DE19516909A1 - Bahnförmiges Heizelement und Herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bahnförmiges Heizelement mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften, das geeignet ist, das Gefrieren von Straßen zu verhindern, sowie ein Herstellungsverfahren für dieses Heizelement.

Wo Spikereifen in kalten Regionen, beispielsweise in Ja­ pan, nicht verwendet werden dürfen, wurden verschiedene Arten von Gefrierschutzsystemen für Straßen vorgeschlagen, beispielsweise Warmwassersysteme, elektrische Heizsysteme und andere Systeme.

Bei den Warmwassergefrierschutzsystemen wird warmes Was­ ser mittels eines Boilers unter Verwendung von Gas, Kerosin, Elektrizität oder einer ähnlichen Wärmequelle erzeugt. Das warme Wasser zirkuliert in Rohren aus Kupfer, Stahl, Po­ lyvinylchlorid oder aus einem ähnlichen Material. Das warme Wasser liefert eine der verbrauchten Wärmemenge entspre­ chende Wärmemenge.

Bei Gefrierschutzsystemen mit elektrischer Heizung sind metallische Widerstandsdrähte unter der Straßendecke einge­ bettet und elektrisch angeschlossen.

Die Warmwassergefrierschutzsysteme haben jedoch die fol­ genden Nachteile:
Erstens ist es schwierig, das warme Wasser zu regeln, und zwar aus den folgenden Gründen: Aufgrund der Zirkulation des warmen Wassers durch die Rohre wird zum Erhöhen der Temperatur eines gesamten Systems Zeit benötigt. Es ist erforderlich, die Temperatur des gesamten Systems insgesamt zu regeln, wodurch eine aufgeteilte Regelung der Temperatur schwierig ist, und eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Rohren auftre­ ten kann. Ein Wasserleck in einem Teil des Rohres kann die Funktion des gesamten Systems zerstören.

Zweitens ist eine aufwendige Wartung aus den folgenden Gründen erforderlich: Da sich Kalzium im warmen Wasser auf den Innenflächen des Rohres niederschlägt, muß dieses entfernt werden und das Rohr von innen gereinigt werden. Au­ ßerdem muß die Anlage aufgrund der kurzen Standzeit eines Boilers alle fünf bis sieben Jahre erneuert werden.

Drittens ist es schwierig, das System stabil arbeiten zu lassen, da es beispielsweise bei Bergstraßen schwierig ist, Kraftstoff nachzufüllen.

Viertens wird die Umwelt aus den folgenden Gründen bela­ stet: Ein Warmwasserboiler erzeugt Lärm; und wenn Gas, Kerosin oder ein ähnlicher Brennstoff verwendet wird, werden Schadstoffe in die Luft emittiert.

Gefrierschutzsysteme mit elektrischer Heizung haben ge­ genüber den Warmwassergefrierschutzsystemen den Vorteil, daß sie geräuschlos und schadstofffrei arbeiten. Sie sind leicht zu regeln und erfordern keine der Reinigung bei Warmwasser­ systemen entsprechende Wartung. Jedoch führt die Verwendung eines metallischen Widerstandes dazu, daß die Menge der elektrischen Energie mit der Temperatur ansteigt. Außerdem kann eine ungleichmäßige Verteilung der Temperatur aufgrund eines weitmaschigen Verdrahtungsnetzes auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein bahnförmiges Heizele­ ment zur Verfügung zu stellen, dessen Temperatur leicht zu regeln ist, das Wärmeenergie stabil zur Verfügung stellt, leicht zu warten ist und eine geringe Belastung der Umwelt mit sich bringt.

Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines sol­ chen bahnförmigen Heizelementes geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein bahnförmiges Heizelement mit
einem Heizelementkörper, in dem Glasfasern zur Isolie­ rung in einer ersten und einer zweiten Richtung gewebt sind, Kohlefasern zum Heizen in vorgegebenen Abständen in der ersten Richtung gewebt sind, und ein erster und ein zweiter Leiter in der zweiten Richtung zur Verwendung als Elektroden gewebt sind;
einem warmhärtbaren Harz enthaltenden Bindematerial zum Verbinden der Glasfasern, der Kohlefasern und der Leiter;
und auf beiden Seiten des Heizelementkörpers aufgekleb­ ten Kunstharzfolien.

Die zweite Richtung liegt vorzugsweise etwa senkrecht zur ersten Richtung, die wiederum vorzugsweise die Längs­ richtung einer im wesentlichen rechtwinklig zugeschnittenen Bahn darstellt. Als warmhärtbarer Harz kann ein beliebiger bei erhöhter Temperatur aushärtender Kunststoff verwendet werden. Als Kunstharzfolien sind beliebige elektrisch isolierende Kunststoffolien verwendbar.

In Weiterbildung weist das bahnförmige Heizelement Ein­ schnitte auf, die dadurch gebildet sind, daß der erste und der zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durch­ geschnitten sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bahnförmigen Heizelemente außerdem gewebte Abdeckbahnen aufweisen, zu deren Herstellung Glasfasern gewebt und mit warmhärtbarem Harz imprägniert werden, und die von beiden Seiten in unmittelbaren Kontakt mit den isolierenden Kunstharzfolien gebracht werden.

Vorteilhafterweise weisen die bahnförmigen Heizelemente Durchgangslöcher auf, die neben den Leitern und den Kohlefa­ sern angeordnet sind.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gelöst durch ein Ver­ fahren zur Herstellung eines bahnförmigen Heizelementes, wo­ bei die Leiter mit den Glasfasern und den Kohlefasern beim Weben der Glas- und Kohlefasern verwebt werden.

Im bevorzugter Weiterbildung ist das Herstellungsverfah­ ren dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Schaltkreisab­ schnitte dadurch geschaffen werden, daß der erste und der zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durchge­ schnitten werden; und daß der Heizelementkörper auf vorgege­ bene Abmessungen geschnitten wird.

Da der Heizelementkörper eine Webstruktur aus isolieren­ den Glasfasern, Kohleheizfasern und aus Leitern aufweist und die Glasfasern, die Kohlefasern und die Leiter mit Hilfe ei­ nes Bindemittels zusammengehalten werden, ist eine einfache Positionierung der Kohlefasern untereinander und der Kohle­ fasern in bezug auf die Leiter möglich. Außerdem werden die Kohlefasern und die Leiter in ihrer Position festgelegt. Es kann auch kein elektrischer Verlust auftreten, weil außerdem isolierende Harzbahnen auf beide Seiten des Heizelementkör­ pers aufgeklebt sind.

Im Unterschied zu einem metallischen Widerstand regelt die Kohlefaser einen Temperaturanstieg selbst und daher steigt die Menge der elektrischen Energie nicht an. Außerdem weisen die Kohle- und Glasfasern eine fast unbegrenzte Standzeit auf und bewirken einen Ausfall nur dann, wenn sie künstlich beschädigt werden.

Wenn der erste und zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durchgeschnitten sind, um Einschnittbereiche zu bilden, können elektrische Schaltkreisabschnitte leicht aus den durch die Einschnitte unterteilten Leitern und den mit den Leitern verbundenen Kohlefasern gebildet werden.

Wenn die mit warmhärtbarem Harz imprägnierten Abdeckbah­ nen auf beiden Seiten mit den isolierenden Kunstharzfolien in Kontakt gebracht sind, wird eine gute Adhäsion ermög­ licht, wenn das Heizelement zwischen Hochtemperaturmateria­ lien wie Asphalt o. dgl. eingelagert wird.

Durchgangslöcher in dem bahnförmigen Heizelement außer­ halb der Leiter und Kohlefasern ermöglichen beim Einlagern des bahnförmigen Heizelementes zwischen Materialien wie Asphalt, Beton o. dgl. ein Hindurchgreifen des Materials und auf diese Weise eine gute Haftung.

Da die Leiter mit den Glasfasern und den Kohlefasern beim Weben der Glas- und der Kohlefasern verwebt werden, ist die Herstellung einfach und eine Massenproduktion möglich.

Dadurch können Kosten reduziert werden. Da der erste und der zweite Leiter des Heizelementkörpers zur Bildung von elek­ trischen Schaltkreisabschnitten abwechselnd durchgeschnitten sind, und da der Heizelementkörper auf vorgegebene Abmessun­ gen geschnitten wird, können kontinuierliche Herstellungs­ verfahren eingesetzt werden. Außerdem können Herstellungsko­ sten durch Aufwickeln des Heizelementes auf Rollen einge­ spart werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Eine vergrößerte Darstellung des Heize­ lementkörpers eines bahnförmigen Heiz­ elementes in einer ersten Ausführungs­ form;

Fig. 2 Eine perspektivische Darstellung des Heizelementkörpers gemäß Fig. 1 im auf­ gerollten Zustand;

Fig. 3 Eine schematische Darstellung der Her­ stellung des bahnförmigen Heizelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 Eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des bahn­ förmigen Heizelementes;

Fig. 5 Eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des bahn­ förmigen Heizelementes;

Fig. 6 Eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des bahn­ förmigen Heizelementes; und

Fig. 7A, 7B und 7C Anwendungsbeispiele für das bahnförmige Heizelement.

Fig. 1 zeigt die wesentlichen Teile eines Heizelement­ körpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen bahnförmigen Heizelementes. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Heizelementkörpers gemäß Fig. 1 im aufgerollten Zustand.

Ein bahnförmiges Heizelement 1 gemäß Fig. 1 weist einen Heizelementkörper 10, ein Bindematerial 14 (Fig. 3) und isolierende Kunstharzfolien 15 und 16 (Fig. 3) auf.

Der Heizelementkörper 10 wird als Webstruktur aus Kohle­ fasern 11, Glasfasern 12 und einem Leiter 13 hergestellt. Die Glasfasern 12 werden sowohl als Kettfaden als auch als Schußfaden verwendet. Die Kohlefasern 11 werden in regelmä­ ßigen Abständen von wenigen Millimetern bis einigen zehn Millimetern als Schußfaden verwendet und der aus einem Kupferdraht o. dgl. hergestellte Leiter 13 wird an beiden Seiten des Heizelementkörpers als Kettfaden verwendet, um als Elektrode zu wirken.

Da die Glasfasern 12 wie bei einem Stoff zwischen den Kohlefasern 11 eingewebt sind, sind die Positionen der Kohlefasern festgelegt und diese vollständig isoliert. Außerdem stehen die Kohlefasern 11 und beide Leiter 13 miteinander in engem Kontakt, um eine elektrische Verbindung herzustellen.

Der Grund für die Verwendung der Kohlefasern 11 ist, daß die Kohlefasern für einen stabilen Widerstand sorgen und nicht dazu führen, daß die Menge der elektrischen Energie ansteigt, und zwar aufgrund ihrer im Gegensatz zum metalli­ schen Widerstand vorhandenen Selbstregelung bei einem Temperaturanstieg. Außerdem haben die Kohlefasern 11 und die Glasfasern 12 aufgrund ihrer im wesentlichen unbegrenzten Haltbarkeit den Vorteil, daß sie nur bei künstlicher Beschä­ digung zu einer Fehlfunktion führen. Die Kohlefasern ermög­ lichen es, Elektrizität von einer stabilen Quelle als Wärmeenergie zu verwenden. Auf dieser Weise treten Luftver­ schmutzung, Geräusche und ungleiche Temperaturverteilungen nicht auf. Ein guter thermischer Wirkungsgrad verkürzt die Temperaturanstiegszeit. Außerdem sind die Elektrizitätsko­ sten geringer als bei bekannten elektrischen Drahtheizungen.

Der Heizelementkörper 10 kann, wie in Fig. 2 darge­ stellt, aufgerollt werden. Bei dem aufgerollten Heizelement­ körper sind die seitlichen Leiter 13 abwechselnd durchge­ schnitten, um Einschnittbereiche 17A, 17B, 17C, 17D, . . . zu bilden. Auf diese Weise entstehen elektrische Schaltkreisab­ schnitte mit einer Elektrode 13A, Kohlefasern 11A, einer Elektrode 13B, Kohlefasern 11B, einer Elektrode 13C, Kohle­ fasern 11C usw.

Der Heizelementkörper 10 verwendet als Kohlefasern 11 ein Bündel von 1000 Kohlekernfasern, die jeweils einen Durchmesser von 7 µm haben, wobei das Bündel einen Wider­ stand von 456 Ω/m hat. Der Heizelementkörper wird zu einer Größe von 0,9 m (Breite)×10 m gewebt, wobei die Kohlefa­ sern 11 in einem Abstand von 20 mm angeordnet sind. Da der Heizelementkörper 10 einen Verlustbereich von 15 mm Breite und einen Elektrodenbereich von 60 mm an beiden Seiten aufweist, beträgt die effektive Breite 810 mm. Bei einem Wi­ derstand je Kohlefaser 11 (d. h. je Bündelabschnitt von 810 mm Länge) von 369,36 Ω und einer angelegten Spannung von 200 V ergibt sich eine Wärmemenge pro Fläche und Stunde von ca. 330 kcal/m²h.

Wenn der Heizelementkörper 10 m lang ist, enthält er 500 Kohlefaserbündel 11. Daraus ergibt sich bei der 4-Schalt­ kreisabschnitt-Konstruktion gemäß Fig. 2 das folgende Ergebnis.

Je Schaltkreisabschnitt gibt es 125 Kohlefaserbündel und aufgrund der Parallelschaltung berechnet sich der Widerstand des Heizelementkörpers 10 wie folgt: 369,36 Ω : 125 Fasern ergibt ca. 2,95 Ω; 2,95 Ω×4 Schaltkreisabschnitte (in Reihe) = 11,82 Ω. Bei einer angelegten Spannung von 200 V berechnet sich der Strom wie folgt:
200 V : 11,8 Ω = 16,95 A. Somit ist die Leistung des Hei­ zelementkörpers 10 je Bahn 200 V×16,95 A = 3389,8 W. Die Leistungsdichte beträgt 3389,8 W : 9 m² = 376,6 W/m², und die Wärmemenge beträgt 3,766×860, das ist ca. 324 kcal/m²h.

Wenn vier Einschnitte 17A, 17B, 17C und 17D vorgesehen werden, liegt eine 4-Schaltkreisabschnitt-Konstruktion vor; daher gibt es 125 Kohlefasern pro Schaltkreisabschnitt.

Nach dem Herstellen der Schaltkreisabschnitte gemäß Fig. 2 wird der Heizelementkörper 10 mit einem Bindematerial 14, bspw. warmhärtbarem Harz o. dgl., imprägniert und dann mit isolierenden Kunstharzfolien 15, 16 aus verstärktem Kunst­ stoff von beiden Seiten laminiert.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Herstel­ lungsvorrichtung für das bahnförmige Heizelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

In der Herstellungsvorrichtung gibt eine Aufgabevorrich­ tung 101 das warmhärtbare Harz 14 auf den Heizelementkörper 10, und dann werden von oben und unten die isolierenden Kunstharzfolien 15, 16 zugeführt und zwischen den Preßwalzen 102 gepreßt. Der Heizelementkörper wird von einer Heizvor­ richtung 103 zur gleichmäßigen Verteilung des warmhärtbaren Harzes 14 erhitzt und dann im letzten Schritt zwischen zwei Preßwalzen 104 gepreßt, um das bahnförmige Heizelement 1 zu bilden.

Das bahnförmige Heizelement 1 ist überzogen mit den iso­ lierenden Kunstharzfolien 15, 16 und weist deshalb keine un­ dichten Stellen für Wasser oder Elektrizität auf.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines bahnförmigen Heizelementes dargestellt.

Ein bahnförmiges Heizelement 1′ (bei dem keine elektri­ schen Schaltkreisabschnitte wie in Fig. 2 gefertigt sind) ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufgerollt. Das bahnförmige Heizelement 1′ wird auf eine geeignete Länge L geschnitten, um ein einziges bahnförmiges Heizelement 2 herzustellen.

Dann werden zur Herstellung der elektrischen Schalt­ kreisabschnitte gemäß Fig. 2 Einschnittbereiche 21A, 21B und 21C von außen vorgesehen und Spannungsversorgungsanschlüsse 22, 23 an den Endabschnitten eines Leiters befestigt. Die Drähte 24, 25 sind zu den Spannungsversorgungsanschlüssen 22, 23 geführt.

Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel können Heizele­ mente verschiedener Leistung hergestellt werden. Es kann so­ wohl eine Gleichspannung als auch eine Wechselspannung angelegt werden.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel sind gewebte Ab­ deckbahnen 31, 32 auf der Ober- und Unterseite des gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellten bahnförmigen Heizelementes aufgebracht. Die gewebten Abdeckbahnen 31, 32 sind Webstrukturen aus Glasfasern, die mit warmhärtbarem Harz als Bindemittel imprägniert sind. Es wird vorzugsweise ein warmhärtbarer Harz verwendet, der bei hohen Temperaturen reagiert.

Ein in der oben beschriebenen Weise hergestelltes bahn­ förmiges Heizelement 3 ist zur Beheizung von asphaltierten Straßen geeignet. Beim Asphaltieren hat der Asphalt eine Temperatur von 140-170°C. Die Asphaltwärme löst die Reaktion des warmhärtbaren Harzes aus. Das bahnförmige Heizelement 3 wird dabei unter Einwirkung einer von oben wirkenden Druckkraft zwischen der oberen und der unteren As­ phaltschicht eingelagert und tritt in engen Kontakt mit diesen Asphaltschichten.

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines vier­ ten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen bahnförmigen Heizelementes.

Das bahnförmige Heizelement 4 unterscheidet sich von dem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellten bahnför­ migen Heizelement 2 nur dadurch, daß Durchgangslöcher 41 außerhalb der Leiter (äußere Leiter und Kohlefasern) vorgesehen sind. Wenn das bahnförmige Heizelement 4 im Asphalt oder Beton eingebettet wird, ermöglichen die Durchgangslöcher 41, daß die Asphalt- oder Betonschichten über und unter dem bahnförmigen Heizelement sich durch dieses hindurch verbinden. Die Haftung wird auf diese Weise verbessert und eine Trennung der Schichten vermieden.

Das vierte Ausführungsbeispiel ist als Gefrierschutzsy­ stem und Bodenheizung für asphaltierte Straßen, Bürger­ steige, Fußgängerbrücken, Betonböden, Parkplätze usw. geeignet.

Die bahnförmigen Heizelemente der verschiedenen Ausfüh­ rungsbeispiele sind geeignet, um das Gefrieren von Straßen und Bürgersteigen zu verhindern, Schnee auf Fußgängerbrücken zu schmelzen, Fußböden in Häusern, Amtern, Fabriken und anderen Gebäuden zu heizen, Schnee auf Parkplätzen zu schmelzen, das Einfrieren von Dach-Wassertanks von Gebäuden und Apartmenthäusern zu verhindern, das Gefrieren von Gebirgsstraßen und Abhängen zu verhindern, Fußböden von Gewächshäusern in der Landwirtschaft zu heizen usw.

Fig. 7A, 7B und 7C zeigen einige Anwendungsbeispiele des bahnförmigen Heizelementes gemäß der Erfindung.

Fig. 7A zeigt die Anwendung als Bodenheizung für einen gewöhnlichen Holzfußboden. Ein Heizungsisoliermaterial 55 ist zwischen Balken 54 angeordnet, die auf einem Fußbodenma­ terial 53 liegen. Das Fußbodenmaterial ist über Balken 52 angeordnet, die auf einer Schwelle 51 ruhen. Das bahnförmige Heizelement 1 ist mit Hilfe von Nägeln o. dgl. auf den wärmeisolierenden Materialien festgelegt. Eine abschließende Fußbodendecke 56 ist über dem bahnförmigen Heizelement angeordnet.

Fig. 7B zeigt die Anwendung als Betonfußbodenheizung. Bei der Anwendung ist das Heizelement 1 zwischen einer oberen Betonschicht 61 und einer unteren Betonschicht 62 eingebettet.

Fig. 7C zeigt die Einbettung im Asphalt. Bei dieser An­ wendung wird Asphalt 72 auf Kies 71 aufgebracht und das bahnförmige Heizelement 1 wird auf den Asphalt 72 aufgelegt. Ein grobkörniger Asphalt 73 wird auf das bahnförmige Heiz­ element 1 aufgetragen und eine feinkörnige Asphaltdecke 74 wird auf den grobkörnigen Asphalt 73 aufgetragen.

Claims (6)

1. Bahnförmiges Heizelement, gekennzeichnet durch:
einen Heizelementkörper (10), in dem Glasfasern (12) zur Isolierung in einer ersten und einer zweiten Richtung gewebt sind, Kohlefasern (11) zum Heizen in vorgegebenen Abständen in der ersten Richtung eingewebt sind und ein erster und ein zweiter Leiter (13) in der zweiten Richtung als Elektroden eingewebt sind;
einem warmhärtbaren Kunstharz oder Kunststoff enthalten­ den Bindematerial (14) zum Verbinden der Glasfasern (12), der Kohlefasern (11) und der Leiter (13); und
auf beiden Seiten des Heizelementkörpers (10) aufge­ brachte isolierende Kunstharz- oder Kunststoffolien (15, 16).

2. Bahnförmiges Heizelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es außerdem Einschnitte (17A . . . D; 21A . . . D) aufweist, die dadurch gebildet sind, daß der erste und der zweite Leiter (13) des Heizelementkörpers (10) abwechselnd durchgeschnitten sind.

3. Bahnförmiges Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß es außerdem gewebte Abdeckbahnen (31, 32) aufweist, zu deren Herstellung Glasfasern gewebt und mit warmhärtbarem Harz imprägniert sind, und die von beiden Seiten in unmittelbaren Kontakt mit den isolierenden Kunstharz- oder Kunststoffolien (15, 16) gebracht ist.

4. Bahnförmiges Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Durchgangslö­ cher (41) aufweist, die außerhalb der Leiter angeordnet sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines bahnförmigen Heizele­ mentes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiter mit den Glasfasern und den Kohlefa­ sern beim Weben der Glas- und Kohlefasern verwebt werden.

6. Verfahren zum Herstellen eines bahnförmigen Heizele­ mentes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem elektrische Schaltkreisabschnitte dadurch geschaffen werden, daß der erste und der zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durchgeschnitten werden; und
daß der Heizelementkörper auf vorgegebene Abmessungen zugeschnitten wird.