WO2023232339A1 - Verfahren zur herstellung eines heizelements und heizelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines heizelements und heizelement Download PDF

Info

Publication number
WO2023232339A1
WO2023232339A1 PCT/EP2023/060070 EP2023060070W WO2023232339A1 WO 2023232339 A1 WO2023232339 A1 WO 2023232339A1 EP 2023060070 W EP2023060070 W EP 2023060070W WO 2023232339 A1 WO2023232339 A1 WO 2023232339A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating element
electrically conductive
contacts
heating
silicone rubber
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/060070
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Guido Bernd Finnah
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2023232339A1 publication Critical patent/WO2023232339A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/34—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater flexible, e.g. heating nets or webs
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/146—Conductive polymers, e.g. polyethylene, thermoplastics
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/148—Silicon, e.g. silicon carbide, magnesium silicide, heating transistors or diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/017—Manufacturing methods or apparatus for heaters

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a heating element according to the preamble of the independent claim.
  • heating elements are known to be used to heat bodies or media, such as gases or liquids, for example ceramic PTC heating elements, metallic resistance heaters or resistance heaters based on electrically conductive plastics.
  • US 3,900,654 describes a laminated structure of an electric heating element.
  • the metallic contact is laminated on. This means that only one-sided contact is possible.
  • DE 2751 232 A1 discloses a heating device which has, for example, a thermistor resistor.
  • heating devices can also be designed as cylindrical heating cartridges.
  • a heating device can therefore also be designed in such a way that the interior of a housing is filled with silicone rubber, to which magnesium oxide is added to improve heat dissipation.
  • a thermistor resistor is embedded in the silicone rubber.
  • US 9 282 591 B2 describes a manufacturing process for a flexible heater in which a resistance conductor is surrounded by two layers of electrically insulating plastic material. These layers can be silicone layers.
  • DE 19737 241 Al describes a radiator with a tubular metal jacket that is equipped with PTC elements. Ring-shaped molded bodies made of magnesium oxide silicone are inserted into the metal jacket and insulate the internal structure from the metal jacket.
  • Electrical resistance heating elements are also known from EP 0 820 214 B1, the resistance conductor of which can be produced by one of the usual molding processes for polymeric materials, plastics.
  • An electrically non-conductive body made of silicone serves as the mounting basis for the resistance conductors.
  • Heating elements with at least one thermoelectric heater are known from DE 10 2012 212 798 Al. Electrical conductor tracks applied using a thermal spray process contact this radiator.
  • the radiator is at least partially formed with a conductive material, which in turn can be formed with elastomers.
  • the conductive material contains electrically conductive particles to ensure its conductivity properties.
  • adhesion promoters have been used to date, as described, for example, in DE 10 2019 208 177 Al. However, these form an insulating layer between metal and electrically conductive plastic, so that the contact resistance increases. A high contact resistance prevents uniform heat development over the entire surface of the heating element. From DE 10 2019 208 177 A1 it is known in detail, when producing a heating element from an electrically conductive elastomer, a first contact and a second contact, to first apply an adhesion promoter to the contacts or to mix it with the electrically conductive elastomer.
  • one Heating element made of an electrically conductive elastomer, a first contact and a second contact, to go through the following process steps: a) mixing an adhesion promoter to the electrically conductive elastomer or applying an adhesion promoter to contact surfaces, b) inserting at least two contacts into a mold, c) pouring out the Casting mold with the electrically conductive elastomer, d) creation of a physical/chemical connection by the adhesion promoter between the electrically conductive elastomer and the contacts and formation of a composite of conductive elastomer and the contacts with elastic properties, and e) shaping of the heating element by injection molding , pressing and/or transfer molding.
  • the electrically conductive elastomer By initially forming the electrically conductive elastomer in the mold, it can be optimally molded to the contacts.
  • the electrically conductive elastomer contains at least one adhesion promoter, so that it can also be chemically bonded to the contacts or the adhesion promoter is at least partially applied to the contact surfaces in advance.
  • the disclosure of DE 10 2019 208 177 Al is expressly considered to be part of the present document in terms of content.
  • the solution proposed according to the invention is characterized in that an improved connection of the contacts or electrodes and the electrically conductive elastomer material is achieved.
  • the improvement in contact results from the original shaping of the elastomer, since it constantly encloses the contacts or electrodes within the mold and an optimal molding can be achieved, in conjunction with the use of a silicone rubber as a material for generating heat in the intended heating mode of such a thing manufactured heating element.
  • an adhesion promoter can advantageously be dispensed with, which means that not only is the formation and the firm bond between the electrodes on the one hand and the electrically conductive elastomer on the other hand ensured without an adhesion promoter, but also that the contact resistance between the elastomer and the electrodes can be kept low due to the absence of an adhesion promoter, which in turn advantageously ensures heat generation evenly over the entire electrically conductive silicone mass and not preferably at the transitions between the elastomer and electrodes.
  • a plasma pretreatment of the contacts or electrodes is particularly advantageous, which further improves the adhesion of the electrically conductive silicone to the contacts or electrodes.
  • Figure la shows a heating element with metal fabric strips as contacts
  • Figure lb shows a heating element with metal strips as contacts
  • Figure lc shows a heating element with completely peripheral contacts
  • Figure 2a shows a cylindrical or annular heating element in one
  • Figure 2b shows a cylindrical or ring-shaped heating element in longitudinal section
  • Figure 2c shows a cylindrical or ring-shaped heating element in a hybrid representation.
  • the assembly of electrodes/contacts on resistance conductors in which the heat is generated in a heating element is not sufficient on its own if only the purely mechanical connection on the surface is important; for example, there is no constant contact resistance. Over the lifespan of such a heating element, settling processes occur that result in a change in the overall resistance and thus the performance of the heating element. Temperature changes also accelerate this change. As tests have shown, an elastomer, or more precisely a plastic unlike silicone rubber, creeps away or the contact pressure decreases and the contact resistance increases. The heat generation shifts towards the transition points and the surface heating of the heating element decreases. Thermal imprinting of the electrodes/contacts is not possible with elastomers because these materials are cross-linked and can no longer be formed. According to the invention, it was recognized that the reactivity of silicone rubber to adhere to a metal during primary molding is significantly higher than with other plastics that are to be used as ohmic heat-generating material in a heating element.
  • the silicone is liquid and can adapt optimally to the metallic surface.
  • the polarity of the silicone creates a low level of adhesion to the metals.
  • the silicones adhere adhesively to the metal contacts.
  • the pure adhesion is already sufficient to establish good electrical contact.
  • the adhesive effect can be improved by plasma pretreatment.
  • the pressure inside the mold presses the silicone into the smallest gaps during processing (e.g. by pressing or injection molding (“liquid silicone rubber” injection molding)) in a closed mold.
  • the viscosity of the silicone drops sharply before the viscosity increases again due to crosslinking.
  • Contacts/electrodes are placed in a mold or clamped through the mold, and an electrically conductive silicone rubber is then poured into the mold.
  • the unit of at least two contacts/electrodes with electrically conductive silicone in between results in an elastic heating element.
  • the silicone in the mold it can optimally mold itself to the contacts/electrodes. Due to the clawing and adhesion between the silicone and the metallic contacts, the elastic silicone will not detach from the contacts/electrodes under mechanical deformations or expansions caused by thermal heating. The elasticity enables the contact to be maintained and thus a good electrical contact resistance of the silicone over the service life, which is filled with electrical conductivity and serves as an electrical heating resistor when the heating element to be produced is in normal operation.
  • the elastic heating elements can be made in a planar shape or in a ring shape.
  • Figure la shows an elastic planar heating element 10 connected to a power source 6 designed as a direct current source via electrical lines 7.
  • This heating element has two metal fabric strips 2 serving as electrodes, which are embedded in an electrically conductive silicone rubber element 1.
  • They can be completely surrounded by the electrically conductive silicone rubber element 1.
  • the silicone rubber element 1 is flat and, in this example, rectangular.
  • the contacts extend along the longitudinal edges of this silicone rubber element, which serves as an electrical heating resistance layer.
  • the electrical conductivity of this heating resistance layer is ensured in a manner known per se by adding electrically conductive material such as graphite to the silicone rubber.
  • the metal fabric strips protrude slightly in order to be connected to electrical lines 7, which lead to the direct current source.
  • an alternating current source can of course also be used for operation.
  • such an elastic heating element 10 has metal strips 22 as electrodes instead of metal fabric strips.
  • the electrodes are each spaced somewhat from the longitudinal edge of the heating resistance layer. In the case of the elastic planar heating element according to FIG. 1c, however, the electrodes are arranged completely at the edges. In Figure lc, the heating element is shown on the left in a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal edge of the heating resistance layer 1, while on the right the top view can be seen as in Figure la and Figure lb.
  • both metal fabric strips 2 and metal strips 22 can be used as electrodes.
  • Figure 2 shows an annular heating element 100 in three different views.
  • the left view a) shows a cross section through the cylindrical structure.
  • the middle view b) shows a longitudinal section through the cylindrical structure.
  • the right view c) shows a hybrid longitudinal section, in which an outer sleeve is shown in longitudinal section, but in which the inner workings of the heating element are shown in a plan view from above on the side of the contacting the heating resistance layer is shown.
  • the electrical heating resistance layer 1 does not have to be completely closed in a ring shape, just as shown in Figure 2.
  • a cylindrical heating cartridge is shown. After producing a flat heating element, in particular according to FIG. 1c, it can be twisted together due to its flexibility or elasticity.
  • a rib here in the form of a longitudinal rib 5, on the inside of the sleeve 3 can be used for the exact positioning of the heating resistance layer 1, so that the heating element is always oriented in the correct position.
  • the longitudinal rib ensures the electrical separation of the contacts 2 or 22 and the heating resistor edges. It should be noted that in the hybrid representation of the arrangement in the right view of Figure 2, the rib 5 has been omitted for the sake of simplicity.
  • the sleeve can be filled with a filling material 4, in particular with an electrically insulating material.
  • the heating resistance layer made of electrically conductive silicones contains conductive fillers, such as graphite, conductive carbon black, metal particles, metal fibers, and carbon nanotubes.
  • the heat radiation 12 generated when the heating current source is connected is shown symbolically with arrows in the right view c).
  • the specific electrical resistance of the electrically conductive silicones in order to function as heating elements should be between 0.01 ohm cm and 500 ohm cm, in particular between 0.1 and 20 ohm cm.
  • the electrically conductive silicone rubber has a PTC effect, meaning its electrical resistance increases as the temperature increases. This means that the heating element regulates itself at high temperatures. Silicones have a high temperature resistance up to 200 degrees Celsius, or even, in the case of fluorosilicones, up to 250°C, making them particularly suitable for the present invention.
  • the contacts/electrodes preferably have a constant distance, as shown in Figures 1 and 2, so that with homogeneously distributed fillers in the silicone, heat is generated evenly over the heating resistance surface.
  • the contacts/electrodes can be cast on one side, on multiple sides or completely on all sides by the electrically conductive silicone rubber. Some support points for fixing the contacts/electrodes in the mold may still be exposed. Plasma pretreatment of the contacts/electrodes can further improve the adhesion of the silicone rubber to them.
  • the contacts/electrodes can be stripped cable ends (i.e. metal mesh strips), stamped mesh (possibly structured or provided with holes) or a metallic strip.
  • the cables and metallic strips have the advantage of also being flexible, so that the elastic planar heating element remains elastic overall and can be integrated into seat cushions as a seat heater, for example. When shaped, the silicone rubber penetrates between the strands of the stripped cable or into structures or holes in the stamped grid.
  • the lead frames or metal strips preferably have crimping points, soldering surfaces or adhesive surfaces in order to simplify further transition to the following conductor. After production, the heating element can still be deformed and installed.
  • the electrical heating resistance layer can be mounted against the inner diameter of the sleeve when inserted into an insulating sleeve, as shown in Figure 3.
  • the interior of the sleeve can then be filled with insulating, preferably ceramic/mineral, powders so that the heating resistance layer is pressed against the sleeve;
  • insulating preferably ceramic/mineral, powders
  • the insulation sleeve is made of electrically non-conductive plastic, for example PPS, PA or PPA.
  • a glass or ceramic sleeve can also be used.
  • a metallic sleeve can also be provided if an insulating layer is provided between the metallic sleeve and the heating element (e.g. an insulating coating or a thin film that is as resistant to high temperatures as possible, for example a PI film.
  • an insulating layer is provided between the metallic sleeve and the heating element (e.g. an insulating coating or a thin film that is as resistant to high temperatures as possible, for example a PI film.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes (10, 100) aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, einem ersten Kontakt (2,22) und einem zweiten Kontakt (2,22), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Einlegen mindestens zweier Kontakte (2,22; 2,22) in eine Gießform, b) Ausgießen der Gießform mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer, c) Erzeugung einer physikalischen/chemischen Verbindung zwischen dem leitfähigen Elastomer und den Kontakten (2,22; 2,22) und Ausbildung eines elastische Eigenschaften aufweisenden Verbundes aus leitfähigem Elastomer und den Kontakten (2,22; 2,22), d) hierbei Formgebung des Heizelementes (10, 100) durch Spritz gießen, Pressen und/oder Transfermolding, wobei die Erzeugung der physikalischen/chemischen Verbindung ohne Verwendung eines Haftvermittlers erfolgt, indem als elektrisch leitfähigs Elastomer ein elektrisch leitfähiger Silikonkautschuk (1) verwendet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung eines Heizelements und Heizelement
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Heizelements nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Zur Erwärmung von Körpern oder Medien, wie Gase oder Flüssigkeiten werden bekannterweise unterschiedlichste Heizelemente eingesetzt, zum Beispiel keramische PTC Heizelemente, metallische Widerstandsheizungen oder auch Widerstandsheizungen auf Basis von elektrisch leitfähigen Kunststoffen.
Die US 3 900 654 beschreibt eine laminierte Struktur eines elektrischen Heizelements. Hierbei wird der metallische Kontakt auflaminiert. Hierdurch ist nur ein einseitiger Kontakt möglich.
Die DE 2751 232 Al offenbart eine Heizvorrichtung, die beispielsweise einen Heißleiter-Widerstand aufweist. Heizvorrichtungen können gemäß DE 2751 232 Al auch als zylinderförmige Heizpatronen ausgebildet werden. Eine Heizvorrichtung kann demgemäß auch so ausgestaltet sein, das das Innere eines Gehäuses mit Silikonkautschuk ausgegossen ist, dem zur Verbesserung der Wärmeableitung Magnesiumoxyd zugesetzt ist. Dabei ist ein Heißleiter- Widerstand in dem Silikonkautschuk eingebettet.
Die US 9 282 591 B2 beschreibt ein Herstellungsverfahren für einen flexiblen Heizer, bei dem ein Widerstandsleiter von zwei Schichten elektrisch isolierenden Plastikmaterials umgeben ist. Diese Schichten können Silikonschichten sein. Die DE 19737 241 Al beschreibt einen Heizkörper mit einem rohrförmigen Metallmantel, der mit PTC-Elementen ausgerüstet ist. Ringförmige Formkörper aus Magnesiumoxyd-Silikon sind in den Metallmantel eingeschoben und isolieren den inneren Aufbau gegen den Metallmantel.
Aus der EP 0 820 214 Bl sind ebenfalls elektrische Widerstandsheizelemente bekannt, deren Widerstandsleiter durch eines der üblichen Formverfahren polymerer Materialien, Kunststoffe, herstellbar ist. Hierbei dient ein elektrisch nichtleitender Körper aus Silikon als Befestigungsgrundlage für die Widerstandsleiter.
Aus der DE 10 2012 212 798 Al sind Heizelemente mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper bekannt. Mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebrachte elektrische Leiterbahnen kontaktieren diesen Heizkörper. Der Heizkörper ist zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet, welches wiederum mit Elastomeren gebildet sein kann. Das Leitmaterial enthält hierbei elektrisch leitfähige Partikel, um dessen Leitfähigkeitseigenschaften zu gewährleisten.
Die DE 603 03 451 T2 beschreibt eine elektrisch leitfähige Silikonkautschukzusammensetzung.
Zur Verbesserung der Anbindung von Elastomeren an metallische Oberflächen werden bisher Haftvermittler verwendet, wie beispielsweise auch in der DE 10 2019 208 177 Al beschrieben. Diese bilden jedoch eine isolierende Schicht zwischen Metall und elektrisch leitfähigem Kunststoff, so dass der Übergangswiderstand steigt. Ein hoher Übergangswiderstand verhindert eine gleichmäßige Wärmeentwicklung über die gesamte Fläche des Heizelements. Aus der DE 10 2019 208 177 Al ist es im Detail bekannt, bei der Herstellung eines Heizelements aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt zunächst auf die Kontakte einen Haftvermittler aufzutragen oder diesen dem elektrisch leitfähgien Elastomer beizumischen. Im einzelnen wird hier vorgeschlagen, zur Herstellung eines Heizelementes aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, folgende Verfahrensschritte zu durchlaufen: a) Beimischen eines Haftvermittlers zum elektrisch leitfähigen Elastomer oder Aufträgen eines Haftvermittlers auf Kontaktflächen, b) Einlegen mindestens zweier Kontakte in eine Gießform, c) Ausgießen der Gießform mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer, d) Erzeugung einer physikalischen/chemischenVerbindung durch den Haftvermittler zwischen dem elektrisch leitfähigen Elastomer und den Kontakten und Ausbildung eines elastische Ei genschaften aufweisenden Verbundes aus leit fähigem Elastomer und den Kontakten, und e) Formgebung des Heizelementes durch Spritz gießen, Pressen und/oder Transfermolding. Durch die Urformung des elektrisch leitfähi gen Elastomers in der Gießform kann sich dieser optimal an die Kontakte anformen. Zudem enthält der elektrisch leitfähige Elastomer mindestens einen Haftvermittler, so dass dieser auch chemisch an die Kontakte angebunden werden kann oder der Haftvermittler wird im Vorhinein auf die Kontaktoberflächen zumindest partiell aufgetragen. Die Offenbarung der DE 10 2019 208 177 Al wird ausdrücklich inhaltlich als Bestandteil der vorliegenden Schrift betrachtet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass eine verbesserte Anbindung der Kontakte beziehungsweise Elektroden und dem elektrisch leitfähigen Elastomermaterial erzielt wird. Die Verbesserung des Kontaktes resultiert aus der Urformung des Elast omers, da dieses innerhalb der Gießform die Kontakte beziehungsweise Elektroden ständig umschließt und eine optimale Anformung erreicht werden kann, im Zusammenwirken mit der Verwendung eines Silikonkautschuks als Material für die Erzeugung von Wärme im bestimmungsgemäßen Heizbetrieb eines solchermaßen hergestellten Heizelements. Es kann vorteilhafterweise auf die Verwendung eines Haftvermittlers verzichtet werden, was bedeutet, daß nicht nur die Anformung und die feste Bindung zwischen den Elektroden einerseits und dem elektrisch leitfähigen Elastomer andererseits ohne Haftvermittler sichergestellt ist, sondern daß auch der Übergangswiderstand zwischen dem Elastomer den Elektroden durch das Nichtvorhandensein eines Haftvermittlers kleingehalten werden kann, wodurch wiederum in vorteilhafter Weise eine Wärmeerzeugung gleichmäßig über die gesamte elektrisch leitfähige Silikonmasse und nicht bevorzugt an den Übergängen zwischen Elastomer und Elektroden sichergestellt werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Herstellungsverfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Plasmavorbehandlung der Kontakte beziehungsweise Elektroden, welche die Haftung des elektrisch leitfähigen Silikons auf den Kontakten bzw. Elektroden weiter verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur la ein Heizelement mit Metallgewebestreifen als Kontakte,
Figur lb ein Heizelement mit Metallstreifen als Kontakte,
Figur lc ein Heizelement mit vollständig randständigen Kontakten,
Figur 2a ein zylindrisches bzw. ringförmiges Heizelement in einer
Querschnittsansicht,
Figur 2b ein zylindrisches bzw. ringförmiges Heizelement im Längsschnitt und Figur 2c ein zylindrisches bzw. ringförmiges Heizelement in einer hybriden Darstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Montage von Elektroden/Kontakten auf Widerstandsleitern, in denen die Wärme in einem Heizelement erzeugt wird, ist allein nicht ausreichend, wenn nur auf die rein mechanische Anbindung auf der Oberfläche Wert gelegt wird, es ergibt sich beispielsweise kein konstanter Übergangswiderstand. Über die Lebensdauer eines solchen Heizelements treten Setzvorgänge ein, die eine Veränderung des Gesamtwiderstandes und damit der Leistung des Heizelementes nach sich ziehen. Temperaturwechsel beschleunigen diese Veränderung zudem. Wie Versuche gezeigt haben, kriecht ein Elastomer, genauer gesagt ein Kunststoff ungleich Silikonkautschuk, weg bzw. der Anpressdruck geht zurück und der Übergangswiderstand steigt. Die Wärmeentstehung verschiebt sich hin zu den Übergangsstellen und die flächige Erwärmung des Heizelements geht zurück. Ein thermisches Einprägen der Elektroden/Kontakte ist bei Elastomeren nicht möglich, weil diese Werkstoffe eine Vernetzung aufweisen und nicht mehr umformbar sind. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die Reaktivität des Silikonkautschuks, auf einem Metall zu haften, beim Urformen wesentlich höher ist als bei anderen Kunststoffen, die als Ohmsche Wärme erzeugendes Material in einem Heizelement eingesetzt werden sollen.
Durch das Urformen gerade von Silikonen kann ohne Haftvermittler eine gute und dauerhafte Anbindung zu metallischen Kontakten erzielt werden. Während der Formgebung ist das Silikon flüssig und kann sich optimal an die metallische Oberfläche anpassen. Durch die Polarität des Silikons wird eine geringe Haftung mit den Metallen erzeugt. Die Silikone haften adhäsiv auf den Metallkontakten. Die reine Haftung ist bereits ausreichend, um eine gute elektrische Kontaktierung herzustellen. Die Haftwirkung kann noch durch eine Plasmavorbehandlung verbessert werden. Zusätzlich zur Haftung wird durch den Forminnendruck bei der Verarbeitung (z.B. durch Pressen oder Spritzgießen („Liquid-Silicon-Rubber“- Spritzguss)) in einer geschlossenen Form das Silikon in kleinste Spalte gedrückt. Bei der Verarbeitung sinkt die Viskosität des Silikons stark, bevor die Viskosität durch die Vernetzung wieder ansteigt. So kann das Silikon in Metallgewebe oder zwischen die einzelnen metallischen Drähte einer Litze eindringen. Dies können z.B. auch Spalte in den metallischen Kontakten sein. Es können auch strukturierte metallische Streifen sein. Somit ist die Kontaktoberfläche besonders groß und damit der elektrische Übergangswiderstand gering. Zudem wird durch das Eindringen in die Spalte und Zwischenräume eine gute mechanische Verkrallung erzielt, wodurch auch eine gute Haltbarkeit über Lebensdauer sichergestellt ist. Die Gefahr des Versagens durch thermisch mechanische Ermüdung oder durch von Außen aufgebrachte Kräfte wird dadurch wesentlich verringert. Beim Aushärten/Vernetzen unter Temperatur expandiert Silikon. Durch diesen Effekt wird der Forminnendruck noch verstärkt und die Formmasse zusätzlich in Spalte gepresst. Außerdem dringen leitfähige Partikel mit dem Silikon in die Spalte. Die Partikel bleiben an den Strukturen der metallischen Kontakte (Metallgewebe, Litzen mit mehreren metallischen Drähten oder metallische Oberflächenstruktur) nahe an der Oberfläche hängen. Es ergibt sich ein geringer elektrischer Übergangswiderstand.
Kontakte/Elektroden werden in eine Form eingelegt oder durch die Form eingespannt, und in die Form wird anschließend ein elektrisch leitfähiger Silikonkautschuk gegossen. Die Einheit der mindestens zwei Kontakte/Elektroden mit zwischenliegendem elektrisch leitfähigen Silikon ergibt ein elastisches Heizelement. Durch die Urformung des Silikons in der Form kann dieser sich optimal an die Kontakte/Elektroden anformen. Durch die Verkrallung und die Haftung zwischen dem Silikon und den metallischen Kontakten wird sich das elastische Silikon auch nicht unter mechanischen Deformationen oder Ausdehnungen, hervorgerufen durch thermische Erwärmungen, von den Kontakten/Elektroden ablösen. Die Elastizität ermöglicht eine Erhaltung des Kontaktes und damit eines über Lebensdauer guten elektrischen Kontaktwiderstandes des Silikons, der elektrisch leitfähig gefüllt ist und im bestimmungsgemäßen Betrieb des herzustellenden Heizelements als elektrischer Heizwiderstand dient.
Die elastischen Heizelemente können in planarer Form hergestellt werden, oder auch ringförmig. Figur la zeigt ein an eine als Gleichstromquelle ausgebildete Stromquelle 6 über elektrische Leitungen 7 angeschlossenes elastisches planares Heizelement 10. Dieses Heizelement weist zwei als Elektroden dienende Metallgewebestreifen 2 auf, die in einem elektrisch leitfähigem Silikonkautschukelement 1 eingebettet sind. Wahlweise können sie vollständig von dem elektrisch leitfähigen Silikonkautschukelement 1 umgeben sein. Das Silikonkautschukelement 1 ist flach und in diesem Beispiel rechteckförmig ausgebildet. Die Kontakte erstrecken sich entlang der Längskanten dieses als elektrische Heizwiderstandsschicht dienenden Silikonkautschukelements. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Heizwiderstandsschicht wird in an sich bekannter Weise durch eine Beimischung elektrisch leitfähigen Materials wie beispielsweise Graphit zu dem Silikonkautschuk sichergestellt. Einends stehen die Metallgewebestreifen etwas über, um mit elektrischen Leitungen 7 verbunden zu werden, die zur Gleichstromquelle führen. Alternativ kann natürlich für den Betrieb auch eine Wechselstromquelle verwendet werden.
In Figur lb weist ein solches elastisches Heizelement 10 anstelle von Metallgewebestreifen Metallstreifen 22 als Elektroden auf.
Sowohl in Figur la als auch in Figur lb sind die Elektroden jeweils etwas von der Längskante der Heizwiderstandsschicht beabstandet. Bei dem elastischen planaren Heizelement gemäß Figur lc hingegen sind die Elektroden vollständig randständig angeordnet. Dabei ist in Figur lc das Heizelement links in Querschnittsansicht senkrecht zur Längskante der Heizwiderstandsschicht 1 dargestellt, während rechts die Draufsicht wie in Figur la und in Figur lb ersichtlich ist. Dabei können auch hier sowohl Metallgewebestreifen 2 als auch Metallstreifen 22 als Elektroden verwendet werden.
Figur 2 zeigt ein ringförmiges Heizelement 100 in drei verschiedenen Ansichten. Die linke Ansicht a) zeigt einen Querschnitt durch den zylinderförmigen Aufbau. Die mittlere Ansicht b) zeigt einen Längsschnitt durch den zylinderförmigen Aufbau. Die rechte Ansicht c) zeigt einen hybriden Längsschnitt, bei dem zwar eine äußere Hülse im Längsschnitt dargestellt ist, bei dem jedoch das Innenleben des Heizelements in einer Draufsicht von oben auf der Seite der Kontaktierung der Heizwiderstandsschicht dargestellt ist. Die elektrische Heizwiderstandsschicht 1 muß nicht komplett ringförmig geschlossen sein, eben wie in Figur 2 dargestellt. In Figur 2 wird, genauer gesagt, eine zylinderförmige Heizpatrone gezeigt. Nach der Herstellung eines flachen Heizelements insbesondere gemäß Fig. lc kann dieses aufgrund seiner Flexibilität bzw. Elastizität zusammengedreht werden. Es kann z.B. in eine elektrisch isolierende Hülse 3 eingeschoben werden. Die Rückstellkraft der Heizwiderstandsschicht bewirkt ein automatisches Anlegen an der Innenwand der Hülse. Zur exakten Positionierung der Heizwiderstandsschicht 1 kann eine Rippe, hier in Form einer Längsrippe 5, auf der Innenseite der Hülse 3 dienen, damit das Heizelement immer lagerichtig orientiert ist. Außerdem wird durch die Längsrippe die elektrische Trennung der Kontakte 2 bzw. 22 und der Heizwiderstandskanten sichergestellt. Zu beachten ist, dass in der hybriden Darstellung der Anordnung in der rechten Ansicht der Figur 2 der Einfachheit halber die Rippe 5 weggelassen wurde. Die Hülse kann mit einem Füllmaterial 4, insbesondere mit einem elektrisch isolierenden Material, gefüllt werden. Dies kann ein keramisches Pulver (beispielsweise MgO, AI2O3) oder auch eine Vergussmasse sein. Die Heizwiderstandsschicht aus elektrisch leitfähigen Silikonen enthält zur Erreichung der elektrischen Leitfähigkeit leitfähige Füllstoffe, wie z.B. Graphit, Leitruße, Metallpartikel, -fasern, Carbonanotubes. Die bei angeschlossener Heizstromquelle erzeugte Wärmestrahlung 12 ist in der rechten Ansicht c) symbolisch mit Pfeilen dargestellt.
Der spezifische elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Silikone, um als Heizelemente zu funktionieren, sollte zwischen 0,01 Ohm cm und 500 Ohm cm liegen, insbesondere zwischen 0,1 und 20 Ohm cm. Der elektrisch leitfähige Silikonkautschuk besitzt einen PTC-Effekt, d.h. sein elektrischer Widerstand vergrößert sich mit steigender Temparatur. Dadurch regelt sich das Heizelement bei hohen Temperaturen von selbst ab. Silikone haben eine hohe Temperaturbeständigkeit bis zu 200 Grad Celsius, oder sogar, im Falle von Fluorsilikonen, bis 250°C, deshalb sind sie besonders für die vorliegende Erfindung geeignet. Die Kontakte/Elektroden haben vorzugsweise einen konstanten Abstand, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, so dass bei homogen verteilten Füllstoffen im Silikon gleichmäßig über der Heizwiderstandsfläche Wärme erzeugt wird. Die Kontakte/Elektroden können einseitig, mehrseitig oder komplett von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Silikonkautschuk umgossen sein. Einige Stützstellen zur Fixierung der Kontakte/Elektroden in der Form können noch freiliegen. Eine Plasmavorbehandlung der Kontakte/Elektroden kann die Haftung des Silikonkautschuks auf diesen noch verbessern. Die Kontakte/Elektroden können abisolierte Kabelenden (also Metallgewebestreifen) sein, Stanzgitter (eventuell strukturiert oder mit Löchern versehen) oder ein metallischer Streifen. Die Kabel und metallischen Streifen haben den Vorteil, ebenfalls flexibel zu sein, so dass das elastische planare Heizelement insgesamt elastisch bleibt und z.B. als Sitzheizung in Sitzpolster integriert werden kann. Das Silikonkautschuk dringt bei seiner Formgebung zwischen die Litze des abisolierten Kabels oder in Strukturen bzw. Löcher der Stanzgitter ein. Die Stanzgitter oder Metallstreifen haben vorzugsweise Crimpstellen, Lötflächen oder Klebeflächen, um einen weiteren Übergang auf den folgenden Leiter zu vereinfachen. Nach der Herstellung kann das Heizelement noch deformiert und verbaut werden.
Im Falle einer zylinderförmigen Anordnung, die als Stabheizelement, Aquarienheizelement bzw. allgemein als Heizpatrone dienen kann, kann, eingesteckt in eine Isolationshülse, wie in Figur 3 dargestellt, die elektrische Heizwiderstandsschicht gegen den Innendurchmesser der Hülse montiert werden. Im Anschluss kann der Innenraum der Hülse mit isolierendem vorzugsweise keramischen/mineralischen Pulvern gefüllt werden, so dass die Heizwiderstandsschicht gegen die Hülse gepresst wird; hierbei ist eine Pressung nach kompletter Füllung und Verdichtung möglich. Die Isolationshülse besteht aus elektrisch nicht leitfähigem Kunststoff, zum Beispiel aus PPS, PA oder PPA. Es kann auch eine Hülse aus Glas oder Keramik verwendet werden. Es kann auch eine metallische Hülse vorgesehen werden, wenn zwischen der metallischen Hülse und dem Heizelement eine Isolationsschicht vorgesehen wird (z.B. eine isolierende Beschichtung oder eine dünne, möglichst hochtemperaturbeständige Folie, zum Beispiel eine Pl-Folie.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes (10, 100) aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, einem ersten Kontakt (2,22) und einem zweiten Kontakt (2,22), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Einlegen mindestens zweier Kontakte (2,22; 2,22) in eine Gießform, b) Ausgießen der Gießform mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer, c) Erzeugung einer physikalischen/chemischen Ver bindung zwischen dem leitfähigen Elastomer und den Kontakten (2,22; 2,22) und Ausbildung eines elastische Eigenschaften aufweisenden Verbundes aus leitfähigem Elastomer und den Kontakten (2,22; 2,22), d) hierbei Formgebung des Heizelementes (10, 100) durch Spritz gießen, Pressen und/oder Transfermolding, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der physikalischen/chemischen Verbindung ohne Verwendung eines Haftvermittlers erfolgt, indem als elektrisch leitfähigs Elastomer ein elektrisch leitfähiger Silikonkautschuk (1), insbesondere ein Fluorsilikonkautschuk, verwendet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Silikonkautschuk (1) seine elektrische Leitfähigkeit durch eine Vermischung mit elektrisch leitfähi gen Füllstoffen wie Graphit, Kohlefasern, Leitruß,
Me tallparti kel, Metallfasern und/oder Carbonnanotubes erhält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte plasmavorbehandelt werden, bevor sie mit dem elektrisch leitfähigen Silikonkautschuk in Kontakt kommen.
4. Verfahren gemäß Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der spezifische elastische Wi derstand des elektrisch leitfähigen Silikonkautschuks (1) zwischen 0,01 Q cm und 500 Q cm, bevorzugt zwi sehen 0,1 Q cm und 20 Q cm liegt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kontakte (2,22; 2,22) unter Ein haltung eines konstanten Abstandes über ihre Länge in das elektrisch leitfähige Silikonkautschuk (1) eingegos sen werden. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (2,22; 2,22) einseitig, mehrseitig oder komplett von dem elektrisch leitfähi gen Silikonkautschuk (1) umgossen werden. Heizelement (10, 100), hergestellt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass dieses in planarer Form (10) oder in Ringform (100) ausgeführt ist. Heizelement (10, 100) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte abiso lierte Teile von Kabeln, Stanzgitter oder Metallstreifen sind. Heizelement (10, 100) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (10) zu ei nem zylindrischen Heizelement bzw. zu einer Heizpatro ne (100) deformiert ist und das Heizelement (10) in eine Isolationshülse (3) eingesteckt ist, deren Hohlraum mit einer Fül lung (4) aus keramischem oder mineralischem Pul ver verfüllt ist. Verwendung des Heizelementes (10, 100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 als Heizelement in Abgasnachbehandlungssystemen zur Beheizung/ zum Auftauen von Vorratstankheizelementen zur Be vorratung eines Betriebs- /Hilfsstoffes, insbesondere eine gefrierfähigen Harnstoffwasserlösung oder als Fördermodulheizelement, oder als Griffheizelement oder als Durchlauferhitzer oder als Aquarienheizele ment, oder als Heizpatrone oder als Flächenhei zelement oder als Heizmanschette für Batterien oder als Sitzheizung oder als Interieurheizung oder als Heizelemente für Behältnisse wie Reiskocher oder Campingkocher.
PCT/EP2023/060070 2022-06-01 2023-04-19 Verfahren zur herstellung eines heizelements und heizelement WO2023232339A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022205565.9 2022-06-01
DE102022205565.9A DE102022205565A1 (de) 2022-06-01 2022-06-01 Verfahren zur Herstellung eines Heizelements und Heizelement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023232339A1 true WO2023232339A1 (de) 2023-12-07

Family

ID=86272385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/060070 WO2023232339A1 (de) 2022-06-01 2023-04-19 Verfahren zur herstellung eines heizelements und heizelement

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022205565A1 (de)
WO (1) WO2023232339A1 (de)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3900654A (en) 1971-07-15 1975-08-19 Du Pont Composite polymeric electric heating element
DE2751232A1 (de) 1977-11-16 1979-05-17 Eichenauer Fa Fritz Heizvorrichtung
DE19737241A1 (de) 1997-08-27 1999-04-08 Tuerk & Hillinger Gmbh Elektrischer, mit PTC-Elementen ausgerüsteter, verdichteter Heizkörper
EP0820214B1 (de) 1996-07-18 2001-11-14 Ennio Carlet Selbstregelendes elektrisches Heizelement in Form einer Kartusche oder Probenröhrchen
DE60303451T2 (de) 2002-04-03 2006-09-14 Dow Corning Toray Silicone Co., Ltd., Chiyoda-ku Elektrisch leitfähige silikonkautschukzusammensetzung
DE102012212798A1 (de) 2011-12-22 2013-06-27 Robert Bosch Gmbh Heizelement und Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Heizelementes
US9282591B2 (en) 2010-11-04 2016-03-08 Inergy Automotive Systems Research (Societe Anonyme) Method for manufacturing a flexible heater
DE102018221457A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betreibbaren Heizelements
DE102019208177A1 (de) 2019-06-05 2020-12-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes, Heizelement und Verwendung des Heizelementes
WO2021013427A1 (de) * 2019-07-24 2021-01-28 Robert Bosch Gmbh Elektrisch beheizbare fluidleitung und verfahren zu deren herstellung
DE102020200751A1 (de) * 2020-01-22 2021-07-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Gehäuseanordnung für vereisungsgefährdete Bauteilkomponenten oder Medien
WO2022223175A1 (de) * 2021-04-19 2022-10-27 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur erwärmung eines mediums

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3900654A (en) 1971-07-15 1975-08-19 Du Pont Composite polymeric electric heating element
DE2751232A1 (de) 1977-11-16 1979-05-17 Eichenauer Fa Fritz Heizvorrichtung
EP0820214B1 (de) 1996-07-18 2001-11-14 Ennio Carlet Selbstregelendes elektrisches Heizelement in Form einer Kartusche oder Probenröhrchen
DE19737241A1 (de) 1997-08-27 1999-04-08 Tuerk & Hillinger Gmbh Elektrischer, mit PTC-Elementen ausgerüsteter, verdichteter Heizkörper
DE60303451T2 (de) 2002-04-03 2006-09-14 Dow Corning Toray Silicone Co., Ltd., Chiyoda-ku Elektrisch leitfähige silikonkautschukzusammensetzung
US9282591B2 (en) 2010-11-04 2016-03-08 Inergy Automotive Systems Research (Societe Anonyme) Method for manufacturing a flexible heater
DE102012212798A1 (de) 2011-12-22 2013-06-27 Robert Bosch Gmbh Heizelement und Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Heizelementes
DE102018221457A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betreibbaren Heizelements
DE102019208177A1 (de) 2019-06-05 2020-12-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes, Heizelement und Verwendung des Heizelementes
WO2021013427A1 (de) * 2019-07-24 2021-01-28 Robert Bosch Gmbh Elektrisch beheizbare fluidleitung und verfahren zu deren herstellung
DE102020200751A1 (de) * 2020-01-22 2021-07-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Gehäuseanordnung für vereisungsgefährdete Bauteilkomponenten oder Medien
WO2022223175A1 (de) * 2021-04-19 2022-10-27 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur erwärmung eines mediums

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022205565A1 (de) 2023-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013092964A2 (de) Heizelement und verfahren zu dessen herstellung sowie verwendung des heizelementes
EP1916873A1 (de) Wärmeerzeugendes Element für eine elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
EP2109345B1 (de) Wärmeerzeugendes Element und Heizvorrichtung umfassend ein wärmeerzeugendes Element
EP2298026B1 (de) Heizungsvorrichtung und verfahren zur herstellung der heizungsvorrichtung
WO2018215541A1 (de) Heizgerät und verfahren zur herstellung desselben
DE102013209957A1 (de) PTC-Heizvorrichtung
DE102012215185A1 (de) Heizelement
DE69532131T2 (de) Heizvorrichtung und ihre herstellung
WO2020244944A1 (de) Verfahren zur herstellung eines heizelementes, heizelement und verwendung des heizelementes
EP1681906B1 (de) Abgedichteter Heizkörper
DE102019204472A1 (de) Wärmeerzeugendes Element und elektrische Heizvorrichtung enthaltend ein solches
DE102019208967A1 (de) Wärmeerzeugendes Element und Verfahren zu dessen Herstellung
WO2023232339A1 (de) Verfahren zur herstellung eines heizelements und heizelement
WO2022223175A1 (de) Vorrichtung zur erwärmung eines mediums
EP3598847B1 (de) Wärmeerzeugendes element und verfahren zu dessen herstellung
EP2471338B1 (de) Einrichtung zur kontaktierung eines beheizbaren schlauchs
AT406924B (de) Heizelement
DE102020200751A1 (de) Gehäuseanordnung für vereisungsgefährdete Bauteilkomponenten oder Medien
DE102019210958A1 (de) Elektrisch beheizbare Fluidleitung und Verfahren zu deren Herstellung
DE3505517C1 (de) Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für Kunststoff-Spritzdüsen
WO2017211423A1 (de) Elektrodenplatte und verfahren zur herstellung
EP3917295A1 (de) Verfahren zur herstellung eines elektrischen verteilersystems und elektrisches verteilersystem
WO2011015535A1 (de) Funktionsmodul und verfahren zur herstellung des funktionsmoduls
DE102022203470A1 (de) Elektrischer Durchlauferhitzer und Verfahren zur Herstellung des elektrischen Durchlauferhitzers
DE102020202195A1 (de) Elektrische Heizeinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23720279

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1