HEIZUNG, INSBESONDERE HOCHTEMPERATURHEIZUNG, SOWIE VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere Hochtemperaturheizung, sowie eine solche Heizung, insbesondere eine Hochtemperaturheizung, bei der auf einem Trägermaterial eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Schicht vorgesehen ist.

[0002] Solche Heizungen, insbesondere Hochtemperaturheizungen, werden für Produkte der Weißen Ware, beispielsweise als Heizung für einen Backofen, Toaster oder auch Herdplatten bzw. Glaskeramikkochfelder, eingesetzt. Zur Aufheizung dieser Gegenstände bis zu Temperaturen von > 400 °C werden bislang Heizstäbe eingesetzt, von denen aus eine Wärmestrahlung erfolgte, um das angrenzende Trägermaterial aufzuheizen. Durch den Einsatz solcher Heizstäbe kommt es zu einem inhomogenen Aufwärmvorgang. Eine gezielte Fokussierung auf das Kochgut oder das zu erwärmende Gut ist dadurch nicht gegeben. Des Weiteren besteht zwischen den Heizdrähten und dem Trägermaterial ein Luftpolster, welches sich negativ auf die Wärmeübertragung auswirkt.

[0003] Zur Vermeidung eines inhomogenen Aufheizvorganges sind beispielsweise Induktionskochfelder bekannt, bei denen die Wärme im Kochtopf durch Wirbelströme direkt erzeugt wird. Dadurch wird zwar eine homogene Aufheizung des Kochgutes erzielt, jedoch sind die Anschaffungskosten aufwändig, und es werden spezielle Töpfe zum Erwärmen des Kochgutes benötigt. Diese Hochtemperaturheizung lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres auf beliebige Produkte der Weißen Ware übertragen.

[0004] Aus der DE 10 2005 049 428 A1 ist ein plattenförmiges Heizelement bekannt geworden, welches zur Raumklimatisierung von Wohnungen und Gebäuden eingesetzt wird. Auf einer Verbundplatte ist eine Heizschicht aus einem Kohlenstoff-Fasergemisch mit nicht leitenden Materialien bekannt geworden, welche auf einer Gipskartonplatte oder eine rückseitig mit einem Verbundbaustoff versehene Verbundplatte aufgebracht ist. Zur Kontaktierung der Heizschicht sind streifenförmige Kontaktelemente vorgesehen, so dass eine flächige Erwärmung der Schicht auf Kohlenstoffiaser-Gemisch ermöglicht wird. Solche flächenförmige Heizungen ermöglichen aufgrund deren Ausgestaltung der Heizschicht lediglich Temperaturen in einem Bereich von < 50 °C und eignen sich nicht für den Einsatz der Weißen Ware. Darüber hinaus ist das Aufbringen von solchen Fasergemischen oder Fasergeweben sehr kostenintensiv.

[0005] Analoges gilt beispielsweise für die aus der DE 20 2005 013 822 bekannt gewordenen flächenförmigen Heizelemente, welche analog zum Heizungselement zur Raumklimatisierung aufgebaut sind. Solche Verbundsysteme mit einer papierähnlichen Faserstruktur sind in der Herstellung aufwändig und kostenintensiv. Darüber hinaus ist die Anpassung an beliebige Geometrien und ein leichtes Aufbringen erschwert.

[0006] Aus der DE 100 01 330 A1 ist eine Elektrokochplatte mit mindestens einer Kochzone bekannt geworden, welche als Trägermaterial Glaskeramik, Glas oder Keramik einsetzt. An deren Unterseite ist zum Beheizen der Kochzonen eine elektrische Isolierschicht vorgesehen sowie eine thermisch isolierende Abdeckschicht, wobei dazwischen liegend ein Heizwiderstandsmaterial vorgesehen ist. Das Heizwiderstandsmaterial besteht aus elektrisch leitfähigem Kohlenstoff, Graphitteilchen oder Kohlenstofffasem, die mit Elektroden kontaktiert sind. Das Heizwiderstandselement kann mit einem Bindemittel aus hitzebeständigen organischen oder anorganischen Stoffen vermischt sein. Die darauf aufgebrachte zweite thermisch isolierende Abdeckschicht schließt luftdicht gegenüber der Atmosphäre des Heizwiderstandselementes ab, wobei die Abdeckschicht aus hitzebeständigem Glas oder einer Emailschicht besteht. Der Zusammenbau des Kochplattenkörpers erfolgt durch elektrochemisches Verbinden der aufeinander liegenden Schichten, wobei vorgesehen ist, dass das Heizwiderstandselement durch Aufheizen auf eine Temperatur über 400 °C gebracht wird und zusätzlich eine elektrische Spannung von mehr als 400 V an den Kochplattenkörper und das Heizwiderstandselement angelegt wird.

[0007] Dieser Schichtaufbau der Kochzone weist den Nachteil auf, dass eine aufwendige Darstellung der Haftungseigenschaften durch hohe Spannungen gegeben ist und keine freie Wahl der Kontaktierungsmethode ermöglicht ist, da die Kontaktierung direkt an der leitfähigen Schicht sein muss.

[0008] Aus der DE 103 36 920 A1 geht des Weiteren eine Elektrobratofenplatte zum Heizen vor, welche auf einen Aufbau der Elektrokochplatte gemäß der DE 100 01 330 A1 Bezug nimmt, wobei dieser Aufbau für Elektroback-, Gar- oder Elektrobratöfen eingesetzt werden sollen.

[0009] Aus der DE 20 2009 000 136 U1 ist eine Infrarot-CNT-Heizeinrichtung bekannt, welche einen thermisch belastbaren Formkörper mit einer elektrisch leitfähigen Strukturschicht umfasst, die bei Stromdurchfluss infrarote Wärmestrahlen erzeugt. Die elektrisch leitfähige Strukturschicht besteht aus CNT-Werkstoffen, die durch Extrahieren oder manuellen Auftrag aus CNT-Suspensionen gewonnen und mit geeigneten Trägermaterialien wie Gel oder pastösen Emulsionen auf den Formkörper aufgebracht werden. Zwischen dem Formkörper und der leitfähigen Strukturschicht kann eine funktionelle Beschichtung aus thermisch behandelter Keramik-, Metall, Email-, Blocker-, Haft- oder Isolierschicht vorhanden sein.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere eine Hochtemperaturheizung sowie eine Heizung, insbesondere eine Hochtemperaturheizung, vorzuschlagen, bei welchem ein Heizelement in einfacher Weise als dünne Schicht ganzflächig aufgebracht werden kann und eine homogene Wärmeübertragung ermöglicht.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere für thermische Hausgeräte, gelöst, bei dem auf dem Trägermaterial eine erste elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht wird, welche aus einem fließfähigen Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes gebildet wird, dass auf diese erste Schicht eine Schutzschicht aufgebracht wird, welche durch das Aufbringen auf die erste Schicht in diese penetriert, indem die Schichten durch eine Temperaturbehandlung komprimiert werden und zur Herstellung der Schutzschicht ein Silikat zur Bildung einer anorganischen Schicht eingesetzt wird.

[0012] Dieses Verfahren ermöglicht, dass ein sehr dünnes Heizelement hergestellt wird, welches sehr schnell aufgeheizt werden kann und eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf das Trägermaterial ermöglicht. Durch den Wärmebehandlungsprozess nach dem Auftragen der ersten Schicht und der Schutzschicht hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass die als leitfähiges Material ausgewählten Carbon-Nanotubes temperaturbeständig in der ersten Schicht und der Schutzschicht eingebracht werden können und ein Verbrennen vermieden wird. Durch die Verwendung eines Silikats als Schutzschicht können die in dem Grundmaterial dispergierten Carbon-Nanotubes vollständig eingebunden beziehungsweise gegenüber der Umgebung geschützt werden, so dass gerade bei erhöhten Temperaturen ein Oxidationsschutz der Carbon-Nanotubes gegeben ist, da diese bei diesen hohen Temperaturen mit einer Degradation beginnen. Durch das Einpenetrieren der Schutzschicht und der anschließenden Komprimierung wird dieser Degradation entgegengewirkt. Dadurch wird ein Heizelement bereitgestellt, welches eine entsprechende Thermoschockstabilität und eine mechanische Haftung auf dem Trägermaterial ermöglicht. Durch die Wärmebehandlung beziehungsweise durch das Erhitzen wird ergänzend bei der ersten Schicht und der Schutzschicht eine Komprimierung der Schichten erzielt. Dies weist den Vorteil auf, dass solche Hochtemperaturheizelemente luft- beziehungsweise sauerstoffdicht komprimiert werden. Dadurch kann auch die Temperaturstabilität der eindispergierten Carbon-Nanotubes erzielt werden.

[0013] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zumindest eine Schicht mit Kontaktelementen kontaktiert und die auf dem Trägermaterial aufgebrachten Schichten erhitzt werden. Dadurch kann eine erhöhte mechanische Haftung zwischen dem Kontaktelement und dem Trägermaterial erzielt werden.

[0014] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Kontaktelemente streifenförmig sind. Dadurch kann eine flächenförmige Aufheizung erzielt werden.

[0015] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die aufgebrachte erste Schicht und Schutzschicht insbesondere auf eine Temperatur zwischen 300 °C bis 700 °C erhitzt wird. Durch diese Temperaturbehandlung erfolgt ein Sinterprozess der Schichten. Dadurch kann insbesondere eine Komprimierung der Schichten erfolgen. Dies weist den Vorteil auf, dass solche Hochtemperaturheizungen durch den Sinterprozess luftsauerstoffdicht komprimiert werden und somit für einen Betrieb bei Temperaturen von > 400 °C geeignet und beständig sind.

[0016] Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die erste Schicht nach dem Aufbringen getrocknet und anschließend die Schutzschicht aufgebracht wird. Dieser Trocknungsvorgang weist den Vorteil auf, dass die erste Schicht zumindest geringfügig komprimiert wird, insbesondere wasserlösliche Bestandteile ausdampfen können, bevor die weitere Schutzschicht aufgetragen wird. Dadurch kann ein dünner Aufbau des Heizungselementes begünstigt werden.

[0017] Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Schicht und getrennt davon die Schutzschicht oder die Funktionsschicht durch ein Sprühverfahren durch Aufrakeln oder ein Druckverfahren aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein Siebdruckverfahren vorgesehen sein, durch welches die insbesondere pastöse erste Schicht in einfacher Weise auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Anschließend kann in gleicher Weise die ebenfalls bevorzugt pastös ausgebildete zweite Schutzschicht aufgetragen werden. Somit können bekannte Technologien für die Herstellung von Hochtemperaturheizelementen eingesetzt werden. Alternativ kann ein Spritzverfahren bzw. ein Sprühverfahren vorgesehen sein, um die erste und zweite Schicht das Trägermaterial aufzubringen. Hier kann ein sogenanntes Spraycoating, ein Dipcoating, also eine Tauchbeschichtung oder ein Spincoating realisiert werden.

[0018] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die erste Schicht vollflächig oder in nebeneinander liegenden Streifen aufgebracht wird, die Schutzschicht vollflächig auf die erste Schicht aufgebracht wird und diese vollständig zum Trägermaterial umhüllt, wobei insbesondere vor oder nach dem Aufbringen der ersten Schicht streifenförmige Kontaktelemente aufgebracht werden. Dadurch wird die erste Schicht als elektrisch leitfähige Schicht mit den streifenförmigen Kontaktelementen verbunden und anschließend eine elektrische Isolierung durch die Schutzschicht mit Ausnahme von Anschlussstellen an den streifenförmigen Kontaktelementen ermöglicht. Durch die vollständige Umhüllung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht durch die Schutzschicht wird des Weiteren ermöglicht, dass für die Herstellung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht wasserlösliche Materialien als Basis für eine Dispersion eingesetzt werden können. Diese weisen wiederum den Vorteil auf, dass eine Verarbeitung ohne den Einsatz von Lösungsmitteln möglich und somit gesundheitlich unbedenklich ist.

[0019] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass vor dem Aufbringen der ersten Schicht auf das Trägermaterial im Erwärmungsbereich eine elektrisch isolierende Schicht auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn das Trägermaterial nicht aus einem dielektrischen Material, sondern aus einem elektrisch leitfähigen oder schwach elektrisch leitfähigem Material, hergestellt ist.

[0020] Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass zur Herstellung der ersten Schicht als elektrisch nicht leitfähiges Grundmaterial eine wässrige Lösung, insbesondere Wasser oder destilliertes Wasser, eingesetzt wird, welches vorzugsweise einen Dispergenten, wie beispielsweise Gummi Arabicum umfasst. Dieser ermöglicht ein einfaches Aufbringen, insbesondere als vollflächige Schicht, ohne Lösungsmittel für die Herstellung der Dispersion als auch für die Reinigung von Maschinen einzusetzen.

[0021] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in das elektrisch nicht leitende Grundmaterial Füllstoffe aus Carbon-Nanotubes und/oder Graphit eingearbeitet und diese Paste dann verdruckt werden kann. Der letzte Schritt beschreibt das Aufbringen der Schutzschicht (TopCoat), welche vorzugsweise aus Ethylsilikat mit Graphit besteht.

[0022] Dabei können bevorzugt Single-, Double- oder Multiwalled-Nanotubes eingesetzt werden. Insbesondere die Kombination von Graphit und Carbon-Nanotubes weist den Vorteil auf, dass eine fließfähige Dispersion für die erste Schicht zum vollflächigen Aufbringen auf ein Trägermaterial erzielt wird.

[0023] Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in die Schutzschicht ein Füllmittel, insbesondere Graphit, eindispergiert wird. Dies weist den Vorteil auf, dass insbesondere bei der ersten alternativen Ausführungsform des Verfahrens beim Einpenetrieren der Schutzschicht in die erste elektrisch leitfähige Schicht das Füllstoffverhältnis erhöht wird, wodurch sich auch die Leitfähigkeit in der zweiten Schicht erhöht. Dadurch kann die Kontaktierung zu beliebigen Zeitpunkten aufgebracht und an unterschiedlichen Orten flexibel angebracht werden. Die Schutzschicht dient nicht nur zur Isolierung gegen Luftsauerstoff, durch die Zugabe von Graphit, welches temperaturstabiler an Luft als die CNTs ist, wird ebenso nach der Penetration und der daraus resultierenden Verschiebung der Gewichtsprozentanteile der Füllstoffe eine Funktionsschicht zur effektiven Durchkontaktierung gegeben. Insgesamt hat diese Schicht also drei Merkmale:

1) Haftung durch Penetration; 2) Isolierung gegen Luftsauerstoff; 3) leitfähige, CNT freie Schicht zur Durchkontaktierung.

[0024] Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass in die erste Schicht ein Haftmittel, insbesondere Gummi Arabicum eindispergiert wird. Dadurch kann eine Haftvermittlung zwischen der ersten Schicht und einem Trägermaterial verbessert werden. Das Gummi Arabicum dient vor dem Aufbringen der Schutzschicht (TopCoat) als Haftvermittler. Dadurch ist garantiert, dass beim Aufdrucken der Schutzschicht (TopCoat) dieses nicht die erste Schicht (PreCoat) zerstört.

[0025] Während dem Einbrand der Schichten wird das Gummi Arabicum ausgebrannt. Bevor sich die Schutzschicht gasdicht ausbildet, diffundieren die flüchtigen Bestandteile des Gummi Arabicum aus. Alternativ zum Gummi Arabicum sind auch ebenso andere Tenside wie SDS oder Triton denkbar.

[0026] Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß durch ein Heizelement, insbesondere ein Hochtemperaturheizelement, beispielsweise für thermische Hausgeräte, gelöst, bei dem auf dem Trägermaterial eine erste elektrisch leitfähige Schicht bestehend aus einem Grundmaterial und einem darin eindispergierten Carbon-Nanotube und eine Schutzschicht vorgesehen sind, welche in die erste Schicht penetriert ist und dass die Schutzschicht aus Silikat besteht. Dieser besondere Aufbau des Heizelementes ermöglicht, dass eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie die Thermoschockstabilität geschaffen werden kann. Gleichzeitig können dadurch beliebige Geometrien für die Heizelemente auf einem Trägermaterial, insbesondere zur Bildung einer Hochtemperaturheizung, ausgewählt werden.

[0027] Eine bevorzugte Ausgestaltung des Heizelementes sieht vor, dass die Schichten mit Kontaktelementen kontaktiert sind. Dadurch kann ein einfacher Anschluss geschaffen sein.

[0028] Bevorzugt sind die Kontaktelemente streifenförmig ausgebildet.

[0029] Eint weitere bevorzugte Ausgestaltung der Heizung sieht vor, dass die Schichten durch eine Temperaturbehandlung komprimiert sind. Dadurch kann die Temperaturbeständigkeit und/oder Thermoschockstabilität weiter erhöht werden.

[0030] Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Schicht und die Schutzschicht ein Heizelement mit einer Schichtdicke von weniger als 500 µm, insbesondere weniger als 100 µm, bilden. Aufgrund der Auswahl der Materialien kann ein ultradünnes Auftragen ermöglicht sein. Gleichzeitig kann eine homogene Wärmeerzeugung innerhalb der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und somit des Trägermaterials erfolgen.

[0031] Die Heizung weist bevorzugt eine erste Schicht auf, welche eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im fließfähigen Grundmaterial, insbesondere im Wasser oder destilliertem Wasser, aufweist. Dadurch kann eine hohe elektrische Leitfähigkeit gegeben sein, so dass mit niederen Spannungen gearbeitet werden kann. Bevorzugt ist eine Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit als Füllmittel in dem Grundmaterial vorgesehen. Durch die Hinzugabe von Graphit kann die Fließfähigkeit der ersten Schicht oder des Gemisches erhöht werden.

[0032] Das Heizelement weist bevorzugt ein Heizelement mit einer ersten Schicht und einer Schutzschicht auf, welches einen elektrischen Widerstand von weniger als 100 Ohm/Sq. aufweist. Dies ermöglicht eine Temperaturgenerierung von > 400 °C auf großen Substraten mittels einer üblichen Spannungsversorgung im Haushalt. Darüber hinaus könnten die Schichten noch dünner ausgelegt werden, um noch bessere mechanische Stabilitäten zu gewährleisten.

[0033] Zur Herstellung der Heizung ist bevorzugt ein Trägermaterial vorgesehen, welches aus Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik, MgO, KER 520 besteht. Dadurch werden vielfältige Einsatzbereiche, insbesondere in der Weißen Ware, ermöglicht. Gleichzeitig kann dadurch eine kostengünstige Herstellung erzielt werden.

[0034] Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Heizung,

Figur 2

eine schematische Seitenansicht von unten auf die Heizung gemäß Figur 1,

Figur 3

eine schematische Seitenansicht einer alternativen Heizung zu Figur 1 und

Figur 4

eine schematische Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform zu Figur 1.

[0035] In Figur 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Heizung 11, insbesondere einer Hochtemperaturheizung dargestellt. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht von unten. Die Hochtemperaturheizung 11 umfasst ein Trägermaterial 12, welches beispielsweise beim Einsatz im Bereich der Weißen Ware als Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik oder dergleichen ausgebildet sein kann. Auf deren Unterseite ist innerhalb eines Erwärmungsbereiches ein Heizelement 14 vorgesehen. Dieses Heizelement 14 umfasst eine erste elektrisch leitfähige Schicht 16, auf der eine Schutzschicht 17 aufgebracht ist. Bevorzugt umgibt die Schutzschicht 17 vollständig die erste elektrische Schicht 16, so dass diese elektrisch isoliert und mechanisch geschützt gegenüber der Umgebung an dem Trägermaterial 12 vorgesehen ist. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 16 erstreckt sich zwischen zwei streifenförmigen Kontaktelementen 18, welche zur Kontaktierung der elektrischen Schicht 16, beispielsweise bis an einen Randbereich des Trägermaterials 12, geführt sind. Zwischen den beiden bevorzugt parallel zueinander verlaufenden Kontaktelementen 18 erstreckt sich die erste Schicht 16 und bildet den Erwärmungsbereich. Die Schutzschicht 17 überdeckt die erste Schicht 16 und bevorzugt die streifenförmigen Kontaktelemente 18, so dass lediglich beispielsweise im Randbereich eine freie Kontaktierungsstelle ausgespart sein kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zunächst die erste Schicht 16 und die Schutzschicht 17 aufgebracht wird und anschließend die streifenförmigen Kontaktelemente 18 zu dem durch die erste Schicht 16 und Schutzschicht 17 gebildeten Erwärmungsbereich gebracht werden.

[0036] Die erste elektrisch leitfähige Schicht 16 besteht aus einem fließfähigen, elektrisch nicht leitfähigen Grundmaterial. Bevorzugt ist eine Dispersion auf wässriger Basis vorgesehen. In dieser Dispersion sind als elektrisch leitfähiges Material Carbon-Nanotubes dispergiert. Ergänzend umfasst die Dispersion ein Füllmittel, insbesondere Graphit, um die elektrische Leitfähigkeit zu unterstützen und die Fließfähigkeit einzustellen. Ergänzend ist bevorzugt in der Dispersion ein Haftmittel vorgesehen. Dieses kann beispielsweise Gummi Arabicum sein. Auch andere Tenside wie SDS oder Triton sind einsetzbar. Dadurch kann eine fließfähige oder pastöse Masse hergestellt werden, welche durch ein Druckverfahren oder Sprühverfahren auf das Trägermaterial 12 applizierbar ist. Diese Dispersion ist hochtemperatur-, thermoschockstabil und hydrophob. Die Schutzschicht 17 besteht bevorzugt aus einem Silikat, das bevorzugt mit Haftmittel, Füllmittel oder weiteren Partikeln angereichert sein kann, um die Haftungseigenschaften zu erhöhen. Dadurch kann die Thermoschockstabilität sowie die mechanische Haftung auf dem Trägermaterial verbessert werden. Durch das Penetrieren der Schutzschicht 17 in die erste Schicht 16 sind diese CNT's auch für einen Temperatureinsatz oberhalb von 350 °C geeignet, da die Schutzschicht 17 die CNT's luftdicht einschließt. Bevorzugt besteht das elektrisch leitfähige Material aus einem Verbund aus CNT's und Graphit oder weiteren elektrisch leitfähigen Partikeln oder Bestandteilen, die das Ausbilden einer pastösen Masse oder einer sprühfähigen Masse ermöglichen.

[0037] Das in Figur 1 dargestellte Heizelement 14 wird dadurch hergestellt, dass zunächst die Bestandteile aus einem elektrisch nicht leitfähigen Grundmaterial und darin dispergiertem Carbon-Nanotubes oder ein Verbund aus Carbon-Nanotubes mit weiteren elektrisch leitfähigen Materialien gemischt werden, um eine fließfähige oder pastöse Masse zu bilden, die mittels eines Siebdruckverfahrens vollflächig auf das Trägermaterial 12 aufgebracht wird. Anschließend können die streifenförmigen Kontaktelemente 18 vorzugsweise durch Auftragen einer leitfähigen Paste, insbesondere Silberleitpaste, im Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Diese Kontaktelemente 18 können auch vor dem Aufbringen der ersten Schicht 16 auf dem Trägermaterial 12 vorgesehen sein. Darauf folgend kann gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens diese erste Schicht 16 temperaturbehandelt werden. Dies weist den Vorteil auf, dass eine Aushärtung und Austrocknung des Grundmaterials beziehungsweise der wässrigen Basis für die als Dispersion ausgebildete erste Schicht 16 erfolgt, wodurch eine anschließende Penetration der Schutzschicht 17 verbessert wird. Anschließend wird die Schutzschicht 17 bevorzugt durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht. Alternativ kann diese auch ohne einen dazwischengeschalteten Trocknungsvorgang der ersten Schicht 16 aufgebracht werden. Anschließend wird das Trägermaterial 12 mit den darauf aufgebrachten Schichten 17 als auch den Kontaktelementen 18 temperaturbehandelt, so dass zumindest die Schutzschicht 17 vorzugsweise gesintert wird. Hier findet die Komprimierung statt und bedingt ein weiteres "Zusammenpressen" der leitfähigen Partikel, was wegen der erhöhten Berührungsanzahl und der Kompaktheit zu einem geringeren spez. Widerstand führt. Dadurch kann wiederum eine Leitfähigkeitsverbesserung in der ersten Schicht 16 geschaffen werden.

[0038] Solche Hochtemperaturheizungen 11 weisen Heizelemente 14 auf, deren Dicke beispielsweise < 100 µm ausgebildet sein können. Darüber hinaus wird aufgrund der vollflächigen Anordnung der elektrisch leitfähigen Schicht 16 an dem Trägermaterial 12 eine homogene Erwärmung und Wärmestrahlung des Trägermaterials 12 ermöglicht.

[0039] Bevorzugt kann der Schutzschicht 17 ein Reflektor zugeordnet sein, um die vom Heizelement 14 in entgegengesetzter Richtung zum Trägermaterial 12 erfolgende Wärmestrahlung zu reflektieren und das Aufheizen des Trägermaterials 12 zu beschleunigen.

[0040] In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform zu Figur 1 dargestellt. Diese Ausführungsform weicht dahingehend von der in Figur 1 ab, dass vor dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 16 eine elektrische Isolierschicht 19 vollflächig auf dem Trägermaterial 12 aufgebracht wird, um die elektrisch leitfähige Schicht 16 gegenüber dem Trägermaterial 12 isoliert anzuordnen. Diese Anordnung der Isolierschicht 19 kann ebenfalls beim Aufbringen eines Gemisches bestehend aus der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 16 und der Schutzschicht 17 vorgesehen sein. Ebenso kann vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 21 auf das Trägermaterial eine elektrisch isolierende Schicht 19 vollflächig aufgebracht werden.

[0041] In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform zu Figur 1 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch, dass anstelle einer vollflächigen ersten elektrisch leitfähigen Schicht 16 eine streifenförmige Schicht 16 gebildet ist. Solche Stege oder Rippen können in der Geometrie und der Kontur an die entsprechenden Anwendungsfälle angepasst werden. Die Streifengeometrie kann gezielte Bereiche aufheizen. Darüber hinaus begünstigt sie weiterhin die Haftungseigenschaften an dem jeweiligen Substrat. Die Streifen können beliebig angeordnet werden, so dass auf einem Substrat gezielt verschiedene Heizzonen implementiert werden können.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Heizung, insbesondere für thermische Hausgeräte, bei der auf einem Trägermaterial (12) eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Schicht als Heizelement (14) vorgesehen ist und auf dem Trägermaterial (12) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (16) aufgebracht wird, welche aus einem fließfähigen Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,

- dass auf diese erste Schicht (16) eine Schutzschicht (17) aufgebracht wird, welche durch das Aufbringen auf die erste Schicht (16) in diese penetriert,

- dass die Schichten (16, 17) durch eine Temperaturbehandlung komprimiert werden und

- dass zur Herstellung der Schutzschicht (17) ein Silikat zur Bildung einer anorganischen Schicht eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schicht (16, 17) mit vorzugsweise streifenförmigen Kontaktelementen (18) kontaktiert und die auf dem Trägermaterial aufgebrachten Schichten (16, 17) erhitzt, vorzugsweise nur durch Anlegen einer Spannung an den Kontaktelementen (18) erhitzt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Trägermaterial (12) aufgebrachte Schichten (16, 17) auf eine Temperatur von 300 °C bis 700 °C erhitzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) nach dem Aufbringen auf dem Trägermaterial (12) getrocknet und anschließend die Schutzschicht (17) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) und getrennt davon die Schutzschicht (17) durch ein Sprühverfahren, durch Aufrakeln oder ein Druckverfahren aufgebracht werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) vollflächig oder in Streifen auf das Trägermaterial (12) aufgebracht wird, die Schutzschicht (17) anschließend vollflächig auf die erste Schicht (16) und diese umhüllend zum Trägermaterial (12) aufgebracht wird, wobei vor oder nach dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) oder die Schutzschicht (17) streifenförmige Kontaktelemente (18) auf dem Trägermaterial (12) aufgebracht werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) im Erwärmungsbereich eine elektrisch isolierende Schicht (19) auf das Trägermaterial (12) aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) als nicht elektrisch leitfähiges, fließfähiges Grundmaterial eine wässrige Lösung, insbesondere Wasser oder destilliertes Wasser, eingesetzt wird, welches vorzugsweise einen Dispergenten, wie beispielsweise Gummi Arabicum, umfasst.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das fließfähige Grundmaterial der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (16) als elektrisch leitfähiges Material Carbon-Nanotubes und/oder Graphit dispergiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schutzschicht (17) ein Füllmittel, insbesondere Graphit, eindispergiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Schicht (16) ein Haftmittel, insbesondere Gummi Arabicum, eindispergiert wird.

12. Heizung, insbesondere Hochtemperaturheizung, insbesondere für thermische Hausgeräte, welche auf einem Trägermaterial (12) eine bei Stromfluss Wärme erzeugende Schicht als Heizelement (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Trägermaterial (12) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (16) bestehend aus einem Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes und eine Schutzschicht (17) vorgesehen ist, welche in die erste Schicht (16) penetriert ist und dass die Schutzschicht (17) aus einem Silikat besteht.

13. Heizung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17) mit vorzugsweise streifenförmigen Kontaktelementen (18) kontaktiert sind.

14. Heizung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Schicht (16, 17) eine Schichtdicke von weniger als 500 µm, insbesondere weniger als 100 µm, aufweisen.

15. Heizung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (16) eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im fließfähigen Grundmaterial aufweist oder dass eine Matrix aus einer Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit im Grundmaterial vorgesehen ist.

16. Heizung nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der ersten und zweiten Schicht (16, 17) hergestellte Heizelement (14) einen elektrischen Widerstand von weniger als 100 Ω/Sq aufweist.

17. Heizung nach Anspruch 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) aus Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik, MgO, KER500 besteht.

Claims

1. Method for producing a heating installation, particularly for thermal household appliances, in which a layer generating heat by electricity flow is provided on a substrate (12) as a heating element (14), and on the substrate (12), a first electrically conductive layer (16) is applied, which is formed from a flowable base material, and carbon nanotubes dispersed therein, characterised in

- that on this first layer (16), a protective layer (17) is applied, which by means of the application onto the first layer (16) penetrates into this,

- that the layers (16, 17) are compressed by temperature-treatment and

- that for producing the protective layer (17), a silicate is used to form an inorganic layer.

2. Method according to claim 1, characterised in that the at least one layer (16, 17) contacts with preferably strip-shaped contact elements (18), and the layers (16, 17), applied to the substrate, are heated, in particular are only heated by applying a voltage to the contact elements (18).

3. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the layers (16, 17), applied on the substrate (12), are heated to a temperature of 300 °C to 700 °C.

4. Method according to claim 1, characterised in that the first electrically conductive layer (16) is dried after application on the substrate (12), and the protective layer (17) is subsequently applied.

5. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the first electrically conductive layer (16), and, separately, the protective layer (17) are applied by a spraying process, by squeegee or a printing process.

6. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the first electrically conductive layer (16) is applied onto the substrate (12) over the whole area or in strips, whereby the protective layer (17) is subsequently applied onto the first layer (16) over the whole area, and covering the substrate (12), whereby before or after the application of the first electrically conductive layer (16) or protective layer (17), strip-shaped contact elements (18) are applied on the substrate (12).

7. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that before the application of the first electrically conductive layer (16) in the heating region, an electrically insulating layer (19) is applied onto the substrate (12).

8. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that for producing a first electrically conductive layer (16), as a non- electrically conductive, flowable base material, an aqueous solution, particularly water or distilled water is used, which preferably includes a dispergent, such as gum arabic, for example.

9. Method according to any one of the preceding claims, characterised in that carbon nanotubes and/or graphite are dispersed as an electrically conductive, flowable material into the base material, of the first electrically conductive layer (16).

10. Method according to claim 1, characterised in that a filler, particularly graphite, is dispersed into the protective layer (17).

11. Method according to claim 1, characterised in that an adhesive agent, particularly gum arabic, is dispersed into the first layer (16).

12. Heating installation, particularly high-temperature heating installation, in particular for household appliances, which comprise a layer generating heat by electricity flow on a substrate (12) as a heating element (11), characterised in that on the substrate (12), a first electrically conductive layer (16) consisting of a base material and carbon nanotubes dispersed therein and a protective layer (17) is provided, which is penetrated into the first layer (16), and that the protective layer (17) consists of silicate.

13. Heating installation according to claim 12, characterised in that the layers (16, 17) are contacted with particularly strip-shaped contact elements (18).

14. Heating installation according to claim 12 or 13, characterised in that the first and second layer (16, 17) comprise a layer thickness of less than 500 µm, particularly less than 100 µm.

15. Heating installation according to claim 12 to 14, characterised in that the first electrically conductive layer (16) has a concentration of 0.1 to 100 wt% carbon nanotubes in the flowable base material, or that a matrix of a concentration of 1 to 3 wt% carbon nanotubes and 5 to 50 wt% graphite is provided in the base material.

16. Heating installation according to claim 12 to 15, characterised in that the heating element (14) produced by the first and second layer (16, 17) has an electrical resistance of less than 100 Ω/Sq.

17. Heating installation according to claim 12 to 16, characterised in that the substrate (12) consists of ceramic, glass ceramic, Ceran ceramic, aluminium oxide ceramic, MgO, KER500.

Revendications

1. Procédé destiné à fabriquer un chauffage, notamment pour appareils thermiques domestiques, lors duquel une couche génératrice de chaleur en cas de passage de courant est prévue en tant qu'élément chauffant (14) sur un matériau support (12), et lors duquel sur le matériau support (12) est appliquée une première couche électroconductrice (16) qui est formée par un matériau de base coulant et, dispersés dans celui-ci, des nanotubes de carbone,
caractérisé en ce que

- sur cette première couche (16) est appliquée une couche protectrice (17) qui, lors de son application sur la première couche (16), pénètre dans celle-ci,

- les couches (16, 17) sont comprimées par un traitement thermique, et

- pour la fabrication de la couche protectrice (17) est utilisé un silicate destiné à former une couche inorganique.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une couche (16, 17) est mise en contact avec de préférence des éléments de contact (18) en forme de bande et que les couches (16, 17) appliquées sur le matériau support sont chauffées, et ce de préférence uniquement par application d'une tension aux éléments de contact (18).

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couches (16, 17) appliquées sur le matériau support (12) sont chauffées jusqu'à atteindre une température comprise entre 300 °C et 700 °C.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche électroconductrice (16) est séchée après avoir été appliquée sur le matériau support (12) et qu'ensuite la couche protectrice (17) est appliquée.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche électroconductrice (16) et, séparément de celle-ci, la couche protectrice (17) sont appliquées par un procédé de pulvérisation, par raclage ou par un procédé d'impression.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche électroconductrice (16) est appliquée sur le matériau support (12), et ce en bandes ou sur toute la surface, en ce que la couche protectrice (17) est ensuite appliquée sur toute la surface de la première couche (16) de manière à entourer celle-ci jusqu'au matériau support (12), des éléments de contact (18) en forme de bande étant appliqués sur le matériau support (12) avant ou après l'application de la première couche électroconductrice (16) ou de la couche protectrice (17).

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'avant l'application de la première couche électroconductrice (16), une couche électriquement isolante (19) est appliquée, dans la zone d'échauffement, sur le matériau support (12).

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour la fabrication de la première couche électroconductrice (16) une solution aqueuse, notamment de l'eau ou de l'eau distillée, qui comprend de préférence un agent de dispersion tel que de la gomme arabique, est utilisée en tant que matériau de base coulant non-électroconducteur.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le matériau de base coulant de la première couche électroconductrice (16) sont dispersés des nanotubes de carbone et/ou du graphite en tant que matériau électroconducteur.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la couche protectrice (17) est dispersé un matériau de remplissage, notamment du graphite.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la première couche (16) est dispersé un agent adhésif, notamment de la gomme arabique.

12. Chauffage, notamment chauffage à haute température, en particulier pour des appareils thermiques domestiques, lequel présente sur un matériau support (12), en tant qu'élément chauffant (11), une couche génératrice de chaleur en cas de passage de courant, caractérisé en ce que sur le matériau support (12) sont prévues une première couche électroconductrice (16) composée d'un matériau de base et, dispersés dans celui-ci, de nanotubes de carbone ainsi qu'une couche protectrice (17) qui a pénétré dans la première couche (16), et en ce que la couche protectrice (17) se compose d'un silicate.

13. Chauffage selon la revendication 12, caractérisé en ce que les couches (16, 17) sont mises en contact avec des éléments de contact (18) de préférence en forme de bande.

14. Chauffage selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la première et la deuxième couche (16, 17) présentent une épaisseur de couche inférieure à 500 µm, notamment inférieure à 100 µm.

15. Chauffage selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la première couche électroconductrice (16) présente une concentration en nanotubes de carbone comprise entre 0,1 et 100 pourcent en poids dans le matériau de base coulant, ou en ce qu'il est prévu une matrice présentant une concentration en nanotubes de carbone comprise entre 1 et 3 pourcent en poids et une concentration en graphite comprise entre 5 et 50 pourcent en poids dans le matériau de base.

16. Chauffage selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que l'élément chauffant (14) constitué par la première et la deuxième couche (16, 17) présente une résistance électrique inférieure à 100 Ω/carré.

17. Chauffage selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que le matériau support (12) se compose de céramique, vitrocéramique, céramique CERAN, céramique en oxyde d'aluminium, MgO, KER500.

Zeichnung