WO2018215533A1 - Heizleiter sowie heizgerät - Google Patents

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WO2018215533A1
WO2018215533A1 PCT/EP2018/063494 EP2018063494W WO2018215533A1 WO 2018215533 A1 WO2018215533 A1 WO 2018215533A1 EP 2018063494 W EP2018063494 W EP 2018063494W WO 2018215533 A1 WO2018215533 A1 WO 2018215533A1
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heating conductor
polymer structure
air
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Martin Zoske
Michael Schwanecke
Volodymyr Ilchenko
Bengt Meier
Christoph JÖRG
Vitali Dell
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Webasto SE
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Definitions

  • the invention relates to an electrical heating conductor and an electrical
  • Heater in particular air heater, preferably for a motor vehicle.
  • 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 elements (PTC for Positive Temperature Coefficient). These are usually made with heat exchanger surfaces
  • a PTC element comprises a PTC resistor, ie a temperature-dependent resistor with a positive temperature coefficient, which at low
  • Disadvantages of conventional air heaters with ceramic PTC elements include i.a. an elaborate production by a comparatively complicated heat exchanger production and the installation of the ceramic elements, a usually necessary sorting of the ceramic elements due to manufacturing tolerances, a comparatively unfavorable power density in a heating element heat exchanger composite by a local heat generation, a comparatively strong restriction a maximum heating power through a thickness of the PTC material (due to a limited heat dissipation from the ceramic) and a comparatively high risk of short circuit, in particular due to a small geometric distance of components with a high voltage potential.
  • the object is achieved by an electrical heating conductor, preferably for a heater, in particular an electric air heater, more preferably for a vehicle, in particular a motor vehicle, wherein the heating conductor is at least partially formed of an open-pore, conductive polymer structure.
  • a central idea of the invention is to propose an electrical heating conductor which is formed (at least partially, for example at least 20% by weight, preferably at least 50% by weight, if appropriate completely) from an open-pored (conductive) polymer structure , This allows a simple, inexpensive production by a few (in a simple manner
  • An open-pore polymer structure is to be understood in particular as meaning a polymer structure which contains a polymer component and has open pores.
  • the pores are preferably irregular in shape (such as in a polymer foam), but may also be formed regularly if desired.
  • Diameter of the pores is preferably ⁇ 2 mm, more preferably ⁇ 0.5 mm. If a diameter of the pores fluctuates, in particular a
  • the porosity (defined as void volume to total volume) is preferably at least 10%, preferably at least 20% and / or at most 90%, preferably
  • the polymer structure comprises (or consists of) a polymer foam.
  • the polymer structure may comprise a polymer knit and / or a polymer fabric and / or a polymer knit and / or a polymer fleece.
  • the polymer structure preferably comprises a (in particular electrically insulating) polymer component and an electrically conductive
  • the heating element of a fluid to be heated in particular air, can flow.
  • the polymer structure may be plate-shaped or generally polyhedral,
  • the polymer structure can be used in particular as a polymer plate (with corresponding openings / pores or
  • Air channels may be formed.
  • the polymer component may be in the form of an electrically insulating
  • Polymer component may be formed and / or a first polymer subcomponent based on ethylene acetate or ethylene acetate copolymer and / or ethylene acrylate or ethylene acrylate copolymer and / or a second polymer component based on polyolefin, in particular polyethylene and / or polypropylene, and / or Polyester and / or polyamide and / or
  • Polyether ketone and / or fluoropolymer include.
  • the term "subcomponent" is intended here in particular to distinguish between first and second polymer components. Subcomponent can be used. The respective subcomponent can form either partially or completely the polymer component.
  • the polymer structure may alternatively or additionally a particular intrinsically conductive polymer, such as. Polyaniline (PANI) and / or poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT).
  • PANI Polyaniline
  • PEDOT poly-3,4-ethylenedioxythiophene
  • the object is achieved by an electrical heating conductor, preferably for a heating appliance, in particular an electric air heating appliance
  • the plastic structure is preferably dimensionally stable (or self-supporting) in the case of temperatures occurring during operation of the air heater, ie in a temperature range of for example -40 ° C. to 120 or to 200 ° C. or possibly more. This will make the structure easy to produce
  • an air channel extends or several air channels extend through the conductive polymer structure.
  • the corresponding air ducts can therefore already be provided integrally in the plastic structure or be formed by them.
  • an easily manufactured and stable plastic structure for heating the air can be provided.
  • a frame, in particular mounting frame and / or at least one electrical lead can be at least partially or entirely the same material as the
  • the polymer structure is preferably formed as a grid or honeycomb structure. As a result, effective heating can be facilitated in a simple manner.
  • the polymer structure may be made by master molding.
  • the primary forming preferably comprises: casting, in particular injection molding and / or pressure casting, pressing, in particular extrusion and / or compression molding, and / or a
  • the polymer structure can be foamed to such a connection element (or a plurality of connection elements).
  • the polymer component is in particular in the form of an electrically insulating polymer component or comprises such.
  • the polymer component may be a first polymer subcomponent based on ethylene acetate (copolymer) and / or
  • Ethylene acetate may be ethylene vinyl acetate.
  • the polyethylene may be high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene.
  • the fluoropolymer may be PFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester) MFA (copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester), FEP (copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene), ETFE (copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene) or PVDF (polyvinylidene fluoride) act.
  • PFA copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoropropyl vinyl ester
  • MFA copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ester
  • FEP copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene
  • WO 2014/188190 AI (described as a first-electrically insulating material) may be formed.
  • the second polymer subcomponent can likewise be formed as described in WO 2014/188190 A1 (as a second-electrically insulating material).
  • the polymer structure and / or a corresponding substance to be shaped out (eg paste) for the production thereof may (in particular crystalline
  • metallic connecting elements of the electrical resistance in the transition into the polymer structure (or a polymer material of the
  • the polymer structure can not only fulfill the task of a heat conductor, but at the same time enable further functions as an (integral) component, in particular forming a frame or connecting surfaces for the heater.
  • Air ducts (openings or pores) produced during the prototyping. Furthermore, electrical connection structures during the prototyping with the
  • Plastic structure are connected, in particular embedded in these.
  • motor vehicle comprising the above electric heater and / or the above heating conductor.
  • a tool for carrying out the primary shaping eg injection molding tool
  • At least one electrical connection element such as preferably a metal wire, metal grid, metal sheet and / or sheet metal Strip, are connected to the polymer structure, preferably in the
  • Embedded polymer structure Under a compound is in particular a cohesive (solid) connection to understand. Alternatively or additionally, a positive connection (eg by means of corresponding projections or recesses provided on the connection element) is provided.
  • a positive connection eg by means of corresponding projections or recesses provided on the connection element.
  • Mold in particular injection molding tool, arranged (or inserted into such).
  • prototyping eg.
  • Injection molding in the mold (injection mold) connecting cables are inserted from sheet metal strips.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the air heater according to FIG. 1.
  • Fig. 3 is a schematic front view of another embodiment
  • the electrical connection strips are preferably made of metal.
  • Fig. 3 shows a schematic side view of another embodiment of an electric air heater according to the invention.
  • the air heater has a plastic structure (polymer structure) 10.
  • air channels 15 are integrated.
  • the air channels 15 are formed by a corresponding honeycomb structure 17.
  • the honeycomb structure 17 is stabilized by frame parts 18.
  • the frame parts 18 are (integral) part of
  • the frame members 18 not only stabilize the honeycomb structure 17 (or the plastic structure 10 as a whole), but also form electrical connection elements, which conduct a current at a
  • FIG. 4 A corresponding side view of a section is shown in FIG. 4.
  • the frame parts 18 can be supplemented to a (circumferential) frame.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizleiter, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise Luftheizgerät, wobei der Heizleiter zumindest abschnittsweise aus einer offenporigen, leitfähigen Polymerstruktur (10) gebildet ist.

Description

Heizleiter sowie Heizgerät
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizleiter sowie ein elektrisches
Heizgerät, insbesondere Luftheizgerät, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug.
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 PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Diese sind in der Regel mit Wärmeübertrager-Flächen aus
Aluminiumblech verbunden und werden darüber auch elektrisch kontaktiert. Ein PTC-Element umfasst einen PTC-Widerstand, also einen temperaturabhängigen Widerstand mit einen positiven Temperaturkoeffizienten, der bei tiefen
Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen.
Nachteile von herkömmlichen Luftheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a. eine aufwändige Herstellung durch eine vergleichsweise komplizierte Wärmeübertrager-Fertigung und der Einbau der Keramik-Elemente, eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik-Elemente aufgrund von Fertigungstoleranzen, eine vergleichsweise ungünstige Leistungsdichte in einem Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund durch eine lokale Wärmeerzeugung, eine vergleichsweise starke Einschränkung einer maximalen Heizleistung durch eine Dicke des PTC-Materials (aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik) sowie eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen Abstands von Bauteilen mit einem hohen Spannungspotential.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Heizleiter vorzuschlagen, der eine effektive Aufheizung, insbesondere von Luft, ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes elektrisches Luftheizgerät
vorzuschlagen. Insbesondere soll bei einem vergleichsweise geringen Bauraum eine hohe Leistungsdichte erzielt werden. Diese Aufgabe wird insbesondere durch einen elektrischen Heizleiter nach
Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch einen elektrischen Heizleiter, vorzugsweise für ein Heizgerät, inbesondere ein elektrisches Luftheizgerät, weiter vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gelöst, wobei der Heizleiter zumindest abschnittsweise aus einer offenporigen, leitfähigen Polymerstruktur gebildet wird.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, einen elektrischen Heizleiter vorzuschlagen, der (zumindest teilweise, z. B. zu mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, ggf. vollständig) aus einer offenporigen (leitfähigen) Polymerstruktur gebildet wird. Dadurch kann eine einfache, kostengünstige Herstellung durch wenige (auf einfache Art und Weise
automatisierbare) Prozessschritte und mittels kostengünstiger Materialien ermöglicht werden. Weiterhin kann eine vergleichsweise hohe Heizleistung (bei geringem Bauraum-Bedarf) erreicht werden. Ein Druckverlust für die zu
wärmende Luft ist vergleichsweise gering.
Unter einer offenporigen Polymerstruktur ist insbesondere eine Polymerstruktur zu verstehen, die eine Polymerkomponente enthält und offene Poren aufweist. Die Poren sind vorzugsweise unregelmäßig geformt (wie beispielsweise in einem Polymerschaum), können jedoch auch ggf. regelmäßig geformt sein. Ein
Durchmesser der Poren ist vorzugsweise < 2 mm, weiter vorzugsweise < 0,5 mm. Wenn ein Durchmesser der Poren schwankt, soll hier insbesondere ein
arithmetisches Mittel hinsichtlich der obigen Werte gelten (wenn der Durchmesser von Pore zu Pore schwankt). Wenn der Durchmesser innerhalb einer einzelnen Pore schwankt, soll insbesondere ein Öffnungsdurchmesser der jeweiligen Pore (an einer Außenseite der Polymerstruktur) gelten. Die Porosität (definiert als Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen) ist vorzugsweise mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 20 % und/oder höchstens 90 % vorzugsweise
höchstens 80 %. Als Durchmesser soll insbesondere der maximal mögliche Abstand eines Punktepaares in dem jeweiligen Querschnitt bzw. der jeweiligen Öffnungsfläche der Pore gelten. Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur einen Polymerschaum (oder besteht aus einem solchen). Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerstruktur ein Polymergestrick und/oder ein Polymergewebe und/oder ein Polymergewirk und/oder ein Polymervlies umfassen.
Die Polymerstruktur umfasst vorzugsweise eine (insbesondere elektrisch isolierende) Polymerkomponente und eine elektrisch leitfähige
Kohlenstoffkomponente. Dadurch kann eine effektive Aufheizung, insbesondere mit einem PTC-Verhalten des Heizleiters, realisiert werden.
Vorzugsweise ist der Heizleiter von einem zu erwärmenden Fluid, insbesondere Luft, durchströmbar.
Die Polymerstruktur kann plattenförmig oder allgemein polyedrische,
insbesondere quaderförmig ausgebildet sein und/oder eine Dicke von mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm aufweisen. Die Polymerstruktur kann insbesondere als Polymerplatte (mit entsprechenden Öffnungen/Poren bzw.
Luftkanälen) ausgebildet sein.
Die Kohlenstoffkomponente kann in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegen.
Die Kohlenstoffkomponente kann in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.
Die Polymerkomponente kann in Form einer elektrisch isolierenden
Polymerkomponente ausgebildet sein und/oder eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat oder Ethylenacetat-Copolymer und/oder Ethylenacrylat oder Ethylenacrylat-Copolymer und/oder eine zweite Polymer-Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder
Polyetherketon und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff„Teilkomponente" soll hier insbesondere zur Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer- Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden.
Die Polymerstruktur kann alternativ oder zusätzlich ein insbesondere intrinsisch leitfähiges Polymer, wie z. B. Polyanilin (PANI) und/oder Poly-3,4- ethylendioxythiophen (PEDOT) umfassen.
Gemäß einem unabhängigen Aspekt der Erfindung (der mit den obigen und/oder nachfolgenden Aspekten, optional auch ohne eine offenporige Struktur verbunden werden kann) wird die Aufgabe durch einen elektrischen Heizleiter, vorzugsweise für ein Heizgerät, insbesondere ein elektrisches Luftheizgerät, weiter
vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gelöst, umfassend mindestens einen Luftkanal zum Durchleiten der zu heizenden Luft sowie mindestens einen Heizwiderstand, der eine sich selbst tragende (formstabile), elektrisch leitfähige Kunststoffstruktur, insbesondere Polymerstruktur, umfasst. Ein Kerngedanke liegt dabei darin, dass ein elektrisches Heizgerät, insbesondere Luftheizgerät bzw. ein entsprechender Heizleiter ein Aufheizen der Luft über eine elektrisch leitfähige, sich selbst tragende, Kunststoffstruktur realisiert wird.
Vorzugsweise ist die Kunststoffstruktur bei im Betrieb des Luftheizgerätes auftretenden Temperaturen formstabil (bzw. sich selbst-tragend ausgebildet), also in einem Temperaturbereich von beispielsweise -40 °C bis 120 oder bis 200 °C oder ggf. mehr. Dadruch wird eine einfach herstellbare Struktur
vorgeschlagen, die ein effizientes Aufheizen ermöglicht. Insbesondere können dabei eine integrierte Bauweise und vergleichsweise einfache (insbesondere serientaugliche) Herstellungsverfahren, wie Urformen, beispielsweise
Spritzgießen, zum Einsatz kommen. Weiterhin ist eine Anpassung an
unterschiedliche Bauräume und Heizleistungsanforderungen problemlos möglich. Durch Beheizung des gesamten Materials der Kunststoffstruktur kann eine hohe Leistungsdichte erreicht werden. Weiterhin kann ein niedriger Druckverlust bei entsprechendem (vergleichsweise geringem) Materialeinsatz ermöglicht werden. Zuletzt besteht auch ein geringes Spannungspotential von benachbarten
Bauteilen, so dass keine (oder eine nur deutlich reduzierte) Kurzschlussgefahr vorliegt. Grundsätzlich kann anstelle einer Polymerstruktur auch eine sonstige leitfähige Kunststoffstruktur zum Einsatz kommen.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Heizleiter nicht-selbsttragend ausgebildet.
Vorzugsweise erstreckt sich ein Luftkanal oder erstecken sich mehrere Luftkanäle durch die leitfähige Polymerstruktur hindurch. Die entsprechenden Luftkanäle (Öffnungen bzw. Poren) können also bereits integral in der Kunststoffstruktur vorgesehen sein bzw. durch diese ausgebildet sein. Dadurch kann eine einfach herstellbare und stabile Kunststoffstruktur zum Aufheizen der Luft bereitgestellt werden.
Ein Rahmen, insbesondere Einbaurahmen und/oder mindestens eine elektrische Zuleitung kann mindestens teilweise oder ganz dasselbe Material wie die
Kunststoffstruktur des Heizleiters bzw. Heizwiderstandes aufweisen. Durch eine geeignete geometrische Auslegung (im Querschnitt) kann ggf. die
Wärmeerzeugung überwiegend an bestimmten (gewünschten) Stellen erfolgen.
Die Polymerstruktur ist vorzugsweise als Gitter- oder Wabenstruktur ausgebildet. Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein effektives Aufheizen ermöglicht werden.
Die Polymerstruktur kann durch Urformen hergestellt sein. Das Urformen umfasst vorzugsweise: ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen, und/oder ein
Schäumen.
Die Polymerstruktur ist vorzugsweise einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet (ggf. einschließlich eines Rahmens, insbesondere Einbaurahmens, und/oder mindestens einer elektrischen Zuleitung).
Die Polymerstruktur kann mindestens 6, vorzugsweise mindestens 10, weiter vorzugsweise mindestens 40, Luftkanäle (Öffnungen bzw. Poren) umfassen. Querschnitte mindestens eines oder mehrerer oder aller Luftkanäle (bzw. Poren) können vieleckig, insbesondere sechseckig oder viereckig, vorzugsweise rechteckig (weiter vorzugsweise quadratisch) oder oval, insbesondere elliptisch, vorzugsweise (kreis-)rund sein. Ein Querschnitt innerhalb eines Luftkanals kann variieren oder konstant sein (über dessen Länge). Auch Querschnitte
verschiedener Luftkanäle können voneinander abweichen oder gleich sein.
Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit und/oder
Kurzschlüssen kann eine Schutzschicht (Lackierung bzw. Versiegelung) auf dem gesamten Luftheizgerät oder zumindest freiliegenden Bereichen der
Polymerstruktur vorgesehen sein.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein elektrisches
Heizgerät, insbesondere Fluidheizgerät, z. B. Flüssigkeits- oder Luftheizgerät, Luftheizgerät, insbesondere für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Heizleiter der oben beschriebenen Art.
Vorzugsweise wird die Polymerstruktur durch mindestens eine Metallstruktur, vorzugsweise ein Metallblech und/oder Metallstreifen und/oder Metalldraht und/oder Metallgitter, elektrisch kontaktiert.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung des obigen Heizleiters oder des obigen Heizgerätes für das Aufheizen eines Fluides, insbesondere von Luft, vorzugsweise in einem Fahrzeug, weiter vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise in einem Kraftfahrzeuginnenraum.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes der oben beschriebenen Art, wobei Luft durch die Polymerstruktur strömt und dabei aufgeheizt wird. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Heizleiters und/oder eines Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art, wobei die
Polymerstruktur durch Aufschäumen hergestellt wird.
Vorzugsweise verzweigen sich die einzelnen Poren (insbesondere vielfach). Vorzugsweise ist die Polymerstruktur als einstückige, insbesondere monolithische, Struktur ausgebildet.
Es können vorzugsweise genau eine oder alternativ mehrere (offenporige) Polymerstrukturen vorgesehen sein.
Die Polymerstruktur wird vorzugsweise durch Aufschäumen hergestellt.
Eine Erstreckung der Polymerstruktur (in Strömungsrichtung) beträgt
vorzugsweise mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 10 mm.
Die Polymerstruktur ist vorzugsweise an sich formstabil, behält also vorzugsweise auch ihre Form, wenn weitere Komponenten des Luftheizgerätes entfernt werden (bzw. noch nicht hinzugefügt worden sind bzw. bei integrierten weiteren
Komponenten, wenn diese nicht vorgesehen wären, was durch Herstellung eines entsprechenden Vergleichsobjektes ohne die weiteren Komponenten festgestellt werden kann).
Das elektrische Luftheizgerät weist vorzugsweise mindestens ein elektrisches (metallisches) Anschlusselement, wie vorzugsweise einen Metalldraht,
Metallgitter, Metallblech, Metall-Leiste und/oder Metallblech-Streifen, auf.
Gegebenenfalls kann die Polymerstruktur an ein derartiges Anschlusselement (oder mehrere Anschlusselemente) angeschäumt werden.
Die Kohlenstoffkomponente kann so ausgebildet bzw. angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss erlaubt, z. B. in Partikelform (wobei sich die Partikel
entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen) und/oder als
Kohlenstoffgerüst.
Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur mindestens 100 Poren, mindestens 500 Poren.
Der Begriff„leitfähig", insbesondere hinsichtlich der Polymerstruktur (bzw.
Kohlenstoffkomponente) soll als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" verstanden werden. Der Begriff„isolierend", insbesondere hinsichtlich der Polymerstruktur soll als Abkürzung für„elektrisch isolierend" verstanden werden.
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.
Die Polymerstruktur kann als Polymerplatte (mit entsprechenden Öffnungen bzw. Luftkanälen) ausgebildet sein.
Polymerkomponente und Kohlenstoffkomponente sind vorzugsweise miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die
Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die
Kohlenstoffkomponente aufgenommen ist oder umgekehrt.
Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur 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. der Kohlenstoffkomponente, wie z. B. den Kohlenstoffpartikeln.
Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffkomponente mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Kohlenstoff.
Die Polymerkomponente ist insbesondere in Form einer elektrisch isolierenden Polymerkomponente ausgebildet oder umfasst eine solche.
In Ausführungsformen kann die Polymerkomponente eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat (-Copolymer) und/oder
Ethylenacrylat (-Copolymer) aufweisen und/oder eine zweite Polymer- Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff„Teilkomponente" soll hier insbesondere zur Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer-Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden. Bei dem Ethylenacrylat kann es sich um Ethyl-Methyl-Acrylat oder Ethylen-Ethyl-Acrylat handeln. Bei dem
Ethylenacetat kann es sich um Ethylenvinylacetat handeln. Bei dem Polyethylen kann es sich um HD (High Density)-Polyethylen, MD (Medium Density)- Polyethylen, LD (Low Density)-Polyethylen, handeln. Bei dem Fluorpolymer kann es sich um PFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorpropyl-Vinylester) MFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylester), FEP (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen), ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen) oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) handeln.
In Ausführungsformen kann die erste Polymer-Teilkomponente, wie in
WO 2014/188190 AI (als first electrically insulating material) beschrieben, ausgebildet sein. Die zweite Polymer-Teilkomponente kann ebenfalls, wie in WO 2014/188190 AI (als second electrically insulating material) beschreiben, ausgebildet sein.
Die Polymerstruktur kann durch mindestens eine Metallstruktur, vorzugsweise ein (insbesondere gebogenes) Metallblech, vorzugsweise Kupferblech, und/oder Metallstreifen und/oder Metalldraht und/oder Metallgitter (elektrisch) kontaktiert sein (bzw. werden).
Die Polymerstruktur und/oder eine entsprechender auszuformender Stoff (z. B. 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. Im Allgemeinen kann die Polymerstruktur bzw. eine zur Herstellung der
Polymerstruktur verwendeter Stoff (Paste), wie in DE 689 23 455 T2 beschrieben, ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für deren Herstellung und/oder konkrete Zusammensetzung. Beispielsweise gilt dies auch für mögliche
Bindemittel (insbesondere gemäß S. 4, 2. Absatz und S. 5, 1. Absatz der
DE 689 23 455 T2) und/oder Lösungsmittel (insbesondere gemäß S. 5, 2. Absatz und S. 6 2. Absatz der DE 689 23 455 T2).
Bei der Polymerstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand. Dadurch kann eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.
Durch entsprechende Wahl der Geometrie der Polymerstruktur (des
Polymerkörpers) speziell im Hinblick auf die Poren (Öffnungen) für die zu erwärmende Luft, kann eine hohe Bauteil-Oberfläche realisiert werden, die aufgrund eines guten konvektiven Wärmeübergangs eine hohe Heizleistung bei geringem Bauraum ermöglicht.
Ebenso kann durch eine entsprechende Geometrie bzw. Oberfläche von
metallischen Anschlusselementen (Anschlussleitungen) der elektrische Widerstand beim Übergang in die Polymerstruktur (bzw. ein Polymermaterial der
Polymerstruktur) minimiert werden und die Gefahr einer Verschlechterung des Kontakts über die Lebensdauer reduziert werden.
Die Polymerstruktur kann ggf. nicht nur die Aufgabe eines Heizleiters erfüllen, sondern als (integrales) Bauteil gleichzeitig weitere Funktionen ermöglichen, insbesondere einen Rahmen oder Anschlussflächen für das Heizgerät ausbilden.
Insgesamt kann eine einfache, kostengünstige Herstellung durch wenige (auf einfache Art und Weise automatisierbare) Prozessschritte und mit
kostengünstigen Materialien realisiert werden. Bei geringem Bauraum-Bedarf ist eine hohe Heizleistung möglich. Die zu erwärmende Luft erfährt insbesondere einen nur vergleichsweise geringen Druckverlust. Weiterhin kann eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion, insbesondere bezüglich der
Abmessungen, Versorgungsspannungen und geometrischen Abmessungen, erzielt werden. Das Luftheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z. B. < 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt.
In Ausführungsformen ist der der Heizleiter oder zumindest die leitfähige
Polymerstruktur einstückig, ggf. monolithisch, ausgebildet.
Der Heizleiter oder zumindest dessen leitfähige Polymerstruktur kann mehrere Teile umfassen, die ggf. in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander elektrisch verbunden sind.
Der Heizleiter oder zumindest dessen leitfähige Struktur kann mäandrierend angeordnet sein.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Heizleiters bzw. Heizgerätes der obigen Art, wobei die
Polymerstruktur durch Urformen (insbesondere wie oben und weiter unten näher beschrieben bzw. spezifiziert) hergestellt wird. Insbesondere werden die
Luftkanäle (Öffnungen bzw. Poren) während des Urformens hergestellt. Weiterhin können elektrische Anschlussstrukturen während des Urformens mit der
Kunststoffstruktur verbunden werden, insbesondere in diese eingebettet werden.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug,
insbesondere Kraftfahrzeug umfassend das obige elektrische Heizgerät und/oder den obigen Heizleiter.
Grundsätzlich ist unter Urformen ein Fertigungsverfahren zu verstehen, bei dem aus einem formlosen bzw. verformbaren (z. B. flüssigen, pastösen, breiigen oder plastisch verformbaren) Stoff ein (fester) Körper hergestellt wird, der formstabil ist (bzw. eine geometrisch definierte Form hat).
Ein Werkzeug zum Durchführen des Urformens (z. B. Spritzwerkzeug) weist vorzugsweise entsprechend mit den Luftkanälen korrespondierende
Fertigungsstrukturen (z. B. entsprechende Vorsprünge) auf.
Während des Urformens kann mindestens ein elektrisches Anschlusselement, wie vorzugsweise ein Metalldraht, Metallgitter, Metallblech und/oder Metallblech- Streifen, mit der Polymerstruktur verbunden werden, vorzugsweise in die
Polymerstruktur eingebettet werden. Unter einer Verbindung ist insbesondere eine stoffschlüssige (feste) Verbindung zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich ist eine formschlüssige Verbindung (z. B. durch entsprechende Vorsprünge oder Ausnehmungen, die an dem Anschlusselement vorgesehen sind) vorgesehen. Unter einem Einbetten in die Polymerstruktur ist insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine elektrische Anschlusselement von mehr als nur einer Seite in Kontakt mit der Polymerstruktur ist bzw. dass mindestens 50 % des elektrischen Anschlusselementes von der Polymerstruktur bedeckt sind.
Vorzugsweise wird mindestens ein (das mindestens eine) elektrische(s)
Anschlusselement vor dem Urformen, insbesondere Spritzgießen, in einem
Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet (bzw. in ein solches eingelegt). Insbesondere können bereits vor dem Urformen (z. B.
Spritzgießen) in das Formwerkzeug (Spritzgießwerkzeug) Anschlussleitungen aus Metallblech-Streifen eingelegt werden.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der beigefügten Figuren näher erläutert wird. Hierbei zeigen : eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Luftheizgerätes;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Luftheizgerätes gemäß Fig. 1
(in Schnittdarstellung);
Fig. 3 eine schematische Frontansicht einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektrischen Luftheizgerätes; und
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht des Luftheizgerätes gemäß Fig. 3. In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Luftheizgerätes. Das Luftheizgerät umfasst einen elektrischen Heizleiter, der als offenporige, leitfähige Polymerstruktur 10 ausgebildet ist. Die Polymerstruktur 10 wird über elektrische Anschlussleisten 11 mit Kontakten 12a, 12b zu ihrer Kontaktierung verbunden. In der geschnittenen Seitenansicht gemäß Fig. 2 ist insbesondere die Strömungsrichtung eines Luftstroms erkennbar, der durch den Pfeil 13 gekennzeichnet ist.
Die elektrischen Anschluss-Leisten sind vorzugsweise aus Metall.
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Luftheizgerätes. Das Luftheizgerät weist eine Kunststoffstruktur (Polymerstruktur) 10 auf. In diese Kunststoffstruktur 10 sind Luftkanäle 15 integriert. Die Luftkanäle 15 werden durch eine entsprechende Wabenstruktur 17 gebildet. Die Wabenstruktur 17 wird durch Rahmenteile 18 stabilisiert. Auch die Rahmenteile 18 sind (integraler) Bestandteil der
Kunststoffstruktur 10. Weiterhin stabilisieren die Rahmenteile 18 nicht nur die Wabenstruktur 17 (bzw. die Kunststoffstruktur 10 insgesamt), sondern bilden auch elektrische Anschlusselemente aus, die einen Stromfluss bei einer
Kontaktierung durch die Kontakte 14a, 14b ermöglichen. Eine entsprechende Seitenansicht eines Schnittes ist in Fig. 4 gezeigt. Gegebenenfalls können sich die Rahmenteile 18 zu einem (umlaufenden) Rahmen ergänzen.
In Fig. 4 ist der Luftstrom durch das Bezugszeichen 16 (bzw. den entsprechenden Pfeil) gekennzeichnet.
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 Kunststoffstruktur/Polymerstruktur
11 elektrische Anschlussleiste
12a Kontakt
12b Kontakt
13 Pfeil
14a, 14b Kontakt
15 Luftkanal
16 Pfeil
17 Wabenstruktur
18 Rahmenteil

Claims

Ansprüche
1. Elektrischer Heizleiter, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät,
vorzugsweise Luftheizgerät, wobei der Heizleiter zumindest abschnittsweise aus einer offenporigen, leitfähigen Polymerstruktur (10) gebildet ist.
2. Elektrischer Heizleiter nach Anspruch 1,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerstruktur eine, insbesondere isolierende, Polymerkomponente und einen leitfähigen Füllstoff, insbesondere eine leitfähige
Kohlenstoffkomponente, umfasst, wobei die Kohlenstoffkomponente vorzugsweise in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegt, und/oder
wobei die Kohlenstoffkomponente vorzugsweise in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff- Nanoröhren vorliegt, und/oder eine erste Polymer-Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat oder Ethylenacetat-Copolymer und/oder Ethylenacrylat oder Ethylenacrylat- Copolymer und/oder eine zweite Polymer-Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Polyetherketon (PEEK) und/oder Fluorpolymer umfasst, und/oder wobei die Polymerstruktur (10) ein insbesondere intrinsisch leitfähiges Polymer, wie z.B. Polyanilin (PANI) und/oder Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) umfasst.
3. Heizleiter nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass, die Polymerstruktur (10) einen Polymerschaum und/oder ein Polymergestrick und/oder ein Polymergewebe und/oder ein Polymergewirk und/oder ein Polymervlies umfasst.
4. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass, der Heizleiter von einem zu erwärmenden Fluid, insbesondere Luft, durchströmbar ist.
5. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerstruktur (10) plattenförmig ausgebildet ist und/oder eine Dicke von mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm aufweist.
6. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass
der Heizleiter selbsttragend oder nicht-selbsttragend ist.
7. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
sich ein Luftkanal (12) oder mehrere Luftkanäle (13) durch die leitfähige Polymerstruktur (10) hindurcherstreckt/hindurcherstrecken.
8. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerstruktur (10) ein PTC-Widerstand ist.
9. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
sich die einzelnen Poren verzweigen, insbesondere vielfach.
10. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
ein Rahmen, insbesondere Einbaurahmen, und/oder mindestens eine elektrische Zuleitung dasselbe Material wie die Polymerstruktur (10) des Heizleiters umfasst.
11. Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die Polymerstruktur eine Gitter- oder Wabenstruktur, vorzugsweise mit sechseckförmigen Luftkanälen, ausbildet und/oder
wobei die Polymerstruktur (10) durch Urformen hergestellt ist, wobei das Urformen vorzugsweise umfasst: ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen, und/oder ein Schäumen und/oder wobei die Polymerstruktur einstückig, insbesondere monolithisch ist.
12. Elektrisches Heizgerät, insbesondere Fluidheizgerät, z. B. Flüssigkeits- oder Luftheizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen
Heizleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Heizgerät nach Anspruch 12, d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass, die Polymerstruktur (10) durch mindestens eine Metallstruktur, vorzugsweise ein Metallblech und/oder Metallstreifen und/oder Metalldraht und/oder Metallgitter und/oder Metall-Leiste, elektrisch kontaktiert ist.
14. Verwendung eines Heizleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eines Heizgerätes nach einem der Ansprüche 12 oder 13 für das Aufheizen eines Fluides, insbesondere von Luft, vorzugsweise in einem Fahrzeug, weiter vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise in einem
Kraftfahrzeug innenraum.
15. Verfahren zum Betreiben eines Heizleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eines Heizgerätes nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei Luft durch die Poren der Polymerstruktur (10) strömt und dabei aufgeheizt wird.
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