Titel

Verfahren zur Herstellung eines Heizelements und Heizelement

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Heizelements nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Zur Erwärmung von Körpern oder Medien, wie Gase oder Flüssigkeiten werden bekannterweise unterschiedlichste Heizelemente eingesetzt, zum Beispiel keramische PTC Heizelemente, metallische Widerstandsheizungen oder auch Widerstandsheizungen auf Basis von elektrisch leitfähigen Kunststoffen.

Die US 3 900 654 beschreibt eine laminierte Struktur eines elektrischen Heizelements. Hierbei wird der metallische Kontakt auflaminiert. Hierdurch ist nur ein einseitiger Kontakt möglich.

Die DE 2751 232 Al offenbart eine Heizvorrichtung, die beispielsweise einen Heißleiter-Widerstand aufweist. Heizvorrichtungen können gemäß DE 2751 232 Al auch als zylinderförmige Heizpatronen ausgebildet werden. Eine Heizvorrichtung kann demgemäß auch so ausgestaltet sein, das das Innere eines Gehäuses mit Silikonkautschuk ausgegossen ist, dem zur Verbesserung der Wärmeableitung Magnesiumoxyd zugesetzt ist. Dabei ist ein Heißleiter- Widerstand in dem Silikonkautschuk eingebettet.

Die US 9 282 591 B2 beschreibt ein Herstellungsverfahren für einen flexiblen Heizer, bei dem ein Widerstandsleiter von zwei Schichten elektrisch isolierenden Plastikmaterials umgeben ist. Diese Schichten können Silikonschichten sein. Die DE 19737 241 Al beschreibt einen Heizkörper mit einem rohrförmigen Metallmantel, der mit PTC-Elementen ausgerüstet ist. Ringförmige Formkörper aus Magnesiumoxyd-Silikon sind in den Metallmantel eingeschoben und isolieren den inneren Aufbau gegen den Metallmantel.

Aus der EP 0 820 214 Bl sind ebenfalls elektrische Widerstandsheizelemente bekannt, deren Widerstandsleiter durch eines der üblichen Formverfahren polymerer Materialien, Kunststoffe, herstellbar ist. Hierbei dient ein elektrisch nichtleitender Körper aus Silikon als Befestigungsgrundlage für die Widerstandsleiter.

Aus der DE 10 2012 212 798 Al sind Heizelemente mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper bekannt. Mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebrachte elektrische Leiterbahnen kontaktieren diesen Heizkörper. Der Heizkörper ist zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet, welches wiederum mit Elastomeren gebildet sein kann. Das Leitmaterial enthält hierbei elektrisch leitfähige Partikel, um dessen Leitfähigkeitseigenschaften zu gewährleisten.

Die DE 603 03 451 T2 beschreibt eine elektrisch leitfähige Silikonkautschukzusammensetzung.

Zur Verbesserung der Anbindung von Elastomeren an metallische Oberflächen werden bisher Haftvermittler verwendet, wie beispielsweise auch in der DE 10 2019 208 177 Al beschrieben. Diese bilden jedoch eine isolierende Schicht zwischen Metall und elektrisch leitfähigem Kunststoff, so dass der Übergangswiderstand steigt. Ein hoher Übergangswiderstand verhindert eine gleichmäßige Wärmeentwicklung über die gesamte Fläche des Heizelements. Aus der DE 10 2019 208 177 Al ist es im Detail bekannt, bei der Herstellung eines Heizelements aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt zunächst auf die Kontakte einen Haftvermittler aufzutragen oder diesen dem elektrisch leitfähgien Elastomer beizumischen. Im einzelnen wird hier vorgeschlagen, zur Herstellung eines Heizelementes aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, folgende Verfahrensschritte zu durchlaufen: a) Beimischen eines Haftvermittlers zum elektrisch leitfähigen Elastomer oder Aufträgen eines Haftvermittlers auf Kontaktflächen, b) Einlegen mindestens zweier Kontakte in eine Gießform, c) Ausgießen der Gießform mit dem elektrisch leitfähigen Elastomer, d) Erzeugung einer physikalischen/chemischenVerbindung durch den Haftvermittler zwischen dem elektrisch leitfähigen Elastomer und den Kontakten und Ausbildung eines elastische Ei genschaften aufweisenden Verbundes aus leit fähigem Elastomer und den Kontakten, und e) Formgebung des Heizelementes durch Spritz gießen, Pressen und/oder Transfermolding. Durch die Urformung des elektrisch leitfähi gen Elastomers in der Gießform kann sich dieser optimal an die Kontakte anformen. Zudem enthält der elektrisch leitfähige Elastomer mindestens einen Haftvermittler, so dass dieser auch chemisch an die Kontakte angebunden werden kann oder der Haftvermittler wird im Vorhinein auf die Kontaktoberflächen zumindest partiell aufgetragen. Die Offenbarung der DE 10 2019 208 177 Al wird ausdrücklich inhaltlich als Bestandteil der vorliegenden Schrift betrachtet.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass eine verbesserte Anbindung der Kontakte beziehungsweise Elektroden und dem elektrisch leitfähigen Elastomermaterial erzielt wird. Die Verbesserung des Kontaktes resultiert aus der Urformung des Elast omers, da dieses innerhalb der Gießform die Kontakte beziehungsweise Elektroden ständig umschließt und eine optimale Anformung erreicht werden kann, im Zusammenwirken mit der Verwendung eines Silikonkautschuks als Material für die Erzeugung von Wärme im bestimmungsgemäßen Heizbetrieb eines solchermaßen hergestellten Heizelements. Es kann vorteilhafterweise auf die Verwendung eines Haftvermittlers verzichtet werden, was bedeutet, daß nicht nur die Anformung und die feste Bindung zwischen den Elektroden einerseits und dem elektrisch leitfähigen Elastomer andererseits ohne Haftvermittler sichergestellt ist, sondern daß auch der Übergangswiderstand zwischen dem Elastomer den Elektroden durch das Nichtvorhandensein eines Haftvermittlers kleingehalten werden kann, wodurch wiederum in vorteilhafter Weise eine Wärmeerzeugung gleichmäßig über die gesamte elektrisch leitfähige Silikonmasse und nicht bevorzugt an den Übergängen zwischen Elastomer und Elektroden sichergestellt werden kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Herstellungsverfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Plasmavorbehandlung der Kontakte beziehungsweise Elektroden, welche die Haftung des elektrisch leitfähigen Silikons auf den Kontakten bzw. Elektroden weiter verbessert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur la ein Heizelement mit Metallgewebestreifen als Kontakte,

Figur lb ein Heizelement mit Metallstreifen als Kontakte,

Figur lc ein Heizelement mit vollständig randständigen Kontakten,

Figur 2a ein zylindrisches bzw. ringförmiges Heizelement in einer

Querschnittsansicht,

Figur 2b ein zylindrisches bzw. ringförmiges Heizelement im Längsschnitt und Figur 2c ein zylindrisches bzw. ringförmiges Heizelement in einer hybriden Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Montage von Elektroden/Kontakten auf Widerstandsleitern, in denen die Wärme in einem Heizelement erzeugt wird, ist allein nicht ausreichend, wenn nur auf die rein mechanische Anbindung auf der Oberfläche Wert gelegt wird, es ergibt sich beispielsweise kein konstanter Übergangswiderstand. Über die Lebensdauer eines solchen Heizelements treten Setzvorgänge ein, die eine Veränderung des Gesamtwiderstandes und damit der Leistung des Heizelementes nach sich ziehen. Temperaturwechsel beschleunigen diese Veränderung zudem. Wie Versuche gezeigt haben, kriecht ein Elastomer, genauer gesagt ein Kunststoff ungleich Silikonkautschuk, weg bzw. der Anpressdruck geht zurück und der Übergangswiderstand steigt. Die Wärmeentstehung verschiebt sich hin zu den Übergangsstellen und die flächige Erwärmung des Heizelements geht zurück. Ein thermisches Einprägen der Elektroden/Kontakte ist bei Elastomeren nicht möglich, weil diese Werkstoffe eine Vernetzung aufweisen und nicht mehr umformbar sind. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die Reaktivität des Silikonkautschuks, auf einem Metall zu haften, beim Urformen wesentlich höher ist als bei anderen Kunststoffen, die als Ohmsche Wärme erzeugendes Material in einem Heizelement eingesetzt werden sollen.

Durch das Urformen gerade von Silikonen kann ohne Haftvermittler eine gute und dauerhafte Anbindung zu metallischen Kontakten erzielt werden. Während der Formgebung ist das Silikon flüssig und kann sich optimal an die metallische Oberfläche anpassen. Durch die Polarität des Silikons wird eine geringe Haftung mit den Metallen erzeugt. Die Silikone haften adhäsiv auf den Metallkontakten. Die reine Haftung ist bereits ausreichend, um eine gute elektrische Kontaktierung herzustellen. Die Haftwirkung kann noch durch eine Plasmavorbehandlung verbessert werden. Zusätzlich zur Haftung wird durch den Forminnendruck bei der Verarbeitung (z.B. durch Pressen oder Spritzgießen („Liquid-Silicon-Rubber“- Spritzguss)) in einer geschlossenen Form das Silikon in kleinste Spalte gedrückt. Bei der Verarbeitung sinkt die Viskosität des Silikons stark, bevor die Viskosität durch die Vernetzung wieder ansteigt. So kann das Silikon in Metallgewebe oder zwischen die einzelnen metallischen Drähte einer Litze eindringen. Dies können z.B. auch Spalte in den metallischen Kontakten sein. Es können auch strukturierte metallische Streifen sein. Somit ist die Kontaktoberfläche besonders groß und damit der elektrische Übergangswiderstand gering. Zudem wird durch das Eindringen in die Spalte und Zwischenräume eine gute mechanische Verkrallung erzielt, wodurch auch eine gute Haltbarkeit über Lebensdauer sichergestellt ist. Die Gefahr des Versagens durch thermisch mechanische Ermüdung oder durch von Außen aufgebrachte Kräfte wird dadurch wesentlich verringert. Beim Aushärten/Vernetzen unter Temperatur expandiert Silikon. Durch diesen Effekt wird der Forminnendruck noch verstärkt und die Formmasse zusätzlich in Spalte gepresst. Außerdem dringen leitfähige Partikel mit dem Silikon in die Spalte. Die Partikel bleiben an den Strukturen der metallischen Kontakte (Metallgewebe, Litzen mit mehreren metallischen Drähten oder metallische Oberflächenstruktur) nahe an der Oberfläche hängen. Es ergibt sich ein geringer elektrischer Übergangswiderstand.

Kontakte/Elektroden werden in eine Form eingelegt oder durch die Form eingespannt, und in die Form wird anschließend ein elektrisch leitfähiger Silikonkautschuk gegossen. Die Einheit der mindestens zwei Kontakte/Elektroden mit zwischenliegendem elektrisch leitfähigen Silikon ergibt ein elastisches Heizelement. Durch die Urformung des Silikons in der Form kann dieser sich optimal an die Kontakte/Elektroden anformen. Durch die Verkrallung und die Haftung zwischen dem Silikon und den metallischen Kontakten wird sich das elastische Silikon auch nicht unter mechanischen Deformationen oder Ausdehnungen, hervorgerufen durch thermische Erwärmungen, von den Kontakten/Elektroden ablösen. Die Elastizität ermöglicht eine Erhaltung des Kontaktes und damit eines über Lebensdauer guten elektrischen Kontaktwiderstandes des Silikons, der elektrisch leitfähig gefüllt ist und im bestimmungsgemäßen Betrieb des herzustellenden Heizelements als elektrischer Heizwiderstand dient.

Die elastischen Heizelemente können in planarer Form hergestellt werden, oder auch ringförmig. Figur la zeigt ein an eine als Gleichstromquelle ausgebildete Stromquelle 6 über elektrische Leitungen 7 angeschlossenes elastisches planares Heizelement 10. Dieses Heizelement weist zwei als Elektroden dienende Metallgewebestreifen 2 auf, die in einem elektrisch leitfähigem Silikonkautschukelement 1 eingebettet sind. Wahlweise können sie vollständig von dem elektrisch leitfähigen Silikonkautschukelement 1 umgeben sein. Das Silikonkautschukelement 1 ist flach und in diesem Beispiel rechteckförmig ausgebildet. Die Kontakte erstrecken sich entlang der Längskanten dieses als elektrische Heizwiderstandsschicht dienenden Silikonkautschukelements. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Heizwiderstandsschicht wird in an sich bekannter Weise durch eine Beimischung elektrisch leitfähigen Materials wie beispielsweise Graphit zu dem Silikonkautschuk sichergestellt. Einends stehen die Metallgewebestreifen etwas über, um mit elektrischen Leitungen 7 verbunden zu werden, die zur Gleichstromquelle führen. Alternativ kann natürlich für den Betrieb auch eine Wechselstromquelle verwendet werden.

In Figur lb weist ein solches elastisches Heizelement 10 anstelle von Metallgewebestreifen Metallstreifen 22 als Elektroden auf.

Sowohl in Figur la als auch in Figur lb sind die Elektroden jeweils etwas von der Längskante der Heizwiderstandsschicht beabstandet. Bei dem elastischen planaren Heizelement gemäß Figur lc hingegen sind die Elektroden vollständig randständig angeordnet. Dabei ist in Figur lc das Heizelement links in Querschnittsansicht senkrecht zur Längskante der Heizwiderstandsschicht 1 dargestellt, während rechts die Draufsicht wie in Figur la und in Figur lb ersichtlich ist. Dabei können auch hier sowohl Metallgewebestreifen 2 als auch Metallstreifen 22 als Elektroden verwendet werden.

Figur 2 zeigt ein ringförmiges Heizelement 100 in drei verschiedenen Ansichten. Die linke Ansicht a) zeigt einen Querschnitt durch den zylinderförmigen Aufbau. Die mittlere Ansicht b) zeigt einen Längsschnitt durch den zylinderförmigen Aufbau. Die rechte Ansicht c) zeigt einen hybriden Längsschnitt, bei dem zwar eine äußere Hülse im Längsschnitt dargestellt ist, bei dem jedoch das Innenleben des Heizelements in einer Draufsicht von oben auf der Seite der Kontaktierung der Heizwiderstandsschicht dargestellt ist. Die elektrische Heizwiderstandsschicht 1 muß nicht komplett ringförmig geschlossen sein, eben wie in Figur 2 dargestellt. In Figur 2 wird, genauer gesagt, eine zylinderförmige Heizpatrone gezeigt. Nach der Herstellung eines flachen Heizelements insbesondere gemäß Fig. lc kann dieses aufgrund seiner Flexibilität bzw. Elastizität zusammengedreht werden. Es kann z.B. in eine elektrisch isolierende Hülse 3 eingeschoben werden. Die Rückstellkraft der Heizwiderstandsschicht bewirkt ein automatisches Anlegen an der Innenwand der Hülse. Zur exakten Positionierung der Heizwiderstandsschicht 1 kann eine Rippe, hier in Form einer Längsrippe 5, auf der Innenseite der Hülse 3 dienen, damit das Heizelement immer lagerichtig orientiert ist. Außerdem wird durch die Längsrippe die elektrische Trennung der Kontakte 2 bzw. 22 und der Heizwiderstandskanten sichergestellt. Zu beachten ist, dass in der hybriden Darstellung der Anordnung in der rechten Ansicht der Figur 2 der Einfachheit halber die Rippe 5 weggelassen wurde. Die Hülse kann mit einem Füllmaterial 4, insbesondere mit einem elektrisch isolierenden Material, gefüllt werden. Dies kann ein keramisches Pulver (beispielsweise MgO, AI2O3) oder auch eine Vergussmasse sein. Die Heizwiderstandsschicht aus elektrisch leitfähigen Silikonen enthält zur Erreichung der elektrischen Leitfähigkeit leitfähige Füllstoffe, wie z.B. Graphit, Leitruße, Metallpartikel, -fasern, Carbonanotubes. Die bei angeschlossener Heizstromquelle erzeugte Wärmestrahlung 12 ist in der rechten Ansicht c) symbolisch mit Pfeilen dargestellt.

Der spezifische elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Silikone, um als Heizelemente zu funktionieren, sollte zwischen 0,01 Ohm cm und 500 Ohm cm liegen, insbesondere zwischen 0,1 und 20 Ohm cm. Der elektrisch leitfähige Silikonkautschuk besitzt einen PTC-Effekt, d.h. sein elektrischer Widerstand vergrößert sich mit steigender Temparatur. Dadurch regelt sich das Heizelement bei hohen Temperaturen von selbst ab. Silikone haben eine hohe Temperaturbeständigkeit bis zu 200 Grad Celsius, oder sogar, im Falle von Fluorsilikonen, bis 250°C, deshalb sind sie besonders für die vorliegende Erfindung geeignet. Die Kontakte/Elektroden haben vorzugsweise einen konstanten Abstand, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, so dass bei homogen verteilten Füllstoffen im Silikon gleichmäßig über der Heizwiderstandsfläche Wärme erzeugt wird. Die Kontakte/Elektroden können einseitig, mehrseitig oder komplett von allen Seiten von dem elektrisch leitfähigen Silikonkautschuk umgossen sein. Einige Stützstellen zur Fixierung der Kontakte/Elektroden in der Form können noch freiliegen. Eine Plasmavorbehandlung der Kontakte/Elektroden kann die Haftung des Silikonkautschuks auf diesen noch verbessern. Die Kontakte/Elektroden können abisolierte Kabelenden (also Metallgewebestreifen) sein, Stanzgitter (eventuell strukturiert oder mit Löchern versehen) oder ein metallischer Streifen. Die Kabel und metallischen Streifen haben den Vorteil, ebenfalls flexibel zu sein, so dass das elastische planare Heizelement insgesamt elastisch bleibt und z.B. als Sitzheizung in Sitzpolster integriert werden kann. Das Silikonkautschuk dringt bei seiner Formgebung zwischen die Litze des abisolierten Kabels oder in Strukturen bzw. Löcher der Stanzgitter ein. Die Stanzgitter oder Metallstreifen haben vorzugsweise Crimpstellen, Lötflächen oder Klebeflächen, um einen weiteren Übergang auf den folgenden Leiter zu vereinfachen. Nach der Herstellung kann das Heizelement noch deformiert und verbaut werden.

Im Falle einer zylinderförmigen Anordnung, die als Stabheizelement, Aquarienheizelement bzw. allgemein als Heizpatrone dienen kann, kann, eingesteckt in eine Isolationshülse, wie in Figur 3 dargestellt, die elektrische Heizwiderstandsschicht gegen den Innendurchmesser der Hülse montiert werden. Im Anschluss kann der Innenraum der Hülse mit isolierendem vorzugsweise keramischen/mineralischen Pulvern gefüllt werden, so dass die Heizwiderstandsschicht gegen die Hülse gepresst wird; hierbei ist eine Pressung nach kompletter Füllung und Verdichtung möglich. Die Isolationshülse besteht aus elektrisch nicht leitfähigem Kunststoff, zum Beispiel aus PPS, PA oder PPA. Es kann auch eine Hülse aus Glas oder Keramik verwendet werden. Es kann auch eine metallische Hülse vorgesehen werden, wenn zwischen der metallischen Hülse und dem Heizelement eine Isolationsschicht vorgesehen wird (z.B. eine isolierende Beschichtung oder eine dünne, möglichst hochtemperaturbeständige Folie, zum Beispiel eine Pl-Folie.