EP1730995A2 - Flächenheizelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Flächenheizelement und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number
EP1730995A2
EP1730995A2 EP04819560A EP04819560A EP1730995A2 EP 1730995 A2 EP1730995 A2 EP 1730995A2 EP 04819560 A EP04819560 A EP 04819560A EP 04819560 A EP04819560 A EP 04819560A EP 1730995 A2 EP1730995 A2 EP 1730995A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insulating layer
heating element
heat
carrier material
electrical conductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04819560A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Haider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Strasser Optima Steinbau GmbH
Original Assignee
Strasser Optima Steinbau GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Strasser Optima Steinbau GmbH filed Critical Strasser Optima Steinbau GmbH
Publication of EP1730995A2 publication Critical patent/EP1730995A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for manufacturing resistors with envelope or housing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/28—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material
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    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
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    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings
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    • H05B2203/017—Manufacturing methods or apparatus for heaters

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a surface heating element as a resistance heater in a multilayer structure, which converts electrical energy supplied into heat energy and emits it to a carrier material, the carrier material having a flat, curved or a multidimensionally shaped surface.
  • No. 4,203,198 A describes the production of a surface heating element in which a thin metal foil is embedded between two layers of glass fiber mats and the entire sandwich arrangement is fixed with a temperature-resistant binder.
  • the binder contains colloidally bound silicon particles.
  • the glass fiber layers serve as a base, top and insulation layer, and the metal foil forms the resistance heating element.
  • DE 21 51 626 A calls a method for producing a rigid, heatable surface heating element, which consists of a thin, heat-resistant, rigid, heat-emitting layer, which has an electrically conductive film with corresponding electrical connections and a thicker, electrically insulating one , rigid layer is connected.
  • an aqueous plastic dispersion which contains electrically conductive particles such as noble metals, carbon, soot or graphite and additionally potassium or sodium silicate is applied to the thin, heat-emitting layer.
  • a thicker, heat-insulating layer of rigid polyurethane foam is applied by the foam-forming reaction mixture coming into direct contact with the electrically conductive film.
  • DE 196 38 640 A discloses a method for producing surface heating elements for ceramic hobs.
  • the heating conductor is separated from a metal foil, for example by punching out or etching out.
  • This film is suspended in the distance between the insulation base plate and the ceramic hob, whereby the effects of thermal expansion, which occur at temperatures of up to 1200 C, can be compensated for by sagging in the air space.
  • DE 100 25 539 A also uses a heating foil with a heating conductor pattern. However, a ceramic-filled polymer layer is arranged between the heating foil and the surface to be heated. The polymer layer connected to the heating foil is pressed with an insulating molded body against the surface to be heated or glued to this surface.
  • the ceramic-filled polymer layer has a very low heat transfer resistance combined with a high electrical insulation capacity.
  • the polymer layer is stable up to about 150 ° C.
  • This heating surface is preferably attached to the outside of a water-filled container. Due to the good heat-conducting connection with the surface to be heated, the heating device remains at comparatively low temperatures.
  • DE 27 19 174 A describes a method for producing a heatable exterior mirror for motor vehicles, in which a resistance layer made of carbon synthetic resin is printed on an insulating layer and is covered with a further insulating layer made of epoxy resin or silicone rubber. The layers are printed, sprayed or spread using the screen printing process.
  • the power supply electrodes consist of a solderable conductive paste.
  • the use of carbon-conductive varnishes and the printing using the screen printing process is known.
  • Conductors made of carbon conductive varnish are applied to plastic foils, such as polyimide foils. Such conductor track films can be connected to the component to be heated by gluing.
  • DE 35 25 488 A describes a heating device for keeping the surface reflector of an antenna free of ice, the use of graphite lacquer as a heating conductor, which is applied using a printing process or by spraying on using a template, being described.
  • the heating power is around 200 to 400 W / m 2 .
  • this area performance is not sufficient for applications as a warming area or for tempering or heating a container, since heating powers of 0.1 to 30 W / cm 2 are required here.
  • heating devices that are operated with electric current. Depending on the temperature level in the application area, they can be differentiated into high-temperature and low-temperature applications. High temperature resistant materials are required for high temperature applications, which affect temperatures of over 300 ° C. These devices can be used for air heating, for steam generation, for toasters, soldering devices, ironing machines and the like.
  • the low-temperature heating elements are used in the area of surface temperature control, such as hot plates, thawing devices systems, aquarium heaters, mirror and glass heaters, warming devices for gaseous and liquid media and the like.
  • an insulation layer is usually arranged between this surface and the heating element.
  • This can consist of enamel, a plasma layer, metal oxide, metal nitrite, insulating adhesive or a plastic layer, such as a plastic film.
  • Low-temperature elements such as those used for warming plates, are preferably made from heatable ceramics, from plastic films coated with resistance materials, or from thick-film elements with coatings which are applied by screen printing or by a spraying process.
  • Heated ceramics have the disadvantage that the mechanical strength is generally very low, but their production is complex and therefore costly.
  • Resistance heating elements which are produced by etching from a metal foil and then gluing onto a plastic foil or by printing a conductive material onto a plastic foil, have the major disadvantage that bubble-free gluing of the heating element produced in this way is necessary with the carrier. As soon as there are glueing errors or peeling or blistering due to aging, gas-filled areas with poor heat transfer occur and subsequently lead to an overload of the heating element at neighboring points. If a critical value is exceeded, there is an interruption in the conductor and the heating element fails completely.
  • Heating elements that are manufactured in thick-film technology and in which the dielectric is produced by spraying or by a printing process have the advantage of a direct and permanent connection to the carrier surface, but they usually require firing temperatures above 300 ° C.
  • the carrier surface in addition to the sintering process of the thick-film pastes, the carrier surface also changes optically. These elements therefore require additional surface treatments such as grinding and polishing.
  • Another disadvantage is that printing is not possible on most plastics and in some cases on aluminum and other non-ferrous metals.
  • the present invention therefore has as its object a method for producing a heating element with printed or sprayed on To create a dielectric with which a permanent, reliable heating element can be produced on a carrier substance, with which there can be no overheating problems which impair the life of the heating element due to the formation of bubbles, whereby only temperatures below 300 ° C are used in the production process. Furthermore, the application of the heating element to any carrier substance should be made possible and no post-processing such as grinding or polishing should be required.
  • the heat-generating electrical conductor is applied to the carrier material to be heated by means of a screen printing process and is dried, the electrical conductor is then covered with an insulating layer on a plastic basis by means of a screen printing process or by spraying or rolling, and the insulating layer is added Temperatures of up to 300 ° C are dried and cured.
  • a conductive paste with a defined resistance value is applied to this insulating layer. It is particularly advantageous here to apply carbon-conductive lacquers which have a specific resistance in the range from 1 to 1000 ohms / area unit and are temperature-resistant and resistant to resistance in the required temperature range.
  • the printed surface consists of a full-surface design or a sequence of individual conductor tracks, which can consist, for example, of a meandering or spiral shape, but also of alternately thick and thinner conductor tracks.
  • the individual pastes are cured at a maximum temperature of 300 ° C. This limitation of the curing temperature does not result in any visible changes in the metallic carrier substance.
  • the same insulating lacquers can be used for the final protective covering of the heating element, as a result of which a complete enclosure of the electrically conductive structure is achieved.
  • the electrical connection can be made, for example, using plug-in tabs that are glued directly onto the electrically conductive heating element with conductive adhesive.
  • Another possibility is, for example, the application of conductive lacquers based on silver or copper or other solderable metals in the area of the connection points.
  • Another option is to attach pegs or strands to the heating element using suitable soldering or welding processes.
  • An alternative possibility is the use of specially designed surface pressure contacts with a surface that is good electrical conductivity and thus ensures safe current transfer.
  • the direct application of the temperature-resistant insulation layer to the metallic carrier and the use of electrical resistance pastes such as carbon conductive varnishes allow short-term power densities of up to 30 W / cm 2 with sufficient energy dissipation.
  • electrically insulating materials such as plastics, metal oxides and metal nitrites can also be printed. Due to the self-insulating property of the carrier material, there is no need to apply a basic insulation layer.
  • a carbon conductive lacquer preferred for the method according to the invention consists of coal dust and graphite with grain sizes between 5 and 7 ⁇ m.
  • the solids content is preferably 67% and the specific weight 1.15. It is a one- or two-component, thermosetting resin mixture.
  • the surface heating element produced by the method according to the invention can be used for voltages up to 400V AC or 600V DC be used.
  • the preferred area of application is 12 to 24 V DC or AC, and 230 to 400 V AC.
  • geometrically shaped carrier materials of any shape can be used, which in turn can consist of any material.
  • electrically conductive carrier materials for example made of aluminum, copper or steel, can be used, as well as those made of non-conductive material, such as plastic, metal oxide, metal nitrite, or also electrically conductive carriers, onto which an electrically insulating coating, for example, is made in a previous manufacturing step Enamel or glass was applied.
  • Another advantage is that there can be no detachment of the heat-generating electrical conductor and thus no overheating problems which affect the life of the heating element due to the formation of bubbles. Furthermore, due to the low process temperatures in the manufacturing process, no post-processing such as grinding or polishing is required.
  • the outer insulating and covering layer can also be omitted under certain circumstances, without this endangering the durability of the electrically conductive layer.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention in section.
  • Fig. 4 shows the variant of Fig. 3 in an axonometric view.
  • Fig. 1 a carrier material 1, on which an insulating layer 2, two adjacent conductor tracks 3 and a covering insulating layer 4 are applied in successive process steps.
  • FIG. 2 shows a carrier material 1, on which an insulating layer 2, two adjacent conductor tracks 3, a further insulating layer 5, a full-surface conductor 6 and a covering insulating layer 4 are applied in successive process steps.
  • FIG. 3 shows a top view of a surface heating element according to the invention, the conductor tracks 3 covered by the insulating layer 4 being indicated by broken lines. Contact surfaces 7 are left free for the electrical connection when the insulating layer 4 is applied.
  • FIG. 4 shows the surface heating element from FIG. 3 in an oblique view, current connections 8 being recognizable on the contact surfaces 7.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelementes als Widerstandsheizung in einem mehrschichtigen Aufbau, welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial abgibt und wobei das Trägermaterial eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen und getrocknet wird, das der elektrische Leiter anschließend mit einer Isolierschicht auf Kunststoffbasis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen abgedeckt wird und das die Isolierschicht bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wird. Weiters betrifft die Erfindung ein so herstellbares Flächenheizelement.

Description

Flächenheizelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelementes als Widerstandsheizung in einem mehrschichtigen Aufbau, welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial abgibt und wobei das Trägermaterial eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche aufweist.
Aus der Literatur sind mehrere Verfahren zur Herstellung von Flächenheizelementen bekannt. So beschreibt die US 4,203,198 A die Herstellung eines Flächenheizelementes, bei dem eine dünne Metallfolie zwischen zwei Lagen von Glasfasermatten eingebettet ist und die gesamte Sandwich-Anordnung mit einem temperaturbeständigen Bindemittel fixiert wird. Das Bindemittel enthält kolloidal eingebundene Siliziumteilchen, Die Glasfaserlagen dienen dabei als Grundfläche, als Deckfläche und als Isolationsschicht, die Metallfolie bildet das Widerstandsheizelement.
Die DE 21 51 626 A nennt ein Verfahren zur Herstellung eines starren, aufheizbaren Flächenheizelementes, welches aus einer dünnen, wärmebeständigen, starren, die Wärme abgebenden Schicht besteht, die über einen elektrisch leitenden Film mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen verfügt und mit einer dickeren, elektrisch isolierenden, starren Schicht verbunden ist. Zur Bildung des elektrisch leitfähigen Films, wird auf die dünne, die Wärme abgebende Schicht eine wässrige Kunststoffdispersion aufgebracht, welche elektrisch leitende Partikelchen, wie Edelmetalle, Kohlenstoff, Ruß oder Graphit und zusätzlich Kaliumoder Natriumsilikat enthält. Nach der Trocknung der wässrigen Dispersion bei Temperaturen von etwa 90 °C wird eine dickere, wärmeisolierende Schicht aus Polyurethan -Hartschaum aufgebracht, indem das schaumbildende Reaktionsgemisch direkt mit dem elektrisch leitenden Film in Kontakt tritt.
Aus der DE 196 38 640 A geht ein Verfahren zur Herstellung von Flächenheizelementen für Cerankochfelder hervor. Dabei wird aus einer Metallfolie der Heizleiter herausgetrennt, beispielsweise durch Ausstanzen oder Ausätzen. Diese Folie wird im Abstand zwischen der Isolationsgrundplatte und dem Ceranfeld aufgehängt, wobei Temperaturdehnungseffekte, welche bei Temperaturen von bis zu 1200 C auftreten, durch Durchhängen im Luftraum ausgeglichen werden können. Ebenfalls eine Heizfolie mit einem Heizleiterbahnmuster verwendet die DE 100 25 539 A. Hierbei wird jedoch zwischen der Heizfolie und der zu erhitzenden Fläche eine keramikgefüllte Polymerschicht angeordnet. Die mit der Heizfolie verbundene Polymerschicht wird mit einem Isolationsformkörper gegen die zu beheizende Fläche gedrückt oder mit dieser Fläche verklebt. Die keramikgefüllte Polymerschicht besitzt einen sehr kleinen Wärmeübergangswiderstand, verbunden mit einer hohen elektrischen Isolationsfähigkeit. Die Polymerschicht ist bis etwa 150 °C stabil. Diese Heizfläche wird bevorzugt außen an einem wasserbefüllten Behälter angebracht. Durch die gut wärmeleitende Verbindung mit der zu beheizenden Fläche bleibt die Heizeinrichtung auf vergleichsweise niedrigen Temperaturen.
In der DE 27 19 174 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines beheizbaren Außenspiegels für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei dem eine Widerstandsschicht aus Kohle-Kunstharz auf eine Isolierschicht aufgedruckt wird und mit einer weiteren Isolierschicht aus Epoxidharz oder Silikonkautschuk abgedeckt wird. Die Schichten werden im Siebdruckverfahren aufgedruckt, aufgespritzt oder aufgestrichen. Die Stromzuführungselektroden bestehen aus einer lötbaren Leitpaste. Darüber hinaus ist die Verwendung von Carbon-Leitlacken und die Bedruckung mit Hilfe des Siebdruckverfahrens bekannt. Dabei werden Leiter aus Carbon- Leitlack auf Kunststofffolien, etwa Polyimidfolien aufgetragen. Derartige Leiterbahnfolien können durch Verkleben mit dem zu beheizenden Bauteil verbunden werden.
Weiters beschreibt die DE 35 25 488 A eine Heizeinrichtung für die Eisfreihaltung des Flächenreflektors einer Antenne, wobei die Verwendung von Graphitlack als Heizleiter, welche mit einem Druckverfahren oder durch Aufspritzen mittels einer Schablone aufgebracht werden, beschrieben wird. Die Heizleistung liegt hier bei etwa 200 bis 400 W/m2. Diese Flächenleistung reicht jedoch für Anwendungen als Warmhaltefläche, sowie zum Temperieren oder Beheizen eines Behälters nicht aus, da hier Heizleistungen von 0,1 bis 30 W/cm2 benötigt werden.
Ferner sind noch zahlreiche Publikationen über Heizungseinrichtungen bekannt, die mit elektrischem Strom betrieben werden. Sie lassen sich je nach Temperaturniveau im Anwendungsbereich in Hochtemperatur- und in Niedertemperaturanwendungen unterschieden. Für Hochtemperaturanwendungen, welche Temperaturen von über 300 °C betrifft, sind sehr temperaturbeständige Werkstoffe erforderlich. Diese Vorrichtungen können für die Lufterhitzung, für die Dampferzeugung, für Toaster, Löteinrichtungen, Bügelmaschinen und dergleichen verwendet werden. Bei den Niedrigtemperaturheizelementen finden sich Anwendungen im Bereich der Flächentemperierung, wie Warmhalteplatten, Auftaueinrich- tungen, Aquariumsheizungen, Spiegel- und Glasheizungen, Warmhalteeinrichtungen für gasförmige und flüssige Medien und ähnliche.
Sofern die zu erhitzende Fläche metallisch ist, ist zwischen dieser Fläche und dem Heizungselement üblicherweise eine Isolationsschicht angeordnet. Diese kann aus Email, aus einer Plasmaschicht, aus Metalloxid, aus Metallnitrit, aus isolierendem Klebstoff oder aus einer Kunststoffschicht, etwa einer Kunststofffolie bestehen.
Niedrigtemperaturelemente, wie sie beispielsweise für Warmhalteplatten verwendet werden, sind bevorzugt aus heizbaren Keramiken, aus mit Widerstandsmaterialien beschichteten Kunststofffolien, oder aus Dickschichtelementen mit Beschichtungen, die im Siebdruckverfahren oder durch einen Sprühprozess aufgebracht werden, hergestellt.
Heizbare Keramiken weisen den Nachteil auf, dass die mechanische Belastbarkeit im allgemeinen sehr gering, dafür aber ihre Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv ist. Widerstandsheizungselemente, welche durch Ätzen aus einer Metallfolie und anschließendem kleben auf eine Kunststofffolie oder durch Aufdrucken eines leitfähigen Materials auf eine Kunststofffolie hergestellt werden, haben den großen Nachteil, dass eine blasenfreie Verklebung des solcherart hergestellten Heizelementes mit dem Träger erforderlich ist. Sobald Verklebungs- fehler vorhanden sind oder es zu alterungsbedingten Ablösungen oder Blasenbildungen kommt, entstehen gasgefüllte Bereiche mit schlechter Wärmeübertragung und führen in weiterer Folge zu einer Überlastung des Heizelementes an benachbarten Stellen. Bei Überschreitung eines kritischen Wertes kommt es hier zu einer Unterbrechung im Stromleiter und das Heizelement fällt zur Gänze aus.
Heizungselemente, die in Dickschichttechnik hergestellt werden und bei denen das Dielektrikum in Sprühtechnik oder durch einen Druckprozess hergestellt wird, haben zwar den Vorteil der direkten und dauerhaften Verbindung mit der Trägeroberfläche, sie erfordern aber üblicherweise Brenntemperaturen über 300 °C. Dies hat zur Folge, dass sich neben dem Sinterprozess der Dickschichtpasten auch die Trägeroberfläche optisch verändert. Bei diesen Elementen sind daher zusätzliche Oberflächenbehandlungen, wie Schleifen und Polieren erforderlich. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass auf den meisten Kunststoffen und in einigen Fällen auch auf Aluminium und anderen Nichteisenmetallen ein Bedrucken nicht möglich ist.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Heizungselementes mit aufgedrucktem oder aufgesprühtem Dielektrikum zu schaffen, mit dem ein dauerhaftes, zuverlässiges Heizungselement auf einer Trägersubstanz hergestellt werden kann, bei dem es zu keinen die Lebensdauer des Heizelementes beeinträchtigenden Überhitzungsproblemen durch Blasenbildung kommen kann, wobei im Herstellungsverfahren nur Temperaturen unterhalb von 300 °C zur Anwendung kommen. Weiters soll der Auftrag des Heizungselementes auf beliebigen Trägersubstanzen ermöglicht werden und keine Nachbearbeitung, wie schleifen oder polieren erforderlich sein.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen und getrocknet wird, das der elektrische Leiter anschließend mit einer Isolierschicht auf Kunststoff basis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen abgedeckt wird und das die Isolierschicht bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wird.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung eines Isolationslackes oder eines im Bereich der Isolation von elektrischen Bauteilen, wie Wicklungen, Kondensatoren, elektrischen Vergussmassen, welche durch Sprühtechniken oder durch Drucktechniken wie Siebdruck oder Tampondruck aufgebracht werden, verwendeten Lackes lassen sich die für eine Widerstandsschicht erforderlichen Isolationsschichten herstellen. Als besonders vorteilhaft hat sich hier die Verwendung von aushärtbaren Lötstopplacken mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu 300 °C erwiesen. Durch die blasenfreie bzw. blasenarme Aufbringung auf dem metallischen Träger lassen sich die für die jeweiligen Heizspannungen erforderlichen Isolationsfestigkeiten durch Einfach- oder Mehrfachdruck oder durch Auftrag mittels Sprühtechnik erzielen.
Auf diese Isolierschicht wird eine leitfähige Paste mit einem definierten Widerstandswert aufgetragen. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Auftragung von Carbonleitlacken, die einen spezifischen Widerstand im Bereich von 1 bis 1000 Ohm/Flächeneinheit haben, sowie temperaturbeständig und widerstandsstabil im benötigten Temperaturbereich sind.
Entsprechend der erforderlichen beheizten Flächen und dem daraus resultierenden Leistungs- und Widerstandswert besteht die bedruckte Fläche aus einer vollflächigen Ausbildung oder einer Aneinanderreihung von einzelnen Leiterbahnzügen, welche beispielsweise mäanderförmig oder spiralförmig, aber auch aus abwechselnd dicken und dünneren Leiterbahnen bestehen kann. Der konkreten Ausgestaltung sind hier keine Grenzen gesetzt. Die Aushärtung der einzelnen Pasten erfolgt hierbei bei Temperaturen von maximal 300 °C. Durch diese Beschränkung der Aushärtungstemperatur kommt es zu keinen sichtbaren Veränderungen der metallischen Trägersubstanz.
Für die abschließende Schutzbedeckung des Heizungselementes können dieselben Isolationslacke verwendet werden, wodurch eine vollständige Umschließung der elektrisch leitenden Struktur erzielt wird.
In dieser Schutzbedeckung werden jene Bereiche freigehalten, an denen später die Stromanschlüsse erfolgen sollen. Der elektrische Anschluss kann beispielsweise über Steckfahnen erfolgen, die direkt auf das elektrisch leitende Heizelement mit Leitkleber aufgeklebt sind. Eine andere Möglichkeit ist beispielsweise die Aufbringung von Leitlacken auf Silber- oder Kupferbasis oder anderen lötbaren Metallen im Bereich der Anschlussstellen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Befestigung von Steckfahnen oder Litzen am Heizungselement durch geeignete Löt- oder Schweißprozesse. Eine alternative Möglichkeit stellt die Verwendung von eigens ausgebildeten Flächendruckkontakten mit einer elektrisch gut leitenden und damit einen sicheren Stromübergang gewährleistenden Oberfläche dar.
Für die Regelung der Heizleistung sind aus dem Stand der Technik bekannte NTC und PTC Elemente, Pastenaufdrucke oder Anschlussleitungen, wie auch mechanische Thermostate oder elektronische Regelungen möglich.
Durch die direkte Aufbringung der temperaturbeständigen Isolationsschicht auf den metallischen Träger und die Verwendung von elektrischen Widerstandspasten wie etwa Carbonleitlacke, sind kurzzeitige Leistungsdichten bis zu 30 W/cm2 bei ausreichender Energieabfuhr möglich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können aber auch elektrisch isolierende Materialien, wie Kunststoffe, Metalloxide und Metallnitrite bedruckt werden. Hierbei entfällt aufgrund der selbstisolierenden Eigenschaft des Trägermaterials die Notwendigkeit der Aufbringung einer Grundisolationsschicht.
Ein für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugter Carbonleitlack besteht aus Kohlenstaub und Graphit mit Korngrößen zwischen 5 und 7 μm. Der Festkörperanteil liegt bevorzugt bei 67% und das spezifische Gewicht bei 1,15. Es handelt sich dabei um ein ein- oder zweikomponentiges, thermisch aushärtendes Harzgemisch.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Flächenheizelement kann für Spannungen bis 400V Wechselspannung oder 600V Gleichspannung verwendet werden. Der bevorzugte Einsatzbereich liegt jedoch bei 12 bis 24 V Gleichspannung oder Wechselspannung, sowie bei 230 bis 400 V Wechselspannung.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Flächenheizelementes liegen darin, dass beliebig geformte geometrische Trägermaterialien eingesetzt werden können, welche ihrerseits aus beliebigem Material bestehen können. So können sowohl elektrisch leitende Trägermaterialien, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl verwendet werden, als auch solche aus nichtleitendem Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder auch elektrisch leitende Träger, auf welche in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es zu keinem Ablösen des wärmeerzeugenden elektrischen Leiters und damit zu keinen die Lebensdauer des Heizelementes beeinträchtigenden Überhitzungsproblemen durch Blasenbildung kommen kann. Weiters sind aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen im Herstellungsverfahren keine Nachbearbeitungen, wie schleifen oder polieren erforderlich.
Bei Einhaltung der elektrischen Sicherheitsvorschriften hinsichtlich der Berührungsspannung kann unter Umständen auch die äußere Isolier- und Abdeck- schicht entfallen, ohne dass dadurch eine Gefahr für die Haltbarkeit der elektrisch leitenden Schicht auftritt.
Das Hauptanwendungsgebiet aus heutiger Sicht sind Anwendungen im Bereich bis etwa 100 °C und geringen Flächenbelastungen.
In der Folge wird die Erfindung durch die in den Fig. dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt;
Fig. 2 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt;
Fig. 3 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante; und
Fig. 4 die Ausführungsvariante von Fig. 3 in einer axonometrischen Darstellung.
Das erfindungsgemäße Flächenheizelement wird in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es ist jedoch ausdrücklich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Darin zeigt Fig . 1 ein Trägermaterial 1, auf welches eine Isolierschicht 2, zwei nebeneinander liegende Leiterbahnen 3 und eine abdeckende Isolierschicht 4 in aufeinander folgenden Verfahrensschritten aufgebracht sind.
Fig. 2 zeigt ein Trägermaterial 1, auf welches eine Isolierschicht 2, zwei nebeneinander liegende Leiterbahnen 3, eine weitere Isolationsschicht 5, ein vollflächiger Leiter 6 und eine abdeckende Isolierschicht 4 in aufeinander folgenden Verfahrensschritten aufgebracht sind.
In Fig. 3 ist eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Flächenheizelement abgebildet, wobei die durch die Isolierschicht 4 verdeckten Leiterbahnen 3 mit durchbrochenen Linien angedeutet sind. Für den elektrischen Anschluss werden Kontaktflächen 7 beim Aufbringen der Isolierschicht 4 frei gelassen.
Fig. 4 zeigt das Flächenheizelement aus Fig. 3 in Schrägansicht, wobei auf den Kontaktflächen 7 Stromanschlüsse 8 erkennbar sind.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Flächenheizelementes als Widerstandsheizung in einem mehrschichtigen Aufbau, welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial abgibt und wobei das Trägermaterial eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen und getrocknet wird, das der elektrische Leiter anschließend mit einer Isolierschicht auf Kunststoff basis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen abgedeckt wird und das die Isolierschicht bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder aus einem elektrisch leitenden Träger besteht, auf welchen in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial selbst aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Stahl besteht und dass vor der Aufbringung des wärmeerzeugenden elektrischen Leiters eine Isolierschicht auf Kunststoff basis auf das Trägermaterial aufgebracht und bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wird, und anschließend der wärmeerzeugende elektrische Leiter aufgetragen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als wärmeerzeugender elektrischer Leiter eine leitfähige Paste aus einem Carbonleitlack verwendet wird, welche einen Festkörpergehalt von mehr als 60% aufweist und neben Kohlenstaub auch Graphit mit einer Korngröße von bevorzugt 5 bis 7 μm enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierschicht ein Lötstopplack oder ein Elektroisolationslack oder ein Tränklack für elektrische und/oder elektronische Bauelemente verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter vollflächig ausgebildet oder als Leiterbahnstruktur beliebiger Geometrie ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Trägermaterial mehrere Schichten wärmeerzeugender elektrischer Leiter aufgetragen werden, welche durch Isolierschichten voneinander getrennt sind, wobei nach jedem Auftrag einer Isolierschicht eine Trocknungsstufe bei Temperaturen von maximal 300 °C folgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonleitlack einen spezifischen Flächenwiderstand von 1 bis 1000 Ohm/Flächeneinheit aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Paste im Siebdruckverfahren mit einer Dicke von etwa 10 bis 50 μm aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht im Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder Aufwalzen mit einer Dicke von etwa 20 bis 200 μm entsprechend der erforderlichen Prüfspannung aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche elektrisch leitende Schichten mit entsprechenden Isolationsschichten aufgetragen werden, die mit der Erdung oder einem Schirm zwecks Einhaltung der erforderlichen Sicherheitsvorschriften, der Verbesserung des Potentialausgleiches oder der Beeinflussung des elektromagnetischen Verhaltens verbunden sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die für den elektrischen Anschluss vorgesehenen Kontaktstellen beim Auftrag der Isolierschicht freigehalten werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss durch Aufkleben von Steckfahnen oder anderen geeigneten Metallelektroden mit einem elektrisch leitenden Kleber oder in bekannter Art durch anlöten oder anschweißen von Steckfahnen oder Litzen erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss durch eigens ausgebildete Flächendruckkontakte mit einer elektrisch gut leitenden Oberfläche erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale spezifische Flächenbelastung bei 30 W/cm2 liegt.
16. Flächenheizelement als Widerstandsheizung in einem mehrschichtigen Aufbau, welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial (1) abgibt, das eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche aufweist, und einem wärmeerzeugenden elektrischen Leiter (3), dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeerzeugende elektrische Leiter (3) auf das zu erwärmende Trägermaterial (1) mittels Siebdruckverfahren aufgetragen und mit einer Isolierschicht (4, 5) auf Kunststoff basis abgedeckt ist und dass eine Isolationsschicht (2) zwischen einem metallischen Träger und dem Heizungselement aus einem Lötstopplack oder einem Elektroisolationslack oder Tränklack für elektrische und/oder elektronische Bauteile vorzugsweise in der Stärke von 20 bis 200 μm, und die Widerstandsheizung aus einem Carbonleitlack mit Festkörpergehalt von mehr als 60%, der neben Kohlenstaub auch Graphit mit einer bevorzugten Korngröße von 5 - 7 μm, einen spezifischen Flächenwiderstand von 1 - 1000 Ohm/Flächeneinheit und eine Dicke von 10 - 50 μm, besteht.
17. Verfahren zur Verwendung des Flächenheizelementes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenheizelement für Spannungen bis 400V Wechselspannung oder 600V Gleichspannung, bevorzugt für 12 bis 24 V Gleichspannung oder Wechselspannung, bzw. für 230 bis 400 V Wechselspannung eingesetzt wird.
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