[0001] Die Erfindung betrifft ein Flächenheizelement sowie eine elektrische Flächenheizung
mit einem solchen Flächenheizelement. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines Flächenheizelements.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind Flächenheizelemente bekannt, bei denen Körper aus
Kohlenstofffasermaterial durch Stromzufuhr erwärmt werden. Problematisch bei den bekannten
Heizelementen ist die Aufrechterhaltung einer sicheren elektrischen Kontaktierung
des Kohlenstofffasermaterials im Dauerbetrieb, vor allem bei hohen Stromstärken. Darunter
werden in diesem Zusammenhang Stromstärken von mehr als 5 A, bis hin zu 25 A verstanden.
Typischerweise bilden sich nach einer mehr oder weniger langen Betriebsdauer sogenannte
"Hotspots", da es durch ständige Längenänderungen während des Heizvorganges zu inneren
Spannungen und Verschiebungen der leitfähigen Kreuzungspunkte im Flächenheizelement
kommt, die stellenweise einen allmählichen Abbau der leitfähigen Kohlefasermodifikation
bewirken und somit die Wirksamkeit und Lebensdauer des Heizelements begrenzen.
[0003] In
WO 2006/103081 A1 ist eine Flächenheizeinrichtung mit einer elektrisch leitfähigen Schicht und mit
elektrischen Zuleitungen beschrieben. Um eine Fußbodenheizung mit geringer Bauhöhe
zur Verfügung zu stellen, die gleichzeitig Geräusche dämmt, ist wenigstens eine Schalldämmschicht
vorgesehen. Ein Flächenheizelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus
WO 2006/103081 A1 bekannt.
[0004] Ein Niederspannungs-Heizelement in Form eines mechanisch belastbaren-flexiblen Schichtverbundes
ist in
EP 0 719 074 A2 beschrieben. Das Heizelement wird für flächenförmige Temperaturstrahler verwendet.
[0005] DE 20 2006 007 228 U1 beschreibt ein Infrarotflächenheizelement, das auf der Basis von elektrisch leitendem
Carbonfaservlies im Hochvakuum als mehrschichtiges Sandwich der Raumheizung dient.
[0006] Ein Widerstandsheizelement, bei dem ein spezielles, einer definierten Temperaturbehandlung
unterzogenes textiles Gewebe als elektrischer Widerstand verwendet wird, ist aus
GB 2 285 729 A bekannt.
[0007] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lebensdauer von elektrischen
Flächenheizungen zu erhöhen.
[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Flächenheizelement nach Anspruch 1 bzw. eine elektrische
Flächenheizung nach Anspruch 7 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelements
nach Anspruch 10 gelöst.
[0009] Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0010] Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Flächenheizelement erläuterten Vorteile
und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Flächenheizung
und umgekehrt sowie für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelements
und umgekehrt.
[0011] Eine grundlegende Idee der Erfindung besteht in der Verbesserung der elektrischen
Kontaktierung der Kontaktelemente mit dem Grundkörper des Flächenheizelements, indem
die Kontaktfläche des Kontaktelements derart strukturiert wird, daß Teile der Kontaktfläche,
vorzugsweise eine Vielzahl von Teilbereichen der Kontaktfläche, in den Grundkörper
eindringen, wodurch die elektrische Kontaktfläche vergrößert und der Übergangswiderstand
verringert wird. Die Bildung von "Hotspots" wird dadurch vermieden und die Lebensdauer
von elektrischen Flächenheizungen, welche derartige Heizelemente nutzen, verlängert.
[0012] Eine weitere Idee (kein Teil der beanspruchten Erfindung) besteht in der Abdichtung
und Fixierung der hergestellten elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente mit
dem Grundkörper des Flächenheizelements, indem eine Schutzfolie oder ein vergleichbares
Schutzelement verwendet wird, um die Kontaktstelle abzudichten und mechanisch zu fixieren.
Hierdurch wird zugleich die elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Elementen
fixiert und gesichert, so daß sich auch bei einer Ausdehnung und Schrumpfung eines
der beteiligten Elemente oder aller Elemente oder aber bei einer notwendigen Formänderung
des Flächenheizelements, beispielsweise aufgrund einer bestimmten Lagerungs- oder
Transportform oder aufgrund einer bestimmten Applikation, z.B. als Heizelement einer
elektrischen Flächenheizung, die elektrische Kontaktierung nicht löst sondern statt
dessen unverändert intakt bleibt.
[0013] Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit einer Längsanordnung der
Kontaktelemente,
- Fig. 2
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit einer Queranordnung der
Kontaktelemente,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Heizelement entlang der Linie III-III,
- Fig. 4
- einen Schnitt entsprechend Fig. 3 durch ein Heizelement mit vollflächig angebrachter
Schutzfolie,
- Fig. 5
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit einer Queranordnung der
Kontaktelemente und einem Stromfluß quer zu der Faservorzugsrichtung,
- Fig. 6
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit einer Queranordnung der
Kontaktelemente und einem Stromfluß in Faservorzugsrichtung,
- Fig. 7
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit einer Längsanordnung der
Kontaktelemente und einem Stromfluß quer zu der Faservorzugsrichtung,
- Fig. 8
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit einer Längsanordnung der
Kontaktelemente und einem Stromfluß in Faservorzugsrichtung,
- Fig. 9
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit drei quer angeordneten
Kontaktelementen in einer ersten Anschlußvariante,
- Fig. 10
- eine Draufsicht auf die Rückseite des Heizelements aus Fig. 9,
- Fig. 11
- eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Heizelements mit drei quer angeordneten
Kontaktelementen in einer zweiten Anschlußvariante,
- Fig. 12
- eine Draufsicht auf die Rückseite des Heizelements aus Fig. 11,
- Fig. 13
- einen Schnitt durch eine Kontaktfläche,
- Fig. 14
- eine Draufsicht auf eine strukturierte Kontaktfläche,
- Fig. 15
- die Komponenten einer Flächenheizung,
- Fig. 16
- eine Draufsicht auf ein einzelnes Heizelement (stark vereinfacht),
- Fig. 17
- eine Draufsicht auf einen Heizelementeverbund (stark vereinfacht).
[0014] Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch
und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei
Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
[0015] Ein erfindungsgemäßes Flächenheizelement 1 umfaßt einen als Heizwiderstand dienenden,
d.h. erwärmbaren Grundkörper 2 in Form eines elektrisch leitfähigen, flexiblen Flächengebildes,
das Kohlenstofffasern (nicht im einzelnen abgebildet) beinhaltet.
[0016] Das erfindungsgemäße Heizelement 1 umfaßt außerdem wenigstens zwei elektrische Kontaktelemente
3, 4, die voneinander beabstandet sind und mit dem Grundkörper 2 flächig verbunden
sind. Diese Flächenkontakte dienen zum Einspeisen von elektrischem Strom in den Grundkörper
2. Die Kontaktelemente 3, 4 sind mit ihren Kontaktflächen 5 flächig mit der Oberfläche
6 des Grundkörpers 2 verbunden bzw. an der Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 angebracht.
Insbesondere liegen die Kontaktelemente 3, 4 auf der Oberfläche 6 des Grundkörpers
2 an bzw. auf.
[0017] Die Kontaktflächen 5 der Kontaktelemente 3, 4 des erfindungsgemäßen Heizelements
1 sind derart ausgebildet, daß sie in den Grundkörper 2 eindringen. Dieses Eindringen
oder Eingreifen erfolgt dabei vorzugsweise nicht großflächig, sondern punktuell, wobei
hier punktuell nicht im Sinne von punktförmig, sondern im Sinne von abschnitts- oder
bereichsweise zu verstehen ist. Gleichwohl kann jede einzelne Eingriffsstelle des
Grundkörpers 2 als ein punktförmiger Eingriff ausgeführt sein, hervorgerufen durch
ein spitzes Eingriffswerkzeug. Das Eingreifen erfolgt vorzugsweise an einer Vielzahl
von Stellen der Kontaktflächen 5 der Kontaktelemente 3, 4. Vorzugsweise sind diese
Stellen gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche 5 verteilt.
[0018] Der Grundkörper 2 des Heizelements 1 ist durch ein Flächengebilde aus Fasern gebildet.
Bei dem Flächengebilde handelt es sich entweder um ein Papiervlies (nachfolgend auch
kurz als Papier bezeichnet), genauer gesagt um ein elektrisch leitendes Papiergefüge
mit zellulosehaltigen Faserstoffen oder anderen zur Papierherstellung üblichen Fasern
einerseits und mit Kohlenstofffasern andererseits. Oder es handelt sich bei dem Flächengebilde
um ein anderes Faservlies, beispielsweise ein Gebilde aus Kunststofffasern, wie z.B.
Polyesterfasern, Mischfasern oder dergleichen, die zusammen mit Kohlenstofffasern
in irgendeiner Weise zu einem Vlies, d.h. einer Faserschicht, zusammengefügt ist.
[0019] Das Material des Grundkörpers 2 enthält dabei vorzugsweise 10 bis 50% Gewichtsanteile
Kohlenstofffasern. Beispielhaft wird elektrisch leitfähiges Papier verwendet, wie
es in
DE 10 2013 101 899 A1 beschrieben ist. Derartige Papiere oder Faservliese leiten den elektrischen Strom
und lassen sich in der Weise kontaktieren, daß elektrische Leistung mit Hilfe von
Niedervolttransformatoren wirksam und effizient in Heizungswärme umgewandelt werden
kann. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der
Grundkörper 2 ca. 35 Gew.-% Kohlenstofffasern und die bevorzugte Grammatur des Papiers
beträgt 80 bis 150 g/m
2. Vorzugsweise sind die Materialeigenschaften des für den Grundkörper 2 verwendeten
Materials genau definierbar, insbesondere hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit.
Die als elektrisch leitfähige Komponente eingesetzten Kohlenstofffasern weisen beispielsweise
einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,6 x 10
-5 Ωm auf.
[0020] Nachfolgend wird beispielhaft angenommen, daß der Grundkörper 2 aus einem Papiervlies
besteht.
[0021] Vorzugsweise sind die Kohlenstofffasern in dem Grundkörper 2 gleichmäßig verteilt
(dispergiert). Aus der Art und Weise der Vliesherstellung ergibt sich, daß die Kohlenstofffasern
in dem Papiergefüge anisotrop ausgerichtet sind, meistens bevorzugt entlang der Papierbahnlänge,
so daß in solchen Fällen von einer definierten bzw. einheitlichen Faserrichtung 7
("Vorzugsrichtung") ausgegangen werden kann. Hieraus ergeben sich zwei unterschiedliche
Möglichkeiten der Kontaktierung, nämlich einerseits mit einem Stromfluß 8 quer zu
der bevorzugten Faserausrichtung 7 und andererseits mit einem Stromfluß 8 längs zu
der bevorzugten Faserausrichtung 7. Für den "quer"-Fall ergibt sich, verglichen mit
dem "längs"-Fall, ein höherer Widerstand. Dies wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gezielt genutzt.
[0022] Der Grundkörper 2 ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß er flexibel bzw. biegsam
ist, insbesondere derart, daß er bei der Applikation des Heizelements 1 in der späteren
Flächenheizung 10 verformbar, beispielsweise an die Form eines zu beheizenden Bauteils
anpaßbar ist.
[0023] Die Geometrie des Grundkörpers 2, insbesondere dessen Länge und Breite, ist vorzugsweise
frei wählbar und kann an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Die Grundform
des Grundkörpers 2 ist typischerweise rechteckig. In jedem Fall handelt es sich um
ein Flächengebilde, d.h. einen flächigen, insbesondere flachen Körper, beispielsweise
in Form eines Bogens, einer Platte, einer Tafel, einer Bahn oder einer Rolle.
[0024] Eine Seite des flachen, d.h. in der Regel zumindest im unverarbeiteten Ausgangszustand
quaderförmigen Grundkörpers 2 wird als Vorderseite 11, die gegenüberliegende Seite
als Rückseite 12 definiert, wobei angenommen wird, daß die Vorderseite 11 primär zur
Abstrahlung der Wärmestrahlung dienen soll, die freie, nicht mit Kontaktelementen
3, 4 belegte Fläche der Vorderseite 11 also als Heizfläche 13 dient. Aufgrund der
Arbeitsweise des Heizelements 1 als Widerstandsheizung erwärmt sich der Grundkörper
2 aber durchgehend, so daß auch die gegenüberliegende Rückseite 12 erwärmt wird, selbst
wenn die Kontaktelemente 3, 4 nur auf der Vorderseite 11 mit dem Grundkörper 2 elektrisch
verbunden sind. Auch die Rückseite 12 kann daher als Heizfläche 13 dienen bzw. eine
Heizfläche 13 ausbilden.
[0025] Der Grundkörper 2 ist in der Form beliebig veränderbar, beispielsweise zuschneidbar,
und/oder mit Öffnungen (Löchern, Bohrungen, Durchbrüchen, ...) versehbar, z.B. für
die Anbringung von Schrauben oder anderen Befestigungselementen oder für die Anpassung
an die Form der zu beheizenden Bauteils etc. pp. Solange die Kontaktelemente 3, 4
intakt bleiben, ist das Heizelement 1 dennoch funktionstüchtig. Der Grundkörper 2
kann mit anderen Worten nicht nur geknickt, gefaltet oder gerollt werden. Die Heizfläche
13, also typischerweise die Fläche zwischen den Kontaktelementen 3, 4 auf der Vorderseite
11 des Grundkörpers 2 des Heizelements 1, kann auch asymmetrisch geformt sein, ohne
daß dies der Funktionstüchtigkeit des Heizelements 1 entgegensteht.
[0026] Der Grundkörper 2 muß nicht zwingend als homogener Körper verstanden werden, der
lediglich aus einem einzigen Material (Papier, Faservlies etc.) besteht. Der Grundkörper
2 kann auch seinerseits eine Materialkombination darstellen. Insbesondere kann der
Grundkörper 2 aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials aufgebaut sein, sofern
der Kern bzw. der wesentliche (überwiegende) Bestandteil des Grundkörpers 2 aus kohlenstofffaserhaltigem
Material (Papiervlies, Faservlies etc.) besteht und zur Bildung eines Heizwiderstands
geeignet ist, also Wärme erzeugt werden kann, indem das Material, das einen vergleichsweise
niedrigen elektrischem Widerstand aufweist, von Strom durchflossen wird und sich dadurch
erhitzt.
[0027] Besonders vorteilhaft ist es, wenn das für den Grundkörper 2 verwendete Material
diffusionsoffen ist, also Feuchtigkeit durch den 2 Grundkörper hindurchtreten kann,
wie dies z.B. bei Verwendung des Heizelements 1 in einer Flächenheizung 10 von Nutzen
sein kann, die zur Entfeuchtung von Mauerwerk eingesetzt wird.
[0028] Durch Modifikationen des Grundmaterials lassen sich Änderungen des elektrischen Widerstands
des Heizelements 1 hervorrufen. So kann beispielsweise der Widerstand des Grundkörpers
2 durch eine gezielte Tränkung der zum Einsatz kommenden Fasern mit Kunststoffen oder
viskosen Haftklebern erhöht werden. Auch kann zwischen den Kontaktelementen 3, 4 und
dem Grundkörper 2 als Zwischenschicht eine niedrigschmelzende Folie (nicht dargestellt)
vorgesehen sein, welche die Kontaktierung verbessert.
[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kontaktelemente 3, 4
durch Folien oder Bänder gebildet. Als Material für die Kontaktelemente eignet sich
vorzugsweise Kupfer. Die Verwendung anderer geeigneter Materialien ist möglich.
[0030] Sind die Kontaktelemente 3, 4 nicht als massive Leiter oder Bleche, sondern als dünnes
Material ausgeführt, insbesondere als Folien oder Bänder, z.B. nach Art von Bandelektroden,
dann sind sie aufgrund der geringen Materialstärke leicht verformbar und lassen sich
daher gut an die Faserstruktur des Grundkörpers 2 anschmiegen (andrücken).
[0031] Eine flexible bzw. biegsame Ausführung der Kontaktelemente 3, 4 gewährleistet darüber
hinaus, daß sich die Kontaktelemente 3, 4 einer veränderten Form des Grundkörpers
2 anpassen können, wenn der Grundkörper 2 bei der Applikation des Heizelements 1 in
der späteren Flächenheizung 10 verformt, beispielsweise gebogen, gefaltet oder geknickt
wird.
[0032] Im Vergleich zu dem Grundkörper 2 weisen die Kontaktelemente 3, 4 geringere Abmessungen
auf. In der Regel bedecken die Kontaktelemente 3, 4 im kontaktierten Zustand nur einen
Bruchteil der Oberfläche 6 des Grundkörpers 2.
[0033] Die Verbindung der Kontaktelemente 3, 4 mit dem Grundkörper 2 erfolgt vorzugsweise
mittels mehrerer Verbindungsarten gleichzeitig, jedoch im einfachsten Fall mittels
einer Klebeverbindung. Mit anderen Worten werden die Kontaktelemente 3, 4 auf den
Grundkörper 2 aufgeklebt. Die Verbindung mittels Klebstoff ist sehr einfach herstellbar,
auch mittels automatisierter Verfahren. Darüber hinaus sind Klebeverbindungen bei
geeigneter Klebstoffauswahl auch bei Beaufschlagungen mit hohen Strömen haltbar.
[0034] Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines selbstklebenden Kupferbandes, wie
es beispielsweise zur Ableitung statischer Aufladung und Abschirmung elektromagnetischer
Felder verwendet wird, als Kontaktelement 3, 4. Das Klebeband umfaßt in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung einen geeigneten Klebstoff, beispielsweise Acrylatkleber,
und eine Kupferfolie als Träger auf einem Papierliner. Das verwendete Kupferband weist
vorzugsweise eine Breite von 10 bis 25 mm auf.
[0035] Die Verbindung der Kontaktelemente 3, 4 mit dem Grundkörper 2 kann jedoch in alternativen
Ausführungen auch ohne Kleben erfolgen, beispielsweise indem die Kontaktelemente 3,
4 mittels mechanischer Hilfsmittel an dem Grundkörper 2 fixiert werden. Gegebenenfalls
können solche Hilfsmittel nach der Strukturierung der Kontaktelemente 3, 4 wieder
entfernt werden, wenn die Kontaktelemente 3, 4 aufgrund ihres mechanischen Eingriffs
in den Grundkörper 2 mit diesem verbunden sind.
[0036] Im Zusammenhang mit der Herstellung des Heizelements 1 wird nicht nur über die Größe
des Grundkörpers 2, sondern nach Art einer Konfektionierung auch über die Anordnung
der Kontaktelemente 3, 4 auf dem Grundkörper 2 entschieden.
[0037] In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind die Kontaktelemente 3, 4 an
sich gegenüberliegenden Rändern bzw. Kanten des Grundkörpers 2 angeordnet. Grundsätzlich
können die Kontaktelemente 3, 4 dabei längs bzw. quer auf der in der Regel rechteckigen
Fläche des Grundkörpers 2 angeordnet sein. Dies hat unterschiedliche Auswirkungen
auf den Abstand und die Länge der Kontaktelemente 3, 4 sowie für den späteren Stromdurchtritt
zwischen den Kontaktelementen 3, 4 einerseits und den unzähligen Kohlenstofffaser-3Verbrauchern"
im Inneren des Grundkörpers 2 andererseits.
[0038] In diesem Zusammenhang muß eine erste grundsätzliche Entscheidung gefällt werden
hinsichtlich des Verhältnisses von Länge 14 der Kontaktelemente 3, 4 zu Abstand 15
zwischen den Kontaktelementen 3, 4 auf der Vorderseite 11 des Grundkörpers 2. Bei
Grundkörpern 2 mit nicht gleichlangen Seiten kann dabei zwischen einer ersten Variante
mit langen Kontaktelementen (effektiven Leiterlängen 14) und einem geringen Abstand
15 zwischen den Kontaktelementen 3, 4 (d.h. die Kontaktelemente 3, 4 sind an den längeren
Längsseiten 16 des Grundkörpers 2 angeordnet), wie beispielhaft in Fig. 1 abgebildet,
und einer zweiten Variante mit kurzen Kontaktelementen 3, 4 (effektiven Leiterlängen
14) und einem großen Abstand 15 zwischen den Kontaktelementen 3, 4 (d.h. die Kontaktelemente
3, 4 sind an den kürzeren Schmalseiten 17 des Grundkörpers 2 angeordnet) entschieden
werden, wie beispielhaft in Fig. 2 abgebildet.
[0039] In diesem Zusammenhang muß auch eine zweite grundsätzliche Entscheidung gefällt werden,
nämlich hinsichtlich der Anordnung der Kontaktelemente 3, 4 in Bezug auf die Vorzugsrichtung
7 der Kohlenstofffasern im Grundkörpermaterial. Genauer gesagt muß entschieden werden,
ob der Stromfluß 8 in Faserrichtung 7 oder quer zu der Faserrichtung 7 erfolgt, Dies
hat Einfluß auf den erreichbaren elektrischen Widerstand des Heizelements 1.
[0040] Der für die Heizleistung des Heizelements 1 wichtige elektrische Widerstand R ergibt
sich gemäß R = k x A/L, wobei A den Abstand 15 zwischen den Kontaktelementen 3, 4
und L die effektive Länge 14 der Kontaktelemente 3, 4 auf dem Grundkörper 2 sowie
k eine Materialkonstante darstellt, die abhängig von dem Anteil der Kohlenstofffasern
im Grundkörpermaterial ist.
[0041] Fließt der Strom durch den Grundkörper 2 bei Kontaktelementen 3, 4 mit kurzer Länge
14, die mit großem Abstand 15 zueinander angeordnet sind, quer zu der Faserrichtung
7 der Kohlenstofffasern im Grundmaterial, wie in Fig. 5 dargestellt, ergibt sich ein
erster elektrischer Widerstand R1.
[0042] Fließt der Strom durch den Grundkörper 2 bei Kontaktelementen 3, 4 mit kurzer Länge
14, die mit großem Abstand 15 zueinander angeordnet sind, in der Faserrichtung 7 der
Kohlenstofffasern im Grundmaterial, wie in Fig. 6 dargestellt, ergibt sich ein zweiter
elektrischer Widerstand R2 < R1.
[0043] Fließt der Strom durch den Grundkörper 2 bei Kontaktelementen 3, 4 mit großer Länge
14, die mit geringem Abstand 15 zueinander angeordnet sind, quer zu der Faserrichtung
7 der Kohlenstofffasern im Grundmaterial, wie in Fig. 7 dargestellt, ergibt sich ein
dritter elektrischer Widerstand R3 << R2.
[0044] Fließt der Strom durch den Grundkörper 2 bei Kontaktelementen 3, 4 mit großer Länge
14, die mit geringem Abstand 15 zueinander angeordnet sind, in der Faserrichtung 7
der Kohlenstofffasern im Grundmaterial, wie in Fig. 8 dargestellt, ergibt sich ein
vierter elektrischer Widerstand R4 < R3.
[0045] In Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit bzw. dem Widerstand des Grundkörpers
2 läßt sich unter Berücksichtigung der Vorzugsrichtung 7 der Kohlenstofffasern sowie
der Ausführung und Anordnung der Kontaktelemente 3, 4 eine definierte thermische Heizleistung
des Heizelements 1 erreichen.
[0046] Ziel der obigen Überlegungen und Auswahlschritte zur Zurichtung bzw. Konfektionierung
des Heizelements 1 ist es stets, die gewünschte Heizleistung (z.B. 300 W) bzw. die
gewünschten Oberflächentemperaturen (z.B. 80°C) an der Heizfläche 13 des Heizelements
1 mit einem Niedervoltsystem, d.h. bei Nennspannungen von 12V, bevorzugt 24 bis 36V,
zu erreichen. Trotzdem dabei vergleichsweise große Stromstärken (z.B. 8 bis 12 A)
entstehen, weist das erfindungsgemäße Heizelement 1 eine vergleichsweise lange Lebensdauer
auf.
[0047] Mit einer geeigneten Kontaktierung, wie hierin beschrieben, ist es beispielsweise
möglich, mit Trafo-Leistungen von vorzugsweise 120, 200 bis 300 Watt, bei einzelnen
Anwendungen auch bis zu 500 oder 800 W, Wärmestromdichten zu erzeugen, mit denen,
je nach Flächengröße des Grundkörpers 2, Oberflächentemperaturen von vorzugsweise
30 bis 180 °C erreichbar sind.
[0048] Bei besonders schmalen Grundkörpern 2 können in bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung eine spezielle Anordnung von Kontaktelementen 3, 4 sowie eine spezielle
Anschlußgeometrie zum Einsatz kommen. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn
der Grundkörper 2 ein stark ungleiches Seitenverhältnis aufweist, beispielsweise wenn
die Länge der Längsseite (Breitseite) 16 zu der Länge der Querseite (Schmalseite)
17 ein Verhältnis von 10:1 aufweist. Unter einem stark ungleichen Seitenverhältnis
wird dabei ein Wert für das Verhältnis zwischen die Länge der Längsseite zu der Länge
der Querseite (oder umgekehrt) von mindestens 5:1 verstanden, vorzugsweise ein Wert
von mindestens 10:1 oder größer. In diesen oder ähnlichen Fällen ist es vorgesehen,
daß drei oder mehr Kontaktelemente 3, 4, 18 derart auf einer Seite 11 des Grundkörpers
2 angebracht sind, daß der Grundkörper 2 in seiner Längsrichtung 19 in mehrere Heizwiderstandssegmente
21, 22 unterteilt ist. Die Anordnung der Kontaktelemente 3, 4, 18 erfolgt dabei vorzugsweise
parallel zueinander sowie parallel zu den Kanten bzw. Rändern der Querseiten (Schmalseiten)
17 des Grundkörpers 2 verlaufend.
[0049] Mit anderen Worten werden die Kontaktelemente 3, 4, 18 nicht nur an den Rändern bzw.
Kanten des Grundkörpers 2 vorgesehen, sondern auch in der Fläche der Vorder- und/oder
Rückseite 11, 12 des Grundkörpers 2, beispielsweise durch mittige Anordnung eines
dritten Kontaktelements 18 auf der Vorderseite 11.
[0050] Durch dieses Anbringen von zusätzlichen Kontaktelementen 18 ergibt sich eine vorzugsweise
gleichmäßige Segmentierung bzw. Unterteilung der Gesamtfläche des Grundkörpers 2 in
mehrere, vorzugsweise gleich große, kleinere Bereiche 21, 22, was für die Widerstandsheizung
des Heizelements 1 zu einer Art Parallelschaltung führt, wodurch sich mehrere Teilwiderstände
ergeben, aus denen sich der Gesamtwiderstand des Heizelements 1 ergibt.
[0051] Erfolgt dabei die rückseitige Zuführung der Kontaktelemente 3, 4, 18, d.h. die Anordnung
der Leiterbahnen auf der Rückseite 12 des Grundkörper 2, mittels Isolierelementen
23, können beide Stromquellen-Anschlüsse 24, 25 der Kontaktelemente 3, 4, 18 an ein
und derselben Seite des Grundkörpers 2 ausgeführt sein, bspw. an einer der Querseiten
17, siehe Figuren 9 und 10 bzw. Figuren 11 und 12. Es sind jedoch auch andere Plazierungen
der Anschlüsse 24, 25 bzw. der Kontaktelemente 3, 4, 18 möglich.
[0052] In den oben beschriebenen Fällen werden flächige elektrische Isolierelemente 23 zur
Bildung einer elektrisch isolierenden Trennschicht zwischen den Kontaktelementen 3,
4, 18 und dem Grundkörper 2 verwendet, nämlich an denjenigen Stellen, an denen die
Kontaktelemente 3, 4, 18 aus Gründen der Kompaktheit des Heizelements 1 ebenfalls
flächig auf dem Grundkörper 2 angebracht sind. Dies ist beispielsweise zur Rückführung
von Anschlußleitungen 26 an definierte Anschlußstellen 24, 25 des Heizelements 1 auf
der Rückseite 12 des Grundkörpers 2 erforderlich, ohne daß dabei der Grundkörper 2
elektrisch kontaktiert wird. Bei den auf diese Weise zurückgeführten Anschlußleitungen
26 handelt es sich vorzugsweise um diejenigen, um die Kanten bzw. Ränder des Grundelements
2 herumgeführten Kontaktelemente 3, 4, 18, die auch auf der Vorderseite 11 zur Kontaktierung
des Grundkörpers 2 dienen.
[0053] Das für diesen Zweck als Isolierelement 23 vorzugsweise verwendete Isolierklebeband
ist vorzugsweise stark selbstklebend und weist eine geschmeidige Trägerfolie auf,
die vorzugsweise bis ca. 160 °C temperaturstabil ist.
[0054] Wie in Fig. 10 illustriert, sind die auf der Vorderseite 11 auf dem Grundkörper 2
plazierten Kontaktelemente 3, 4, 18 vorzugsweise um die Ränder des Grundkörpers 2
auf die Rückseite 12 herumgeführt. Dort werden die Kontaktelemente 3, 4, 18 entweder
als Anschlußleitungen 26 über die elektrischen Isolierelemente 23 zu den Anschlußstellen
24, 25 zurückgeführt oder die freien Enden 27 der Kontaktelemente 3, 4, 18 liegen
dort (auf der Rückseite 12) ebenfalls für eine kurze Strecke direkt auf dem Grundkörper
2 auf. Dieses Herumführen der Kontaktelemente 3, 4, 18 bis auf die Rückseite 12 dient
zum einen als mechanische Sicherung, nämlich um ein Ablösen der Kontaktelemente 3,
4, 18 im Randbereich zu verhindern. Zum anderen können insbesondere die auf der Rückseite
12 liegenden Freienden 27 zum Anschließen weiterer Heizelemente 1 dienen, wie es in
Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall bei der Zusammenstellung der Flächenheizung
10 aus einer Mehrzahl von Heizelementen 1 unter Umständen der Fall sein kann, insbesondere
wenn mehrere Heizelemente 1 nebeneinander plaziert und angeschlossen werden müssen,
um eine zusammengesetzte Heizfläche zu bilden, die größer ist als die Heizfläche 13
eines einzelnen Heizelements 1.
[0055] Eine für die Optimierung der Funktion sowie die Erhöhung der Lebensdauer des Heizelements
1 wichtige Maßnahme erfolgt während der Herstellung des Heizelements 1. Gemäß der
Erfindung weisen die Kontaktflächen 5 der Kontaktelemente 3, 4, 18 eine Oberflächenstruktur
mit einer Vielzahl von Verformungen 28, 29 aufweisen, die zur Herstellung einer (vorzugsweise
sowohl mechanischen als auch elektrischen) Verbindung der Kontaktelemente 3, 4, 18
mit dem Grundkörper 2 beitragen, indem sie in den Grundkörper 2 eindringen. Die Materialeigenschaften
des Grundkörpers 2, insbesondere dessen Aufbau als Papier bzw. Vlies und/oder das
Vorhandensein der Kohlenstofffasern, ermöglichen einen solchen Eingriff. Je nach Länge
der Fasern im Fasergefüge ergeben sich Zwischenräume, die, in Abhängigkeit von der
Form der Fasern, auf unterschiedliche Weise ausgefüllt werden können. Die Kohlenstofffasern,
die vorzugsweise in Gestalt spitzer Nadeln vorkommen, bilden dabei lediglich Kreuzungen
mit freien Innenräumen. Die Zellstofffasern bilden statt dessen ein etwas dichteres
Geflecht. Der Faserverbund insgesamt ist unverdichtet und erlaubt daher die beschriebenen
Eingriffe.
[0056] Dieses mechanische Eindringen der Kontaktflächen in den Grundkörper 2 dient (zumindest
auch, d.h. zusätzlich zu einer elektrisch leitenden Klebeverbindung zwischen den Kontaktelementen
3, 4, 18 und dem Grundkörper 2) zur Herstellung einer besonders sicheren und dauerhaften
elektrischen Kontaktierung.
[0057] Die Kontaktfläche 5 des Kontaktelements 3, 4, 18 weist hierfür in Richtung des Grundkörpers
2 zeigende Unebenheiten auf (insbesondere Erhöhungen und/oder Vertiefungen der Oberfläche),
um bei einem Aneinanderdrücken der beiden Bauteile eine möglichst gute mechanische
Verbindung zwischen Kontaktelement 3, 4, 18 und Grundkörper 2 zu ermöglichen. Bei
dem Eindrücken des Kontaktelements 3, 4, 18 in den Grundkörper 2 findet eine Verformung
des Grundkörpers 2 statt.
[0058] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktfläche 5 vielfach
perforiert oder wenigstens derart mit Vielzahl von Eindrücken (Eindruckmarken) versehen
derart, daß sich das Leitermaterial (z.B. Kupfer) des Kontaktelements 3, 4, 18 und
damit das Kontaktelement 3, 4, 18 selbst plastisch verformt. Die Verformungen 28,
29 sind dabei vorzugsweise über die gesamte Kontaktfläche 5 des Kontaktelements 3,
4, 18 mehr oder weniger gleichmäßig verteilt, jedenfalls so, daß keine bewußt hervorgerufene
Häufung von Verformungen an bestimmten Stellen der Kontaktfläche 5 entstehen. Die
Anzahl der Verformungen 28, 29 beträgt dabei vorzugsweise 50 bis 100 je Quadratzentimeter.
[0059] Die Verformung erfolgt entweder unter Ausbildung z.B. trichterförmiger Öffnungen
28 oder aber unter Ausbildung von (geschlossenen) Auswölbungen (Vertiefungen) 29,
siehe Fig. 13. Beide Arten von Verformungen 28, 29 sind dabei in Richtung des Grundkörpers
2 gerichtet, und zwar vorzugsweise derart, daß die geschlossenen Auswölbungen 29 bzw.
die offenen Ränder 30 der Öffnungen 28, insbesondere nach Art von Schneidkanten, in
das Material des Grundkörpers 2 eindringen und dabei das Kohlenstofffasermaterial
örtlich (punktuell) verdrängen und/oder verformen. Dies erfolgt derart, daß sich die
Kontaktfläche 5 des Kontaktelements 3, 4, 18 an die Oberfläche 6 des Grundkörpers
2 besonders eng anschmiegt, dies vorzugsweise unter Herstellung einer Kontaktfläche
5, die gegenüber einer vollständig flachen/ebenen Flächenanlage vergrößert ist. Die
Vergrößerung der Kontaktfläche 5 ergibt sich durch eine während der Verformung auftretende
Dehnung des Kontaktelementmaterials und/oder dadurch, daß sich Grundmaterial beim
Eindringen der Schneidränder 30 der Öffnungen 28 in den Grundkörper 2 auch an die
der eigentlichen Kontaktfläche 5 gegenüberliegende Seite 34 der Kontaktelemente 3,
4, 18 anlegt, siehe Fig. 13.
[0060] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Bearbeiten des Kontaktelements
3, 4, 18 z.B. mittels einer Nadelrolle oder eines anderen für eine solche Materialbearbeitung
geeigneten Bearbeitungswerkzeugs (nicht abgebildet). Das Strukturieren der der Kontaktflächen
5 der Kontaktelemente 3, 4, 18 findet dabei vorzugsweise nicht mittels einer flächig
aufliegenden Walze oder dergleichen statt, wodurch das Vliesmaterial des Grundkörpers
2 unzulässig verdichtet werden würde. Statt dessen erfolgt vorzugsweise ein Nadeln,
wobei über die dünnen Spitzen der einzelnen Werkzeugnadeln ein vergleichsweise hoher
Druck auf die entsprechenden punktuellen Bereiche der zu strukturierende Kontaktfläche
5 aufgebracht wird. Aufgrund dieses Druckes erfolgt die gewünschte Verformung der
Kontaktfläche 5. Die Ausrichtung der Verformungen 28, 29 entspricht dabei vorzugsweise
im wesentlichen der Bearbeitungsrichtung, mit der das Kontaktelement 3, 4, 18 zur
Herstellung der Verformungen 28, 29 bearbeitet wird, bzw. der Richtung der Beaufschlagung
des Kontaktelements 3, 4, 18 mit einem geeigneten Bearbeitungswerkzeug. Typischerweise
erstrecken sich die Verformungen 28, 29 im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche
6 des Grundkörpers 2.
[0061] Gemäß diesen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Kontaktherstellung mit anderen
Worten, zusätzlich zu der Klebeverbindung, durch ein "kaltes" Eindringen (z.B. ein
Einpressen, Einschneiden oder dergleichen) der zu diesem Zweck mit einer geeigneten
Oberflächenstruktur, wie insbesondere geschlossene Auswölbungen 29 und/oder offene
Schneidränder 30, versehenen Kontaktfläche 5 des Kontaktelements 3, 4, 18 in die Oberfläche
6 des zu kontaktierenden Grundkörpers 2, nämlich vorzugsweise nach Art einer "Einpreßkontaktierung",
d.h. es findet eine Verpressung der beiden Fügepartner statt.
[0062] Die strukturierte Oberfläche 5 des Kontaktelements 3, 4, 18 greift im Inneren des
Grundkörpers 2 unmittelbar einzelne Kohlenstofffasern an und stellt einen körperlichen
Kontakt zu diesen her. Dadurch wird die Anzahl der mechanischen und damit zugleich
elektrischen Kontakte der Kontaktfläche 5 mit den elektrisch leitfähigen Kohlenstoffasern
erhöht. Eine auf diese Weise hergestellte, besonders zuverlässige elektrische Kontaktierung
geht einher mit einer vergrößerten elektrischen Kontaktfläche und einem verringerten
Übergangswiderstand zwischen Kontaktelement 3, 4, 18 und Grundkörper 2. Dies trägt
dazu bei, daß keine "Hotspots" entstehen. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer
des Heizelements 1.
[0063] Während der Herstellung des Heizelements 1 erfolgt vorzugsweise eine weitere für
die Optimierung der Funktion sowie die Erhöhung der Lebensdauer des Heizelements 1
wichtige Maßnahme. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens
die Kontaktelemente 3, 4, 18 und Teile des Grundkörpers 2 mit einer Anzahl Schutzfolien
32 überdeckt. Mit der Schutzfolie 32 abgedeckt werden, sofern vorhanden, auch die
auf elektrischen Isolierelementen 23 angebrachten, vorzugsweise an dem Grundkörper
2 rückseitig verlaufenden Kontaktelemente 3, 4, 18 bzw. Anschlußleitungen 26. Vorzugsweise
wird das gesamte Heizelement 1 mit all seinen Komponenten mit der Schutzfolie 32 abgedeckt.
Wie nachfolgend noch genauer erläutert, ist jedoch auch eine Teilüberdeckung möglich.
[0064] Als Schutzfolie 32 wird vorzugsweise eine hochelastische Schmelzfolie (Schmelzklebefolie)
verwendet. Die Folie 32 weist dabei eine sehr hohe Elastizität auf, die es ihr erlaubt,
die Kontaktelemente 3, 4, 18 auch dann noch sicher mechanisch an dem Grundkörper 2
zu fixieren, wenn das Heizelement 1 verformt, beispielsweise gefaltet, geknickt oder
gerollt ist. Vorzugsweise zeichnet sich die Schutzfolie 32 durch eine hohe (positive)
Dehnung aus, vorzugsweise beträgt die Dehnung mehr als 500%. Vorzugsweise werden thermoplastische
Polyurethanfolien verwendet. Als besonders gut geeignet hat sich beispielsweise eine
Schutzfolie 32 auf Basis von Polyetherurethanen erwiesen, die weiche Polyethergruppensegmente
aufweist und sich durch eine vergleichsweise hohe Permeabilität auszeichnet. Schutzfolien
32 auf anderer Basis (z.B. Copolyamid- oder Copolyester-Basis) sind ebenfalls möglich.
[0065] Das Aufbringen der Schutzfolie 32 erfolgt bei Verwendung einer Schmelzklebefolie
unter Wärmezufuhr, beispielsweise indem die Folie einen definierten Erwärmungsbereich
zum Schmelzen des Schmelzklebers durchläuft, und Druck, beispielsweise unter Verwendung
einer Walze oder dergleichen. Hierfür können beispielsweise Warmluft, Thermostrahler
oder beheizte Walzen verwendet werden.
[0066] Wichtig ist, daß die Schutzfolie 32 eine hohe Erweichungstemperatur aufweist, damit
sie im normalen Heizbetrieb nicht schmilzt. Als besonders geeignet haben sich dabei
Folien 32 mit einer Erweichungstemperatur von 140 bis 160 °C erwiesen.
[0067] Die Schutzfolie 32 bedeckt dabei in einer Ausführungsform der Erfindung beidseitig
vollflächig den gesamten Grundkörper 2 (Abdichtung des gesamten Grundkörpers), siehe
Fig. 2, 4, 9, 10, 11 und 12. Dies führt zu einer besonders hohen mechanischen Stabilität
des Heizelements 1. Das Heizelement 1 ist in diesem Fall besonders gut gegen mechanische
Beanspruchung geschützt. Außerdem ist das Heizelement 1 in diesem Fall gegen eines
unerwünschten Eintritt bzw. Austritt von Materialien bzw. einer Unterwanderung mit
Flüssigkeiten geschützt. Insbesondere werden durch diese Art Verkapselung Veränderungen
an den elektrischen Kontaktierungsflächen zwischen Kontaktelementen 3, 4, 18 und Grundkörper
2 verhindert. Das gesamte Heizelement 1 ist dann vorzugsweise flüssigkeitsdicht verpackt.
[0068] In einer alternativen Ausführungsform bedeckt die Schutzfolie 32 im wesentlichen
nur den Bereich der Kontaktelemente 3, 4, 18 und die unmittelbar angrenzenden Bereiche
des Grundkörpers 2, siehe Fig. 1 und 3. Dadurch werden die Kontaktelemente 3, 4, 18
abgedichtet und mechanisch in ihrer elektrischen Kontaktposition auf dem Grundkörper
2 fixiert. In diesem Fall bleibt der größte Teil der Oberfläche 6 des Grundkörpers
2, insbesondere der Großteil der eigentlichen Heizfläche 13, schutzfolienfrei.
[0069] Die Dicke der Folie 32 beträgt vorzugsweise 50 bis 200 pm, wobei ein geringe Foliendicke
(z.B. 50 µm) vorteilhafterweise dann verwendet wird, wenn die Schutzfolie 32 diffusionsfähig
ausgeführt sein soll, beispielsweise um im Zusammenspiel mit einem diffusionsoffenen
Grundkörper 2 Feuchtigkeit den Durchtritt zu gestatten. Besonders dicke Folien 32
eignen sich hingegen aufgrund ihrer mechanischen Stabilität besonders für Anwendungen,
bei denen das Heizelement 1 vor mechanischen Belastungen, wie beispielsweise einer
Hochdruckreinigung, geschützt werden muß. Bei besonders starker mechanischer Beanspruchung
des Heizelements 1 kann dann die Schichtdicke der Schutzfolie 32 bis 1000 µm betragen,
ohne daß die gewünschte Flexibilität des Heizelements 1, wie sie beispielsweise für
ein Aufrollen erforderlich ist, wesentlich beeinträchtigt ist. Die Schutzfolie 32
ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß sie den Grundkörper 2 nicht nur gegen mechanische
Belastung schützt, sondern auch unempfindlich gegenüber Chemikalien, insbesondere
Reinigungsmitteln, ist.
[0070] Für diffusionsoffene Varianten, bei denen z.B. Wasserdampf durch das Heizelement
1 hindurch diffundieren soll, beispielsweise bei der gezielten Austrocknung von Bauteil-Oberflächen,
die mittels einer elektrischen Flächenheizung 10 unter Verwendung der beschriebenen
Heizelemente 1 temperiert werden, kommt vorzugsweise eine dünne Schutzfolie 32 z.B.
mit einer Dicke von 50 µm zum Einsatz, die als eine Art Membran auf den Grundkörper
2 auflaminiert wird oder aber große Flächen des Heizelements 1 werden zur Gewährleistung
einer besonders hohen Diffusionsleistung überhaupt nicht mit einer Schutzfolie 32
versehen. Jedoch werden auch in diesem Fall, ebenso wie bei einer vollflächigen Abdeckung
mit Schutzfolie 32, die Kontaktelemente 3, 4, 18 mit Schutzfolie 32 abgedeckt, zusammen
mit einem beidseitigen Sicherheitsrand 33, der typischerweise jeweils ca. 15 mm breit
ist. In beiden Fällen dient also die Schutzfolie 32 zur Fixierung der mechanischen
Verbindung und damit auch zur Fixierung der elektrischen Verbindung der Kontaktelemente
3, 4, 18 mit dem Grundkörper 2, typischerweise zusätzlich zu einer elektrisch leitenden
Klebeverbindung.
[0071] Die zum Zweck der verbesserten Kontaktierung des Grundkörpers 2 ausgeführte Oberflächenstrukturierung
der Kontaktelemente 3, 4, 18 ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß auch die dem
Grundkörper 2 gegenüberliegende Seite 34 des Kontaktelements 3, 4, 18 eine Struktur
aufweist, die Erhöhungen und/oder Vertiefungen 28, 29 umfaßt. Diese Erhöhungen und/oder
Vertiefungen 28, 29 dienen einer verbesserten mechanischen Verbindung der Schutzfolie
32 mit der Oberfläche des Kontaktelements 3, 4, 18.
[0072] Bei der Schutzfolie 32 muß es sich nicht zwingend um eine Folie im eigentlichen Sinn
handeln. Als Schutzfolie 32 im Sinne der Erfindung kann jedes andere elastische Schutzelement
dienen, das die Haupteigenschaften der Schutzfolie 32, das Abdichten des Kontaktbereiches,
insbesondere der Kontaktfläche 5, und die mechanische Sicherung der elektrischen Kontaktierung,
erfüllt.
[0073] Da vorzugsweise alle beteiligten Komponenten des Flächenheizelements 1 als Schichten
bildende Elemente ausgeführt sind, ist es gemäß einer Ausführung der Erfindung vorgesehen,
daß der Grundkörper 2, die Kontaktelemente 3, 4, 18 sowie ggf. die Schutzfolien 32
und die Isolierelemente 23 als (voll- oder teil-)flächig miteinander verklebte Schichten
ein Laminat bilden. Wie bereist beschrieben, sind die einzelnen Komponenten vorzugsweise
derart ausgebildet, daß das sich ergebende Laminat faltbar und/oder knickbar (z.B.
zum Verlegen in der Fensterlaibung) und/oder rollbar (z.B. für Lagerung und/oder Transport)
ist. Je nach Anwendung wird dann von dem fertigen, beispielsweise als Rollenware vorliegenden
Heizelement 1 ein Stück der gewünschten Länge abgeschnitten und als Teil einer Heizung
10 verbaut.
[0074] Es zeichnet das erfindungsgemäße Heizelement 1 aus, daß es eine besonders große Formflexibilität
aufweist, also vor allem besonders biegbar ist, insbesondere auch an unregelmäßig
geformte, zu beheizende Bauteile angepaßt werden kann. Dies gilt sowohl für die einzelnen
Komponenten des Heizelements 1, insbesondere den Grundkörper 2, die Kontaktelemente
3, 4, 18 und die Schutzfolien 32 sowie ggf. die Isolierelemente 23, als auch für das
gesamte Heizelement 1, insbesondere dann, wenn es mit Hilfe der Schutzfolie 32 teilweise
oder vollständig zu einem Paket verkapselt ist.
[0075] Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Heizelement 1 derart hergestellt, daß ein
als Heizwiderstand dienender Grundkörper 2 in Form eines elektrisch leitfähigen, flexiblen
Flächengebildes, welches Kohlenstofffasern beinhaltet, mit wenigstens zwei elektrischen
Kontaktelementen 3, 4, 18 voneinander beabstandet mit dem Grundkörper 2 flächig verbunden
wird, wobei die Kontaktelemente 3, 4, 18 auf dem Grundkörper 2 angebracht und anschließend
die Kontaktflächen 5 der Kontaktelemente 3, 4, 18 derart verändert werden, insbesondere
in ihrer Form verändert, also verformt werden, daß sie in den Grundkörper 2 eindringen,
genauer gesagt, daß Teile 28, 29, 30 der Kontaktfläche 5 an einer Vielzahl von Stellen
in den Grundkörper 2 eindringen.
[0076] Der Vorgang des Strukturierens der Kontaktfläche 5 findet dabei vorzugsweise zeitgleich
mit dem Vorgang der Herstellung der endgültigen mechanischen und elektrischen Verbindung
des Kontaktelements 3, 4, 18 mit dem Grundkörper 2 statt bzw. ist mit diesem Vorgang
identisch.
[0077] Beispielsweise wird zunächst ein selbstklebendes Kupferband 3, 4, 18 auf einem elektrisch
leitfähigen Faservlies 2 vorfixiert und mit einer geeigneten Andruckrolle oder dergleichen
an das Faservlies 2 angepreßt. Anschließend werden auf dem Kupferband 3 mit einer
Nadelrolle oder einem anderen geeigneten Werkzeug Mikroporen 28 erzeugt, welche die
Übertrittsfläche zwischen dem Kupferband 3 und dem Faservlies 2 für den geplanten
Stromdurchtritt vergrößern, wodurch der Wirkungsgrad der Heizung optimiert wird. Die
mikroporösen Flächenleitungen (hier in Form des genadelten Kupferbandes 3) werden
anschließend mit einer hochelastischen Schmelzfolie 32 abgedichtet und dabei mechanisch
gesichert. Diese mechanische Sicherung der elektrischen Kontaktierung dient insbesondere
dazu, sicherzustellen, daß auch bei einer Längenänderung des Kupferbandes 3 dieses
nicht von dem Faservlies 2 abhebt. Im übrigen sichert die Schmelzfolie 32 die Kontaktierung
insbesondere auch in solchen Fällen, in denen das Heizelement 1 als Rollenware gewickelt
werden soll oder für die Applikation gefaltet und/oder geknickt wird.
[0078] Von Vorteil bei der beschriebenen Art der Herstellung ist, daß das Verformen des
Kontaktelements 3, 4, 18 zur Vergrößerung der Kontaktfläche 5, beispielsweise das
Einbringen von Mikroporen 28, und das eigentliche Kontaktieren des Grundkörpers 2
durch das Anpressen des Kontaktelements 3, 4, 18 durch einen einzigen gemeinsamen
Verfahrensschritt verwirklicht werde. Dadurch wird das Herstellungsverfahren von Flächenheizelementen
1 optimiert.
[0079] Mit der Erfindung wird eine elektrische Flächenheizung 10 bereitgestellt, die sich
durch die Verwendung wenigstens eines der beschriebenen Flächenheizelemente 1 auszeichnet.
Die Flächenheizung 10 umfaßt darüber hinaus eine an die Kontaktelemente 3, 4, 18 des
Heizelements 1 anschließbaren Stromquelle 35 (Wechselstrom), siehe Fig. 15. Vorzugsweise
wird als Stromquelle 35 ein Niedervoltsystem (Trafo) verwendet. Eine Steuereinheit
36 kann zur Steuerung der Flächenheizung 10 vorgesehen sein. Dabei handelt es sich
im einfachsten Fall um eine EIN/AUS-Steuerung, die über einen Temperaturwächter 37
(Sensor) erfolgt, der bspw. als Teil des Transformators 35, an der Oberfläche des
Heizelements 1 oder in dem Raum vorgesehen sein kann, in dem sich die Flächenheizung
10 befindet. Anstelle eines Temperatursensors oder in Kombination damit kann zur Schaltung
der Heizung 10 auch ein Feuchtigkeits- und/oder Luftdrucksensor verwendet werden.
Das Ein- bzw. Ausschalten der Heizung 10 kann aber auch einfach manuell erfolgen,
zu welchem Zweck ein Schalter vorgesehen sein kann.
[0080] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizung 10 mehrere Flächenheizelemente 1 aufweist,
die hintereinander bzw. übereinander, d.h. aufeinander gestapelt, angeordnet sind,
so daß sich die Strahlungswärmen addieren. Zur Erwärmung großer Flächen können mehrere
Heizelemente 1 nebeneinander angeordnet sein. Vorteilhafterweise sind dann nebeneinanderliegende
Heizelemente 1 auch elektrisch miteinander verbunden, so daß nicht für jedes einzelne
Heizelement 1 eine eigene Stromquelle, Steuerung usw. notwendig ist. Die Heizung 10
kann aber auch aus mehreren Heizmodulen bestehen, wobei jedes Heizmodul ein oder mehrere
Flächenheizelemente 1 umfaßt. Die Ansteuerung der Heizung 10 kann dann vorzugsweise
modulweise erfolgen, wobei jedem Heizmodul ein eigener Temperatur-, Feuchtigkeits-
oder Luftdrucksensor zugeordnet sein kann.
[0081] Mit der Erfindung werden Heizelemente 1 mit Kohlenstofffasern bereitgestellt, bei
denen eine sichere elektrische Kontaktierung des Kohlenstofffasermaterials im Dauerbetrieb
auch bei hohen Stromstärken gewährleistet ist. Dabei können diese Heizelemente 1 mit
einem Niedervoltsystem betrieben werden.
[0082] Die Erfindung eignet sich besonders für Heizungen 10, bei denen die Heizelemente
1 an Baukörpern von Gebäuden, wie z.B. an Wänden, angebracht sind und zur Erwärmung
des Baukörpers (auch als Heizung), zum Trocknen des Baukörpers, zum Verhindern eines
Befalls des Baukörpers mit Schimmel oder dergleichen dienen. Zahlreiche weitere Anwendungen
sind möglich. Es ist dabei von Vorteil, daß sich die Heizung durch eine sehr geringe
Bauhöhe auszeichnet. Sie eignet sich daher besonders für beengte Einbausituationen.
Beispielsweise weist das zu verlegende, laminierte und mit elektrischen Anschlüssen
versehene Heizelement 1 eine Dicke von lediglich 1,5 mm auf.
[0083] Als besonders vorteilhaft hat sich eine Heizung 10 erwiesen, bei der thermische Isolierelemente
(nicht abgebildet) an dem Heizelement 1 angeordnet sind, zum Zweck der thermischen
Isolierung einer der beiden Heizflächen 13 des Grundkörpers 2, z.B. zur Isolierung
der Rückseite 12 des Heizelements 1. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Nutzung
der Strahlungswärme in einer definierten Richtung. Als besonders geeignet hat sich
dabei die kombinierte Verwendung einer Luftpolsterfolie und einer Reflexionsschicht
zur Richtungsleitung der Strahlungswärme erwiesen, wobei diese Kombination an der
Rückseite 12 des Heizelements 1 angeordnet ist.
[0084] Die oben beschriebenen Ausführungsformen und Varianten der Erfindung beziehen sich
in erster Linie, jedoch nicht ausschließlich, auf die Verwendung von Niederspannung
zum Betrieb des Flächenheizelements 1.
[0085] Vorteilhafterweise kann die Heizung 10 mit allgemein üblichen Transformatoren betrieben
werden, typischerweise mit Leistungsaufnahmen zwischen 50 und 300 Watt. Ausgelegt
als Niedervoltsystem und bei Leistungsaufnahmen von über 300 Watt benötigen die Heizelemente
1, z.B. bei einer Spannung von 12 Volt, Stromstärken über 25 Ampere und selbst bei
Leistungsaufnahmen von über 500 Watt bei 24 Volt Spannung sind Stromstärken über 20
Ampere für den dauerhaften Betrieb notwendig.
[0086] Es sei daher an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen, daß anstelle einer
Niedervolt-Stromquelle (Kleinspannungs-Stromquelle) auch eine von einer Netzspannung
gespeiste Stromquelle 35 verwendet werden kann. Insbesondere kann eine Netzwechselspannung
von 230V bei einer Netzfrequenz von 50 Hz zum Einsatz kommen, wie sie in europäischen
Stromnetzen verwendet wird. Ein Trafo, wie in Fig. 15 dargestellt, wird dann nicht
benötigt. Statt dessen können die Heizung 10 unmittelbar an das Stromnetz angeschlossen
werden, wobei nach wie vor eine Steuereinheit 36 die Steuerung der Flächenheizung
10 übernehmen kann.
[0087] Der Einsatz von Netzwechselspannung bringt gegenüber der Verwendung von Niederspannung
Vorteile mit sich. So läßt sich bei einem Betrieb der Heizung 10 an einem 230Volt/50Hz-Netzspannungssystem
das bei wachsenden Stromstärken steigende Brandrisiko minimieren. Eine unerwünschte
Wärmebildung in den Bereichen der erfindungsgemäßen Kontaktierung zwischen dem Kupferband
und den Kohlenstofffasern wird vermieden, insbesondere dort, wo der Kontaktverbund
den eigentlichen Stromdurchtritt gewährleisten soll.
[0088] Auch bei Nutzung des 230Volt/50Hz-Netzspannungssystems eignet sich die erfindungsgemäße
Kontaktierung der Flächenheizelemente, um unerwünschte Verluste durch den Leitungswiderstand
zu vermeiden, die bei Stromstärken über 20 Ampere bei Kontaktierungen von Flächenheizelementen
auftreten können, die sich über mehrere Meter erstrecken, beispielsweise bei Heizelementen
in Form von Bändern.
[0089] Als besonders vorteilhaft bei der Speisung durch Netzwechselspannung hat es sich
erwiesen, daß sich mit Spannungen von 230Volt höhere Flächenwiderstände zwischen den
Kontaktierungen überbrücken lassen. Dies erlaubt eine besonders flexible Gestaltung
der geometrischen Form der Heizelemente 1, insbesondere die Verwendung besonders schmaler
Flächenheizelemente als "Heizflächenbänder".
[0090] Mit Hilfe einer geeigneten Dimensionierung der Elektroden (Länge und Abstand der
Elektroden) lassen sich solche Heizbänder mit Stromstärken zwischen 0,5 und 2,5 Ampere
und Heizleistungen von 100 bis 500 Watt und mehr verwirklichen. Dabei sinken die Stromstärken
auf ca. ein Zehntel gegenüber einem 24 Volt-Niedervoltsystem, was besonders bei Leistungsaufnahmen
von über 200 bis 500 Watt und mehr vom Vorteil ist, weil es auch den erfindungsgemäßen
Kupferband/Kohlenstofffaser-Verbund vor Überhitzung schont und die Lebensdauer der
Heizelemente 1 verlängert, indem die Bildung von "Hotspots" noch stärker vermieden
werden.
[0091] Das in Fig. 16 dargestellte Flächenheizelement 1 ist beispielsweise 300 cm lang (Länge
L) und 10 cm breit (Breite B), so daß sich ein Seitenverhältnis der zu beheizenden
Fläche von 30:1 ergibt. Der Widerstand beträgt 99,3 Ohm. Bei einem Betrieb an einem
24 Volt-Niederspannungssystem beträgt die Leistung 5, 8 Watt bei einer Temperaturerhöhung
von 1,1 °C. Bei einem Betrieb an einem 230V/50Hz-Netzspannungssystem beträgt die Leistung
hingegen 532,7 Watt bei einer Temperaturerhöhung von 104,5 °C.
[0092] Der Vergleich zeigt, daß sich schmale, mit Blick auf die verwendeten Materialien
nahezu nichtmetallische Heizflächenbänder mit hohen Wärmestromdichte verwirklichen
lassen, die besonders für Anwendungen mit möglichen Wasserkontakt interessant sind.
Der metallische Kupferanteil ist aufgrund der geringeren Stromstärken zur Gesamtmaterialfläche
sehr niedrig, besonders im Vergleich zu "metallischen" Heizsystemen, die ähnliche
Wärmestromleistungen erzeugen.
[0093] Besonders interessant für eine universelle Anwendbarkeit der Flächenheizelemente
1 ist es, daß sich das erfindungsgemäße Heizflächenband in der für die gewünschte
Heizleistung benötigten Länge dimensionieren läßt. Außerdem ist es möglich, mehrere
Heizbänder zu einem Heizelementeverbund zusammenzuschließen. Durch eine geeignete
Berechnung der Abmessungen der einzelnen Heizelemente und eine geeignete Anordnung
der Heizelemente bzw. eines hieraus gebildeten Heizelementeverbundes, insbesondere
ausgeführt als Reihenschaltung von Heizsegmenten, entsprechend der gewünschten beheizbaren
Nutzungsfläche, kann die gesamte Anwendungsfläche mit (miteinander verbundenen) Heizelementen
belegt werden. Dabei können, wie in Fig. 17 dargestellt, nicht nur Seitenverhältnisse
der zu beheizenden Fläche von 1:5, sondern durch entsprechende Fortführung der Reihenschaltung
auch Seitenverhältnisse von beispielsweise 1:1 erreicht werden. Die Gesamtheizleistung
ist dabei u.a. von der Länge, Breite und Dichte der Heizelemente des Verbundes abhängig.
[0094] Fig. 17 zeigt einen einfachen Heizelementeverbund 38 mit zwei Heizelementen 39, 40
die über eine Leitungsbrücke 41 in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
Vorteilhafterweise sind beide Anschlüsse 24, 25 an derselben Seite des Verbundes 38
vorgesehen, so daß Leitungsverluste durch lange Anschlußkabel zu vermieden werden.
Im illustrierten Beispiel sind zwei parallel in einem Abstand A von 10 cm zueinander
angeordnete Segmente 39, 40 mit einer Breite B von je 10 cm und einer Länge L von
je 150 cm miteinander verbunden. Mit Hilfe eines derartigen, aus schmalen, miteinander
elektrisch verbundenen Bändern bestehenden Heizelementeverbundes können auch solche
Anwendungsflächen beheizt werden, bei denen aufgrund ihrer Größe und/oder Form die
Verwendung eines einzelnen Heizelements aus technischen Gründen, insbesondere wegen
hoher elektrischer Verluste und starker "Hotspot"-Bildung, nicht möglich ist.
[0095] Eine Anordnung mehrerer, elektrisch miteinander verbundener, vorteilhaft geformter
und dimensionierter Heizelemente in einem Verbund ermöglicht es, eine bestimmte Anwendungsfläche
F, in Fig. 17 mit strichpunktierter Linie angedeutet, entsprechend der gewünschten
Gesamtheizleistung möglichst dicht und/oder möglichst regelmäßig zu belegen.
Bezugszeichenliste
[0096]
- 1
- Flächenheizelement
- 2
- Grundkörper
- 3
- erstes Kontaktelement
- 4
- zweites Kontaktelement
- 5
- Kontaktfläche
- 6
- Oberfläche
- 7
- Vorzugsrichtung
- 8
- Stromflußrichtung
- 9
- (frei)
- 10
- Flächenheizung
- 11
- Vorderseite
- 12
- Rückseite
- 13
- Heizfläche
- 14
- Länge
- 15
- Abstand
- 16
- Längsseite
- 17
- Schmalseite
- 18
- drittes Kontaktelement
- 19
- Längsrichtung
- 20
- (frei)
- 21
- erstes Heizsegment
- 22
- zweites Heizsegment
- 23
- Isolierelement
- 24
- erster Stromanschluß
- 25
- zweiter Stromanschluß
- 26
- Anschlußleitung
- 27
- Freiende
- 28
- Öffnung
- 29
- Vertiefung
- 30
- Schneidkante
- 31
- (frei)
- 32
- Schutzfolie
- 33
- Sicherheitsrand
- 34
- Oberseite
- 35
- Transformator
- 36
- Steuereinheit
- 37
- Sensor
- 38
- Verbund
- 39
- Heizelement, Verbundsegment
- 40
- Heizelement, Verbundsegment
- 41
- Leitungsbrücke
1. Flächenheizelement (1),
mit einem als Heizwiderstand dienenden Grundkörper (2) in Form eines elektrisch leitfähigen,
flexiblen Flächengebildes, welches Kohlenstofffasern beinhaltet,
mit wenigstens zwei elektrischen Kontaktelementen (3, 4, 18), die voneinander beabstandet
mit dem Grundkörper (2) flächig verbunden sind, zum Einspeisen von elektrischem Strom
in den Grundkörper (2),
wobei die Kontaktflächen (5) der Kontaktelemente (3, 4, 18) derart ausgebildet sind,
daß sie in den Grundkörper (2) eindringen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5) der Kontaktelemente (3, 4, 18) eine Oberflächenstruktur mit
einer Vielzahl von Verformungen (28, 29) aufweisen, die zur Herstellung einer Verbindung
der Kontaktelemente (3, 4, 18) mit dem Grundkörper (2) beitragen, indem sie in den
Grundkörper (2) eindringen.
2. Flächenheizelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) durch ein Papier oder ein Faservlies gebildet ist.
3. Flächenheizelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (3, 4, 18) durch Folien oder Bänder gebildet sind.
4. Flächenheizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) ein stark ungleiches Seitenverhältnis aufweist und drei oder
mehr Kontaktelemente (3, 4, 18) derart auf einer Seite (11) des Grundkörpers (2) angebracht
sind, daß der Grundkörper (2) in seiner Längsrichtung (19) in mehrere Heizwiderstandssegmente
(21, 22) unterteilt ist.
5. Flächenheizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Kontaktelemente (3, 4, 18) und Teile des Grundkörpers (2) mit einer
oder mehreren Schutzfolien (32) überdeckt sind.
6. Flächenheizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Grundkörper (2) und die Kontaktelemente (3, 4, 18) als flächig miteinander
verklebte Schichten ein Laminat bilden.
7. Elektrische Flächenheizung (10) mit wenigstens einem Flächenheizelement (1) nach einem
der Ansprüche 1 bis 6 und mit einer an die Kontaktelemente (3, 4, 18) des Heizelements
(1) anschließbaren Stromquelle (35).
8. Elektrische Flächenheizung (10) nach Anspruch 7, mit einer Niedervolt-Stromquelle
(35) oder mit einer von einer Netzspannung gespeiste Stromquelle (35).
9. Elektrische Flächenheizung (10) nach Anspruch 7 oder 8, mit mehreren Flächenheizelementen
(1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die elektrisch miteinander zu einem Heizelementeverbund
verbunden sind.
10. Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelements (1), bei dem ein als Heizwiderstand
dienender Grundkörper (2) in Form eines elektrisch leitfähigen, flexiblen Flächengebildes,
welches Kohlenstofffasern beinhaltet, mit wenigstens zwei elektrischen Kontaktelementen
(3, 4, 18) voneinander beabstandet mit dem Grundkörper (2) flächig verbunden wird,
wobei die Kontaktelemente (3, 4, 18) auf dem Grundkörper (2) angebracht und anschließend
die Kontaktelemente (3, 4, 18), zumindest aber deren Kontaktflächen (5), derart verändert
werden, daß sie in den Grundkörper (29 eindringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5) der Kontaktelemente (3, 4, 18) eine Oberflächenstruktur mit
einer Vielzahl von Verformungen (28, 29) aufweisen, die zur Herstellung einer Verbindung
der Kontaktelemente (3, 4, 18) mit dem Grundkörper (2) beitragen, indem sie in den
Grundkörper (2) eindringen.
1. Flat heating element (1),
comprising a main body (2), which serves as a heating resistor, in the form of an
electrically conductive, flexible flat structure which contains carbon fibres,
comprising at least two electrical contact elements (3, 4, 18), which are connected
in a flat manner to the main body (2) at a distance from one another, for feeding
electric current into the main body (2),
wherein the contact areas (5) of the contact elements (3, 4, 18) are formed in such
a way that they penetrate the main body (2),
characterized in that the contact areas (5) of the contact elements (3, 4, 18) have a surface structure
with a plurality of deformations (28, 29) which contribute to establishing a connection
between the contact elements (3, 4, 18) and the main body (2) by way of penetrating
the main body (2).
2. Flat heating element (1) according to Claim 1, characterized in that the main body (2) is formed by a paper or a nonwoven.
3. Flat heating element (1) according to Claim 1 or 2, characterized in that the contact elements (3, 4, 18) are formed by foils or strips.
4. Flat heating element (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the main body has a highly uneven aspect ratio and three or more contact elements
(3, 4, 18) are mounted on one side (11) of the main body (2) in such a way that the
main body (2) is subdivided into a number of heating resistor segments (21, 22) in
its longitudinal direction (19).
5. Flat heating element (1) according to one of Claims 1 to 4, characterized in that at least the contact elements (3, 4, 18) and parts of the main body (2) are covered
by one or more protective films (32).
6. Flat heating element (1) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that at least the main body (2) and the contact elements (3, 4, 18), as layers which are
adhesively bonded to one another in a flat manner, form a laminate.
7. Flat electric heater (10) comprising at least one flat heating element (1) according
to one of Claims 1 to 6 and comprising a power source (35) which can be connected
to the contact elements (3, 4, 18) of the heating element (1).
8. Flat electric heater (10) according to Claim 7, comprising a low-voltage power source
(35) or comprising a power source (35) which is fed by a mains voltage.
9. Flat electric heater (10) according to Claim 7 or 8, comprising a plurality of flat
heating elements (1) according to one of Claims 1 to 6 which are electrically connected
to one another to form a composite heating element.
10. Method for producing a flat heating element (1), in which method a main body (2),
which serves as a heating resistor, in the form of an electrically conductive, flexible
flat structure which contains carbon fibres, is connected in a flat manner to the
main body (2) by way of at least two electrical contact elements (3, 4, 18) at a distance
from one another, wherein the contact elements (3, 4, 18) are mounted on the main
body (2) and then the contact elements (3, 4, 18), but at least the contact areas
(5) of said contact elements, are changed in such a way that they penetrate the main
body (2), characterized in that the contact areas (5) of the contact elements (3, 4, 18) have a surface structure
with a plurality of deformations (28, 29) which contribute to establishing a connection
between the contact elements (3, 4, 18) and the main body (2) by way of penetrating
the main body (2).