WO2007118498A1 - Beheizbares geformtes bauteil sowie verfahren zur herstellung eines solchen bauteils und dessen verwendung - Google Patents

Beheizbares geformtes bauteil sowie verfahren zur herstellung eines solchen bauteils und dessen verwendung Download PDF

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WO2007118498A1
WO2007118498A1 PCT/EP2006/008670 EP2006008670W WO2007118498A1 WO 2007118498 A1 WO2007118498 A1 WO 2007118498A1 EP 2006008670 W EP2006008670 W EP 2006008670W WO 2007118498 A1 WO2007118498 A1 WO 2007118498A1
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matrix
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Michael Eisele
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Michael Eisele
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details
    • H05B3/06—Heater elements structurally combined with coupling elements or holders
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/146—Conductive polymers, e.g. polyethylene, thermoplastics

Definitions

  • the invention relates to a heatable molded component, in particular a two-dimensionally shaped plate or sheet or a three-dimensionally shaped part.
  • the object of the invention is therefore to provide a heatable component which avoids the aforementioned disadvantages.
  • this component consists of a composite.
  • This composite consists of a fully consolidated plastic matrix with an integrated heat transfer medium, ie the plastic matrix surrounds the heat transfer medium completely without leaving any gaps. This does not lead to a delayed heat flow, since the heat generated by the heat transfer medium is given off directly to the plastic matrix. A heat build-up due to interstices or pores containing insulating air is thus avoided. Local overheating of the component, which can also lead to burns, does not occur.
  • the heat transfer medium integrated in the plastic matrix consists of two conductor tracks arranged opposite each other in the component, which act as electrodes.
  • a textile fabric made of inorganic fibers is arranged between these conductor tracks.
  • This textile fabric is a heating element that has an electrical resistance. If a voltage is now applied to the conductor tracks, the circuit is closed in that charge carriers migrate through the flat structure representing the heating element. Due to the electrical resistance of the inorganic fibers, the textile fabric is heated and gives the heat evenly, i.e. uniformly over the entire area, from the surrounding plastic matrix.
  • the component radiates the thermal energy to the ambient air, which is heated as a result.
  • the plastic matrix for such a component must be heat-resistant. It can consist, for example, of polyurethane or a thermoset, for example a phenolic resin, epoxy resin or polyester resin.
  • Thermoplastics are also used as a plastic matrix, in particular recrystallized thermoplastics, such as polyamide (PA), polyphenylene sulfide (PPS), polyether ketone (PEK) or polyether ether ketone (PEEK), as well as similar thermoplastics, which have sufficient thermal stability for use as a heating element. Highly crystalline thermoplastics are particularly suitable.
  • the heat transfer medium is preferably arranged in the center of the component, so that the heat in the same way can flow in both directions.
  • the heating element of the heat carrier which represents the electrical resistance, is provided, as mentioned above, in the form of a textile fabric made of inorganic fibers.
  • This textile fabric can be a woven fabric, a knitted fabric or a scrim or a non-woven fabric, the threads, yarns and fibers being made up of inorganic fibers. These inorganic fibers are fibers with different electrical resistance.
  • fibers with a high electrical resistance and fibers with a low electrical resistance are preferably combined in the heating element. Their respective share in the textile fabric determines the total resistance of the heating element.
  • Fibers with a high electrical resistance are, for example, glass fibers, aramid fibers and basalt fibers and fibers with a low electrical resistance are carbon fibers or metal fibers, such as, for example, constantan fibers.
  • the heating element preferably contains a mixture of the fibers with different electrical resistance, the proportion of the respective fibers being selected according to the application.
  • hybrid fibers can also be used, each of which contains fibers of the aforementioned groups.
  • the textile fabrics formed from these fibers, for example hybrid textiles represent a heating element which transports the electrical charge carriers from one conductor track to the other conductor track.
  • the conductor tracks represent electrically conductive metal strips, metal threads or metal wires. Copper or steel is preferably used as the metal. However, other metals that conduct electricity well can also be used. If metal threads are provided as conductor tracks, these can already be incorporated into the woven, knitted or laid fabric. When using nonwovens as the heating element, metal strips or metal wires are preferred conductor tracks.
  • the particular advantage of the above-described heat transfer medium, consisting of the heating element and the conductor tracks, is that it can be shaped well.
  • the heat transfer medium can easily be brought into a three-dimensional shape during manufacture and thus be adapted to the component shape without this having a negative influence on the Has heat flow when used as a heating element.
  • the new heat transfer medium also contributes to the dimensional stability of the component itself through the thermal element consisting of the textile fabric, ie the thermal element is at the same time a structural element of the component.
  • the textile fabric, the heating element is sufficient as a structural element for components of small thickness.
  • additional structural elements are also provided, which likewise consist of textile fabrics. These additional structural elements represent reinforcements and support the dimensional stability of the component.
  • Such reinforcements are fabrics, knitted fabrics, scrims or nonwovens, which consist of inorganic threads, yarns or fibers.
  • the inorganic fibers used should be heat stable. Electrically insulating glass fibers, basalt fibers or ceramic fibers are preferably used for these reinforcements. High-temperature stable plastic fibers, for example made of polybenzoxazole (PBO), are also conceivable.
  • the heat dissipation from the heat transfer medium to the outside can be modified by additionally storing heat-storing and / or heat-conducting fillers, in particular pigments, in a homogeneously distributed manner in the plastic matrix. This is not necessary for components with a small thickness.
  • Such components of small thickness can be used particularly well for ceiling heating systems, since they can be designed in such a way that they appear translucent, i.e. allow some of the light emitted from the ceiling to pass through.
  • a heat-reflecting aluminum foil can be attached to the back of the component, which serves as a reflective layer.
  • a heat-insulating layer can be provided, which prevents heat from being unnecessarily lost. In this way, the heat is radiated into the room on one side and dissipated.
  • the aforementioned heat-storing and heat-conducting substances are used in such Cases provided only on the room side of the heat transfer medium in the plastic matrix, ie between the front of the component and the heat transfer medium.
  • the aforementioned components can be used individually as heating elements or coupled with one another in their effect as large-area heating walls and heating surfaces.
  • Components of this type can be provided as plates or sheets, but can also be three-dimensionally shaped and thus adapted to contours, for example in vehicles.
  • use in boats, ships and airplanes is also conceivable, and as ceiling or wall heating elements in residential houses, garden houses or holiday homes.
  • a particularly advantageous application is achieved by a heating element which is used as a mirror heater.
  • the aforementioned components can be produced by known processes, such as resin casting, compression molding, resin transfer molding (RTM), thermofusion or by film pressing (film stacking).
  • a selected process variant using the film stacking process different webs are drawn into a device, preheated there and pressed under high pressure and under controlled heating. The device is then cooled in a controlled manner. The die and patrix of the device can be heat-treated and the design of the resulting component can have special surface effects or component shapes.
  • at least one web consists of a film web of a matrix former. Of course, several such film webs can also be drawn into the device.
  • a textile sheet runs into the device, which serves as a structure former for the component. This textile sheet contains the conductor tracks and consists of fibers with different electrical resistance or hybrid fibers.
  • the further additional textile flat webs consist exclusively of structure formers with heat-stable and electrically insulating fibers. After these webs have been preheated in the device, a high pressure is exerted on the webs, so that the matrix former melts and penetrates the structure former, ie the porous portions of the structure former are filled by the matrix and it is a after leaving the device and cooling the composite Component with a fully consolidated plastic matrix and structural elements integrated therein, one structural element being part of the heat transfer medium.
  • the aforementioned webs are arranged one above the other as layers and thus a layering is produced. If several layers of matrix formers and several layers of structure formers are provided, they are preferably arranged alternately one after the other, so that when the coating is pressed, which preferably takes place under heating, the molten plastic of the matrix formers can more easily penetrate the porous structure formers. In this thermofusion, all porous parts of the structure-forming agent are filled out by the matrix. The thermofusion thus leads to a fully consolidated composite. After cooling, a component made of a plastic matrix with integrated structural elements is available, at least one structural element serving as part of a heat carrier.
  • the conductor tracks for the heat transfer medium are arranged in the corresponding layer in the structural element provided.
  • several layers of matrix formers and several layers of structure formers are provided as layers in the preform, namely the layering, with the layer of the structure formant, which serves as a later heat transfer medium and contains the two conductor tracks, preferably in the middle for uniform heat dissipation and heat radiation from the resulting component is arranged in the stratification.
  • Such a method can be used to produce plates, ie two-dimensional components, and components with a three-dimensional shape.
  • the structure-forming layers are shaped by the compression molding in such a way that they contribute to the dimensional stability of the component as a structural element in the finished component.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a component according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a further component according to the invention.
  • the component 10 here a heatable plate, consists of a composite 18, namely a plastic matrix 11 with an integrated heat transfer medium 12. Reinforcements 13 and 14 are arranged in the composite on both sides of the heat transfer medium 12 and approximately parallel to this.
  • the reinforcements 13, 14 consist of glass fabric.
  • the plastic matrix 1 1 is a polyamide.
  • the heat carrier 12 enclosed by the plastic matrix 11 without air gaps has two conductor tracks 16 which are formed by two copper strips. These two copper strips 16 are arranged on the opposite end faces of the heating element 15.
  • This heating element 15 is formed by a textile fabric, namely a fabric made of carbon fibers and glass fibers.
  • the heating element 15 together with the reinforcements 13, 14 contributes to the dimensional stability of the component 10, ie the reinforcements 13, 14 and the heating element 15 form flat structural elements 17.
  • the heatable plate, ie the component 10, is a two-dimensional component , in which the structural elements 17 are also arranged two-dimensionally in the composite 18, namely are oriented approximately parallel to one another.
  • the fibers of the structural elements 17 are completely enclosed by the plastic matrix 11.
  • the composite 18 contains no pores, lumens or air-filled spaces that can have an insulating effect. In principle, no natural fibers are used as fibers, even after Compression would not be pore-free. After pressing, the inorganic fibers used do not contain any pores or lumens and can be completely enclosed by the matrix 11, so that heat cannot build up when they are heated, the heat is evenly released to the matrix 11 and passed through it.
  • the component 10 can be used as a heatable plate if the conductor tracks are connected to a voltage source.
  • a low voltage source is sufficient for this.
  • connecting plugs are inserted into bores 30 in the component 10, which also go through the conductor tracks 16, so that an electrical contact to the conductor tracks 16 is produced.
  • the conductor tracks 16 act as electrodes, which endeavor to close the circuit by means of charge exchange.
  • the heating element 15, which must be traversed by the charge carriers, is arranged between the spaced conductor tracks 16 serving as electrodes.
  • the carbon fibers and glass fibers of the heating element 15 have different electrical resistances, namely the glass fibers have a high electrical resistance and the carbon fibers have a low electrical resistance, this enables the charge carriers to be passed on to the opposite electrode on the one hand, and due to the high electrical resistance of the glass fibers on the other hand Warming achieved.
  • the resulting heat energy is released to the surrounding plastic matrix, namely up and down, without the heat flow being delayed. There is also no heat build-up because there are no pores or air gaps in the fully consolidated plastic matrix. Measurements of the heat development over a certain period of time and at different locations on the component 10 have shown that the heat flow is uniform over the entire surface of the component 10. In addition, the very high efficiency of up to 95% could be demonstrated. It is possible to heat a space of 20 cubic meters with a component 10 described in FIG. 1 with an area of 600 ⁇ 900 mm.
  • Fig. 2 shows a preform 20, namely a layer 28, from which the component by thermofusion, ie by applying heat and very high pressure 10 can be produced according to FIG. 1.
  • the layering shown in FIG. 2 shows several layers of matrix former 21, namely polyamide films (PA6 films).
  • a layer of porous structure formers 22, 23, 24 is arranged between two films of matrix formers 21.
  • the top and bottom layers of structure formers 26, 27 are glass fabrics.
  • the middle layer 25 is formed by a fabric made of carbon fibers and glass fibers, ie likewise a porous structure former 22, a copper track being inserted at the edges of this layer 22, which serves as a conductor track 16 in the later component 10.
  • 1 and 2 each show a side view.
  • the conductor tracks 16 preferably run continuously in the component 10 from one end face of the component to the opposite end face.
  • pressure is now applied uniformly to the layer 28 at the top and bottom, which reduces the thickness of the preform 20.
  • the polyamide films melt as a result of the heating during the thermofusion and the polyamide melt penetrates the adjacent porous layers of the structuring agents 22, 23, 24.
  • the layer 28 has been completely consolidated by the heat treatment under high pressure, the layered structure is eliminated.
  • a component 10 has been created, as is shown in FIG.
  • This component 10 is a two-dimensionally designed heatable plate. It is of course also possible to insert a layer 28 into a predetermined shape and to produce a three-dimensionally shaped component when pressure is applied.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of a component 10 'according to the invention is shown in FIG. 3.
  • the heat transfer medium 12' is integrated in the matrix 11 ', the heat element 15' of the heat transfer medium 12 'simultaneously forming the only structural element 17' which brings about the dimensional stability of the component 10 '.
  • the component 10 ' also consists of a composite 18', but a matrix 1 1 'made of polyphenylene sulfide.
  • the heat transfer medium 12 ' contains a hybrid of carbon fibers and glass fibers as the heating element 15' and copper wires as Leitbahnenl ⁇ '. This component 10 'should preferably radiate the heat upwards.
  • a reflective layer 19 is arranged on the underside.
  • an aluminum foil In order to heat this component 10 ', the conductor tracks 16', which are formed by copper wires, are provided with corresponding electrical connections on the end face, so that a voltage can be applied between these conductor tracks 16 '. The heating then takes place, as has already been described for the component 10 according to FIG. 1, except that in this case the thermal energy is essentially emitted upwards.
  • Such a component 10 ′ can be used in particular in closed rooms, where heat radiation should take place inwards into the room, for example in motor vehicles, boats, ships, aircraft or buildings.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein beheizbares Bauteil (10), insbesondere eine zweidimensional geformte Platte oder Bahn oder ein dreidimensional gestaltetes Formteil. Dieses Bauteil (10) ist aus einem Composit (18) aufgebaut, welches aus einer voll konsolidierten Kunststoffmatrix (1 1) mit integrierten Wärmeträger (12) besteht. Der Wärmeträger (12) wird durch Leiterbahnen (16) und einem Wärmeelement (15) in Form eines textilen Flächengebildes aus anorganischen Fasern gebildet. Das Wärmeelement (15) trägt wesentlich zur Formstabilität des Bauteils bei.

Description

Beheizbares geformtes Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen
Bauteils und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft ein beheizbares geformtes Bauteil, insbesondere eine zweidimensional geformte Platte oder Bahn oder ein dreidimensional gestaltetes Formteil.
Beheizbare Bauteile sind für die verschiedensten Anwendungsfälle entwickelt worden. So zeigt beispielsweise das Dokument EP 1 418 091 A l ein Heizelement für die Anwendung in Kraftfahrzeugen. Zwischen zwei getrennten faserverstärkten Kunststoffschichten werden elektrische Heizwiderstandsdrähte verlegt. Die Verbindung der vorgenannten Schichten erfolgt durch klebend wirkende Bindemittel. Derartige Heizelemente werden vielfach eingesetzt und haben sich bewährt. Nachteilig an diesen Heizelementen ist jedoch, dass die Wärmeabstrahlung trotz der über die gesamte Fläche verlegten Heizdrähte uneinheitlich ist und der Wärmefluss aus dem Bereich der Heizdrähte heraus verzögernd an die Oberfläche des Bauteils verläuft. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass es im Bauteil bereichsweise zu einem Wärmestau und zu einer damit verbundenen örtlichen Überhitzung kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein beheizbares Bauteil zur Verfügung zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit einem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses Bauteil besteht im Gegensatz zu den bekannten Heizelementen, die aus getrennten Lagen bestehen, d.h. schichtförmig aufgebaut sind, aus einem Composit. Dieses Composit besteht aus einer voll konsolidierten Kunststoffmatrix mit einem integrierten Wärmeträger, d.h. die Kunststoffmatrix umgibt den Wärmeträger vollständig, ohne dass Zwischenräume verbleiben. Es kann damit nicht zu einem verzögerten Wärmefluss kommen, da die vom Wärmeträger erzeugte Wärme unmittelbar an die Kunststoffmatrix abgegeben wird. Ein Wärmestau durch isolierende Luft enthaltende Zwischenräume oder Poren wird damit vermieden. Eine örtliche Überhitzung des Bauteils, die auch zu Durchbrennungen führen kann, tritt nicht auf.
Der in der Kunststoffmatrix integrierte Wärmeträger besteht aus zwei gegenüberliegend im Bauteil angeordneten Leiterbahnen, die als Elektroden fungieren. Zwischen diesen Leiterbahnen ist ein textiles Flächengebilde aus anorganischen Fasern angeordnet. Dieses textile Flächengebilde stellt ein Wärmeelement dar, das einen elektrischen Widerstand besitzt. Wird nun eine Spannung an die Leiterbahnen angelegt, wird der Stromkreis geschlossen, indem Ladungsträger durch das das Wärmeelement darstellende Flächengebilde wandern. Dabei wird aufgrund des elektrischen Widerstandes der anorganischen Fasern das textile Flächengebilde erwärmt und gibt die Wärme gleichmäßig, d.h. einheitlich über die gesamte Fläche, an die umgebende Kunststoffmatrix ab. Das Bauteil strahlt die Wärmeenergie an die Umgebungsluft ab, die dadurch erwärmt wird.
Die Kunststoffmatrix für ein solches Bauteil muss wärmebeständig sein. Sie kann beispielsweise aus Polyurethan oder einem Duroplast, beispielsweise einem Phenolharz, Epoxidharz oder Polyesterharz bestehen. Des Weiteren werden auch Thermoplaste als Kunststoffmatrix eingesetzt, insbesondere rekristallisierte Thermoplaste, wie beispielsweise Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherketon (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK), sowie ähnliche Thermoplaste, die für die Anwendung als Heizelement eine ausreichende Wärmestabilität besitzen. Besonders geeignet sind hochkristalline Thermoplaste.
Je nach Anwendungsfall ist es gewünscht, dass die Wärme ein- oder beidseitig vom Bauteil abgestrahlt wird. Bei einem Bauteil, bei dem eine beidseitige Wärmeabstrahlung und Wärmeabteilung gewünscht wird, wird der Wärmeträger vorzugsweise mittig im Bauteil angeordnet, so dass die Wärme in gleicher Weise in beide Richtungen fließen kann. Das den elektrischen Widerstand darstellende Wärmelement des Wärmeträgers wird, wie vorgenannt, in Form eines textilen Flächengebildes aus anorganischen Fasern vorgesehen. Dieses textile Flächengebilde kann ein Gewebe, ein Gewirke oder ein Gelege sein oder ein Faservlies, wobei die Fäden, Garne und Fasern aus anorganischen Fasern aufgebaut sind. Bei diesen anorganischen Fasern handelt es sich um Fasern mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand. So werden vorzugsweise Fasern mit einem hohen elektrischen Widerstand und Fasern mit einem niedrigen elektrischen Widerstand kombiniert im Wärmeelement vorgesehen. Deren jeweiliger Anteil im textilen Flächengebilde bestimmt den Gesamtwiderstand des Wärmeelements. Fasern mit einem hohen elektrischen Widerstand sind beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern sowie Basaltfasern und Fasern mit einem niedrigen elektrischen Widerstand sind Kohlestofffasern oder Metallfasern, wie beispielsweise Konstantanfasern. Das Wärmeelement enthält vorzugsweise ein Gemisch aus den Fasern mit unterschiedlich elektrischem Widerstand, wobei der Anteil der jeweiligen Fasern entsprechend dem Anwendungsfall ausgewählt wird. Anstatt eines Gemisches aus den Fasern können auch Hybridfasern verwendet werden, die jeweils Fasern der vorgenannten Gruppierungen enthalten. Die aus diesen Fasern gebildeten textilen Flächengebilde, Z.B. Hybridtextilien, stellen ein Wärmeelement dar, welches die elektrischen Ladungsträger von der einen Leiterbahn zur anderen Leiterbahn hin transportiert.
Die Leiterbahnen stellen elektrisch gut leitende Metallbänder, Metallfäden oder Metalldrähte dar. Als Metall wird vorzugsweise Kupfer oder Stahl eingesetzt. Es sind jedoch auch andere Metalle, die den elektrischen Strom gut leiten, anwendbar. Werden Metallfäden als Leiterbahnen vorgesehen, können diese bereits im Gewebe, Gewirke oder Gelege eingearbeitet sein. Bei der Verwendung von Vliesen als Wärmeelement sind Metallbänder oder Metalldrähte bevorzugte Leiterbahnen.
Der besondere Vorteil des vorbeschriebenen Wärmeträgers, bestehend aus dem Wärmeelement und den Leiterbahnen, ist dessen gute Formbarkeit. Der Wärmeträger kann bei der Herstellung leicht in eine dreidimensionale Form gebracht und so der Bauteilform angepasst werden, ohne dass dies einen negativen Einfluss auf den Wärmefluss bei der Anwendung als Heizelement hat. Im Gegenteil, der neue Wärmeträger trägt zusätzlich durch das aus dem textilen Flächengebilde bestehende Wärmeelement zur Formstabilität des Bauteils selbst bei, d.h. das Wärmeelement ist gleichzeitig Strukturelement des Bauteils. Für Bauteile von geringer Dicke reicht das textile Flächengebilde, des Wärmeelements als Strukturelement aus.
Bei dicker dimensionierten Bauteilen werden zusätzlich weitere Strukturelemente vorgesehen, die ebenfalls aus textilen Flächengebilden bestehen. Diese zusätzlichen Strukturelemente stellen Armierungen dar und unterstützen die Formstabilität des Bauteils. Solche Armierungen sind Gewebe, Gewirke, Gelege oder Vliese, die aus anorganischen Fäden, Garnen oder Fasern bestehen. Die verwendeten anorganischen Fasern sollten wärmestabil sein. Es werden vorzugsweise elektrisch isolierende Glasfasern, Basaltfasern oder Keramikfasern für diese Armierungen eingesetzt. Denkbar sind auch hochtemperaturstabile Kunststofffasern, beispielsweise aus Polybenzoxazol (PBO).
Für dicker dimensionierte Bauteile kann die Ableitung der Wärme ausgehend vom Wärmeträger nach außen dadurch modifiziert werden, dass in der Kunststoffmatrix zusätzlich wärmespeichernde und/oder wärmeleitende Füllstoffe, insbesondere Pigmente, homogen verteilt eingelagert sind. Bei Bauteilen von einer geringen Dicke ist dies nicht notwendig. Solche Bauteile von geringer Dicke lassen sich insbesondere für Deckenheizungen gut einsetzen, da sie so ausgestaltet werden können, dass sie transluzend erscheinen, d.h. einen Teil des von der Decke abgestrahlten Lichts durchlassen.
Bei Anwendungsfällen, wo das Bauteil nur einseitig Wärme abstrahlen soll, beispielsweise bei Heizelementen, die als Wandheizung eingesetzt werden, kann an der Rückseite des Bauteils eine wärmereflektierende Aluminiumfolie angebracht werden, die als Reflektionsschicht dient. Zusätzlich kann eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen werden, die verhindert, dass unnötig Wärme verloren geht. Auf diese Weise wird die Wärme einseitig in den Raum hinaus abgestrahlt und abgeleitet. Die vorgenannten wärmespeichernden und wärmeleitenden Stoffe werden in solchen Fällen nur raumseitig vom Wärmeträger in der Kunststoffmatrix vorgesehen, d.h. zwischen der Vorderseite des Bauteils und dem Wärmeträger.
Die vorgenannten Bauteile lassen sich einzeln als Heizelemente oder miteinander in ihrer Wirkung gekoppelt als großflächige Heizwände und Heizflächen einsetzen. Derartige Bauteile können als Platten oder Bahnen vorgesehen werden, aber auch dreidimensional geformt sein und damit angepasst an Konturen, beispielsweise in Fahrzeugen. Neben der Anwendung dieser Heizelemente in Fahrzeugen ist auch eine Verwendung in Booten, Schiffen und Flugzeugen denkbar sowie als Decken- oder Wandheizelemente in Wohnhäusern, Garten- oder Ferienhäusern. Eine besonders vorteilhafte Anwendung wird durch ein Heizelement erzielt, das als Spiegelheizung eingesetzt wird.
Die vorgenannten Bauteile lassen sich durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Harzgießen, Formpressen, Resin Transfer Molding (RTM), Thermofusion oder durch Folienpressen (Filmstacking), herstellen.
Bei einer ausgewählten Verfahrensvariante nach dem Filmstacking-Verfahren werden unterschiedliche Bahnen in eine Vorrichtung eingezogen, dort vorgeheizt und unter hohem Druck sowie unter kontrollierter Erwärmung verpresst. Nachfolgend wird in der Vorrichtung kontrolliert abgekühlt. Die Matrize und Patrize der Vorrichtung kann getempert sein und durch deren Ausgestaltung kann das entstehende Bauteil spezielle Oberflächeneffekte oder Bauteilformen aufweisen. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils besteht mindestens eine Bahn aus einer Folienbahn eines Matrixbildners. Selbstverständlich lassen sich auch mehrere solche Folienbahnen in die Vorrichtung einziehen. Gleichzeitig läuft eine textile Flächenbahn in die Vorrichtung ein, die als Strukturbildner für das Bauteil dient. Diese textile Flächenbahn enthält die Leiterbahnen und besteht aus Fasern mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand bzw. aus Hybridfasern. Sollten dicker dimensionierte Bauteile hergestellt werden bzw. für die Form des Bauteils weitere Strukturelemente notwendig sein, können auch gleichzeitig mehrere textile Flächenbahnen in die Vorrichtung einlaufen, wobei die weiteren zusätzlichen textilen Flächenbahnen ausschließlich aus Strukturbildnern bestehen, die wärmestabile und elektrisch isolierende Fasern besitzen. Nach dem Vorheizen dieser Bahnen in der Vorrichtung wird ein hoher Druck auf die Bahnen ausgeübt, so dass der Matrixbildner schmilzt und den Strukturbildner durchdringt, d.h. die porösen Anteile des Strukturbildners werden von der Matrix ausgefüllt und es ist nach Verlassen der Vorrichtung und Abkühlen des Composits ein Bauteil mit voll konsolidierter Kunststoffmatrix und darin integrierten Strukturelementen entstanden, wobei ein Strukturelement Teil des Wärmeträgers ist.
Bei einem weiteren ausgewählten Verfahren werden die vorgenannten Bahnen als Schichten übereinander angeordnet und damit eine Schichtung hergestellt. Werden mehrere Schichten Matrixbildner und mehrere Schichten Strukturbildner vorgesehen, so werden sie vorzugsweise abwechselnd nacheinander angeordnet, so dass sich beim Verpressen der Beschichtung, die vorzugsweise unter Erwärmung stattfindet, der geschmolzene Kunststoff des Matrixbildners leichter den porösen Strukturbildner durchdringen kann. Bei dieser Thermofusion werden sämtliche poröse Anteile des Strukturbildners von der Matrix ausgefüllt. Die Thermofusion führt damit zu einem voll konsolidierten Composit. Nach dem Abkühlen steht ein Bauteil aus einer Kunststoffmatrix mit integrierten Strukturelementen zur Verfügung, wobei mindestens ein Strukturelement als Teil eines Wärmeträgers dient. Hierzu werden in dem vorgesehenen Strukturelement die Leiternbahnen für den Wärmeträger in der entsprechenden Schicht angeordnet. Für stärker dimensionierte Bauteile werden mehrere Schichten Matrixbildner und mehrere Schichten Strukturbildner als Schichten im Vorformling, nämlich der Schichtung, vorgesehen wobei vorzugsweise für eine gleichmäßige Wärmeableitung und Wärmeabstrahlung des entstehenden Bauteils die Schicht des Strukturbildners, die als späterer Wärmeträger dient und die zwei Leiterbahnen enthält, mittig in der Schichtung angeordnet wird.
Nach einem solchen Verfahren können sowohl Platten, d.h. zweidimensionale Bauteile als auch Bauteile mit einer dreidimensionalen Form hergestellt werden. Durch das Formpressen werden die Strukturbildnerschichten so umgeformt, dass sie im fertigen Bauteil als Strukturelement zur Formstabilität des Bauteils beitragen. Im Folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bauteils,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Schichtung,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Bauteils.
Anhand der Fig. 1 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 beschrieben. Das Bauteil 10, hier eine beheizbare Platte, besteht aus einem Composit 18, nämlich aus einer Kunststoffmatrix 1 1 mit integriertem Wärmeträger 12. Beidseitig vom Wärmeträger 12 und etwa parallel zu diesem ausgerichtet sind Armierungen 13 und 14 im Composit angeordnet. Die Armierungen 13, 14 bestehen aus Glasgewebe. Die Kunststoffmatrix 1 1 ist ein Polyamid. Der von der Kunststoffmatrix 1 1 ohne Luftzwischenräume umschlossene Wärmeträger 12 besitzt zwei Leiterbahnen 16, die durch zwei Kupferbänder gebildet werden. Diese beiden Kupferbänder 16 sind an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Wärmeelements 15 angeordnet. Dieses Wärmeelement 15 wird durch ein textiles Flächengebilde, nämlich ein Gewebe aus Kohlenstofffasern und Glasfasern gebildet. Das Wärmeelement 15 trägt zusammen mit den Armierungen 13, 14 zur Formstabilität des Bauteils 10 bei, d.h. die Armierung 13, 14 und das Wärmeelement 15 bilden flächige Strukturelemente 17. Bei der beheizbaren Platte, d.h. dem Bauteil 10, handelt es sich um ein zweidimensionales Bauteil, bei dem die Strukturelemente 17 ebenfalls zweidimensional in dem Composit 18 angeordnet sind, nämlich in etwa parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Fasern der Strukturelemente 17 sind dabei vollständig von der Kunststoffmatrix 11 umschlossen. Das Composit 18 enthält keine Poren, Lumen oder mit Luft gefüllte Zwischenräume, die isolierend wirken können. Als Fasern werden grundsätzlich keine Naturfasern eingesetzt, die auch nach dem Verpressen nicht porenfrei würden. Die verwendeten anorganischen Fasern enthalten nach dem Verpressen keine Poren oder Lumen und können von der Matrix 11 vollständig umschlossen werden, so dass es bei deren Erwärmung nicht zu Wärmestaus kommen kann, die Wärme wird gleichmäßig an die Matrix 11 abgegeben und durch diese hindurchgeleitet.
Das Bauteil 10 ist als heizbare Platte einsetzbar, wenn die Leiterbahnen mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Hierzu reicht eine Niederspannungsquelle aus. Im einfachsten Fall werden Verbindungsstecker in Bohrungen 30 im Bauteil 10, die auch durch die Leiterbahnen 16 gehen, eingesteckt, damit ein elektrischer Kontakt zu den Leiterbahnen 16 erzeugt wird. Bei Anlegen einer Spannung fungieren die Leiterbahnen 16 als Elektroden, die bestrebt sind, durch Ladungsaustausch den Stromkreis zu schließen. Zwischen den beabstandeten als Elektroden dienenden Leiterbahnen 16 ist das Wärmelement 15 angeordnet, das von den Ladungsträgern durchwandert werden muss. Da die Kohlenstofffasern und Glasfasern des Wärmeelements 15 unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen, nämlich die Glasfasern einen hohen elektrischen Widerstand und die Kohlstofffasern einen geringen elektrischen Widerstand, wird dadurch einerseits das Weiterleiten der Ladungsträger an die gegenüberliegende Elektrode ermöglicht und andererseits durch den hohen elektrischen Widerstand der Glasfasern eine Erwärmung erzielt. Die entstehende Wärmeenergie wird an die umgebende Kunststoffmatrix, nämlich flächig nach oben und unten, abgegeben, ohne dass der Wärmefluss verzögert wird. Es kommt auch nicht zu einem Wärmestau, da keine Poren oder Luftzwischenräume in der voll konsolidierten Kunststoffmatrix vorhanden sind. Messungen der Wärmeentwicklung über einen bestimmten Zeitraum und an verschiedenen Stellen des Bauteils 10 haben gezeigt, dass der Wärmefluss über die gesamte Fläche des Bauteils 10 einheitlich ist. Darüber hinaus konnte der sehr hohe Wirkungsgrad bis zu 95% nachgewiesen werden. Es ist möglich, mit einem in Fig. 1 beschriebenen Bauteil 10 von einer Fläche 600 x 900 mm einen Raum von 20 Kubikmeter zu beheizen.
Fig. 2 zeigt einen Vorformling 20, nämlich eine Schichtung 28, aus der durch Thermofusion, d.h. durch Anwendung von Wärme und sehr hohem Druck das Bauteil 10 gemäß Fig. 1 herstellbar ist. Die in Fig. 2 gezeigte Schichtung zeigt mehrere Schichten Matrixbildner 21 , nämlich Polyamidfolien (PA6-Folien). Zwischen zwei Folien Matrixbildner 21 ist jeweils eine Lage poröser Strukturbildner 22, 23, 24 angeordnet. Bei der oberen und unteren Schicht Strukturbildner 26, 27 handelt es sich um ein Glasgewebe. Die mittlere Schicht 25, wird durch ein Gewebe aus Kohlenstofffasern und Glasfasern gebildet, d.h. ebenfalls ein poröser Strukturbildner 22, wobei an den Rändern dieser Schicht 22 jeweils eine Kupferbahn eingelegt ist, die im späteren Bauteil 10 als Leiterbahn 16 dient. Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Seitenansicht. Die Leiterbahnen 16 verlaufen im Bauteil 10 vorzugsweise durchgängig von einer Stirnseite des Bauteils bis zur gegenüberliegenden Stirnseite. Bei der Thermofusion wird nun oben und unten gleichmäßig Druck auf die Schichtung 28 ausgeübt, wodurch sich die Dicke des Vorformlings 20 verringert. Gleichzeitig schmelzen durch die Erwärmung bei der Thermofusion die Polyamidfolien und die Polyamidschmelze durchdringt die benachbarten porösen Schichten der Strukturbildner 22, 23, 24. Nach der vollständigen Konsolidierung der Schichtung 28 durch die Wärmebehandlung unter hohem Druck ist der schichtförmige Aufbau aufgehoben. Es ist ein Bauteil 10 entstanden, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, nämlich ein Composit 18 bestehend aus der einheitlichen, voll konsolidierten Matrix 1 1 , in der an vorgesehenen Stellen Strukturelemente 17 integriert sind, wobei das mittlere Strukturelement 17 den Wärmeträger 12 darstellt und das obere und untere Strukturelement 17 eine Armierung 13, 14 des Bauteils 10 ergibt. Dieses Bauteil 10 ist eine zweidimensional gestaltete beheizbare Platte. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine Schichtung 28 in eine vorgegebene Form einzulegen und bei Druckanwendung ein dreidimensional geformtes Bauteil herzustellen.
In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils 10' gezeigt. Bei diesem Bauteil 10' ist in der Matrix 1 1 ' ausschließlich der Wärmeträger 12' integriert, wobei das Wärmeelement 15' des Wärmeträgers 12' gleichzeitig das einzige Strukturelement 17' bildet, welches die Formstabilität des Bauteils 10' bewirkt. Das Bauteil 10' besteht ebenfalls aus einem Composit 18', aber einer Matrix 1 1 ' aus Polyphenylensulfid. Der Wärmeträger 12' enthält ein Hybrid aus Kohlenstofffasern und Glasfasern als Wärmelement 15' und Kupferdrähten als Leitbahnenlό' . Dieses Bauteil 10' soll vorzugsweise die Wärme nach oben abstrahlen. Aus diesem Grunde ist an der Unterseite eine Reflektionsschicht 19 angeordnet. In diesem Fall eine Aluminiumfolie. Um dieses Bauteil 10' zu erwärmen, werden die Leiterbahnen 16', die durch Kupferdrähte gebildet werden, an der Stirnseite mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen, so dass zwischen diesen Leiterbahnen 16' eine Spannung angelegt werden kann. Die Beheizung erfolgt dann, wie bei dem Bauteil 10, gemäß Fig. 1 bereits beschrieben, nur dass in diesem Fall die Wärmeenergie im Wesentlichen nach oben abgegeben wird. Ein solches Bauteil 10' lässt sich insbesondere in geschlossenen Räumen verwenden, wo eine Wärmeabstrahlung nach innen in den Raum hinein erfolgen soll, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Booten, Schiffen, Flugzeugen oder Gebäuden.
B e zug s ze i chenl i s te :
,1 0' Bauteil ,1 r Matrix ,12' Wärmeträger
Armierung
Armierung ,1 5' Wärmeelement ,1 6' Leiterbahn ,1 T Strukturelement ,1 8' Composit
Reflexionsschicht
Vorformling
Matrixbildner
Strukturbildner
Strukturbildner
Strukturbildner
Vlies
Gewebe
Gewebe
Schichtstoff
Bohrung

Claims

A n s p r ü c h e :
1 .) Beheizbares geformtes Bauteil, insbesondere eine zweidimensionale Platte oder Bahn oder ein dreidimensional gestaltetes Formteil,
aufgebaut aus einem Composit (18, 18'), bestehend aus einer voll konsolidierten Kunststoffmatrix (11) mit integriertem Wärmeträger (12),
wobei der Wärmeträger (12) zwei im Bauteil (10, 10') gegenüberliegend angeordnete als Elektroden fungierende Leiterbahnen (16, 16') besitzt und zwischen diesen Leiterbahnen (16, 16') ein einen elektrischen Widerstand darstellendes Wärmeelement (15) in Form eines textilen Flächengebildes aus anorganischen Fasern angeordnet ist, welches gleichzeitig auch als Strukturelement (17) zur Formstabilität des Bauteils (10, 10') beiträgt.
2.) Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix (1 1) aus Polyurethan oder einem Duroplast, wie Phenolharz, Epoxidharz oder Polyesterharz, besteht.
3,) Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix (11) aus einem rekristallisierten Thermoplast, vorzugsweise einem hochkristallinen Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherketon (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK) besteht.
4.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt des Bauteils (10, 10') der Wärmeträger (12) mittig vorgesehen ist.
5.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Wärmeelement (15) des Wärmeträgers (12) ein Gewebe, ein Gewirke, ein Gelege oder ein Vlies ist, welches aus anorganischen Fasern, Fäden oder Garnen aufgebaut ist.
6.) Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Wärmeelement (15) Fasern mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand eingesetzt werden, nämlich Fasern mit einem hohen elektrischen Widerstand zusammen mit Fasern mit einem niedrigen elektrischen Widerstand.
7.) Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Wärmeelement (15) Hybridtextilien aus Hybridfasern oder aus Fasern mit einem hohen elektrischen Widerstand und aus Fasern mit einem niedrigen elektrischen Widerstand eingesetzt werden,.
8.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Wärmeelement (15) ein oder mehrere weitere Strukturelemente (17) in dem Bauteil (10) vorgesehen werden, die ebenfalls die Form eines textilen Flächengebildes besitzen und diese Strukturelemente (17) als Armierung (13, 14) zur Formstabilität des Bauteils (10) beitragen.
9.) Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (13,14) ein
Gewebe, ein Gewirke, ein Gelege oder ein Vlies ist, welches aus anorganische Fasern, Fäden oder Garnen aufgebaut ist, vorzugsweise aus wärmestabilen, elektrisch isolierenden anorganischen Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, Basaltfasern oder Keramikfasern.
10.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als
Leiterbahnen elektrisch gut leitende Metallbänder (16), Metallfäden oder Metalldrähte (16') vorgesehen sind, vorzugsweise aus Kupfer oder Stahl.
1 1.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die
Kunststoffmatrix (11) wärmespeichernde und/ oder wärmeleitende Füllstoffe homogen verteilt eingelagert sind.
12.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite des Bauteils (10') eine Reflektionsschicht (19), vorzugsweise eine wärmereflektierende Aluminiumfolie angebracht ist.
13.) Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur einseitigen
Wärmeabstrahlung die Füllstoffe nur auf der einen wärmeabstrahlenden Seite von dem Wärmeträger (12) in der Kunststoffmatrix (11) vorgesehen sind und auf der anderen Seite des Wärmeträgers (12) an der Rückseite des Bauteils (10') eine wärmeisolierende Schicht angeordnet ist.
14.) Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10, 10') eine geringe Dicke aufweist und transluzend erscheint.
15.) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine Folienbahn Matrixbildner (21) und eine anorganische Fasern und Leiterbahnen enthaltende textile Flächenbahn als Strukturbildner (22) gleichzeitig in eine Vorrichtung einlaufen, wo diese Bahnen vorgeheizt werden,
anschließend werden die Bahnen bei hohem Druck und bei kontrollierter Erwärmung verpresst, wobei der Kunststoff des Matrixbildners (21) schmilzt und den Strukturbildner (22) durchdringt,
in der Vorrichtung erfolgt ein kontrolliertes Abkühlen und danach ist ein Composit (18) mit voll konsolidierter Kunststoffmatrix (11) und integriertem Strukturelement (17) als Teil eines Wärmeträgers (12) entstanden.
16.) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich weitere textile Flächenbahnen als Strukturbildner (23, 24) in die Vorrichtung einlaufen.
17.) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
aus mindestens einer Schicht Matrixbildner (21) und einer Fasern enthaltenden Schicht als Strukturbildner (22) eine Schichtung (28) hergestellt wird, wobei zwei Leiterbahnen (16, 16') in der Schicht des Strukturbildners (22) angeordnet werden,
anschließend wird die Schichtung (28) bei hohem Druck und bei kontrollierter Erwärmung verpresst, wobei der Kunststoff des Matrixbildners (21) schmilzt und den Strukturbildner (22) durchdringt,
nach dem Abkühlen entsteht ein Composit (18) mit voll konsolidierter Kunststoffmatrix (11) und integriertem Strukturelement (17) als Teil eines Wärme trägers (12).
18.) Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten
Matrixbildner (21) und mehrere Fasern enthaltenden Schichten als Strukturbildner (22, 23, 24) in der Schichtung (28) vorgesehen werden, wobei in einer der Schichten des Strukturbildners (22) die zwei Leiterbahnen (16, 16') angeordnet werden, wobei diese Schicht des Strukturbildners (22) mittig in der Schichtung (28) vorgesehen wird.
19.) Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verpressen die Schichten (21, 22, 23, 24) in eine gewünschte dreidimensionale Form gebracht werden.
20.) Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für beheizbare Decken und / oder Wände in Booten, in Schiffen, in Kraftfahrzeugen, in Flugzeugen, in Wohnhäusern, in Garten- oder Ferienhäusern oder als Spiegelheizung.
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