WO2022223175A1 - Vorrichtung zur erwärmung eines mediums - Google Patents

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WO2022223175A1
WO2022223175A1 PCT/EP2022/054234 EP2022054234W WO2022223175A1 WO 2022223175 A1 WO2022223175 A1 WO 2022223175A1 EP 2022054234 W EP2022054234 W EP 2022054234W WO 2022223175 A1 WO2022223175 A1 WO 2022223175A1
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electrically conductive
conductive elastomer
insulating coating
electrically insulating
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Guido Bernd Finnah
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to the device for heating a medium with a housing which is wetted by the medium and with at least one heating element which contains an electrically conductive elastomer and is supplied with electrical energy via electrical conductors.
  • the invention further relates to a method for producing the heating element, which contains an electrically conductive elastomer.
  • the invention relates to the use of the heating element as a flow heater, as a tank heating element, as a surface heating element or for heating fuel cells.
  • a wide variety of heating systems are used to heat bodies or media such as gases or liquids. Due to the high thermal conductivity, metallic housings offer good heat transfer into the medium.
  • metallic housings offer good heat transfer into the medium.
  • heat-generating heating elements ceramic PTC heating elements, metal resistance heaters, e.g. B. heating wires or screen-printed metal structures, or resistance heaters based on electrically conductive plastics are used. The electric current flows through these heating elements and generates Joule heat; however, it should not be introduced into the medium through a metallic housing, as this can initiate chemical reactions in the medium.
  • the heating element comprises at least one thermoelectric heater, wherein the heater is at least partially formed with a conductive material and the Radiator is supplied with electrical energy via at least two conductor tracks.
  • the conductor tracks are implemented using a thermal injection molding process, in particular plasma spraying in accordance with DIN 657. As a result of the thermally sprayed conductor tracks, there is a good electrical connection between the conductor tracks and conductive particles within a matrix of the conductive material of the heating element. Furthermore, there is a mechanically resilient connection of the conductor tracks to the heating element.
  • the heater can be given a variety of three-dimensional shapes, resulting in a variety of applications for the heating element.
  • the heating element can take the form of a tubular fluid line, so that the heating element, in addition to its actual heating function, also fulfills other structurally specified tasks. This functional integration or multiple functionality results in significant design simplifications when used.
  • Heating elements can also be manufactured on the basis of elastomers.
  • EP 0 820214 B1 relates to a self-regulating electrical heating element in the form of a cartridge or a sample tube.
  • An electrical resistance heating element preferably embodied in cylindrical or prismatic form, comprises one or more resistive conductors connected to a mains supply by a system of two or more electrodes.
  • the conductors are made of a resistive function polymeric matrix conductive composite material formulated in a ratio of materials such that a high positive temperature coefficient (PTC) electrical resistance is achieved at the operating temperature.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the conductors and the electrodes are arranged on at least one core made of insulating materials, the composite material being formed by a mixture of a polymeric binder, preferably a thermoplastic material, with an electrically conductive filler and a possible additional additive.
  • the polymeric binder being formed by one or more polymers, and the conductive filler by a conductive powder in the form of micrometric particles. These exhibit an electrical resistance value that decreases with the volume ratio of the conductive powder, allowing for a large positive temperature coefficient of resistance in a given region of the composite material.
  • the electrodes are formed by metallic materials such as foils, plates, conductive coating layers such as inks, varnishes and the like.
  • the resistance ladders are in the form of strips or other shapes. These are arranged on the outer surface of the core or formed directly on the core, with the conductors being electrically connected to the electrodes in an arrangement such that there is axial current flow in the conductors.
  • the connection of the electrodes to the conductive elastomer, in which heat is generated, has not been solved satisfactorily.
  • a device for heating a medium with a housing which is wetted by the medium and with at least one heating element which contains an electrically conductive elastomer and is supplied with electrical energy via electrical conductors, with the metallic housing being at least on one side a closed electrically insulating coating containing a ceramic material or a plastic material containing at least one polymer is applied.
  • the plastic material containing at least one polymer is selected from a group containing: ETFE, E-CTFE, FEP, PFA, PTFE, polyurethane, polyesterimide coatings, epoxy resins, thermal lacquers, silicone resins , phenyl silicone resins.
  • the electrically insulating coating in such a way that it contains a ceramic material, for example from the group of aluminum oxide, magnesium oxide, titanium dioxide, zirconium oxide, silicates, boron carbide, silicon carbide, aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, titanium nitride or mixed forms of the same or other ceramics is selected.
  • the electrically conductive elastomer can be selected from a group containing: EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, fluororubbers, silicone rubbers.
  • one or more conductive fillers such as graphite, conductive carbon black, metal particles, metal fibers or carbon nanotubes are added to the elastomer.
  • the specific electrical resistance of the electrically conductive elastomer is between 0.01 ⁇ cm and 500 ⁇ cm, in particular between 0.1 ⁇ cm and 100 ⁇ cm.
  • the layer thickness of the closed, electrically insulating coating is in the range between 0.2 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the device proposed according to the invention also comprises at least two electrical conductors, which can be in the form of wires, stripped cable ends, stamped grids, metal fabric strips, metallic strips, structured stamped grids, stamped grids provided with openings.
  • the invention relates to a method for producing a heating element, which contains an electrically conductive elastomer, with at least the following method steps: a) application of a closed electrically insulating coating containing a ceramic material or containing a plastic material containing at least one polymer, b) arranging at least two electrical conductors on the closed electrically insulating coating and c) encapsulating the at least two electrical conductors with the electrically conductive elastomer.
  • the method proposed according to the invention can advantageously produce a good connection between the electrically conductive elastomer and both the electrically insulating coating and the contact conductors applied to it.
  • This excellent connection is achieved through the process of encapsulation, since the molecular chains of the electrically conductive elastomer in the non-crosslinked state both with the metallic contact conductors as well as with the electrically insulating coating produce a significantly improved adhesion.
  • the reactive points are no longer available, so that only an inadequate connection with other components can be produced, which is advantageously ruled out by the solution proposed according to the invention.
  • an electrically insulating layer made of a plastic material can be applied to the heating element obtained according to method steps a) to c). This means that external contact with the current-carrying elastomer can be ruled out.
  • An electrically insulating housing can also be mounted over the heating element.
  • the at least two electrical conductors are encapsulated by the electrically conductive elastomer on one side or on several sides or completely on all sides, or alternatively there is the possibility of supporting points in the mold or in the Provide metal housing for fixing the at least two electrical conductors.
  • the method when carrying out method step a), can produce a closed, electrically insulating coating containing a ceramic material by anodizing or thermal injection molding.
  • process step a) in the process proposed according to the invention to produce a closed electrically insulating coating with a plastic material containing at least one polymer, which is achieved by fluidized bed sintering, electrostatic Powder spraying, plasma polymerization can be done by a dipping process or by plastic clamping spraying.
  • the invention relates to the use of the heating element as a flow heater, as a tank heating element, as a surface heating element or as a heater for fuel cell components.
  • a further possible use of the solution proposed according to the invention lies in the production of a heating element for flow heaters for exhaust gas aftertreatment systems for thawing and/or a freezing reducing agent or a surface heating element.
  • the heating element made of electrically conductive elastomer can initially only be cast onto the electrical contacts and then applied to the insulating surface in a second process step.
  • the connection between the heating element and the metal housing with an insulating coating can be effected with the aid of adhesives, in particular thermally conductive adhesives, or an electrically conductive elastomer which is the same as or compatible with the heating element.
  • the curing or crosslinking of such an adhesive or elastomer can be thermally initiated and accelerated by operating the heating element.
  • the solution proposed according to the invention can advantageously produce an excellent connection between the electrically conductive elastomer on the one hand and the at least two electrical conductors applied to the electrically insulating coating on the other hand.
  • the electrically insulating coating can be implemented either as a coating that contains a ceramic material; alternatively, it can also be designed as an electrically insulating coating which contains at least one polymer.
  • the decisive factor is the possibility given in the method proposed according to the invention, in a primary shaping method, such as in particular casting, through the still uncrosslinked molecular chains of the electrically conductive elastomer with the electrical conductors and the electrically insulating coating to produce excellent adhesion, which in the crosslinked State of the molecular chains of the electrically conductive elastomer is no longer possible due to the lack of reactive points.
  • a primary shaping method such as in particular casting
  • an electrically insulating layer of plastic material over a heating element obtained in this way in a further process step, in order to avoid contact from the outside with the current-carrying electrically conductive elastomer.
  • a good heat transfer can be generated due to the high thermal conductivity of the metallic housing; in particular, a uniform distribution of the Joule heat, which is generated via the electrically conductive elastomer, can be achieved over the entire surface.
  • the electrically insulating coating is produced using a ceramic material, high thermal conductivity is to be expected. Furthermore, a layer produced in this way has a high temperature resistance and is resistant to thermal shock, which is of great importance in the case of heating elements.
  • the hardness of, for example, an electrically insulating coating containing a ceramic material promotes closure, i. H. an electrically dense layer. Due to the small thickness of such an electrically insulating coating of between 0.2 ⁇ m and 500 ⁇ m or between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m, the heat conduction of the metallic material is further improved.
  • the electrically conductive elastomer By using the electrically conductive elastomer, at least two electrical contacts are formed into an elastic heating element. Due to the primary shaping of the heating element in a mold, this can accommodate and mold the electrical conductor in an optimal manner.
  • the electrically conductive elastomer can contain an adhesion promoter in order to carry out the chemical connection to the electrical conductors and/or the electrically insulating coating, whether it is a ceramic material or made of plastic material with at least one polymer.
  • the electrically conductive elastomer will not become detached from the electrical conductors under the influence of mechanical deformations or thermally induced expansions.
  • the inherent elasticity of the heating element proposed according to the invention enables the contact to be maintained and thus a good electrical contact resistance over the service life of the electrically conductive elastomer, which is electrically conductive and acts as a heating resistor.
  • the heating element formed by the electrically insulating coating, the at least two electrical conductors and the preferably cast electrically conductive elastomer, can be shaped, for example, by injection molding, pressing or transfer molding.
  • the electrical insulation with coating is implemented in such a way that it contains at least one polymer, ETFE, E-CTFE, FEP, PFA, PTFE, polyurethane, polyesterimide coatings can be implemented.
  • Epoxy resins, thermal paints, such as silicone resins, phenyl silicone resins, are also resistant to temperatures that can occur with heating elements. These are in the order of 200 °C.
  • Such a coating can be applied, for example, by means of fluidized bed sintering, by electrostatic powder spraying, plasma polymerisation, immersion processes or plastic flame spraying.
  • the electrically insulating coating is designed in such a way that it contains at least one ceramic material, this can be applied to the metallic surface, for example, by anodizing or thermal spraying.
  • An electrically insulating coating with at least one ceramic material is characterized by high thermal conductivity. Furthermore, with an electrically insulating coating designed in this way, there is high-temperature resistance and the thermal shock resistance is excellent, which is of greater importance in the case of heating elements.
  • FIG. 1 shows a first variant of the device proposed according to the invention for heating a medium
  • Figure 2 is a perspective view of a further embodiment of the device according to the invention for heating a medium
  • FIGS. 1 and 2 show a temperature control or monitoring of the device according to FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the device proposed according to the invention in the form of a ring
  • FIG. 5 shows a metallic housing with the device proposed according to the invention for heating a medium in the form of a pot
  • Figure 6 shows a section through the embodiment variant according to Figure 5 and
  • FIG. 7 shows a further embodiment variant of the solution proposed according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first variant of the device proposed according to the invention for heating a medium.
  • the medium to be heated can be, for example, a stream of water or, if the device proposed according to the invention is used in an exhaust gas aftertreatment system, a freezing reducing agent, such as a urea-water solution, which is used in the context of selective catalytic reduction.
  • FIG. 1 shows a housing 10 which is made of a metallic material.
  • the housing 10 encloses a cavity 12 which is delimited by an upper part 14 of the housing 10 and a lower part 16 of the housing 10 .
  • the upper part 14 and the lower part 16 are connected to one another at two opposite connections 18, for example crimped together.
  • the electrically insulating coating 20 is formed on the side of the upper part 14 facing the cavity 12 .
  • the electrically insulating coating 20 may be a coating that includes a ceramic material 24 .
  • the ceramic material 24 has a very high thermal conductivity and also has a high electrical insulation effect. In addition, its resistance to high temperatures and its resistance to thermal shock are excellent, which is of considerable importance in the case of heating elements 32 .
  • the hardness of the ceramic material 24 promotes the formation of an electrically dense layer to a considerable extent.
  • the electrically insulating coating 20, containing a ceramic material 24, has a layer thickness 26 of between 0.2 ⁇ m and 50 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the electrically insulating coating 20, including a ceramic material 24, may be applied to the surface of the top 14 facing the cavity 12, for example, by anodizing or thermal spraying.
  • the electrically insulating coating 20 applied in FIG. 1 on the side of the upper part 14 facing the cavity 12 from a first plastic material 22 which contains at least one polymer.
  • a first plastic material 22 which contains at least one polymer.
  • Such an electrically insulating Coating 20 may be, for example, an ETFE, E-CTFE, FEP, PFA, PTFE, polyurethane, or polyesterimide coating.
  • epoxy resins, thermal lacquers, silicone resins, phenyl silicone resins can be used.
  • An electrically insulating coating 20 designed in this way is characterized by its temperature resistance to temperatures that can occur on heating elements 32, which are in the order of approximately 200°C.
  • Such an electrically insulating coating 20 can be applied, for example, by fluidized bed sintering, by electrostatic powder spraying, by plasma polymerisation, by dipping methods or by plastic flame spraying onto the upper part 14 of the housing 10 made of metallic material, while in the case of electrically insulating coatings 20 which are a ceramic material 24 included, which is applied, for example, by analyzing or thermal spraying on the metallic surface of the upper part 14 of the housing 10 made of metallic material.
  • FIG. 1 there is an electrically conductive elastomer 30 on the electrically insulating coating 20.
  • the electrically conductive elastomer 30 forms a heating element 32.
  • Reference number 34 denotes a contact surface of the electrically insulating coating 20, on which the electrically conductive elastomer 30, which forms the heating element 32.
  • FIG. 1 also shows that the electrical contacting of the electrically conductive elastomer 30 takes place via first and second electrical conductors 40, 42, which are each connected to first and second electrical leads 60, 62 and via these with a here are connected to the power supply, which is no longer shown in FIG.
  • Reference number 56 designates a temperature sensor, with the aid of which an actual temperature of the electrically conductive elastomer 30, which forms the heating element 32, is detected.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the device proposed according to the invention for heating a medium.
  • an electrically insulating coating 20 is applied on a Top of the housing 10, which is made of metallic material.
  • the electrically insulating coating 20 has a layer thickness 26 of between 0.2 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the electrically insulating coating 20 can be produced from a ceramic material 24 or from a first plastic material 22 containing at least one polymer.
  • the electrically insulating coating 20 On top of the electrically insulating coating 20 are applied at least two electrical conductors 40, 42, which are positioned evenly spaced from each other.
  • the at least two electrical conductors 40, 42 can be wide, stripped cable ends, stamped grids, metal fabric strips or free strands or structured stamped grids or stamped grids provided with openings, for example holes.
  • the two electrical conductors 40, 42 can be surrounded, for example encapsulated, by the electrically conductive elastomer 30, which forms the heating element 32, on one side, on several sides or completely on all sides.
  • the heating element 32 shown in FIG. 2 is obtained, for example, in that a closed, d. H. electrically dense, electrically insulating coating 20 is applied. This can be applied at least on one side.
  • the electrically insulating coating 20 can be a ceramic material 24; in addition, there is alternatively the possibility of producing the electrically insulating coating 20 from the first plastic material 22, which has at least one polymer.
  • the at least two electrical conductors 40, 42 are positioned on the electrically insulating coating 20.
  • the electrically conductive elastomer 30 is then applied to the electrically insulating coating 20 and the electrical conductors 40, 42 positioned thereon, preferably poured, so that the electrically conductive elastomer 30 has a good connection both to the electrically insulating coating 20 and to the electrical Ladders 40, 42 received.
  • Such a connection, which has excellent adhesion, is achieved in particular by the primary molding process of casting, since the molecular chains of the cast electrically conductive elastomer 30 in the non-crosslinked state with those made of metallic Material-made electrical conductors 40, 42 and form with the electrically insulating coating 20 excellent adhesion.
  • An electrically insulating layer 50 made of the first plastic material 22 containing at least one polymer can be applied over the electrically conductive elastomer 30, which forms the heating element 32 with this contacting cast-in electrical conductors 40, 42, in order to prevent contact from the outside with the current-carrying electrically conductive elastomer 30 to avoid.
  • the electrically conductive elastomer 30 can, for example, be cast in a mold over the housing 10 made of metallic material and previously provided with the electrically insulating coating 20 .
  • the unit consisting of at least two electrical conductors 40, 42 with an electrically conductive elastomer 30 lying between them results in the heating element 32 having elastic properties.
  • the primary shaping of the casting of the electrically conductive elastomer 30 in the mold allows it to optimally adapt to the at least two electrical conductors 40 , 42 moulding.
  • the electrically conductive elastomer 30 can contain an adhesion promoter in the form in order to improve the chemical connection to the at least two electrical conductors 40, 42 and the electrically insulating coating 20.
  • the use of the electrically conductive elastomer 30 means that it will not become detached from the electrical conductors 40, 42 under mechanical deformations or expansions caused by thermal heating.
  • the elasticity makes it possible to maintain the electrical contact and thus a good electrical contact resistance over the service life of the electrically conductive elastomer 30, which is filled with electrically conductive material and acts as a heating resistor.
  • the heating element 32 can be shaped by injection molding, pressing, transfer molding or other such manufacturing processes.
  • Thermoplastic elastomers, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, fluorine rubber, silicone rubber and the like can be used as the base material as the electrically conductive elastomer 30 to achieve electrical conductivity with conductive fillers such.
  • B. graphite conductive carbon black metal particles or metal fibers or carbon nanotubes are added.
  • the electrical resistivity of the electrically conductive elastomer 30 is between 0.01 ⁇ cm and 500 ⁇ cm, preferably between 0.1 ⁇ cm and 10 ⁇ cm.
  • the electrical conductors 40, 42 embedded in the electrically conductive elastomer 30 are preferably at a constant distance from one another, so that with homogeneously distributed fillers in the electrically conductive elastomer 30, Joule heat develops evenly over the surface of the heating element 32 obtained and to the housing 10 made of metallic material can be distributed evenly.
  • FIG. 3 shows a temperature control or monitoring option with which the temperature can be determined during operation of the device proposed according to the invention for heating a medium.
  • FIG. 3 shows that the heating element 32, formed from electrically conductive elastomer 30, makes electrical contact via electrical conductors 40, 42 (not shown here) and, applied to the electrically insulating coating 20 on the upper side of the housing 10 made of metallic material, generates a heat flow during operation 80 generated. This is delivered to a medium which is thawed or heated.
  • an actual value 78 of a temperature is detected at the input of a controller 90.
  • the controller 90 is acted upon by a specified setpoint value 76 for the temperature and via a switch 72 with a here only schematically indicated voltage source 74 connected. If the switch 72 is closed, voltage is supplied by means of the heating element 32, ie the electrically conductive elastomer 30 applied to the electrically insulating coating 20 is heated, so that the heat flow 80 is produced. If the actual temperature and the target temperature of the heating element 32 match, the voltage supply, ie the connection of the voltage source 74 to the heating element 32, is interrupted by opening the switch 72.
  • FIGS. 4, 5 and 6 show different embodiment variants of the device proposed according to the invention for heating a medium.
  • a housing 82 in the form of a ring is surrounded by a heating element 32 of ring-shaped design.
  • the heating element 32 is formed from the electrically conductive elastomer 30 which is applied to the electrically insulating coating 20 . Electrical contact is made with the electrically conductive elastomer 30 via the first electrical conductor 40 and the second electrical conductor 42.
  • the heating element 32 is surrounded by an electrically insulating layer 50, which is also in the form of a ring here.
  • An axis of symmetry of the housing 82 in the form of a ring is designated by reference numeral 88 .
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of the device proposed according to the invention for heating a medium with a housing 84 in the shape of a pot.
  • the housing 84 in the shape of a pot comprises an annular peripheral flange 86.
  • the electrically insulating coating 20 is applied, on which in turn the electrically conductive elastomer 30 is applied , which is electrically contacted via the first electrical conductor 40 and the second electrical conductor 42.
  • the electrically insulating layer 50 for example made of the first plastic material 22, which contains at least one polymer, so that the current-carrying, electrically conductive elastomer 30 is encapsulated to the outside.
  • FIG. 6 shows a section through the embodiment variant according to FIG. 5, from which the ring-shaped structure of the device proposed according to the invention for heating a medium according to FIG. 5 emerges.
  • the two electrical conductors 40, 42 are embedded in the electrically conductive elastomer 30, which forms the heating element 32.
  • the electrically conductive elastomer 30 is applied to the electrically insulating coating 20, which is in the form of a ring with an interruption in the region of the conductors 40, 42 and which is formed on the outer peripheral surface of a pot-shaped coating Housing 84 is located.
  • a further electrical conductor 44 is formed opposite the interruption in FIG.
  • the electrically insulating coating 20 can be enclosed by an electrically insulating layer 50 made of a second plastic material 52 containing at least one polymer as a casting compound 54 .
  • the electrically conductive elastomer 30 is applied to the electrically insulating coating 20 without interruption.
  • This is located analogously to the embodiment variant according to Figure 6 on the outer peripheral surface of the housing 84, which is indicated here as pot-shaped.
  • the electrically conductive elastomer 30, designed in the form of an uninterrupted ring is covered by an electrically insulating layer 50 made of a second plastic material 52, which is used as a casting compound 54 serves, enclosed.
  • a heating element 32 which contains an electrically conductive elastomer 30, with at least the following method steps being carried out: a) Application of a closed electrically insulating coating 20 containing a ceramic material 24 or a plastic material containing at least one polymer 22, 52, b) arranging at least two electrical conductors 40, 42 on the closed electrically insulating coating 20 and c) casting the at least two electrical conductors 40, 42 with the electrically conductive elastomer 30.
  • the method proposed according to the invention can advantageously ensure that the molecular chains of the electrically conductive elastomer 30 in the non-crosslinked state touch the electrical conductors 40, 42 made of metallic material and the electrically insulating coating 20 and, to a certain extent, fuse with them and produce excellent adhesion. This is no longer possible in the crosslinked state of the molecular chains of the electrically conductive elastomer 30 since the reactive points are no longer available.
  • the electrical conductors 40, 42 can be positioned on the housing 10 made of metallic material, which has previously been provided with the electrically insulating coating 20.
  • the electric Conductive elastomer 30 is cast in a mold over the metallic material housing 10 previously provided with the electrically insulating coating 20 .
  • the unity of the at least two electrical conductors 40, 42 with the electrically conductive elastomer 30 lying between them results in the heating element 32 having elastic properties
  • the electrically conductive elastomer 30 can contain an adhesion promoter in order to improve the chemical connection to the electrical conductors 40, 42 and the electrically insulating coating 20.
  • the electrical conductors 40, 42 can be designed, for example, as stripped cable ends, as structured stamped grids or as stamped grids provided with holes or openings, or as metallic strips.
  • the electrical conductors 40, 42 and metal strips have the advantage of also having flexible properties, so that the heating element 32 obtained, which has elastic properties, retains overall elastic properties and can follow thermally induced expansions.
  • the electrically conductive elastomer 30 penetrates between the strands of the stripped cable or into structures or holes that can be located in the pressed screens.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums mit einem metallischen Gehäuse (10, 82, 84), welches von dem Medium benetzt ist und mit mindestens einem Heizelement (32), das ein elektrisch leitfähiges Elastomer (30) enthält und über elektrische Leiter (40, 42) mit elektrischer Energie versorgt ist. Auf dem metallischen Gehäuse (10, 82, 84) ist, zumindest einseitig, eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung (20), ein keramisches Material (24) enthaltend oder ein zumindest ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial (22, 52) enthaltend, aufgebracht. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Vorrichtung in einem Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder zur Beheizung von Brennstoffzellen.

Description

Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums mit einem Gehäuse, welches von dem Medium benetzt ist, und mit mindestens einem Heizelement, das ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält und über elektrische Leiter mit elektrischer Energie versorgt ist. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung des Heizelementes, das ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Heizelementes als Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder zur Beheizung von Brennstoffzellen.
Stand der Technik
Zur Erwärmung von Körpern oder Medien, wie Gase oder Flüssigkeiten, werden unterschiedlichste Heizsysteme eingesetzt. Metallische Gehäuse bieten aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit einen guten Wärmeübergang ins Medium. Als wärmeerzeugende Heizelemente werden keramische PTC-Heizelemente, metallische Widerstandsheizungen, so z. B. Heizdrähte oder siebgedruckte Metallstrukturen, oder auch Widerstandsheizungen auf Basis elektrisch leitfähiger Kunststoffe eingesetzt. Der elektrische Strom fließt durch diese Heizelemente und erzeugt Joulesche Wärme; er soll jedoch nicht durch ein metallisches Gehäuse in das Medium eingeleitet werden, da hierdurch chemische Reaktionen des Mediums initiiert werden können.
DE 102012 212 798 Al hat ein Heizelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung des Heizelements zum Gegenstand. Das Heizelement umfasst mindestens einen thermoelektrischen Heizkörper, wobei der Heizkörper zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und der Heizkörper über mindestens zwei Leiterbahnen mit elektrischer Energie versorgt ist. Die Leiterbahnen werden mittels eines thermischen Spritzgießverfahrens, insbesondere Plasmaspritzen gemäß DIN 657, ausgeführt. Infolge der thermisch aufgespritzten Leiterbahnen ergibt sich eine gute elektrische Anbindung der Leiterbahnen an leitfähige Partikel innerhalb einer Matrix des Leitmaterials des Heizkörpers. Ferner ergibt sich eine mechanisch belastbare Anbindung der Leiterbahnen an den Heizkörper. Dem Heizkörper kann eine Vielzahl dreidimensionaler Formen verliehen werden, so dass sich für das Heizelement eine Vielzahl von Anwendungen ergibt. So kann der Heizkörper beispielsweise die Gestalt einer rohrartigen Fluidleitung annehmen, so dass das Heizelement neben seiner eigentlichen Heizfunktion zugleich auch andere konstruktiv vorgegebene Aufgaben erfüllt. Aufgrund dieser Funktionsintegration beziehungsweise Mehrfachfunktionalität ergeben sich beim Einsatz signifikante konstruktive Vereinfachungen.
Auf Basis von Elastomeren lassen sich ebenfalls Heizelemente hersteilen.
EP 0 820214 Bl bezieht sich auf selbstregelndes elektrisches Heizelement in Form einer Kartusche oder eines Probenröhrchens. Ein elektrisches Widerstandsheizelement, vorzugsweise ausgeführt in zylindrischer oder prismatischer Form, umfasst einen oder mehrere Widerstandsleiter, welche an eine Hauptversorgung durch ein System von zwei oder mehreren Elektroden angeschlossen sind. Die Leiter sind aus einem leitenden Kompositmaterial mit polymerer Matrix mit Widerstandsfunktion hergestellt, welche in einem derartigen Verhältnis von Materialen formuliert sind, dass ein elektrischer Widerstand mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) bei Betriebstemperatur erreicht wird. Die Leiter und die Elektroden sind zumindest auf einem Kern angeordnet, der aus Isolationsmaterialien hergestellt ist, wobei das Kompositmaterial durch eine Mischung eines polymeren Binders, vorzugsweise eines thermoplastischen Materials, mit einem elektrisch leitenden Füllstoff und einem möglichen zusätzlichen Zusatzstoff geformt wird. Dadurch werden spezielle physikalisch chemische Eigenschaften erzeugt, wobei der polymere Binder durch ein oder mehrere Polymere, der leitende Füllstoff durch ein leitendes Pulver in Form mikrometrischer Teilchen gebildet ist. Diese weisen einen elektrischen Widerstandswert auf, der mit dem Volumenverhältnis des leitenden Pulvers abnimmt und einen stark positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes in einem bestimmten Bereich des Kompositmaterials ermöglicht. Die Elektroden sind durch metallische Materialien, wie beispielsweise Folien, Platten, leitende Überzugsschichten, so zum Beispiel Tinten, Lacke und dergleichen, gebildet.
Die Widerstandsleiter sind als Streifen oder in anderen Formen ausgeführt. Diese sind auf der Außenfläche des Kerns angeordnet oder direkt auf dem Kern ausgebildet, wobei die Leiter elektrisch mit den Elektroden in einer derartigen Anordnung verbunden sind, dass ein axialer Stromfluss in den Leitern entsteht. Die Anbindung der Elektroden auf das leitfähige Elastomer, bei dem Wärme erzeugt wird, ist nicht befriedigend gelöst.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums vorgeschlagen, mit einem Gehäuse, welches von dem Medium benetzt ist, und mit mindestens einem Heizelement, das ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält und über elektrische Leiter mit elektrischer Energie versorgt ist, wobei auf dem metallischen Gehäuse zumindest einseitig eine geschlossene elektrisch isolierende Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend oder ein zumindest ein Polymer enthaltendes Kunststoff material enthaltend, aufgebracht ist.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine gute Verbindung des elektrisch leitfähigen Elastomers sowohl mit der elektrisch isolierenden Beschichtung als auch mit den elektrischen Leitern hergestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung ist das mindestens ein Polymer enthaltende Kunststoffmaterial ausgewählt aus einer Gruppe enthaltend: ETFE-, E-CTFE-, FEP-, PFA-, PTFE-, Polyurethan-, Polyesterimid-Beschichtungen, Epoxidharze, Thermolacke, Silikonharze, Phenylsilikonharze. Alternativ besteht die Möglichkeit, die elektrisch isolierende Beschichtung so auszubilden, dass diese ein keramisches Material enthält, wobei dieses beispielsweise aus der Gruppe Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid, Silikate, Borcarbid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Titannitrid oder Mischformen selbiger oder weiterer Keramiken ausgewählt ist. In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann das elektrisch leitfähige Elastomer ausgewählt werden aus einer Gruppe enthaltend: EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke. Um eine elektrische Leitfähigkeit des Elastomers zu erzielen, werden ein oder mehrere leitfähige Füllstoffe, wie Graphit, Leitruße, Metallpartikel, Metallfasern oder Carbon Nanotubes dem Elastomer beigemischt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers zwischen 0,01 Qcm und 500 Qcm, insbesondere zwischen 0,1 Qcm und 100 Qcm.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt die Schichtdicke der geschlossenen, elektrisch isolierenden Beschichtung im Bereich zwischen 0,2 pm und 500 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 50 pm.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung umfasst des Weiteren mindestens zwei elektrische Leiter, die als Drähte, abisolierte Kabelenden, Stanzgitter, Metallgewebebänder, metallische Streife, strukturierte Stanzgitter, mit Öffnung versehene Stanzgitter ausgestaltet sein können.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes, welches ein elektrisch leitfähiges Elastomer enthält, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aufbringen einer geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend oder ein mindestens ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial enthaltend, b) Anordnen mindestens zweier elektrischer Leiter auf der geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung und c) Umgießen der mindestens zwei elektrischen Leiter mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise eine gute Verbindung des elektrisch leitfähigen Elastomers sowohl mit der elektrisch isolierenden Beschichtung als auch mit den auf diese aufgebrachten Kontaktleitern erzeugt werden. Diese hervorragende Verbindung wird durch den Prozess des Umgießens erreicht, da die Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers im unvernetzten Zustand sowohl mit den metallischen Kontaktleitern als auch mit der elektrisch isolierenden Beschichtung eine wesentlich verbesserte Haftung erzeugen. Im vernetzten Zustand jedoch stehen die reaktiven Stellen nicht mehr zur Verfügung, so dass eine nur unzureichende Verbindung mit anderen Komponenten erzeugt werden kann, was durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung in vorteilhafter Weise ausgeschlossen ist.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann auf das gemäß den Verfahrensschritten a) bis c) erhaltene Heizelement eine elektrisch isolierende Schicht aus einem Kunststoffmaterial aufgetragen werden. Dadurch kann ein Kontakt von außen mit dem stromführenden Elastomer ausgeschlossen werden. Es kann auch ein elektrisch isolierendes Gehäuse über das Heizelement montiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sind die mindestens zwei elektrischen Leiter einseitig oder mehrseitig oder vollständig von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Elastomer umgossen oder alternativ besteht die Möglichkeit, bei der Urformung beziehungsweise dem Gießen des elektrisch leitfähigen Elastomers Stützstellen in der Gussform oder im Metallgehäuse zur Fixierung der mindestens zwei elektrischen Leiter vorzusehen.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden bei Durchführung des Verfahrensschrittes c) Molekülketten im unvernetzten Zustand des elektrisch leitfähigen Elastomers mit den mindestens zwei elektrischen Leitern und der elektrisch isolierenden Beschichtung, hergestellt gemäß Verfahrensschritt a) eine hervorragende Haftung bildend, erzeugt.
In vorteilhafter Weise kann durch das Verfahren bei Durchführung des Verfahrensschrittes a) eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend durch Anodisieren oder thermisches Spritzgießen, erzeugt werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit bei Durchführung des Verfahrensschrittes a) beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine geschlossene elektrisch isolierende Beschichtung mit einem ein mindestens ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial zu erzeugen, was durch Wirbelsintern, elektrostatisches Pulverspritzen, Plasmapolimerisation durch ein Tauchverfahren oder durch Kunststoffspannspritzen erfolgen kann.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Heizelementes als Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder als eine Heizung für Brennstoffzellenkomponenten. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt in der Herstellung eines Heizelementes für Durchlauferhitzer für Abgasnachbehandlungssysteme zum Auftauen und/oder eines gefrierfähigen Reduktionsmittels oder eines Flächenheizelementes.
Des Weiteren kann das Heizelement aus elektrisch leitfähigem Elastomer zunächst nur an die elektrischen Kontakte angegossen werden und in einem zweiten Prozessschritt auf die isolierende Oberfläche aufgebracht werden. Die Verbindung zwischen dem Heizelement und dem isolierend beschichteten Metallgehäuse kann mit Hilfe von Kleber insbesondere thermisch leitfähigen Klebern oder einem zum Heizelement gleichen oder kompatiblen elektrisch leitfähigem Elastomer geschehen. In diesem besonderen Fall kann die Aushärtung beziehungsweise Vernetzung eines solchen Klebers oder Elastomers über das Betreiben des Heizelements thermisch initiiert und beschleunigt werden.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise eine hervorragende Verbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Elastomer einerseits und den auf die elektrisch isolierende Beschichtung aufgebrachten mindestens zwei elektrischen Leitern andererseits erzeugt werden. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann sowohl als eine Beschichtung ausgeführt werden, die ein keramisches Material enthält; sie kann alternativ auch als eine elektrisch isolierende Beschichtung ausgeführt sein, welche mindestens ein Polymer enthält. Entscheidend ist die beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren gegebene Möglichkeit, bei einem Urformverfahren, wie insbesondere dem Gießen, durch die noch unvernetzten Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers mit den elektrischen Leitern sowie der elektrisch isolierenden Beschichtung eine hervorragende Haftung zu erzeugen, was im vernetzten Zustand der Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers aufgrund der fehlenden reaktiven Stellen nicht mehr möglich ist. Optional besteht die Möglichkeit, über ein derart erhaltenes Heizelement in einem weiteren Prozessschritt eine elektrisch isolierende Schicht aus Kunststoffmaterial aufzutragen, um einen Kontakt von außen mit dem stromführenden elektrisch leitfähigen Elastomer zu vermeiden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des metallischen Gehäuses ein guter Wärmeübergang erzeugt werden; es kann insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der Jouleschen Wärme, die über das elektrisch leitfähige Elastomer erzeugt wird, über die gesamte Oberfläche erreicht werden.
Für den Fall, dass die elektrisch isolierende Beschichtung mit einem keramischen Material erzeugt wird, ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erwarten. Ferner hat eine derartig erzeugte Schicht eine hohe Temperaturbeständigkeit und ist temperaturschockbeständig, was bei Heizelementen von großer Bedeutung ist. Die Härte einer beispielsweise elektrisch isolierenden Beschichtung, ein keramisches Material enthaltend, fördert die Geschlossenheit, d. h. eine elektrisch dichte Schicht. Aufgrund der geringen Dicke einer derartigen elektrisch isolierenden Beschichtung zwischen 0,2 pm bis 500 pm beziehungsweise zwischen 1 pm und 50 pm wird die Wärmeleitung des metallischen Materials nochmals verbessert.
Durch den Einsatz des elektrisch leitfähigen Elastomers werden mindestens zwei elektrische Kontakte zu einem elastischen Heizelement geformt. Durch die Urformung des Heizelementes in einer Form, kann diese in optimaler Weise den elektrischen Leiter aufnehmen und anformen. Das elektrisch leitfähige Elastomer kann einen Haftvermittler enthalten, um die chemische Anbindung an die elektrischen Leiter und beziehungsweise oder die elektrisch isolierende Beschichtung, sei es ein keramisches Material, sei sie aus Kunststoffmaterial mit mindestens einem Polymer gefertigt, auszuführen.
Das elektrisch leitfähige Elastomer wird sich unter Einwirkung mechanischer Deformationen oder thermisch bedingter Ausdehnungen nicht von den elektrischen Leitern ablösen. Die dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelement innewohnende Elastizität ermöglicht eine Erhaltung des Kontaktes und damit einen über Lebensdauer guten elektrischen Kontaktwiderstand des elektrisch leitfähigen Elastomers, der elektrisch leitfähig ist und als Heizwiderstand fungiert. Die Formgebung des Heizelementes, gebildet durch die elektrisch isolierende Beschichtung, die mindestens zwei elektrischen Leiter und das bevorzugt vergossene elektrisch leitfähige Elastomer, kann beispielweise durch Spritzgießen, Pressen oder Transfermolding erfolgen.
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Matrixwerkstoff des Elastomers und den leitfähigen Partikeln im elektrisch leitfähigen Elastomer ist eine Selbstabregelungsmöglichkeit gegeben. Durch einen dadurch entstehenden PTC- Effekt sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Materials und somit die Joulesche Erwärmung, so dass die Temperatur des Heizelementes begrenzt bleibt. Dies hat Vorteile bei der Anwendung und Ansteuerung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelements.
Wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die elektrische Isolierung mit Beschichtung so ausgeführt, dass sie mindestens ein Polymer enthält, so können ETFE-, E-CTFE-, FEP-, PFA-, PTFE-, Polyurethan-, Polyesterimid-Beschichtungen verwirklicht werden. Auch Epoxidharze, Thermolacke, wie zum Beispiel Silikonharze, Phenylsilikonharze, sind beständig gegenüber Temperaturen, wie sie bei Heizelementen auftreten können. Diese liegen in der Größenordnung von 200 °C. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise im Wege des Wirbelsinterns, durch elektrostatisches Pulverspritzen, Plasmapolymerisation, Tauchverfahren oder Kunststoffflammspritzen aufgebracht werden.
Wird die elektrisch isolierende Beschichtung hingegen derart ausgebildet, dass diese mindestens ein Keramikmaterial enthält, so kann dieses zum Beispiel über Anodisieren oder thermisches Spritzen auf die metallische Oberfläche aufgetragen werden. Eine elektrisch isolierende Beschichtung mit mindestens einem keramischen Material zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Des Weiteren ist bei einer derartig ausgebildeten elektrisch isolierenden Beschichtung eine Hochtemperaturbeständigkeit gegeben und die Temperaturschockbeständigkeit ist hervorragend, was bei Heizelementen von größerer Bedeutung ist. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehend beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums,
Figur 3 eine Temperaturregelung beziehungsweise Überwachung der Vorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2,
Figur 4 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung in Ringform ausgeführt,
Figur 5 ein metallisches Gehäuse mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums in Topfform,
Figur 6 einen Schnitt durch die Ausführungsvariante gemäß Figur 5 und
Figur 7 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur in schematischer Weise dar. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums. Bei dem zu erwärmenden Medium kann es sich beispielsweise um einen Wasserstrom handeln oder, im Falle eines Einsatzes der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung an einem Abgasnachbehandlungssystem, um ein gefrierfähiges Reduktionsmittel, wie beispielsweise eine Harnstoffwasserlösung, die im Rahmen der selektiven katalytischen Reduktion zum Einsatz kommt.
Figur 1 ist ein Gehäuse 10 zu entnehmen, welches aus einem metallischen Material gefertigt ist. Das Gehäuse 10 umschließt einen Hohlraum 12, der durch ein Oberteil 14 des Gehäuses 10 sowie ein Unterteil 16 des Gehäuses 10 begrenzt ist. Das Oberteil 14 und das Unterteil 16 sind an zwei einander gegenüberliegenden Verbindungen 18 miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verbördelt.
An der dem Hohlraum 12 zuweisenden Seite des Oberteiles 14 ist eine elektrisch isolierende Beschichtung 20 ausgebildet. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann eine Beschichtung sein, die ein keramisches Material 24 enthält. Das keramische Material 24 weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf und hat zudem eine hohe elektrische Isolierungswirkung. Außerdem sind dessen Hochtemperaturbeständigkeit sowie dessen Temperaturschockbeständigkeit hervorragend, was bei Heizelementen 32 von erheblicher Bedeutung ist. Die Härte des keramischen Materials 24 begünstigt es in einem erheblichen Maße, eine elektrisch dichte Schicht auszubilden. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20, ein keramisches Material 24 enthaltend, ist in einer Schichtdicke 26 ausgeführt, die zwischen 0,2 pm bis 50 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 10 pm, liegt. Aufgrund der geringen Schichtdicke 26 des keramischen Materials 24 kann entstehende Joulesche Wärme sehr gut an das Metall des aus metallischem Material gefertigten Gehäuses 10 abgeleitet werden. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20, ein keramisches Material 24 enthaltend, kann beispielsweise durch Anodisieren oder thermisches Spritzen auf die Oberfläche des Oberteiles 14, die den Hohlraum 12 zuweist, aufgetragen werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die in Figur 1 an der dem Hohlraum 12 zuweisenden Seite des Oberteiles 14 aufgebrachte elektrisch isolierende Beschichtung 20 aus einem ersten Kunststoffmaterial 22 auszubilden, welches mindestens ein Polymer enthält. Eine derartige elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann beispielsweise eine ETFE-, eine E-CTFE, eine FEP-, eine PFA-, eine PTFE-, eine Polyurethan- oder Polyesterimid-Beschichtung sein. Ferner können Epoxidharze, Thermolacke, Silikonharze, Phenylsilikonharze eingesetzt werden. Eine derartig ausgebildete elektrisch isolierende Beschichtung 20 zeichnet sich durch ihre Temperaturbeständigkeit gegenüber Temperaturen, die an Heizelementen 32 auftreten können, aus, die in der Größenordnung von circa 200 °C liegen.
Eine derartige elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann beispielsweise durch Wirbelsintern, durch elektrostatisches Pulverspritzen, durch Plasmapolymerisation, durch Tauchverfahren oder durch Kunststoffflammspritzen auf das Oberteil 14 des aus metallischem Material gefertigten Gehäuses 10 aufgetragen werden, während im Falle von elektrisch isolierenden Beschichtungen 20, die ein keramisches Material 24 enthalten, dessen Auftrag beispielsweise durch Analysieren oder thermisches Spritzen auf die metallische Oberfläche des aus metallischem Material gefertigten Oberteiles 14 des Gehäuses 10 erfolgt.
Wie aus Figur 1 des Weiteren hervorgeht, befindet sich ein elektrisch leitfähiges Elastomer 30 auf der elektrisch isolierenden Beschichtung 20. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 bildet ein Heizelement 32. Mit Bezugszeichen 34 ist eine Kontaktfläche der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 bezeichnet, auf der sich das elektrisch leitfähige Elastomer 30 befindet, welche das Heizelement 32 bildet.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht des Weiteren hervor, dass die elektrische Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 über erste und zweite elektrische Leiter 40, 42 erfolgt, die jeweils an erste und zweite elektrische Zuleitungen 60, 62 angeschlossen sind und über diese mit einer hier in Figur 1 nicht mehr dargestellten Spannungsversorgung verbunden sind. Bezugszeichen 56 bezeichnet einen Temperatursensor, mit dessen Hilfe eine Ist-Temperatur des elektrisch leitfähigen Elastomers 30, welcher das Heizelement 32 bildet, erfasst wird.
Der Darstellung gemäß Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums zu entnehmen. Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass auf eine Oberseite des Gehäuses 10, welches aus metallischem Material gefertigt ist, eine elektrisch isolierende Beschichtung 20 aufgebracht ist. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20 ist in der Schichtdicke 26 ausgeführt, die zwischen 0,2 pm bis 500 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 50 pm, beträgt. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann, wie vorstehend im Zusammenhang mit Figur 1 bereits beschrieben, aus einem keramischen Material 24 oder aus einem mindestens ein Polymer enthaltenden ersten Kunststoffmaterial 22 gefertigt sein.
Auf die Oberseite der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 werden mindestens zwei elektrische Leiter 40, 42, die gleichmäßig voneinander beabstandet positioniert werden, aufgebracht. Bei den mindestens zwei elektrischen Leitern 40, 42 kann es sich um breite, abisolierte Kabelenden, um Stanzgitter, um Metallgewebebänder oder um freie Litzen oder strukturierte beziehungsweise mit Öffnungen, beispielsweise Löchern versehene Stanzgitter handeln. Die beiden elektrischen Leiter 40, 42 können einseitig, mehrseitig oder komplett von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30, welches das Heizelement 32 bildet, umgeben, beispielsweise umgossen, sein. Das in Figur 2 dargestellte Heizelement 32 wird beispielsweise dadurch erhalten, dass auf das Gehäuse 10 aus metallischem Material, welches beispielsweise in Form einer Platte als Rohr oder als Behältnis aus Metall ausgebildet sein kann, eine geschlossene, d. h. elektrisch dichte, elektrisch isolierende Beschichtung 20 aufgebracht wird. Diese kann mindestens einseitig aufgebracht sein. Bei der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 kann es sich um ein keramisches Material 24 handeln; daneben besteht alternativ die Möglichkeit, die elektrisch isolierende Beschichtung 20 aus dem ersten Kunststoff material 22 herzustellen, welches mindestens ein Polymer aufweist.
Auf die elektrisch isolierende Beschichtung 20 werden die mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 positioniert. Im Anschluss wird auf die elektrisch isolierende Beschichtung 20 und die darauf positionierten elektrischen Leiter 40, 42 das elektrisch leitfähige Elastomer 30 aufgebracht, vorzugsweise aufgegossen, so dass das elektrisch leitfähige Elastomer 30 eine gute Verbindung sowohl mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 als auch mit den elektrischen Leitern 40, 42 eingeht. Eine derartige, eine hervorragende Haftung aufweisende, Verbindung wird insbesondere durch den Urformprozess des Gießens erreicht, da die Molekülketten des vergossenen elektrisch leitfähigen Elastomers 30 im unvernetzten Zustand mit den aus metallischem Material gefertigten elektrischen Leitern 40, 42 sowie mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 eine hervorragende Haftung bilden.
Eine derartige Haftung lässt sich im vernetzten Zustand der Molekülketten nicht mehr erreichen, da die reaktiven Stellen im vernetzten Zustand des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 nicht mehr zur Verfügung stehen, um eine Verbindung mit anderen Komponenten einzugehen.
Über das elektrisch leitfähige Elastomer 30, welches das Heizelement 32 mit dieses kontaktierenden eingegossenen elektrischen Leitern 40, 42 bildet, kann eine elektrisch isolierende Schicht 50 aus dem mindestens ein Polymer enthaltenden ersten Kunststoff material 22 aufgetragen werden, um einen Kontakt des von der Außenseite her mit dem stromführenden elektrisch leitfähigem Elastomer 30 zu vermeiden.
Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 kann beispielsweise in einer Form über das zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 versehene, aus metallischem Material gefertigte Gehäuse 10 gegossen werden. Die Einheit aus mindestens zwei elektrischen Leitern 40, 42 mit zwischen diesen liegenden elektrisch leitfähigem Elastomer 30 ergibt das elastische Eigenschaften aufweisende Heizelement 32. Durch die Urformung des Gießens des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 in der Form kann sich dieses optimal an die mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 anformen. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 kann in der Form einen Haftvermittler enthalten, um die chemische Anbindung an die mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 und die elektrisch isolierende Beschichtung 20 zu verbessern. Durch die Verwendung des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 wird sich dieses auch nicht unter mechanischen Deformationen oder Ausdehnungen, hervorgerufen durch thermische Erwärmung, von den elektrischen Leitern 40, 42 ablösen. Die Elastizität ermöglicht eine Erhaltung des elektrischen Kontaktes und damit eines über die Lebensdauer gesehen guten elektrischen Kontaktwiderstands des elektrisch leitfähigen Elastomers 30, das elektrisch leitfähig gefüllt ist und als Heizwiderstand fungiert. Die Formgebung des Heizelements 32 kann durch Spritzgießen, Pressen, Transfermolding oder weitere derartige Fertigungsverfahren erfolgen. Als elektrisch leitfähiges Elastomer 30 können als Basiswerkstoff thermoplastische Elastomere, EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke und dergleichen eingesetzt werden, welche zur Erreichung der elektrischen Leitfähigkeit mit leitfähigen Füllstoffen, wie z. B. Graphitleitrußmetallpartikeln oder Metallfasern oder Carbon Nanotubes, versetzt sind.
Der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 liegt zwischen 0.01 Qcm und 500 Qcm, bevorzugt zwischen 0,1 Qcm und 10 Qcm. Bevorzugt haben die in dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30 eingebetteten elektrischen Leiter 40, 42 zueinander einen konstanten Abstand, so dass bei homogen verteilten Füllstoffen im elektrisch leitfähigen Elastomer 30 gleichmäßig über die Fläche des erhaltenen Heizelements 32 Joulesche Wärme entwickelt und an das Gehäuse 10 aus metallischem Material gleichmäßig verteilt werden kann.
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen dem Matrixwerkstoff und den leitfähigen Partikeln im elektrisch leitfähigen Elastomer 30, kann eine Selbstabregelung erreicht werden. Dieser PTC- Effekt limitiert die Leitfähigkeit des Materials und grenzt damit auch die Temperatur des Heizelementes 32 ab.
Figur 3 ist eine Temperaturregelungs- beziehungsweise Überwachungsmöglichkeit zu entnehmen, mit welcher im Betrieb der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums die Temperatur ermittelt werden kann. Figur 3 zeigt, dass das Heizelement 32, gebildet aus elektrisch leitfähigem Elastomer 30, über hier nicht dargestellte elektrische Leiter 40, 42 elektrisch kontaktiert und, auf der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 auf der Oberseite des Gehäuses 10 aus metallischem Material aufgebracht, bei Betrieb einen Wärmestrom 80 erzeugt. Dieser wird an ein Medium abgegeben, welches aufgetaut beziehungsweise erwärmt wird. Gemäß der skizzenhaften Darstellung in Figur 3 erfolgt eine Erfassung eines Ist-Wertes 78 einer Temperatur am Eingang eines Reglers 90. Der Regler 90 ist andererseits mit einer Soll-Wert-Vorgabe 76 für die Temperatur beaufschlagt und über einen Schalter 72 mit einer hier nur schematisch angedeuteten Spannungsquelle 74 verbunden. Im Falle des Schließens des Schalters 72 erfolgt eine Spannungsversorgung mittels des Heizelementes 32, d. h. das elektrisch leitfähige Elastomer 30, aufgebracht auf der elektrisch isolierenden Beschichtung 20, wird erwärmt, so dass der Wärmestrom 80 entsteht. Stimmen die Ist-Temperatur und die Soll-Temperatur des Heizelements 32 überein, wird die Spannungsversorgung, d. h. die Verbindung der Spannungsquelle 74 mit dem Heizelement 32 durch Öffnen des Schalters 72 unterbrochen.
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums.
Figur 4 ist zu entnehmen, dass ein Gehäuse 82 in Ringform von einem ringförmig ausgebildeten Heizelement 32 umschlossen ist. Das Heizelement 32 wird aus dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30 gebildet, das auf der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 aufgebracht ist. Eine elektrische Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 erfolgt über den ersten elektrischen Leiter 40 sowie den zweiten elektrischen Leiter 42. Das Heizelement 32 ist von einer ebenfalls hier in Ringform ausgebildeten elektrisch isolierenden Schicht 50 umschlossen. Mit Bezugszeichen 88 ist eine Symmetrieachse des Gehäuses 82 in Ringform bezeichnet.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums mit einem Gehäuse 84 in Topfform. Bei dieser Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums umfasst das Gehäuse 84 in Topfform einen ringförmig umlaufend ausgebildeten Flansch 86. Auf der Außenseite des Gehäuses 84 in Topfform ist die elektrisch isolierende Beschichtung 20 aufgebracht, auf der wiederum das elektrisch leitfähige Elastomer 30 aufgebracht wird, welches über den ersten elektrischen Leiter 40 sowie den zweiten elektrischen Leiter 42 elektrisch kontaktiert ist. Diese wiederum sind von der elektrisch isolierenden Schicht 50 umschlossen, beispielsweise aus dem ersten Kunststoffmaterial 22, welches zumindest ein Polymer enthält, so dass das stromführende elektrisch leitfähige Elastomer 30 nach außen hin gekapselt ist.
Figur 6 zeigt einen Schnitt durch die Ausführungsvariante gemäß Figur 5, aus der der ringförmige Aufbau der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums gemäß Figur 5 hervorgeht. Die beiden elektrischen Leiter 40, 42 sind in das elektrisch leitfähige Elastomer 30 eingebettet, welches das Heizelement 32 bildet. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 ist auf der in Ringform mit einer Unterbrechung im Bereich der Leiter 40, 42 ausgebildeten elektrisch isolierenden Beschichtung 20 aufgebracht, die sich auf der äußeren Umfangsfläche eines hier topfförmig gebildeten Gehäuses 84 befindet. Der Unterbrechung gegenüberliegend ist in Figur 6 ein weiterer elektrischer Leiter 44 ausgebildet. Die elektrisch isolierende Beschichtung 20 kann mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 50 aus einem zweiten zumindest ein Polymer enthaltenden Kunststoffmaterial 52 als Vergussmasse 54 umschlossen sein.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 7 ist das elektrisch leitfähige Elastomer 30 unterbrechungslos auf die elektrisch isolierende Beschichtung 20 aufgebracht. Diese befindet sich analog zu der Ausführungsvariante gemäß Figur 6 auf der äußeren Umfangsfläche des hier topfförmig angedeuteten Gehäuses 84. Auch hier ist das elektrisch leitfähige Elastomer 30, in unterbrechungsloser Ringform ausgeführt, von einer elektrisch isolierenden Schicht 50 aus einem zweiten Kunststoffmaterial 52, welches als Vergussmasse 54 dient, umschlossen.
Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Herstellungsverfahren wird ein Heizelement 32 erhalten, welches ein elektrisch leitfähiges Elastomer 30 enthält, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Aufbringen einer geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung 20, ein keramisches Material 24 enthaltend oder ein mindestens ein Polymer enthaltendes Kunststoff material 22, 52 enthaltend, b) Anordnen mindestens zweier elektrischer Leiter 40, 42 auf der geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung 20 und c) Vergießen der mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer 30.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 im unvernetzten Zustand die elektrischen Leiter 40, 42 aus metallischem Material sowie die elektrisch isolierende Beschichtung 20 berühren und mit dieser gewissermaßen verschmelzen und eine hervorragende Haftung erzeugen. Dies ist im vernetzten Zustand der Molekülketten des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 nicht mehr möglich, da die reaktiven Stellen nicht mehr zur Verfügung stehen.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können die elektrischen Leiter 40, 42 auf das zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 versehene Gehäuse 10 aus metallischem Material positioniert werden. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 wird in einer Form über das zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 20 versehene Gehäuse 10 aus metallischem Material gegossen. Die Einheit der mindestens zwei elektrischen Leiter 40, 42 mit zwischen diesen liegendem elektrisch leitfähigem Elastomer 30 ergibt das elastische Eigenschaften aufweisende Heizelement 32. Durch die Urformung, d. h. das
Gießen des elektrisch leitfähigen Elastomers 30 in der Form, kann dieses sich optimal an die Geometrie der elektrischen Leiter 40, 42 anformen. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 kann einen Haftvermittler enthalten, um die chemische Anbindung an die elektrischen Leiter 40, 42 und die elektrische isolierende Beschichtung 20 zu verbessern.
Die elektrischen Leiter 40, 42 können beispielsweise als abisolierte Kabelenden ausgeführt sein, als strukturierte Stanzgitter oder als mit Löchern beziehungsweise Öffnungen versehene Stanzgitter oder als metallische Streifen ausgebildet sein. Die elektrischen Leiter 40, 42 sowie metallische Streifen haben den Vorteil, ebenfalls flexible Eigenschaften aufzuweisen, so dass das erhaltene elastische Eigenschaften aufweisende Heizelement 32 insgesamt elastische Eigenschaften beibehält und thermisch bedingten Ausdehnungen folgen kann. Das elektrisch leitfähige Elastomer 30 dringt bei seiner Formgebung, insbesondere beim Vergießen, zwischen die Litze der abisolierten Kabel oder in Strukturen beziehungsweise Löcher, die sich in den Stanzgittern befinden können, ein.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erwärmung eines Mediums mit einem Gehäuse (10, 82, 84), welches von dem Medium benetzt ist, und mit mindestens einem Heizelement (32), das ein elektrisch leitfähiges Elastomer (30) enthält und über elektrische Leiter (40, 42) mit elektrischer Energie versorgt ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem metallischen Gehäuse (10, 82, 84) zumindest einseitig eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung (20), ein keramisches Material (24) enthaltend, oder ein zumindest ein Polymer enthaltendes Kunststoffmaterial (22, 52) aufgebracht ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Polymer enthaltende Kunststoffmaterial (22, 52) ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend:
ETFE-, E-CTFE-, FEP-, PFA-, PTFE-, Polyurethan-, Polyesterimid- Beschichtungen, Epoxidharze, Thermolacke, Silikonharze, Phenylsilikonharze.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material (24) ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid, Silikate, Borcarbid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Titannitrid oder Mischformen selbiger oder weiterer Keramiken.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Elastomer (30) ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend:
EPDM, NBR, NR, SBR, HNBR, Fluorkautschuke, Silikonkautschuke mit leitfähigen Füllstoffen, wie Graphit, Leitruße, Metallpartikel, Metallfasern oder Carbon Nanotubes.
5. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers (30) zwischen 0,01 Qcm und 500 Qcm, insbesondere zwischen 0,1 Qcm und 10 Qcm liegt.
6. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (26) der geschlossenen, elektrisch dichten isolierenden Beschichtung (20) im Bereich zwischen 0,2 pm und
500 pm, bevorzugt zwischen 1 pm und 50 pm liegt.
7. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei elektrischen Leiter (40, 42) als Drähte, ab isolierte Kabelenden, Stanzgitter, Metallgewebebänder, metallische Streifen, strukturierte Stanzgitter oder als mit Öffnung versehene Stanzgitter gestaltet sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes (32), welches ein elektrisch leitfähiges Elastomer (30) enthält, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten:
(a) Aufbringen einer geschlossenen elektrisch isolierenden
Beschichtung (20), ein keramisches Material (24) enthaltend oder ein mindestens ein Polymermaterial enthaltendes Kunststoffmaterial (22, 52) enthaltend, b) Anordnen mindestens zweier elektrischer Leiter (40, 42) auf der geschlossenen, elektrisch isolierenden Beschichtung (20) und c) Umgießen der mindestens zwei elektrischen Leiter (40, 42) mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer (30).
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf das gemäß den Verfahrensschritten a) bis c) erhaltene Heizelement (32) eine elektrisch isolierende Schicht (50) aus einem zumindest ein Polymer enthaltenden Kunststoff material (22, 52) aufgetragen wird.
10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei elektrischen Leiter (40, 42) einseitig, mehrseitig oder vollständig von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Elastomer (30) umschlossen sind oder im elektrisch leitfähigen Elastomer (30) Stützstellen zur Fixierung der mindestens zwei elektrischen Leiter (40, 42) freigelassen werden.
11. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Durchführung des Verfahrensschrittes c) Molekülketten im unvernetzten Zustand des elektrisch leitfähigen Elastomers (30) mit den mindestens zwei elektrischen Leitern (40, 42) und der elektrisch isolierenden Beschichtung (20), hergestellt gemäß Verfahren a), eine Haftung erzeugen.
12. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt a) eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung (20), ein keramisches Material (24) enthaltend, durch Anodisieren oder thermisches Spritzen aufgetragen wird.
13. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt a) eine geschlossene, elektrisch isolierende Beschichtung (20), ein ein Polymer enthaltendes Kunststoff material (22, 52) enthaltend, durch Wirbelsintern, elektrostatisches Pulverspritzen, Plasmapolymerisation, Tauchverfahren oder durch Kunststoff- Flammspritzen erzeugt wird.
14. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (32) aus elektrisch leitfähigen Elastomer (30) auf eine elektrisch isolierende Beschichtung (20) aufgebracht insbesondere mittels eines thermisch leitfähigen Klebers oder einem zum Heizelement (32) gleichen oder kompatiblen elektrisch leitfähigen Elastomer (30) verklebt wird.
15. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Durchlauferhitzer, als Tankheizelement, als Flächenheizelement oder zur Beheizung von Brennstoffzellen.
16. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14 zur Herstellung eines Heizelementes (32) für Durchlauferhitzer, für Abgasnachbehandlungssysteme zum Auftauen und/oder Beheizen eines gefrierfähigen Reduktionsmittels oder eines Flächenheizelementes.
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