Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen

Heizelementes, insbesondere für ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise

Luftheizgerät, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, sowie ein entsprechendes Heizgerät, ein entsprechendes Heizelement und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Heizgerätes.

Grundsätzlich sind elektrische Luftheizgeräte für mobile Anwendungen bekannt. Diese basieren üblicherweise auf keramischen Heizelementen mit einem stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird. Die Heizelemente können mit

Wärmeübertrager-Flächen (z. B. aus Aluminiumblech) verbunden werden und darüber auch elektrisch kontaktiert werden. Die bekannten keramischen

Heizelemente sind üblicherweise als PTC-Widerstände ausgebildet, weisen also einen temperaturabhängigen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten auf, der bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen.

Weiterhin sind grundsätzlich Heizleiter mit PTC-Effekt bekannt, die auf leitfähigen polymeren PTC-Materialien basieren. Diese Materialien können beispielsweise kohlenstoffgefüllte Kunststoffe umfassen, die bei bestimmten Temperaturen einen starken Anstieg des elektrischen Widerstands aufweisen.

Problematisch bei den bekannten Heizelementen bzw. Heizgeräten ist es insbesondere, dass eine Kontaktierung mit Zuleitungen (Elektroden) oftmals vergleichsweise aufwändig ist und/oder keine zuverlässige Verbindung zwischen dem Metall (der Zuleitungen bzw. Elektroden) und den entsprechenden

Heizelementen erlaubt, insbesondere bei mobilen Anwendungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Heizelement für ein Heizgerät (vorzugsweise Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise Luftheizgerät, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, vorzuschlagen, bei dem auf einfache Art und Weise eine zuverlässige

Kontaktierung zwischen elektrischen Zuleitungen (Elektroden) und dem

eigentlichen Heizelement erfolgen kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren vorzuschlagen. Gemäß weiteren Aspekten soll auch ein entsprechendes Heizgerät sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug, ein entsprechendes Verfahren Herstellen sowie zum Betreiben eines Heizgerätes sowie eine Verwendung eines Heizgerätes vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein elektrisches Heizelement nach Anspruch 1 gelöst.

Die oben genannte Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes, (vorzugsweise für eine Heizgerät, weiter vorzugsweise für ein Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise für ein

Luftheizgerät, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine

Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere

Kohlenstoffkomponente enthält, mit mindestens einer Anschlusselektrode durch Ultraschallschweißen verbunden wird.

Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes vorzuschlagen, bei dem mindestens eine leitfähige Polymerstruktur zum Einsatz kommt, die wiederum durch Schweißen,

vorzugsweise Ultraschallschweißen, mit mindestens einer Anschlusselektrode (ggf. mehreren bzw. beiden Anschlusselektroden) verbunden wird. Dadurch kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise eine zuverlässige Verbindung zwischen der mindestens einen Anschlusselektrode (aus Metall) und dem Polymer der Polymerstruktur erfolgen. Insbesondere können auftretende

temperaturinduzierte Spannungen durch unterschiedliche

Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Polymer (bzw. Kunststoff) vergleichsweise gut kompensiert bzw. ausgehalten werden. Dabei wurde erfindungsgemäß erkannt, dass durch das Fügen mittels Schweißen (Ultraschallschweißen) eine zuverlässige Verbindung zwischen Polymer und Metall ermöglicht wird, ohne das Polymer beim Herstellprozess thermisch zu schädigen. Insbesondere kann dadurch ein vergleichsweise guter elektrischer Kontakt zwischen einer (metallischen) Elektrode und der leitfähigen Komponente im Polymer, insbesondere den leitfähigen (Kohlenstoff-) Partikeln im Polymer erreicht werden. Das Verfahren des Ultraschallschweißens ist weiterhin

vergleichsweise prozesssicher und für eine Großserienfertigung geeignet. Im Gegensatz zu beispielsweise rein thermischem Fügen können auch polymere Materialien verarbeitet werden, die nicht oder nur schwer aufschmelzbar sind oder negativ auf zu starke Wärmeeinwirkung reagieren.

Das elektrische Heizelement und/oder ein dieses umfassendes elektrische

Heizgerät, insbesondere Fluidheizgerät (Luftheizgerät) umfasst vorzugsweise einen Fluidkanal oder mehrere Fluidkanäle zum Durchleiten des aufzuheizenden Fluids. Diese Fluidkanäle können beispielsweise einen vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt aufweisen (senkrecht zu einer Strömungsrichtung). Alternativ kann/können ein oder mehrere Fluidkanäle mit einem (zumindest im Wesentlichen) runden, insbesondere kreisrunden Querschnitt vorliegen. Die Fluidkanäle können teilweise oder vollständig bereits im Heizelement ausgebildet sein bzw. teilweise oder vollständig erst beim

Zusammenbau mehrerer Heizelemente (insbesondere bei der Herstellung eines entsprechend Heizgerätes) ausgebildet werden.

Unter einem Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) ist insbesondere ein Heizgerät zu verstehen, das als Baugruppe (Baueinheit) ausgebildet ist. Das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) kann durch ein entsprechendes Gehäuse nach außen abgegrenzt sein. Innerhalb dieses Gehäuses sind dann vorzugsweise mindestens ein Heizelement, umfassend die Polymerstruktur und die mindestens eine Anschlusselektrode, und ggf. der mindestens eine Fluidkanal vorgesehen. Ein Volumen des Fluidheizgerätes kann kleiner als 2500 cm ³ , vorzugsweise kleiner als 1000 cm ³ sein. Weiterhin kann das Heizgerät einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweisen, durch den einFluid

(insbesondere Luft) ein- bzw. ausströmen kann. Alternativ zur Ausbildung als Luftheizgerät kann das Fluidheizgerät auch als Flüssigkeitsheizgerät,

insbesondere Wasserheizgerät, (für mobile Anwendungen) ausgebildet sein. Generell ist das (Fluid-)Heizgerät vorzugsweise für den Einsatz in mobilen Anwendungen konfiguriert, ist also konfiguriert, um entsprechenden

Beschleunigungen, Abbremsungen und Erschütterungen standzuhalten. Konkret kann das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) in Fahrzeugen, vorzugsweise Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen oder

Lastkraftwagen, zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) für die Aufheizung eines Innenraums

(Fahrgastzelle) eingesetzt (und ist entsprechend konfiguriert). Alternativ ist es auch vorstellbar, das Heizgerät (z. B. Fluidheizgerät bzw. Luftheizgerät) in Flugzeugen, Schiffen oder sonstigen Fahrzeugen einzusetzen.

Die mindestens eine Anschlusselektrode (beispielsweise beide

Anschlusselektroden) kann/können als planes Element, insbesondere als Folie, Streifen und/oder Gitter, ausgebildet sein bzw. ausgebildet werden. Dadurch kann eine besonders zuverlässige Verbindung mit der Polymerstruktur realisiert werden.

Alternativ oder zusätzlich kann die Anschlusselektrode zumindest einen Abschnitt mit rundem Querschnitt und/oder zumindest einen Abschnitt mit einem

vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Konkret kann die Anschlusselektrode zumindest einen Drahtabschnitt aufweisen oder als Draht ausgebildet sein. Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein zuverlässig funktionierendes Heizgerät hergestellt werden.

In Ausführungsformen kann die Polymerstruktur zumindest abschnittsweise, ggf. vollständig, formstabil (sich selbst tragend) ausgebildet sein. Optional ist die Polymerstruktur als (fester) Block ausgebildet. Eine Dicke der Polymerstruktur kann mindestens 1 mm oder mindestens 3 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerstruktur zumindest abschnittsweise, ggf. vollständig, flexibel, vorzugsweise als Folie oder Streifen (oder Anordnung mehrerer Streifen) ausgebildet sein bzw. werden. Wenn die Polymerstruktur sowohl

(abschnittsweise) formstabil als auch (abschnittsweise) flexibel ausgebildet sind, kann die Polymerstruktur (gewichtsmäßig) entweder überwiegend formstabil oder überwiegend flexibel ausgebildet sein. Unter einer flexiblen Ausbildung ist insbesondere eine Ausbildung zu verstehen, bei der die Polymerstruktur ihre Form nicht behält, wenn sie auf eine unebene Fläche gelegt wird bzw. nur an einem Rand aufgelegt wird.

Das Ultraschallschweißen kann intermittierend, semi-kontinuierlich oder kontinuierlich ablaufen. Eine Sonotrode oder mehrere Sonotroden kann/können als Stempel und/oder als rotierende Walzen ausgebildet sein. In einer konkreten Ausführungsform sind zwei Sonotroden vorgesehen, um die Polymerstruktur beidseitig mit einer entsprechenden Anschlusselektrode zu verbinden. Die beiden Sonotroden können dann gegenüberliegend angeordnet sein, so dass während des Verfahrens, die Polymerstruktur und die damit zu verbindenden Elektroden zwischen den beiden Sonotroden liegen. Insbesondere in diesem Fall können die Sonotroden als rotierende Walzen ausgestaltet sein.

Eine Oberfläche der mindestens einen Anschlusselektrode kann strukturiert, aktiviert und/oder aufgeraut sein bzw. werden. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die Haftung zu der Polymerstruktur verbessert werden. Unter einer Strukturierung ist vorzugsweise eine Einbringung von vorbestimmten (nicht zufällig verteilten) Strukturen zu verstehen. Demgegenüber handelt es sich bei einer Aufrauhung vorzugsweise um die Einbringung von zufälligen Strukturen, insbesondere im kleinen Maßstab. Unter einem Aktivieren ist insbesondere eine Oberflächenbehandlung der Anschlusselektrode zu verstehen derart, dass diese sich hinsichtlich ihrer chemischen und/oder physikalischen Zusammensetzung von der restlichen Anschlusselektrode unterscheidet.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizgerätes (vorzugsweise Fluidheizgerätes, weiter vorzugsweise Luftheizgerätes, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerätes),

insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, umfassend das obige Verfahren zur

Herstellung eines Heizelementes sowie vorzugsweise das Ausbilden von mindestens einem Fluidleitkanal zum Durchleiten eines Fluides.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein elektrisches

Heizelement (vorzugsweise für eine Heizgerät, weiter vorzugsweise für ein Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise für ein Luftheizgerät, ggf. Flüssigkeits-, insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, die eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, sowie mindestens eine Anschlusselektrode, die mit der Polymerstruktur durch Ultraschallschweißen verbunden ist.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Heizgerät, vorzugsweise Fluidheizgerät, weiter vorzugsweise Luftheizgerät, ggf.

Flüssigkeits- , insbesondere Wasserheizgerät), insbesondere für mobile

Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, weiter vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens ein Heizelement der obigen Art und ggf. mindestens einen

Fluidleitkanal.

Die Anschlusselektrode kann als planes Element, insbesondere als Folie, Streifen und/oder Gitter, ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die

Anschlusselektrode zumindest einen Abschnitt mit rundem Querschnitt und/oder zumindest einen Abschnitt mit einem vieleckigen, insbesondere viereckigen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Anschlusselektrode zumindest einen Drahtabschnitt aufweisen oder als Draht ausgebildet sein.

Die leitfähige Komponente (Kohlenstoffkomponente) kann in Partikelform und/oder als (Kohlenstoff-)Gerüst (bzw. Skelett) vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kohlenstoffkomponente in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren vorliegen.

Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende Polymerkomponente aufweisen. Die Polymerstruktur kann formstabil, vorzugsweise als Block, oder flexibel, vorzugsweise als Folie, ausgebildet sein.

Weitere Merkmale des Heizelementes bzw. Heizgerätes ergeben sich aus der (obigen und nachfolgenden) Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Heizelementes bzw. Heizgerätes. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Betreiben eines Heizgerätes der obigen Art oder hergestellt nach dem obigen Verfahren, wobei Fluid, insbesondere Luft (oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser) durch das Fluidheizgerät strömt und dabei aufgeheizt wird.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Heizgerätes der obigen Art oder hergestellt nach dem obigen Verfahren zum Aufheizen eines Fluids, insbesondere von Luft (oder einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser), vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, weiter

vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.

Die Polymerstruktur kann (insbesondere, wenn sie nicht-selbsttragend

ausgebildet ist) auf ein (ggf. elektrisch isolierendes und/oder gegenüber der Polymerstruktur elektrisch isoliertes) Substrat aufgebracht, beispielsweise aufgetragen werden. Ein derartiges Substrat kann gleichzeitig als

Wärmeübertrager-Fläche zur Aufheizung des vorbeiströmenden Fluids (der vorbeiströmenden Luft) genutzt werden. Optional kann diese Oberfläche noch durch Unebenheiten, insbesondere Vorsprünge, wie Rippen und/oder Finnen auf dem Substrat vergrößert werden.

Das Substrat bzw. die Substrate kann/können zumindest abschnittsweise vorzugsweise vollständig, aus Kunststoff, insbesondere einem Polymer wie beispielsweise Polyetherketon und/oder Polyamid, gefertigt sein. Besonders bevorzugt ist eine Fertigung aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) und/oder Polyetheretherketon (PEEK) und/oder (kurz-) faserverstärktem Polyamid (z. B. PA-GF).

Das Substrat kann aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.

Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei Raumtemperatur (25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10 ¹ S nr ¹ (ggf. weniger als 10 ⁸ S nr ¹ ) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische

Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S nr ¹ , weiter vorzugsweise mindestens 10 ³ S m ¹ (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt. Das Substrat kann als Platte, insbesondere Kunststoffplatte, ausgebildet sein und/oder eine Dicke von mindestens 0,1 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1,0 mm und/oder höchstens 5,0 mm, weiter vorzugsweise höchstens 3,0 mm aufweisen. Bei der jeweiligen Dicke handelt es sich insbesondere um eine durchschnittliche Dicke oder eine Dicke des größten Bereichs mit konstanter Dicke.

Die Polymerstruktur und/oder eine entsprechende Paste zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z.B. Ethylen/Acrylsäure und/oder Ethylen/Ethylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.

Die Polymerstruktur kann in einem Ofen (bei erhöhter Temperatur) ausgehärtet sein bzw. werden.

Die (jeweilige) Polymerstruktur ist vorzugsweise über mindestens 20 %, weiter vorzugsweise mindestens 50 %, noch weiter vorzugsweise mindestens 80 % einer der Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) zugewandten Oberfläche des Substrats mit dem (jeweiligen) Substrat in Kontakt. Dadurch kann effektiv Wärme über das Substrat (das dann als weiterer Wärmeübertrager dient) übertragen werden.

Im Allgemeinen kann/können die Polymerstruktur eine durchgehende Fläche (ohne Unterbrechungen) aufweisen oder strukturiert sein, beispielsweise Lücken (Durchbrüche) aufweisen oder Ausnehmungen.

Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew. -% und/oder weniger als 50 %

Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. die Kohlenstoffkomponente, wie z.B. die Kohlenstoffpartikel. Die jeweilige Polymerstruktur kann (zumindest im Durchschnitt) dünner sein als ein entsprechendes Substrat, beispielsweise um den Faktor 1,1; weiter vorzugsweise um den Faktor 1,5.

Grundsätzlich ist der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der leitfähigen Komponenten des Luftheizgerätes als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" zu verstehen.

Die (jeweilige) Polymerstruktur ist vorzugsweise eine leitfähige Schicht mit PTC- Verhalten.

Das Fluidheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z.B.

< 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt. Alternativ kann das Fluidheizgerät für den Hochvoltbereich (z. B. > 100 Volt, vorzugsweise > 400 Volt, ggf. größer 800 V) ausgelegt sein.

Das Luftheizgerät kann für einen Betrieb mit Gleich- und/oder Wechselspannung und/oder PWM ausgelegt sein.

Die Polymerstruktur und/oder das Substrat kann/können zumindest im

Wesentlichen plan ausgebildet sein. Falls Erhebungen (Vertiefungen) vorgesehen sind, können diese weniger als 10 % einer (durchschnittlichen) Dicke der jeweiligen Beschichtung bzw. des jeweiligen Substrats betragen.

Der Kohlenstoffanteil in der Polymerstruktur (z. B. Polymerbeschichtung) kann so ausgebildet sein, dass er einen Stromfluss erlaubt (z. B. in Partikelform, wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen).

Es können mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5 Heizelemente vorgesehen sein, die jeweils eine eigene Polymerstruktur und ggf. eigene Anschlusselektroden umfassen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, das anhand der beigefügten Figur näher erläutert wird. Hierbei zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen

Herstellungsverfahrens.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

Fig. 1 zeigt eine Polymerstruktur 10, die beidseitig mit einer ersten

Anschlusselektrode 11 und einer zweiten Anschlusselektrode 12 verbunden wird. Dies geschieht hier in einem kontinuierlichen Verfahren. Dazu wird die Anordnung der Polymerstruktur 10 mit den beiden Anschlusselektroden 11, 12 zwischen zwei Sonotroden 13, 14 gebracht. Durch eine entsprechende ultraschallinduzierte Bewegung gemäß den Pfeilen 15 wird dann eine Ultraschallverschweißung durchgeführt. Die Pfeile 16 zeigen eine Drehrichtung der walzenförmigen

Sonotroden 13, 14 an. Das Material für die Anschlusselektroden 11, 12 kann beispielsweise von einer Aufbewahrungsrolle abgerollt werden und/oder durch Umlenkrollen entsprechend in Richtung Polymerstruktur 10 geführt werden (nicht in Fig. 1 gezeigt).

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den

Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

Bezuaszeichenliste

10 Polymerstruktur

11 Anschlusselektrode

12 Anschlusselektrode

13 Sonotrode

14 Sonotrode

15 Pfeil

16 Pfeil