abschnittsweise) flexibel ausgebildet sind, kann die Polymerstruktur (gewichtsmäßig) entweder überwiegend formstabil oder überwiegend flexibel ausgebildet sein. Unter einer flexiblen Ausbildung ist insbesondere eine Ausbildung zu verstehen, bei der die Polymerstruktur ihre Form nicht behält, wenn sie auf eine unebene Fläche gelegt wird bzw. nur an einem Rand aufgelegt wird. Insbesondere in diesem Fall kann die Polymerstruktur eine Dicke von weniger als 0,1 mm, vorzugsweise weniger als 0,01 mm aufweisen.
Die leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, kann in
Partikelform und/oder als (Kohlenstoff-)Gerüst (Skelett) vorliegen. Die
Kohlenstoffkomponente kann in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.
Die Polymerstruktur kann eine elektrische isolierende Polymerkomponente aufweisen.
Die metallische Schicht ist vorzugsweise zumindest teilweise durch Aufspritzen, insbesondere thermisches Aufspritzen, und/oder Auflaminieren, insbesondere thermisches Auflaminieren und/oder Auflaminieren per vorzugsweise leitfähigen Haftvermittler, und/oder Aufdampfen, insbesondere per PVD, und/oder galvanisch und/oder durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, aufgebracht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe insbesondere gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidheizgerätes der obigen Art und/oder hergestellt nach dem Verfahren der obigen Art, wobei Fluid,
insbesondere Luft durch das Fluidheizgerät strömt und dabei aufgeheizt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe insbesondere gelöst durch die Verwendung eines Fluidheizgerätes der obigen Art oder hergestellt nach einem Verfahren der obigen Art zum Aufheizen eines Fluids, vorzugsweise von Luft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
Die Polymerstruktur kann (insbesondere, wenn sie nicht-selbsttragend
ausgebildet ist) auf ein (ggf. elektrisch isolierendes und/oder gegenüber der Polymerstruktur elektrisch isoliertes) Substrat aufgebracht, beispielsweise aufgetragen (aufgedruckt) werden. Zum Auftragen kann beispielsweise ein Siebdruckverfahren oder auch Rakeln verwendet werden. Ein derartiges Substrat kann gleichzeitig als Wärmeübertrager-Fläche zur Aufheizung des
vorbeiströmenden Fluids (der vorbeiströmenden Luft) genutzt werden. Optional kann diese Oberfläche noch durch Unebenheiten, insbesondere Vorsprünge, wie Rippen und/oder Finnen auf dem Substrat vergrößert werden.
Das Substrat bzw. die Substrate kann/können zumindest abschnittsweise vorzugsweise vollständig, aus Kunststoff, insbesondere einem Polymer wie beispielsweise Polyetherketon und/oder Polyamid, gefertigt sein. Besonders bevorzugt ist eine Fertigung aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) und/oder Polyetheretherketon (PEEK) und/oder (kurz-) faserverstärktem Polyamid (z. B. PA-GF).
Das Substrat kann aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.
Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei Raumtemperatur (25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10"1 S 1 irr1 (ggf. weniger als 10"8 S 1 m"1) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische
Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S 1 irr1, weiter vorzugsweise mindestens 103 S 1 irr1 (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt.
Das Substrat kann als Platte, insbesondere Kunststoffplatte, ausgebildet sein und/oder eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1,0 mm und/oder höchstens 5,0 mm, weiter vorzugsweise höchstens 3,0 mm aufweisen. Bei der jeweiligen Dicke handelt es sich insbesondere um eine durchschnittliche Dicke oder eine Dicke des größten Bereichs mit konstanter Dicke.
Die Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) und/oder eine entsprechende Paste zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines
Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z. B. Ethylen/Acrylsäure und/oder Ethylen/Ethylacrylat und/oder
Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.
Die Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) kann in einem Ofen (bei erhöhter Temperatur) ausgehärtet sein bzw. werden.
Die (jeweilige) Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) ist vorzugsweise über mindestens 20 %, weiter vorzugsweise mindestens 50 %, noch weiter
vorzugsweise mindestens 80 % einer der Polymerstruktur (z. B.
Polymerbeschichtung) zugewandten Oberfläche des Substrats mit dem
(jeweiligen) Substrat in Kontakt. Dadurch kann effektiv Wärme über das Substrat (das dann als weiterer Wärmeübertrager dient) übertragen werden.
Im Allgemeinen kann/können die Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) eine durchgehende Fläche (ohne Unterbrechungen) aufweisen oder strukturiert sein, beispielsweise Lücken (Durchbrüche) aufweisen oder Ausnehmungen. Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung)
mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% und/oder weniger als 50 % Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. die
Kohlenstoffkomponente, wie z. B. die Kohlenstoffpartikel.
Die jeweilige Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) kann (zumindest im Durchschnitt) dünner sein als ein entsprechendes Substrat, beispielsweise um den Faktor 1,1; weiter vorzugsweise um den Faktor 1,5.
Grundsätzlich ist der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der leitfähigen Komponenten des Luftheizgerätes als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" zu verstehen.
Die (jeweilige) Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) ist vorzugsweise eine leitfähige Schicht mit PTC-Verhalten.
Das Fluidheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z. B. < 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt. Alternativ kann das Fluidheizgerät für den Hochvoltbereich (z. B. > 100 Volt, vorzugsweise > 400 Volt, ggf. größer 800 V) ausgelegt sein.
Das Luftheizgerät kann für einen Betrieb mit Gleich- und/oder Wechselspannung und/oder PWM ausgelegt sein.
Eine (Schicht-) Dicke der jeweiligen Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) kann < 1 mm, vorzugsweise < 0,5 mm, noch weiter vorzugsweise < 0,2 mm betragen.
Die Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) und/oder das Substrat kann/können zumindest im Wesentlichen plan ausgebildet sein. Falls Erhebungen (Vertiefungen) vorgesehen sind, können diese weniger als 10 % einer
(durchschnittlichen) Dicke der jeweiligen Beschichtung bzw. des jeweiligen Substrats betragen. Der Kohlenstoffanteil in der Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) kann so ausgebildet sein, dass er einen Stromfluss erlaubt (z. B. in Partikelform, wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen).
Es können mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5 Heizelemente vorgesehen sein, die jeweils eine eigene Polymerstruktur und ggf. eine oder zwei oder mehr metallische Schicht(en) umfassen.
Gemäß einem weiteren (optional unabhängigen) Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Heizelement mit den oben und/oder nachfolgend erläuterten Merkmalen gelöst. Das Heizelement kann die erwähnten Fluidkanäle vollständig oder teilweise ausbilden oder (per se) ohne Fluidkanäle ausgebildet sein. Im letzteren Fall können dann entsprechende Fluidkanäle ggf. beim
Zusammenbau mehrerer Heizelemente bei der Herstellung des Fluidheizgerätes entstehen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen :
Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen
Fluidheizgerät gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Fluidheizgerätes.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluidheizgerätes. Das Fluidheizgerät umfasst eine elektrisch leitfähige
Polymerstruktur 10 aus einem PPTC-Material, eine erste metallische Schicht 11 auf einer ersten Seite der Polymerstruktur 10 und eine zweite metallische Schicht 12 auf einer zweiten (gegenüberliegenden) Seite der Polymerstruktur 10. Die metallischen Schichten sind vorzugsweise vollflächig, stoffschlüssig mit der Polymerstruktur verbunden. Weiterhin sind die metallischen Schichten 11, 12 jeweils mit einer Anschlusselektrode (Kontaktelektrode) 13 bzw. 14 verbunden, so dass ein elektrischer Strom über die metallischen Schichten 11, 12 durch die Polymerstruktur 10 fließen kann.
Fig. 2 zeigt eine Polymerstruktur 10, die beidseitig mit einer ersten metallischen Schicht 11 und einer zweiten metallischen Schicht 12 verbunden wird.
Dies geschieht hier in einem kontinuierlichen Verfahren. Dazu wird die Anordnung der Polymerstruktur 10 mit den beiden metallischen Schichten (Metallfolien) 11, 12 zwischen zwei Sonotroden 15, 16 gebracht. Durch eine entsprechende ultraschallinduzierte Bewegung gemäß den Pfeilen 17 wird dann eine
Ultraschallverschweißung durchgeführt. Die Pfeile 18 zeigen eine Drehrichtung der walzenförmigen Sonotroden 15, 16 an. Das Material für die metallischen Schichten 11, 12 kann beispielsweise von einer Aufbewahrungsrolle abgerollt werden und/oder durch Umlenkrollen entsprechend in Richtung Polymerstruktur 10 geführt werden (nicht in Fig. 1 gezeigt).
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste
10 Polymerstruktur
11 metallische Schicht
12 metallische Schicht
13 Kontaktelektrode
14 Kontaktelektrode
15 Sonotrode
16 Sonotrode
17 Pfeil
18 Pfeil

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Fluidheizgerätes, insbesondere eines Luftheizgerätes für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Fluidleitkanal zum Durchleiten des Fluides, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, mit mindestens einer metallischen Schicht (11, 12), insbesondere stoffschlüssig, beschichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11, 12) zumindest im Wesentlichen vollflächig mit der Polymerstruktur (10) stoffschlüssig verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11, 12) zumindest teilweise, insbesondere
überwiegend oder vollständig, erst auf der Polymerstruktur (10) aufgebaut wird und/oder
zumindest teilweise, insbesondere überwiegend oder vollständig,
vorzugsweise als Folie, bereits vor dem Verbinden mit der Polymerstruktur (10) fertiggestellt wird oder ist, wobei die metallische Schicht (11, 12) vorzugsweise vor dem Verbinden mit der Polymerstruktur (10) vorbehandelt, insbesondere aufgeraut, ist oder wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11, 12) eine Schichtdicke von mindestens 10 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm, weiter vorzugsweise mindestens 1 μιτι, weiter vorzugsweise mindestens 10 μιτι, ggf. mindestens 25 μιτι und/oder höchstens 2 mm, vorzugsweise höchstens 500 μιτι, weiter vorzugsweise höchstens 200 μιτι, weiter vorzugsweise höchstens 150 μιτι, ggf. höchstens 50 μιτι oder höchstens 20 μιτι oder höchstens 15 μιτι, aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11,12) zumindest teilweise Kupfer oder eine
Kupferlegierung umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
eine Oberfläche der Polymerstruktur (10) derart vorbehandelt, insbesondere strukturiert wird, dass die leitfähige Komponente der Polymerstruktur (10), insbesondere leitfähige Partikel der Polymerstruktur (10), zumindest teilweise freigelegt wird/werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11, 12) mit einer Kontaktelektrode (13, 14), insbesondere durch Löten, verbunden wird und/oder als Zwischenschicht zwischen Polymerstruktur (10) und Kontaktelektrode (13, 14) ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11, 12) zumindest teilweise durch Aufspritzen, insbesondere thermisches Aufspritzen, und/oder Auflaminieren,
insbesondere thermisches Auflaminieren und/oder Auflaminieren per vorzugsweise leitfähigen Haftvermittler, und/oder Aufdampfen, insbesondere per PVD, und/oder galvanisch und/oder durch Schweißen, vorzugsweise Ultraschallschweißen, aufgebracht wird.
9. Elektrisches Fluidheizgerät, insbesondere Luftheizgerät für ein
Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens einen Fluidleitkanal, mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine
Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente, enthält, sowie mindestens eine, insbesondere stoffschlüssig, mit der Polymerkomponente verbundene metallische Schicht (11, 12).
10. Fluidheizgerät nach Anspruch 9,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass,
die Polymerstruktur (10) zumindest abschnittsweise formstabil,
vorzugsweise als Block, und/oder zumindest abschnittsweise flexibel, vorzugsweise als Folie, ausgebildet ist.
11. Fluidheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
die leitfähige Komponente in Partikelform und/oder als Gerüst vorliegt und/oder
in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder
Kohlen stoff fasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegt und/oder die Polymerstruktur (10) eine elektrische isolierende Polymerkomponente aufweist.
12. Fluidheizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die metallische Schicht (11, 12) zumindest teilweise durch Aufspritzen, insbesondere thermisches Aufspritzen, und/oder Auflaminieren,
insbesondere thermisches Auflaminieren und/oder Auflaminieren per vorzugsweise leitfähigen Haftvermittler, und/oder Aufdampfen, insbesondere per PVD, und/oder galvanisch und/oder durch Ultraschallschweißen aufgebracht ist.
13. Verfahren zum Betreiben eines Fluidheizgerätes nach einem der Ansprüche 9 bis 12 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Fluid, insbesondere Luft, durch das Fluidheizgerät (13) strömt und dabei aufgeheizt wird.
14. Verwendung eines Fluidheizgerätes nach einem der Ansprüche 9 bis 12 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Aufheizen eines Fluids, vorzugsweise von Luft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
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