WO2019224062A1 - Heizelement und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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WO2019224062A1
WO2019224062A1 PCT/EP2019/062418 EP2019062418W WO2019224062A1 WO 2019224062 A1 WO2019224062 A1 WO 2019224062A1 EP 2019062418 W EP2019062418 W EP 2019062418W WO 2019224062 A1 WO2019224062 A1 WO 2019224062A1
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WO
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heater
section
polymer structure
connection electrode
heating element
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PCT/EP2019/062418
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French (fr)
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Martin Zoske
Bengt Meier
Mina KROMPIC
Christoph JÖRG
Volodymyr Ilchenko
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Webasto SE
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    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient
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    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrical
  • Heating element in particular for an electric heater, preferably
  • Air heater in particular a motor vehicle, and a corresponding heater, a corresponding heating element and a corresponding method for producing a heater.
  • electric air heaters for mobile applications are known. These are usually based on ceramic heating elements with a strong temperature-dependent electrical resistance, through which a self-regulation of the heat release is possible.
  • the heating elements can with
  • Heat exchanger surfaces (eg made of aluminum sheet) are connected and also be contacted electrically.
  • Heating elements are usually designed as PTC resistors, so have a temperature-dependent resistor with a positive temperature coefficient, which conducts the electric current better at low temperatures than at high temperatures.
  • heating conductors with PTC effect are known, which are based on conductive polymeric PTC materials. These materials may include, for example, carbon filled plastics that exhibit a large increase in electrical resistance at certain temperatures.
  • a problem with the known heating elements or heaters is that a contacting with leads (electrodes) is often comparatively complex and / or no reliable connection between the metal (the leads or electrodes) and the corresponding
  • Heating elements allowed, especially in mobile applications.
  • a heating element for a heater (preferably fluid heater, more preferably air heater, possibly liquid, In particular, water heater), in particular for mobile applications, preferably for a vehicle, more preferably for a motor vehicle to propose, in a simple manner a reliable
  • a corresponding manufacturing method it is an object of the invention to propose a corresponding manufacturing method. According to further aspects, a corresponding heating device and a corresponding motor vehicle, a corresponding method of manufacturing and for operating a heating device as well as a use of a heating device should also be proposed.
  • an electrical heating element (preferably for a heater, more preferably for a fluid heater, more preferably for a
  • Air heater possibly liquid, in particular water heater
  • for mobile applications preferably for a vehicle, more preferably for a motor vehicle, wherein at least one conductive polymer structure having a
  • Polymer component and a conductive component in particular
  • Containing carbon component is connected to at least one connection electrode by ultrasonic welding.
  • a central idea of the invention is to propose a method for the production of an electrical heating element, in which at least one conductive polymer structure is used, which in turn is produced by welding,
  • connection electrode preferably several or two terminal electrodes
  • Thermal expansion coefficients of metal and polymer (or plastic) are comparatively well compensated or sustained. It was inventively recognized that by joining by welding (Ultrasonic welding) a reliable connection between polymer and metal is made possible, without damaging the polymer during the manufacturing process thermally. In particular, this makes it possible to achieve comparatively good electrical contact between a (metallic) electrode and the conductive component in the polymer, in particular the conductive (carbon) particles in the polymer. The method of ultrasonic welding is still
  • Heater in particular fluid heater (air heater) preferably comprises a fluid channel or a plurality of fluid channels for passing the fluid to be heated.
  • These fluid channels may, for example, have a polygonal, in particular quadrangular, preferably rectangular cross-section (perpendicular to a flow direction).
  • one or more fluid channels may be present with an (at least substantially) round, in particular circular cross-section.
  • the fluid channels may be partially or completely already formed in the heating element or partially or completely only when
  • a heater eg fluid heater or air heater
  • the heater may be delimited to the outside by a corresponding housing. Within this housing then preferably at least one heating element, comprising the polymer structure and the at least one connection electrode, and possibly the at least one fluid channel are provided.
  • a volume of the fluid heater may be less than 2500 cm 3 , preferably less than 1000 cm 3 .
  • the heater may have a fluid inlet and a fluid outlet through which a fluid
  • the fluid heater can also be used as a liquid heater
  • the (fluid) heater is preferably configured for use in mobile applications, so it is configured to operate accordingly
  • the heater eg fluid heater or air heater
  • vehicles preferably motor vehicles, especially passenger cars or
  • the heater eg, fluid heater or air heater for heating an interior
  • the at least one connection electrode (for example both
  • Terminal electrodes may be formed or formed as a planar element, in particular as a foil, strip and / or grid. As a result, a particularly reliable connection with the polymer structure can be realized.
  • connection electrode may comprise at least one section with a round cross section and / or at least one section with a section
  • connection electrode may have at least one wire section or be formed as a wire.
  • the polymer structure may be formed at least in sections, possibly completely, dimensionally stable (self-supporting).
  • the polymer structure is formed as a (solid) block.
  • a thickness of the polymer structure may be at least 1 mm or at least 3 mm.
  • the polymer structure can be or are formed at least in sections, possibly completely, flexibly, preferably as a film or strip (or arrangement of a plurality of strips).
  • sections dimensionally stable as well as (sections) are flexible, the polymer structure (in terms of weight) either predominantly dimensionally stable or predominantly flexible.
  • a flexible embodiment is understood in particular to be an embodiment in which the polymer structure has its shape does not retain if it is placed on an uneven surface or is only placed on one edge.
  • the ultrasonic welding can be intermittent, semi-continuous or continuous.
  • a sonotrode or a plurality of sonotrodes can / can be designed as stamps and / or as rotating rollers.
  • two sonotrodes are provided to connect the polymer structure on both sides with a corresponding connection electrode.
  • the two sonotrodes can then be arranged opposite each other so that during the process, the polymer structure and the electrodes to be connected therewith lie between the two sonotrodes.
  • the sonotrodes can be configured as rotating rollers.
  • a surface of the at least one connection electrode can be structured, activated and / or roughened.
  • a structuring is preferably to be understood as an introduction of predetermined (not randomly distributed) structures.
  • a roughening is preferably the introduction of random structures, especially on a small scale.
  • Activation is to be understood in particular as a surface treatment of the connection electrode such that it differs from the rest of the connection electrode in terms of its chemical and / or physical composition.
  • a method for producing a heater preferably fluid heater, more preferably air heater, possibly liquid, in particular water heater
  • Heating element preferably for a heater, more preferably for a fluid heater, more preferably for an air heater, possibly liquid, in particular water heater
  • Heating element in particular for mobile applications, preferably for a vehicle, more preferably for a motor vehicle preferably produced by the above method, comprising at least one conductive polymer structure containing a polymer component and a conductive component, in particular carbon component, and at least one terminal electrode, which is connected to the polymer structure by ultrasonic welding.
  • a heater preferably fluid heater, more preferably air heater, if necessary
  • Liquid in particular water heater
  • connection electrode can be designed as a planar element, in particular as a foil, strip and / or grid. Alternatively or additionally, the
  • Connection electrode at least a portion with a round cross-section and / or at least a portion with a polygonal, in particular square, preferably rectangular cross-section.
  • the at least one connection electrode may have at least one wire section or be formed as a wire.
  • the conductive component may be in particle form and / or as a (carbon) framework (or skeleton).
  • the carbon component may be in the form of carbon black and / or graphite and / or graphene and / or carbon fibers and / or carbon nanotubes.
  • the polymer structure may comprise an electrically insulating polymer component.
  • the polymer structure can be dimensionally stable, preferably in the form of a block, or flexible, preferably in the form of a film.
  • heating element or heater result from the (above and following) description of the method for producing the heating element or heater.
  • the above object is further achieved by operating a heater of the above type or prepared by the above method wherein fluid, especially air (or a liquid such as water) flows through the fluid heater while being heated.
  • the above object is further achieved by the use of a heater of the above type or prepared by the above method for heating a fluid, in particular air (or a liquid such as water), preferably in a motor vehicle
  • the polymer structure may (especially if it is not self-supporting
  • a substrate is formed) applied to a (possibly electrically insulating and / or compared to the polymer structure electrically isolated) substrate, for example, be applied.
  • a substrate can simultaneously as
  • Heat exchanger surface for heating the passing fluid are used.
  • this surface can still be increased by unevenness, in particular projections, such as ribs and / or fins on the substrate.
  • the substrate or the substrates can / at least partially, preferably be made entirely of plastic, in particular a polymer such as, for example, polyether ketone and / or polyamide. Particularly preferred is a production of polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP) and / or polyetheretherketone (PEEK) and / or (short) fiber-reinforced polyamide (for example PA-GF).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PA-GF fiber-reinforced polyamide
  • the substrate may be made of an electrically insulating material.
  • An electrically insulating material is to be understood in particular as meaning a material which has an electrical conductivity of less than 10 1 S nr 1 (possibly less than 10 8 S nr 1 ) at room temperature (25 ° C.). Accordingly, an electrical conductor or a material (or coating) with electrical conductivity is to be understood as meaning a material which has an electrical conductivity
  • the substrate may be formed as a plate, in particular plastic plate, and / or a thickness of at least 0.1 mm, preferably at least 0.5 mm, more preferably at least 1.0 mm and / or at most 5.0 mm, more preferably at most 3 , 0 mm.
  • the respective thickness is an average thickness or a thickness of the largest area of constant thickness.
  • the polymer structure and / or a corresponding paste for the production thereof may comprise (as in particular crystalline binder) at least one polymer, preferably based on at least one olefin; and / or at least one copolymer of at least one olefin and at least one monomer which can be copolymerized therewith, e.g. Ethylene / acrylic acid and / or ethylene / ethyl acrylate and / or ethylene / vinyl acetate; and / or at least one polyalkenamer (polyacetylene or polyalkenylene), such as.
  • polyoctenamer and / or at least one, in particular melt-deformable, fluoropolymer, such as.
  • fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride and / or copolymers thereof.
  • the polymer structure may be cured in an oven (at elevated temperature).
  • the (respective) polymer structure is preferably in contact with the (respective) substrate via at least 20%, more preferably at least 50%, even more preferably at least 80% of a surface of the substrate facing the polymer structure (eg polymer coating). This can effectively heat over the substrate (which then serves as another heat exchanger) are transferred.
  • the polymer structure may have a continuous surface (without interruptions) or be patterned, for example, have gaps (apertures) or recesses.
  • the polymer structure comprises at least 5 wt%, preferably at least 10 wt%, even more preferably at least 15 wt%, even more preferably at least 20 wt% and / or less than 50%
  • the respective polymer structure may be (at least on average) thinner than a corresponding substrate, for example by a factor of 1.1; more preferably by a factor of 1.5.
  • conductive with regard to the conductive components of the air heater is to be understood as an abbreviation for “electrically conductive”.
  • the (respective) polymer structure is preferably a conductive layer with PTC behavior.
  • the fluid heater is preferably for low voltage operation (e.g.
  • the fluid heater may be designed for the high-voltage range (eg> 100 volts, preferably> 400 volts, possibly greater than 800 volts).
  • the air heater may be designed for operation with DC and / or AC voltage and / or PWM.
  • the polymer structure and / or the substrate can at least in the
  • protrusions may amount to less than 10% of an (average) thickness of the respective coating or the respective substrate.
  • the carbon content in the polymer structure may be configured to allow flow of current (eg, in particulate form, with the particles correspondingly touching or in close proximity to one another).
  • At least 3, preferably at least 5 heating elements can be provided, each of which has its own polymer structure and possibly its own connection electrodes.
  • Fig. 1 is a schematic view of an inventive
  • Fig. 1 shows a polymer structure 10, which on both sides with a first
  • Connection electrode 11 and a second connection electrode 12 is connected. This happens here in a continuous process.
  • the arrangement of the polymer structure 10 with the two connection electrodes 11, 12 is brought between two sonotrodes 13, 14.
  • an ultrasonic welding is then carried out.
  • the arrows 16 show a direction of rotation of the cylindrical
  • connection electrodes 11, 12 can be unrolled, for example, from a storage roll and / or guided by deflecting rollers in the direction of the polymer structure 10 (not shown in FIG. 1).

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise Luftheizgerät, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, mit mindestens einer Anschlusselektrode (11, 12) durch Ultraschallschweißen verbunden wird.

Description

Heizelement und Verfahren zur Herstellung desselben
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen
Heizelementes, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise
Luftheizgerät, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, sowie ein entsprechendes Heizgerät, ein entsprechendes Heizelement und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Heizgerätes.
Grundsätzlich sind elektrische Luftheizgeräte für mobile Anwendungen bekannt. Diese basieren üblicherweise auf keramischen Heizelementen mit einem stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird. Die Heizelemente können mit
Wärmeübertrager-Flächen (z. B. aus Aluminiumblech) verbunden werden und darüber auch elektrisch kontaktiert werden. Die bekannten keramischen
Heizelemente sind üblicherweise als PTC-Widerstände ausgebildet, weisen also einen temperaturabhängigen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten auf, der bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen.
Weiterhin sind grundsätzlich Heizleiter mit PTC-Effekt bekannt, die auf leitfähigen polymeren PTC-Materialien basieren. Diese Materialien können beispielsweise kohlenstoffgefüllte Kunststoffe umfassen, die bei bestimmten Temperaturen einen starken Anstieg des elektrischen Widerstands aufweisen.
Problematisch bei den bekannten Heizelementen bzw. Heizgeräten ist es insbesondere, dass eine Kontaktierung mit Zuleitungen (Elektroden) oftmals vergleichsweise aufwändig ist und/oder keine zuverlässige Verbindung zwischen dem Metall (der Zuleitungen bzw. Elektroden) und den entsprechenden
Heizelementen erlaubt, insbesondere bei mobilen Anwendungen.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Heizelement für ein Heizgerät (vorzugsweise Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise Luftheizgerät, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, vorzuschlagen, bei dem auf einfache Art und Weise eine zuverlässige
Kontaktierung zwischen elektrischen Zuleitungen (Elektroden) und dem
eigentlichen Heizelement erfolgen kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren vorzuschlagen. Gemäß weiteren Aspekten soll auch ein entsprechendes Heizgerät sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug, ein entsprechendes Verfahren Herstellen sowie zum Betreiben eines Heizgerätes sowie eine Verwendung eines Heizgerätes vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein elektrisches Heizelement nach Anspruch 1 gelöst.
Die oben genannte Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes, (vorzugsweise für eine Heizgerät, weiter vorzugsweise für ein Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise für ein
Luftheizgerät, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine
Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente enthält, mit mindestens einer Anschlusselektrode durch Ultraschallschweißen verbunden wird.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes vorzuschlagen, bei dem mindestens eine leitfähige Polymerstruktur zum Einsatz kommt, die wiederum durch Schweißen,
vorzugsweise Ultraschallschweißen, mit mindestens einer Anschlusselektrode (ggf. mehreren bzw. beiden Anschlusselektroden) verbunden wird. Dadurch kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise eine zuverlässige Verbindung zwischen der mindestens einen Anschlusselektrode (aus Metall) und dem Polymer der Polymerstruktur erfolgen. Insbesondere können auftretende
temperaturinduzierte Spannungen durch unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Polymer (bzw. Kunststoff) vergleichsweise gut kompensiert bzw. ausgehalten werden. Dabei wurde erfindungsgemäß erkannt, dass durch das Fügen mittels Schweißen (Ultraschallschweißen) eine zuverlässige Verbindung zwischen Polymer und Metall ermöglicht wird, ohne das Polymer beim Herstellprozess thermisch zu schädigen. Insbesondere kann dadurch ein vergleichsweise guter elektrischer Kontakt zwischen einer (metallischen) Elektrode und der leitfähigen Komponente im Polymer, insbesondere den leitfähigen (Kohlenstoff-) Partikeln im Polymer erreicht werden. Das Verfahren des Ultraschallschweißens ist weiterhin
vergleichsweise prozesssicher und für eine Großserienfertigung geeignet. Im Gegensatz zu beispielsweise rein thermischem Fügen können auch polymere Materialien verarbeitet werden, die nicht oder nur schwer aufschmelzbar sind oder negativ auf zu starke Wärmeeinwirkung reagieren.
Das elektrische Heizelement und/oder ein dieses umfassendes elektrische
Heizgerät, insbesondere Fluidheizgerät (Luftheizgerät) umfasst vorzugsweise einen Fluidkanal oder mehrere Fluidkanäle zum Durchleiten des aufzuheizenden Fluids. Diese Fluidkanäle können beispielsweise einen vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt aufweisen (senkrecht zu einer Strömungsrichtung). Alternativ kann/können ein oder mehrere Fluidkanäle mit einem (zumindest im Wesentlichen) runden, insbesondere kreisrunden Querschnitt vorliegen. Die Fluidkanäle können teilweise oder vollständig bereits im Heizelement ausgebildet sein bzw. teilweise oder vollständig erst beim
Zusammenbau mehrerer Heizelemente (insbesondere bei der Herstellung eines entsprechend Heizgerätes) ausgebildet werden.
Unter einem Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) ist insbesondere ein Heizgerät zu verstehen, das als Baugruppe (Baueinheit) ausgebildet ist. Das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) kann durch ein entsprechendes Gehäuse nach außen abgegrenzt sein. Innerhalb dieses Gehäuses sind dann vorzugsweise mindestens ein Heizelement, umfassend die Polymerstruktur und die mindestens eine Anschlusselektrode, und ggf. der mindestens eine Fluidkanal vorgesehen. Ein Volumen des Fluidheizgerätes kann kleiner als 2500 cm3, vorzugsweise kleiner als 1000 cm3 sein. Weiterhin kann das Heizgerät einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweisen, durch den einFluid
(insbesondere Luft) ein- bzw. ausströmen kann. Alternativ zur Ausbildung als Luftheizgerät kann das Fluidheizgerät auch als Flüssigkeitsheizgerät,
insbesondere Wasserheizgerät, (für mobile Anwendungen) ausgebildet sein. Generell ist das (Fluid-)Heizgerät vorzugsweise für den Einsatz in mobilen Anwendungen konfiguriert, ist also konfiguriert, um entsprechenden
Beschleunigungen, Abbremsungen und Erschütterungen standzuhalten. Konkret kann das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) in Fahrzeugen, vorzugsweise Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen oder
Lastkraftwagen, zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) für die Aufheizung eines Innenraums
(Fahrgastzelle) eingesetzt (und ist entsprechend konfiguriert). Alternativ ist es auch vorstellbar, das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) in Flugzeugen, Schiffen oder sonstigen Fahrzeugen einzusetzen.
Die mindestens eine Anschlusselektrode (beispielsweise beide
Anschlusselektroden) kann/können als planes Element, insbesondere als Folie, Streifen und/oder Gitter, ausgebildet sein bzw. ausgebildet werden. Dadurch kann eine besonders zuverlässige Verbindung mit der Polymerstruktur realisiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Anschlusselektrode zumindest einen Abschnitt mit rundem Querschnitt und/oder zumindest einen Abschnitt mit einem
vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Konkret kann die Anschlusselektrode zumindest einen Drahtabschnitt aufweisen oder als Draht ausgebildet sein. Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein zuverlässig funktionierendes Heizgerät hergestellt werden.
In Ausführungsformen kann die Polymerstruktur zumindest abschnittsweise, ggf. vollständig, formstabil (sich selbst tragend) ausgebildet sein. Optional ist die Polymerstruktur als (fester) Block ausgebildet. Eine Dicke der Polymerstruktur kann mindestens 1 mm oder mindestens 3 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerstruktur zumindest abschnittsweise, ggf. vollständig, flexibel, vorzugsweise als Folie oder Streifen (oder Anordnung mehrerer Streifen) ausgebildet sein bzw. werden. Wenn die Polymerstruktur sowohl
(abschnittsweise) formstabil als auch (abschnittsweise) flexibel ausgebildet sind, kann die Polymerstruktur (gewichtsmäßig) entweder überwiegend formstabil oder überwiegend flexibel ausgebildet sein. Unter einer flexiblen Ausbildung ist insbesondere eine Ausbildung zu verstehen, bei der die Polymerstruktur ihre Form nicht behält, wenn sie auf eine unebene Fläche gelegt wird bzw. nur an einem Rand aufgelegt wird.
Das Ultraschallschweißen kann intermittierend, semi-kontinuierlich oder kontinuierlich ablaufen. Eine Sonotrode oder mehrere Sonotroden kann/können als Stempel und/oder als rotierende Walzen ausgebildet sein. In einer konkreten Ausführungsform sind zwei Sonotroden vorgesehen, um die Polymerstruktur beidseitig mit einer entsprechenden Anschlusselektrode zu verbinden. Die beiden Sonotroden können dann gegenüberliegend angeordnet sein, so dass während des Verfahrens, die Polymerstruktur und die damit zu verbindenden Elektroden zwischen den beiden Sonotroden liegen. Insbesondere in diesem Fall können die Sonotroden als rotierende Walzen ausgestaltet sein.
Eine Oberfläche der mindestens einen Anschlusselektrode kann strukturiert, aktiviert und/oder aufgeraut sein bzw. werden. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die Haftung zu der Polymerstruktur verbessert werden. Unter einer Strukturierung ist vorzugsweise eine Einbringung von vorbestimmten (nicht zufällig verteilten) Strukturen zu verstehen. Demgegenüber handelt es sich bei einer Aufrauhung vorzugsweise um die Einbringung von zufälligen Strukturen, insbesondere im kleinen Maßstab. Unter einem Aktivieren ist insbesondere eine Oberflächenbehandlung der Anschlusselektrode zu verstehen derart, dass diese sich hinsichtlich ihrer chemischen und/oder physikalischen Zusammensetzung von der restlichen Anschlusselektrode unterscheidet.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizgerätes (vorzugsweise Fluidheizgerätes, weiter vorzugsweise Luftheizgerätes, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerätes),
insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, umfassend das obige Verfahren zur
Herstellung eines Heizelementes sowie vorzugsweise das Ausbilden von mindestens einem Fluidleitkanal zum Durchleiten eines Fluides.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein elektrisches
Heizelement (vorzugsweise für eine Heizgerät, weiter vorzugsweise für ein Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise für ein Luftheizgerät, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, sowie mindestens eine Anschlusselektrode, die mit der Polymerstruktur durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Heizgerät, vorzugsweise Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise Luftheizgerät, ggf.
Flüssigkeits- , insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile
Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens ein Heizelement der obigen Art und ggf. mindestens einen
Fluidleitkanal.
Die Anschlusselektrode kann als planes Element, insbesondere als Folie, Streifen und/oder Gitter, ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die
Anschlusselektrode zumindest einen Abschnitt mit rundem Querschnitt und/oder zumindest einen Abschnitt mit einem vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Anschlusselektrode zumindest einen Drahtabschnitt aufweisen oder als Draht ausgebildet sein.
Die leitfähige Komponente (Kohlenstoffkomponente) kann in Partikelform und/oder als (Kohlenstoff-)Gerüst (bzw. Skelett) vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kohlenstoffkomponente in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.
Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende Polymerkomponente aufweisen. Die Polymerstruktur kann formstabil, vorzugsweise als Block, oder flexibel, vorzugsweise als Folie, ausgebildet sein.
Weitere Merkmale des Heizelementes bzw. Heizgerätes ergeben sich aus der (obigen und nachfolgenden) Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Heizelementes bzw. Heizgerätes. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Betreiben eines Heizgerätes der obigen Art oder hergestellt nach dem obigen Verfahren, wobei Fluid, insbesondere Luft (oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser) durch das Fluidheizgerät strömt und dabei aufgeheizt wird.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Heizgerätes der obigen Art oder hergestellt nach dem obigen Verfahren zum Aufheizen eines Fluids, insbesondere von Luft (oder einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser), vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, weiter
vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.
Die Polymerstruktur kann (insbesondere, wenn sie nicht-selbsttragend
ausgebildet ist) auf ein (ggf. elektrisch isolierendes und/oder gegenüber der Polymerstruktur elektrisch isoliertes) Substrat aufgebracht, beispielsweise aufgetragen werden. Ein derartiges Substrat kann gleichzeitig als
Wärmeübertrager-Fläche zur Aufheizung des vorbeiströmenden Fluids (der vorbeiströmenden Luft) genutzt werden. Optional kann diese Oberfläche noch durch Unebenheiten, insbesondere Vorsprünge, wie Rippen und/oder Finnen auf dem Substrat vergrößert werden.
Das Substrat bzw. die Substrate kann/können zumindest abschnittsweise vorzugsweise vollständig, aus Kunststoff, insbesondere einem Polymer wie beispielsweise Polyetherketon und/oder Polyamid, gefertigt sein. Besonders bevorzugt ist eine Fertigung aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) und/oder Polyetheretherketon (PEEK) und/oder (kurz-) faserverstärktem Polyamid (z. B. PA-GF).
Das Substrat kann aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.
Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei Raumtemperatur (25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10 1 S nr1 (ggf. weniger als 10 8 S nr1) 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 nr1, weiter vorzugsweise mindestens 103 S m 1 (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt. Das Substrat kann als Platte, insbesondere Kunststoffplatte, ausgebildet sein und/oder eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1,0 mm und/oder höchstens 5,0 mm, weiter vorzugsweise höchstens 3,0 mm aufweisen. Bei der jeweiligen Dicke handelt es sich insbesondere um eine durchschnittliche Dicke oder eine Dicke des größten Bereichs mit konstanter Dicke.
Die Polymerstruktur und/oder eine entsprechende Paste zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z.B. Ethylen/Acrylsäure und/oder Ethylen/Ethylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.
Die Polymerstruktur kann in einem Ofen (bei erhöhter Temperatur) ausgehärtet sein bzw. werden.
Die (jeweilige) Polymerstruktur ist vorzugsweise über mindestens 20 %, weiter vorzugsweise mindestens 50 %, noch weiter vorzugsweise mindestens 80 % einer der Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) zugewandten Oberfläche des Substrats mit dem (jeweiligen) Substrat in Kontakt. Dadurch kann effektiv Wärme über das Substrat (das dann als weiterer Wärmeübertrager dient) übertragen werden.
Im Allgemeinen kann/können die Polymerstruktur eine durchgehende Fläche (ohne Unterbrechungen) aufweisen oder strukturiert sein, beispielsweise Lücken (Durchbrüche) aufweisen oder Ausnehmungen.
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. die Kohlenstoffkomponente, wie z.B. die Kohlenstoffpartikel. Die jeweilige Polymerstruktur kann (zumindest im Durchschnitt) dünner sein als ein entsprechendes Substrat, beispielsweise um den Faktor 1,1; weiter vorzugsweise um den Faktor 1,5.
Grundsätzlich ist der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der leitfähigen Komponenten des Luftheizgerätes als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" zu verstehen.
Die (jeweilige) Polymerstruktur ist vorzugsweise eine leitfähige Schicht mit PTC- Verhalten.
Das Fluidheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z.B.
< 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt. Alternativ kann das Fluidheizgerät für den Hochvoltbereich (z. B. > 100 Volt, vorzugsweise > 400 Volt, ggf. größer 800 V) ausgelegt sein.
Das Luftheizgerät kann für einen Betrieb mit Gleich- und/oder Wechselspannung und/oder PWM ausgelegt sein.
Die Polymerstruktur und/oder das Substrat kann/können zumindest im
Wesentlichen plan ausgebildet sein. Falls Erhebungen (Vertiefungen) vorgesehen sind, können diese weniger als 10 % einer (durchschnittlichen) Dicke der jeweiligen Beschichtung bzw. des jeweiligen Substrats betragen.
Der Kohlenstoffanteil in der Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) kann so ausgebildet sein, dass er einen Stromfluss erlaubt (z. B. in Partikelform, wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen).
Es können mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5 Heizelemente vorgesehen sein, die jeweils eine eigene Polymerstruktur und ggf. eigene Anschlusselektroden umfassen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, das anhand der beigefügten Figur näher erläutert wird. Hierbei zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Polymerstruktur 10, die beidseitig mit einer ersten
Anschlusselektrode 11 und einer zweiten Anschlusselektrode 12 verbunden wird. Dies geschieht hier in einem kontinuierlichen Verfahren. Dazu wird die Anordnung der Polymerstruktur 10 mit den beiden Anschlusselektroden 11, 12 zwischen zwei Sonotroden 13, 14 gebracht. Durch eine entsprechende ultraschallinduzierte Bewegung gemäß den Pfeilen 15 wird dann eine Ultraschallverschweißung durchgeführt. Die Pfeile 16 zeigen eine Drehrichtung der walzenförmigen
Sonotroden 13, 14 an. Das Material für die Anschlusselektroden 11, 12 kann beispielsweise von einer Aufbewahrungsrolle abgerollt werden und/oder durch Umlenkrollen entsprechend in Richtung Polymerstruktur 10 geführt werden (nicht in Fig. 1 gezeigt).
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezuaszeichenliste
10 Polymerstruktur
11 Anschlusselektrode
12 Anschlusselektrode
13 Sonotrode
14 Sonotrode
15 Pfeil
16 Pfeil

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise Luftheizgerät, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, mit mindestens einer Anschlusselektrode (11, 12) durch Ultraschallschweißen verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass
die Anschlusselektrode (11, 12) als planes Element, insbesondere als Folie, Streifen und/oder Gitter, ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass
die Anschlusselektrode (11, 12) zumindest einen Abschnitt mit rundem Querschnitt und/oder zumindest einen Abschnitt mit einem vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass
die Anschlusselektrode (11, 12) zumindest einen Drahtabschnitt aufweist oder als Draht ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass
die Polymerstruktur (10) zumindest abschnittsweise formstabil,
vorzugsweise als Block, und/oder zumindest abschnittsweise flexibel, vorzugsweise als Folie, ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass das Ultraschallschweißen intermittierend, semi-kontinuierlich oder kontinuierlich abläuft.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass
mindestens eine Sonotrode (14, 15) als Stempel und/oder mindestens eine Sonotrode (14, 15) als Walze ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass
eine Oberfläche der Anschlusselektrode (11, 12) strukturiert, aktiviert und/oder aufgeraut wird.
9. Verfahren zum Herstellen eines Heizgerätes, vorzugsweise Luftheizgerätes, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie das Ausbilden von mindestens einem Fluidleitkanal zum Durchleiten des Fluides.
10. Elektrisches Heizelement, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät,
vorzugsweise Luftheizgerät, insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
vorzugsweise hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens eine leitfähige Polymerstruktur (10), die eine
Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere
Kohlenstoffkomponente, enthält, sowie mindestens eine Anschlusselektrode (11, 12), die mit der Polymerstruktur (10) durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
11. Heizelement nach Anspruch 10,
d a d u rc h g e ke n n zei c h n et, dass,
die Anschlusselektrode als planes Element, insbesondere als Folie, Streifen und/oder Gitter, ausgebildet ist und/oder zumindest einen Abschnitt mit rundem Querschnitt und/oder zumindest einen Abschnitt mit einem vieleckigen, insbesondere viereckigen,
vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, aufweist und/oder
zumindest einen Drahtabschnitt aufweist oder als Draht ausgebildet ist.
11. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die leitfähige Komponente in Partikelform und/oder als Gerüst vorliegt und/oder
in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder
Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegt und/oder die Polymerstruktur (10) eine elektrische isolierende Polymerkomponente aufweist und/oder
dass die Polymerstruktur zumindest abschnittsweise formstabil,
vorzugsweise als Block, und/oder zumindest abschnittsweise flexibel, vorzugsweise als Folie, ausgebildet ist.
13. Elektrisches Heizgerät, vorzugsweise Luftheizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 9, umfassend mindestens ein Heizelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und/oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie mindestens einen Fluidleitkanal.
14. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes nach Anspruch 13 oder
hergestellt nach Anspruch 9, wobei Fluid, insbesondere Luft, durch das Heizgerät strömt und dabei aufgeheizt wird.
15. Verwendung eines Heizgerätes nach Anspruch 13 oder hergestellt nach Anspruch 9 zum Aufheizen eines Fluids, vorzugsweise von Luft,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen
Kraftfahrzeuginnenraum.
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