WO2015074998A1 - Heizungsanordnung - Google Patents

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WO2015074998A1
WO2015074998A1 PCT/EP2014/074783 EP2014074783W WO2015074998A1 WO 2015074998 A1 WO2015074998 A1 WO 2015074998A1 EP 2014074783 W EP2014074783 W EP 2014074783W WO 2015074998 A1 WO2015074998 A1 WO 2015074998A1
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heating
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heating arrangement
carbon filaments
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PCT/EP2014/074783
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Robert MENCZEL
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GFT Filanova GmbH
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    • H05B2214/03—Heating of hydrocarbons

Definitions

  • the invention relates to a heating arrangement whose heating power is delivered predominantly in the form of infrared radiation containing
  • Insulation is provided;
  • radiators consist of a body which is flowed through with a heating medium, such as hot water or oil.
  • a heating medium such as hot water or oil.
  • the heating medium is heated.
  • the hot medium is passed through a heating circuit to the radiator. This requires a lot of heating medium.
  • the heat is released into the ambient air.
  • the heating and cooling of heating medium requires comparatively much time. The heating system is therefore sluggish both at power off and at power up.
  • the radiator gives its heat predominantly via convection, i. Warming of the air, to the outside.
  • the proportion of infrared radiation is low in such radiators.
  • infrared heaters There are so-called infrared heaters. Infrared heaters emit predominantly infrared radiation and therefore show a completely different heating behavior. Unlike Convection heaters do not heat the air, but only the body that is exposed to the infrared radiation. This requires less energy.
  • Infrared heaters are described on the website www.redwell.de and the website www.thermowell.de.
  • the known infrared heaters have a resistance wire which is guided in an enveloping matrix. As a matrix serve, for example, chamotte channels. When a voltage is applied to the wire ends, a current flows. The wire heats up. The infrared radiation generated by the wire is released to the outside.
  • Known arrangements reach temperatures in the range below about 90 ° C. Effective infrared radiation is only reached from a temperature of approx. 80-90 ° C.
  • heating arrangements are known from DE 10 2005 010 540 or WO 2007/065424 A1, in which woven, knitted or knitted fabrics made of carbon material are used.
  • the object of the invention is achieved in that the carbon material is formed by a matrix-free, unidirectional scrim of carbon filaments.
  • the filaments can be mechanically held in place and need neither matrix nor curved structures.
  • a unidirectional scrim of carbon filaments has the advantage that the flow is directed simultaneously through a plurality of substantially parallel filaments. These are thin and have a correspondingly high resistance, in which a lot of electrical energy is converted into heat energy.
  • the array of matrix-free carbon filaments has significantly less mass than a heating medium in a surrounding matrix or in a heating circuit. So it consumes less energy for heating. In addition, there is no risk of outgassing and / or coking. Carbon filaments can also be controlled much faster and more precisely.
  • Carbon filaments are very thin and have a diameter of, for example, 20 to 100 micrometers.
  • the filaments are arranged side by side in a planar manner and abut against the electrically insulated side of the heating surface.
  • the electrical insulation can be achieved by coating or by an intermediate layer of an insulating material.
  • a thin layer of glass fiber fabric has proven to be useful in practice.
  • the electrically heated filaments transfer their heat on contact with the electrically insulated side of the heating surface to the heating surface. Infrared radiation is generated at the heating surface, which is emitted to the outside via the other side of the heating surface.
  • the arrangement has no lossy transmission paths for a heating medium.
  • the mass to be heated is low and therefore reacts very quickly during the control process.
  • the filaments are simultaneously flowed through by the current.
  • the flat arrangement of the filaments therefore leads to a particularly uniform heat transfer to the heating surface.
  • the carbon material expands little even with large Ternperatur Sungen. This avoids noise.
  • the unidirectional clutch is particularly resistant.
  • the parallel filaments are not twisted, crossed or bent differently than in a woven, knitted or knitted fabric, and thus achieve a very good stability even at high temperatures and large temperature changes.
  • means for pressing the carbon material to the electrically insulated side of the heating surface are provided. This improves the heat transfer from the carbon material to the heating surface and holds the carbon material together.
  • the carbon filaments lie in a plurality of strands on the heating surface.
  • the strands can be assembled and contacted together.
  • the strands can be arranged in parallel. As a result, a uniform heat development is achieved.
  • the strands extend parallel over substantially the length or width of the heating surface and two adjacent strands are alternately connected electrically conductively at the ends, so that the current flows meandering through the strands of unidirectional carbon filaments.
  • This arrangement requires only two electrical contacts, whereby the assembly is facilitated.
  • connection between the adjacent strands can be made with a copper foil or other conductive sheet material.
  • Kupferfblie is well available, flat and easy to assemble. Copper has a high conductivity, so that the heat generation at the contacts remains low.
  • the region on the side facing away from the heating surface of the carbon filaments is electrically and thermally insulated in an embodiment of the invention relative to the carbon filaments. Then the heat is dissipated in one direction only, namely to the heating surface.
  • the side facing away from the heating surface of the carbon filaments remains cold due to the insulation. This makes it possible, for example, in planar arrangements, to install the heater assembly on a wall or the like, without risk of fire
  • the heating surface can be flat as an image.
  • the heating surface can also be curved, for example, cylindrical. Depending on what is to be heated, the curvature can be adapted to the material to be heated.
  • the carbon filaments can be arranged on the outside of the cylindrical heating surface.
  • the material to be heated can then be arranged in the interior of the cylinder.
  • the heating surface can form a tube which is flowed through, for example, with a fluid medium.
  • the medium is then heated by the heating surface.
  • the carbon filaments are arranged on the inside of the cylindrical heating surface. Then the cylindrical heating surface forms, for example, a defect, heating drum, galette or a calender.
  • the unidirectional scrim of carbon filaments can be pressed by means of curved plates to the cylindrical heating surface. It is understood that in other bends also a contact pressure can be generated by means of curved sheets.
  • a particularly uniform heat distribution can be obtained by selectively changing the number of filaments per unit area in sections, for example by increasing them.
  • additional filaments can be placed or removed on the actual filament strip.
  • the additional filaments can locally reduce the resistance and thus locally lower the temperature.
  • the removal of filaments causes the opposite. If, for example, the temperature in the middle of a heating surface is too high, this can be corrected by placing additional filaments in this area.
  • This individual adaptation can not be implemented comparably easily with conventional resistors in the form of wires and nonwovens, etc.
  • the invention is particularly suitable for use in heating the passenger compartment or other interior spaces of a vehicle by water, on land or in the air.
  • An example of such use is integration of the heater in the sky, in the door and / or in the dashboard of an electrically powered car. As a result, very little electrical energy is spent on the heating. However, it may also make sense to provide heating of particularly cold-sensitive components of the vehicle.
  • Fig. 1 is a perspective view of a planar infrared heater.
  • FIG. 3 is a cross section through the infrared heater of Figures 1 and 2.
  • FIG. 4 is an exploded view of the infrared heater of Figures 1 and 2.
  • Fig. 5 is a perspective view of a drum-shaped infrared heater
  • FIG. 6 is a cross-section through the infrared heater of FIG. 5.
  • FIG. 1 shows a planar infrared heater, generally designated 10.
  • the infrared heater 10 has a heating surface 12 which is arranged in a frame 14. With the frame 14, the infrared heater 10, similar to a painting, for example, be attached to the wall. However, the infrared heater 10 can also in other places, such as under the ceiling, on changing tables, with a stand at a workplace, in front of objects that are to be dried, heated, defrosted or thawed and the like are attached. In principle, every place where heat is needed in a specific location is possible.
  • the infrared heater is connected to a conventional electrical connector 16 to a power supply (not shown).
  • a switch 18 is provided in the present exemplary embodiment. Alternatively, instead of a switch 18, an adjustable controller is provided, which regulates the power supply and thus the heating power. The temperature is measured by a wireless thermostat and the room temperature is controlled by a thermostat, which turns the heating on and off at intervals
  • the switched infrared heater emits infrared radiation at the heating surface 12, which is represented here by arrows 20.
  • the radiation is emitted only forward, but not backwards.
  • the radiation temperature is in the range between 90 ° C and 300 ° C, corresponding to a wavelength of the infrared radiation in the range of 5-20 ⁇ m.
  • the infrared radiation strikes an object or a person, the spot is heated. In contrast, there is almost no warming of the ambient air, whereby the energy consumption is significantly reduced.
  • FIG. 2 shows the opened infrared heater of FIG. 1.
  • a multiplicity of carbon filaments 30 are arranged in parallel on the rear side 26 of the heating surface 12 in a strand-wise manner.
  • the back 26 of the heating surface 12 is provided with an electrical insulation.
  • the electrical insulation is formed by a thin glass fiber mat 28 which lies loosely between the back 26 of the heating surface 12 and the carbon filaments 30 and is clamped during assembly.
  • the carbon filaments used 30 are not shown to scale in the present case and in reality considerably thinner. Typically, carbon filaments having a diameter in the range of 20 to 200 micrometers are used. Each strand 32 has between 100 and 80,000 carbon filaments. Small gaps 34 are formed between the strands 32 so that the carbon filaments 30 of one strand 32 are electrically insulated from the carbon filaments of an adjacent strand. In the illustration in Figure 2, the gaps 34 are exaggerated and do not correspond to the actual scale.
  • the + and - phase of the power cable designated 22 is connected to a KupferfblienstMake 24 each. On the copper foil strip 24, the ends 36 of the filaments 30 are on. The filaments 30 are thus electrically contacted with the copper foil strip 24.
  • Similar Kupferfblienstsammlung 38 are provided on the opposite side - at the bottom in Figure 2. Except for the copper foil strips 24 and 40 at the ends, the copper foil strips 38 extend across the width of two strands 32 of carbon filaments 30. In this case, the copper foil strips 38 alternate on opposite sides.
  • the flow of current is exemplified by arrows 44, 46, 48, 50 and 52. From Kupferfblienstsammlung 24, the current flows through a first strand 54 of Carbonfilarnenten down to the copper foil strip 38. This is contacted with the ends 56 of the adjacent strand 58. Accordingly, the current flows in the direction of arrow 46 through the copper foil strip 38 and the ends 56 of the carbon filaments to the strand 58.
  • the current flows upward in Figure 2 in the direction of arrow 48.
  • the top of the strand 58 is again over a Copper foil strip 60 connected to the following strand 62.
  • the current accordingly flows in the direction of the arrows 50 and 52 through the carbon filaments 30. In this way, the current flows from the contact on the power cable 22 meandering through all the carbon filaments to the contact 42 at the other end of the heating surface 12.
  • the carbon filaments 30 extend very evenly over the surface 26. Due to the resistance of the carbon filaments 30, the electrical energy is converted into heat energy. The heat energy is transmitted to the heating surface 12 through the electrical insulation 28.
  • the heating surface 12 consists of a metal sheet.
  • the heating surface 12 is provided on the front side with an enamel layer, whereby a graphic design is made possible similar to an image.
  • the Kupferfblienst Shape 24, 38, 60 may rest on the back of the heating surface 12, as shown in Figure 2. But it is also possible to hang the copper foil strips on the side facing away from the heating surface 12.
  • Figure 3 shows a cross section through the infrared heater 10 of Figure 1 and Figure 4 shows the arrangement 10 as an exploded view.
  • the heating surface 12 is held.
  • On the rear side 28 is a thin glass fiber mat 28 at.
  • the gap shown in Figure 3 is no longer present after assembly, because all layers shown are pressed together within the frame 14. In this way, a good heat transfer is ensured.
  • On the other side of the carbon filaments 30, a further thin glass fiber mat 66 is arranged.
  • the fiberglass mat 66 separates the carbon filaments 30 from each other and from a layer of ceramic wool, indicated at 68 in the illustration. With the ceramic wool not only an electrical, but also a thermal insulation is achieved. This ensures that as much electrical energy as possible is converted into radiant energy, which radiates to the front. There is almost no heat transferred back to the area of ceramic wool 68.
  • a rear wall 70 of glass laminate is arranged. All layers are pressed with a rear frame 72 within a side frame member 74 against the frame 14 at the front. In this case, the ceramic wool in the layer 68 exerts a uniform pressure over the entire surface. All carbon filaments 30 are pressed uniformly against the rear side 26 of the heating surface 12. This results in a uniform heat transfer.
  • the frame parts 14, 72 are held together by means of rivets (not shown) in the compressed state.
  • the arrangement described operates as follows: By switching on the arrangement on the switch 18, a current flows through the carbon filaments 30. The resistance of the carbon filaments 30 leads to the development of heat. The heat is transferred to the heating surface 12. Depending on the set current, it can reach temperatures of up to 300 ° C or even more. The temperature is reached within a short time. At 1200 watts, a temperature of 140 ° C for a heating surface of 60cm x Im is achieved, for example, within about 5 minutes. The hot surface radiates infrared radiation that hits the object to be heated, where it is converted into heat.
  • the heating surface 112 of an infrared heater 110 has a cylindrical Shape. Heated cylinders are used as a defect, calender, galette or heating drum for a wide variety of applications. Known heating drums are filled, for example, with hot oil or the like. This is problematic for several reasons. If the assembly is not tight, the oil will leak out of the drum. Also, it is difficult to uniformly heat the cylindrical heating surface 112. The interior of the oil is not acted upon by the hot, upper part of the cylinder is unheated for the local residence time.
  • FIGS. 5 to 7 An infrared heater 110, as shown in FIGS. 5 to 7, allows a uniform heating over the entire heating surface 112.
  • FIG. 6 and FIG. 7 illustrate their structure.
  • the heating surface 112 is cylindrical, with its diameter adapted to the particular use.
  • a glass fiber mat 128 is provided on the rear side 126 of the heating surface 112.
  • the fiberglass mat 128 is used for electrical insulation of a umdiretationalen scrim made of carbon filaments 130.
  • a further glass fiber mat 166 is provided on the inside of the carbon filaments 130.
  • the order of the layers thus corresponds to the order of the layers in the planar heating of the above exemplary embodiment.
  • curved sheets 114 For compressing the layers curved sheets 114 are provided.
  • the sheets 114 have a curvature that matches the curvature of the heating surface 112.
  • the plates 114 extend over the entire length of the cylinder 112 and thus produce a uniform contact pressure over the entire surface.
  • a coaxial tube 116 is provided for pressing a coaxial tube 116 is provided.
  • the coaxial tube 116 has two rings of clamping screws 118. The larger the circumference, the more pressure punches are used. Depending on how far the screws 118 are unscrewed from the pipe 116, a higher or lower contact pressure of the sheets 114 is generated. In this way, the carbon filaments 130 are pressed against the insulated inside of the heating surface 112 and a good heat transfer is generated. Current is applied to the carbon filaments 130 via sliding contacts 122.
  • the current flows through meandering arranged strands of carbon filaments.
  • the electric power is turned on, heat is generated as described above, which is transferred to the heating surface 112.
  • a cylindrical arrangement is welded and closed with caps 108 at the end sides.

Abstract

Heizungsanordnung, deren Heizleistung überwiegend in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, enthaltend eine wärmebeständige Heizfläche, die auf einer Seite mit einer elektrischen Isolierung versehen ist; und einen an der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche anliegenden elektrischen Widerstand aus Carbonmaterial mit Anschlüssen für eine elektrische Spannungsquelle, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonmaterial von einem matrixfreien, unidirektionalen Gelege aus Carbonfilamenten gebildet ist.

Description

Heizungsanordnung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Heizungsanordnung deren Heizleistung überwiegend in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, enthaltend
(a) eine wärmebeständige Heizfläche, die auf einer Seite mit einer elektrischen
Isolierung versehen ist; und
(b) einen an der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche anliegenden, elektrischen
Widerstand aus Carbonmaterial mit Anschlüssen für eine elektrische
Spannungsquelle.
Üblicherweise bestehen Heizkörper aus einem Körper, der mit einem Heizungsmedium, beispielsweise heißem Wasser oder Öl, durchflössen wird. Für eine herkömmliche Heizung wird das Heizungsmedium erhitzt. Das heiße Medium wird über einen Heizkreislauf zum Heizkörper geleitet. Hierfür ist viel Heizungsmedium erforderlich. Im Heizkörper wird die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben. Das Aufheizen und Abkühlen von Heizungsmedium erfordert vergleichsweise viel Zeit. Das Heizungssystem ist daher träge sowohl beim Ausschalten als auch beim Einschalten.
Der Heizkörper gibt seine Wärme überwiegend über Konvektion, d.h. Erwärmung der Luft, nach außen ab. Der Anteil an Infrarotstrahlung ist bei solchen Heizkörpern gering.
Es gibt sogenannte Infrarot-Heizungen. Infrarot-Heizungen geben überwiegend Infrarotstrahlung ab und zeigen daher ein völlig anderes Heizverhalten. Anders als bei Konvektionsheizungen wird nicht die Luft erwärmt, sondern nur der Körper, der der Infrarotstrahlung ausgesetzt wird. Hierfür ist weniger Energie erforderlich.
Stand der Technik
Auf der Webseite www.redwell.de und der Webseite www.thermowell.de werden Infrarot- Heizungen beschrieben. Die bekannten Infrarot-Heizungen weisen einen Widerstandsdraht auf, der in einer umhüllenden Matrix geführt wird. Als Matrix dienen beispielsweise Schamottkanäle. Wenn eine Spannung an die Drahtenden angelegt wird, fließt ein Strom. Dabei erwärmt sich der Draht. Die durch den Draht erzeugte Infrarotstrahlung wird nach außen abgegeben. Bekannte Anordnungen erreichen Temperaturen im Bereich unter ca. 90°C. Effektive Infrarot-Strahlung wird aber erst ab einer Temperatur von ca. 80-90°C erreicht. Es sind beispielsweise aus DE 10 2005 010 540 oder WO 2007/065424 A1 Heizungsanordnungen bekannt, bei denen Gewebe, Gewirke oder Gestricke aus Carbonmaterial verwendet werden. Dabei fließt der Strom im wesentlichen ungerichtet. Zudem bilden sich an den Krümmungen oder Kreuzungspunkten des Carbonmaterials mechanische Schwachstellen. Auch bei Anordnungen, wie etwa in DE 10 2010 060 904 A1 beschrieben, bei denen eine Matrix, beispielsweise aus Kunststoff, verwendet wird, fließt der Strom ungerichtet. Zudem erwärmt sich die Matrix und es geht Energie für die Erzeugung von Infrarot-Strahlung verloren. Je nach Matrix besteht bei höheren Temperaturen die Gefahr des Ausgasens und/oder der Verkokung. Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heizungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ansonsten gleichen Bedingungen höhere Temperaturen erreicht, präzise zu regeln ist und weniger Energie verbraucht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Carbonmaterial von einem matrixfreien, unidirektionalen Gelege aus Carbonfilamenten gebildet ist. Die Filamente können mechanisch in ihrer Lage gehalten werden und brauchen weder Matrix, noch gekrümmte Strukturen. Ein unidirektionales Gelege aus Carbonfilamenten hat den Vorteil, dass der Strom gerichtet durch eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Filamenten gleichzeitig geleitet wird. Diese sind dünn und haben einen entsprechend hohen Widerstand, bei dem viel elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Gelege aus matrixfreien Carbonfilamenten hat erheblich weniger Masse als ein Heizungsmedium in einer umhüllenden Matrix oder in einem Heizkreislauf. Es wird also weniger Energie für das Aufheizen verbraucht. Zudem besteht keine Gefahr des Ausgasens und/oder Verkokens. Carbonfilamente können auch wesentlich schneller und präziser gesteuert werden.
Carbonfilamente sind sehr dünn und haben einen Durchmesser von beispielsweise 20 bis 100 Mikrometer. Die Filamente sind flächig nebeneinander angeordnet und liegen an der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche an. Die elektrische Isolierung kann durch Beschichtung oder durch eine Zwischenlage eines isolierenden Materials erreicht werden. Eine dünne Lage Glasfasergewebe hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen. Die elektrisch aufgeheizten Filamente übertragen ihre Wärme bei Kontakt mit der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche an die Heizfläche. An der Heizfläche wird Infrarotstrahlung erzeugt, die über die andere Seite der Heizfläche nach außen abgegeben wird.
Die Anordnung hat keine verlustreichen Übertragungswege für ein Heizungsmedium. Die zu erwärmende Masse ist gering und reagiert daher im Regelprozess besonders schnell. Die Filamente werden gleichzeitig vom Strom durchflössen. Die flächige Anordnung der Filamente führt daher zu einer besonders gleichmäßigen Wärmeübertragung auf die Heizfläche.
Das Carbonmaterial dehnt sich auch bei großen Ternperaturänderungen nur wenig aus. Dadurch wird Geräuschbildung vermieden. Das unidirektionale Gelege ist besonders beständig. Die parallelen Filamente werden anders als in einem Gewebe, Gewirk oder Gestrick nicht verdreht, überkreuzt oder verbogen und erreichen dadurch eine sehr gute Stabilität auch bei hohen Temperaturen und großen Temperaturänderungen. Vorzugsweise sind Mittel zum Anpressen des Carbonmaterials an die elektrisch isolierte Seite der Heizfläche vorgesehen. Dadurch wird der Wärmeübergang vom Carbonmaterial auf die Heizfläche verbessert und das Carbonmaterial zusammengehalten. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen die Carbonfilamente in einer Vielzahl von Strängen an der Heizfläche an. Die Stränge können gemeinsam montiert und kontaktiert werden. Dabei können die Stränge parallel angeordnet sein. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeentwicklung erreicht. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Stränge parallel im Wesentlichen über die Länge oder Breite der Heizfläche und jeweils zwei nebeneinanderliegende Stränge sind alternierend an den Enden elektrisch leitend verbunden, so dass der Strom mäanderformig durch die Stränge aus unidirektionalen Carbonfilamenten fließt. Diese Anordnung erfordert nur zwei elektrische Kontakte, wodurch die Montage erleichtert wird.
Die Verbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Strängen kann mit einer Kupferfblie oder einem anderen leitfähigen Flächenmaterial hergestellt werden. Kupferfblie ist gut verfügbar, flach und leicht zu montieren. Kupfer hat eine hohe Leitfähigkeit, so dass die Wärmeentwicklung an den Kontakten gering bleibt.
Der Bereich auf der der Heizfläche abgewandten Seite der Carbonfilamente ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung gegenüber den Carbonfilamenten elektrisch und thermisch isoliert. Dann wird die Wärme nur in einer Richtung, nämlich zur Heizfläche abgeleitet. Die der Heizfläche abgewandte Seite der Carbonfilamente bleibt aufgrund der Isolierung kalt. Dadurch wird es beispielsweise bei planen Anordnungen möglich, die Heizungsanordnung an einer Wand oder dergleichen anzubringen, ohne dass Brandgefahr besteht Die Heizfläche kann plan wie ein Bild ausgebildet sein. Die Heizfläche kann aber auch gekrümmt, beispielsweise zylinderförmig ausgebildet sein. Je nachdem, was beheizt werden soll, kann die Krümmung an das zu beheizende Gut angepasst werden. So können die Carbonfilamente auf der Außenseite der zylmderfÖrrnigen Heizfläche angeordnet sein. Das zu beheizende Gut kann dann im Innenraum des Zylinders angeordnet sein. Insbesondere kann die Heizfläche ein Rohr bilden, das beispielsweise mit einem fluiden Medium durchflössen ist. Das Medium wird dann von der Heizfläche beheizt. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Carbonfilamente an der Innenseite der zylinderförmigen Heizfläche angeordnet. Dann bildet die zylinderförmige Heizfläche beispielsweise eine Mangel, Heiztrommel, Galette oder einen Kalander.
Das unidirektionale Gelege aus Carbonfilamenten kann dabei mittels gekrümmter Bleche an die zylinderförmige Heizfläche gepresst werden. Es versteht sich, dass bei anderen Krümmungen ebenfalls ein Anpressdruck mittels gekrümmter Bleche erzeugt werden kann.
Eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung kann dadurch erhalten werden, dass gezielt abschnittsweise die Anzahl der Filamente pro Flächeneinheit verändert, beispielsweise erhöht wird. Dazu können auf den eigentlichen Filamentstreifen zusätzliche Filamente aufgelegt oder entfernt werden. Die zusätzlichen Filamente können lokal den Widerstand verringern und damit die Temperatur lokal absenken. Die Entfernung von Filamenten bewirkt das Gegenteil. Ist also beispielsweise die Temperatur in der Mitte einer Heizfläche zu hoch, kann das durch Auflegen von zusätzlichen Filamenten in diesem Bereich korrigiert werden. Diese individuelle Anpassung lässt sich bei herkömmlichen Widerständen in Form von Drähten und Vliesen etc. nicht vergleichbar einfach realisieren.
Die Erfindung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für die Verwendung zur Heizung des Fahrgastinnenraums oder anderer Innenräume eines Fahrzeugs zu Wasser, an Land oder in der Luft. Ein Beispiel für eine solche Verwendung ist Integration der Heizung im Himmel, in der Tür und/oder im Armaturenbrett eines elektrisch betriebenen PKW. Dadurch wird besonders wenig elektrische Energie für die Heizung aufgewendet. Es ist aber ggf. auch sinnvoll, eine Heizung von besonders kälteempfindlichen Komponenten des Fahrzeugs vorzusehen. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.1 ist eine perspektivische Ansicht einer planen Infrarot-Heizung.
Fig.2 zeigt eine plane Infrarot-Heizung in geöffnetem Zustand.
Fig.3 ist ein Querschnitt durch die Infrarot-Heizung aus Figur 1 und 2.
Fig.4 ist eine Explosionsdarstellung der Infrarot-Heizung aus Figur 1 und 2.
Fig.5 ist eine perspektivische Ansicht einer Trommel-formigen Infrarot-Heizung
Fig.6 ist ein Querschnitt durch die Infrarot-Heizung aus Figur 5.
Fig.7 ist eine Explosionsdarstellung der Infrarot-Heizung aus Figur 5.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete, plane Infrarot-Heizung. Die Infrarot- Heizung 10 hat eine Heizfläche 12, die in einem Rahmen 14 angeordnet ist. Mit dem Rahmen 14 kann die Infrarot-Heizung 10 ähnlich wie ein Gemälde beispielsweise an der Wand befestigt werden. Die Infrarot-Heizung 10 kann aber auch an anderen Orten, etwa unter der Decke, über Wickelkommoden, mit einem Ständer an einem Arbeitsplatz, vor Objekten, die getrocknet, erwärmt, enteist oder aufgetaut werden sollen und dergleichen angebracht werden. Prinzipiell ist jeder Einsatzort, wo Wärme gezielt an einem Ort benötigt wird, möglich. Die Infrarot-Heizung wird mit einem herkömmlichen elektrischen Stecker 16 an eine Stromversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen. Zum Ein- und Ausschalten ist im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ein Schalter 18 vorgesehen. Alternativ ist statt eines Schalters 18 ein einstellbarer Regler vorgesehen, der die Stromzufuhr und damit die Heizleistung regelt. Die Temperatur wird über ein Funkthermostat gemessen und die Raumtemperatur wird geregelt durch einen Thermostaten, der die Heizung in Intervallen an und ausschaltet
Die eingeschaltete Infrarot-Heizung emittiert an der Heizfläche 12 Infrarotstrahlung, die hier durch Pfeile 20 repräsentiert ist. Die Strahlung wird nur nach vorne abgegeben, nicht aber nach hinten. Bei der vorliegenden Anordnung liegt die Strahlungstemperatur im Bereich zwischen 90 °C und 300 °C, entsprechend einer Wellenlänge der Infrarotstrahlung im Bereich von 5-20um. Wenn die Infrarotstrahlung auf ein Objekt oder eine Person trifft, wird die Stelle erwärmt. Demgegenüber erfolgt fast keine Erwärmung der Umgebungsluft, wodurch der Energiebedarf erheblich reduziert wird.
Figur 2 zeigt die geöffnete Infrarot-Heizung aus Figur 1. Eine Vielzahl von Carbonfilamenten 30 sind strangweise parallel auf der Rückseite 26 der Heizfläche 12 angeordnet. Die Rückseite 26 der Heizfläche 12 ist mit einer elektrischen Isolierung versehen. Im vorliegenden Fall wird die elektrische Isolierung von einer dünnen Glasfasermatte 28 gebildet, die lose zwischen der Rückseite 26 der Heizfläche 12 und den Carbonfilamenten 30 liegt und bei der Montage eingeklemmt wird. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, die Rückseite 26 der Heizfläche 12 zu beschichten oder eine Schicht aus einem anderen, elektrisch isolierenden Material zu verwenden.
Die verwendeten Carbonfilamente 30 sind im vorliegenden Fall nicht maßstabsgerecht dargestellt und in Wirklichkeit erheblich dünner. Typischerweise werden Carbonfilamente mit einem Durchmesser im Bereich von 20 bis 200 Mikrometer verwendet. Jeder Strang 32 hat zwischen 100 und 80 000 Carbonfilamente. Zwischen den Strängen 32 sind kleine Lücken 34 gebildet, so dass die Carbonfilamente 30 eines Stranges 32 gegenüber den Carbonfilamenten eines benachbarten Stranges elektrisch isoliert sind. In der Darstellung in Figur 2 sind die Lücken 34 übertrieben groß dargestellt und entsprechen nicht dem tatsächlichen Maßstab. Die + und - Phase des mit 22 bezeichneten Stromkabels ist jeweils mit einem Kupferfblienstreifen 24 verbunden. Auf dem Kupferfolienstreifen 24 liegen die Enden 36 der Filamente 30 auf. Die Filamente 30 sind so mit dem Kupferfolienstreifen 24 elektrisch kontaktiert. Ähnliche Kupferfblienstreifen 38 sind auf der gegenüberliegenden Seite - unten in Figur 2 - vorgesehen. Bis auf die Kupferfolienstreifen 24 und 40 an den Enden erstrecken sich die Kupferfolienstreifen 38 über die Breite von zwei Strängen 32 aus Carbonfilamenten 30. Dabei wechseln sich die Kupferfolienstreifen 38 an gegenüberliegenden Seiten ab. Der Stromfluss ist beispielhaft durch Pfeile 44, 46, 48, 50 und 52 illustriert. Vom Kupferfblienstreifen 24 fließt der Strom durch einen ersten Strang 54 aus Carbonfilarnenten nach unten zum Kupferfolienstreifen 38. Dieser ist mit den Enden 56 des benachbarten Strangs 58 kontaktiert. Entsprechend fließt der Strom in Richtung des Pfeils 46 durch den Kupferfolienstreifen 38 und die Enden 56 der Carbonfilamente zum Strang 58. Im Strang 58 fließt der Strom nach oben in Figur 2 in Richtung des Pfeils 48. Am oberen Ende ist der Strang 58 wieder über einen Kupferfolienstreifen 60 mit dem nachfolgenden Strang 62 verbunden. Der Strom fließt entsprechend in Richtung der Pfeile 50 und 52 weiter durch die Carbonfilamente 30. Auf diese Weise fließt der Strom vom Kontakt am Stromkabel 22 mäanderförmig durch alle Carbonfilamente zum Kontakt 42 am anderen Ende der Heizfläche 12.
Die Carbonfilamente 30 erstrecken sich sehr gleichmäßig über die Fläche 26. Durch den Widerstand der Carbonfilamente 30 wird die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie wird durch die elektrische Isolierung 28 hindurch auf die Heizfläche 12 übertragen. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel besteht die Heizfläche 12 aus einem Blech. Die Heizfläche 12 ist auf der Vorderseite mit einer Emailleschicht versehen, wodurch eine graphische Gestaltung ähnlich wie bei einem Bild ermöglicht wird.
Die Kupferfblienstreifen 24, 38, 60 können auf der Rückseite der Heizfläche 12 anliegen, wie in Figur 2 dargestellt. Es ist aber auch möglich, die Kupferfolienstreifen auf der der Heizfläche 12 abgewandten Seite aufzulegen.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Infrarot-Heizung 10 aus Figur 1 und Figur 4 zeigt die Anordnung 10 als Explosionsdarstellung. In dem Rahmen 14 ist die Heizfläche 12 gehalten. Auf der rückwärtigen Seite 28 liegt eine dünne Glasfasermatte 28 an. Der in Figur 3 dargestellte Zwischenraum ist nach der Montage nicht mehr vorhanden, denn alle gezeigten Lagen werden innerhalb des Rahmens 14 zusammengepresst. Auf diese Weise wird ein guter Wärmeübergang gewährleistet. Auf der anderen Seite der Carbonfilamente 30 ist eine weitere dünne Glasfasermatte 66 angeordnet. Die Glasfasermatte 66 trennt die Carbonfilamente 30 voneinander und von einer Schicht aus Keramikwolle, die in der Darstellung mit 68 bezeichnet ist. Mit der Keramikwolle wird nicht nur eine elektrische, sondern besonders auch eine thermische Isolierung erreicht Dadurch wird sichergestellt, dass möglichst viel elektrische Energie in Strahlungsenergie umgewandelt wird, die nach vorne abstrahlt. Es wird fast keine Wärme nach hinten in den Bereich der Keramikwolle 68 übertragen.
Hinter der Schicht 68 aus Keramikwolle ist eine Rückwand 70 aus Glaslaminat angeordnet. Alle Schichten werden mit einem Rückrahmen 72 innerhalb eines seitlichen Rahmenteils 74 gegen den Rahmen 14 an der Vorderseite gepresst. Dabei übt die Keramikwolle in der Schicht 68 einen gleichmäßigen Druck über die gesamte Fläche aus. Alle Carbonfilamente 30 werden gleichmäßig gegen die rückwärtige Seite 26 der Heizfläche 12 gedrückt. Dabei erfolgt ein gleichmäßiger Wärmeübergang. Die Rahmenteile 14, 72 werden mittels Nieten (nicht dargestellt) im zusammengepressten Zustand zusammengehalten.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Durch Einschalten der Anordnung am Schalter 18 fließt ein Strom durch die Carbonfilamente 30. Der Widerstand der Carbonfilamente 30 führt zur Wärmeentwicklung. Die Wärme wird auf die Heizfläche 12 übertragen. Diese kann - je nach eingestellter elektrischer Stromstärke - Temperaturen bis zu 300°C oder sogar darüber annehmen. Die Temperatur wird innerhalb kurzer Zeit erreicht. Bei 1200 Watt wird eine Temperatur von 140°C für eine Heizfläche von 60cm x Im beispielsweise innerhalb von etwa 5 Minuten erreicht. Die heiße Heizfläche strahlt Infrarotstrahlung ab, die auf den zu beheizenden Gegenstand trifft, wo sie in Wärme umgewandelt wird.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in Figuren 5 bis 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Heizfläche 112 einer Infrarot-Heizung 110 eine zylindrische Form. Beheizte Zylinder, finden als Mangel, Kalander, Galette oder Heiztrommel für die verschiedensten Einsatzgebiete Verwendung. Bekannte Heiztrommeln werden beispielsweise mit heißem Öl oder dergleichen gefüllt. Das ist aus verschiedenen Gründen problematisch. Wenn die Anordnung nicht dicht ist, tritt das öl aus der Trommel aus. Auch ist es schwierig, die zylinderförmige Heizfläche 112 gleichmäßig zu beheizen. Der im Innenraum nicht vom heißen öl beaufschlagte, obere Teil des Zylinders ist für die dortige Verweildauer unbeheizt.
Eine Infrarot-Heizung 110 wie in Figur 5 bis 7 dargestellt, ermöglicht eine gleichmäßige Heizung über die gesamte Heizfläche 112. Figur 6 und Figur 7 illustrieren deren Aufbau. Die Heizfläche 112 ist zylinderförmig, wobei ihr Durchmesser an die jeweilige Verwendung angepasst ist. An der rückwärtigen Seite 126 der Heizfläche 112 ist eine Glasfasermatte 128 vorgesehen. Die Glasfasermatte 128 dient zur elektrischen Isolierung von einem umdirektionalen Gelege aus Carbonfilamenten 130. Auf der Innenseite der Carbonfilamente 130 ist eine weitere Glasfasermatte 166 vorgesehen. Die Reihenfolge der Schichten entspricht also der Reihenfolge der Schichten bei der planen Heizung aus dem obigen Ausfuhrungsbeispiel.
Zum Zusammenpressen der Schichten sind gekrümmte Bleche 114 vorgesehen. Die Bleche 114 haben eine Krümmung, die an die Krümmung der Heizfläche 112 angepasst ist. Die Bleche 114 erstrecken sich über die gesamte Länge des Zylinders 112 und erzeugen somit einen gleichmäßigen Anpressdruck über die gesamte Fläche. Zum Andrücken ist ein koaxiales Rohr 116 vorgesehen. Das koaxiale Rohr 116 weist zwei Kränze aus Spannschrauben 118 auf. Je größer der Umfang ist, umso mehr Andrückstempel werden verwendet. Je nachdem, wie weit die Schrauben 118 aus dem Rohr 116 herausgeschraubt werden, wird ein höherer oder niedrigerer Anpressdruck der Bleche 114 erzeugt. Auf diese Weise werden die Carbonfilamente 130 gegen die isolierte Innenseite der Heizfläche 112 gedrückt und ein guter Wärmeübergang erzeugt. Über Schleifkontakte 122 wird Strom an die Carbonfilamente 130 angelegt. Wie bei oben beschriebenem planen Ausführungsbeispiel fließt der Strom durch mäanderformig angeordnete Stränge aus Carbonfilamenten. Wenn der elektrische Strom angeschaltet wird, wird wie oben beschrieben, Wärme erzeugt, die auf die Heizfläche 112 übertragen wird. Zur Herstellung der zylinderförmigen Heizfläche 112 wird eine zylindrische Anordnung verschweißt und mit Kappen 108 an den Endseiten verschlossen.

Claims

Patentansprüche
1. Heizungsanordnung deren Heizleistung überwiegend in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, enthaltend
(a) eine wärmebeständige Heizfläche, die auf einer Seite mit einer elektrischen Isolierung versehen ist; und
(b) einen an der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche anliegenden elektrischen Widerstand aus Carbonmaterial mit Anschlüssen für eine elektrische Spannungsquelle,
dadurch gekennzeichnet, das»
(c) das Carbonmaterial von einem matrixfreien, unidirektionalen Gelege aus Carbonfilamenten gebildet ist
2. Heizungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Anpressen des Carbonmaterials an die elektrisch isolierte Seite der Heizfläche.
3. Heizungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfilamente in einer Vielzahl von Strängen an der Heizfläche anliegen.
4. Heizungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge parallel angeordnet sind.
5. Heizungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge sich parallel im Wesentlichen über die Länge oder Breite der Heizfläche erstrecken und jeweils zwei nebeneinanderliegende Stränge alternierend an den Enden elektrisch leitend verbunden sind, so dass der Strom mäanderformig durch die Stränge aus unidirektionalen Carbonfilamenten fließt.
6. Heizungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Strängen mit einer Kupferfolie oder einem anderen leitfahigen Flächenmaterial hergestellt wird.
7. Heizungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich auf der der Heizfläche abgewandten Seite der Carbonfilamente gegenüber den Carbonfilamenten elektrisch und thermisch isoliert ist.
8. Heizungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche plan ist.
9. Heizungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche zylinderförmig ausgebildet ist.
10. Heizungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfilamente auf der Außenseite der zylinderförmigen Heizfläche angeordnet sind.
11. Heizungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfilamente an der Innenseite der zylinderförmigen Heizfläche angeordnet sind.
12. Heizungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das unidirektionale Gelege aus Carbonfilamenten mittels gekrümmter Bleche an die zylinderförmige Heizfläche gepresst wird.
13. Heizungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Filamente pro Flächeneinheit gezielt abschnittsweise verändert ist.
14. Verwendung einer Heizungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche zur Heizung des Fahrgastinnenraurns oder anderer Innenräume eines Fahrzeugs zu Wasser, an Land oder in der Luft.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung im Himmel, in der Tür und/oder im Armaturenbrett eines elektrisch betriebenen PKW integriert ist
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