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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturheizung
sowie eine solche Hochtemperaturheizung, bei der auf einem Trägermaterial
eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Schicht vorgesehen
ist.
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Solche
Hochtemperaturheizungen werden für Produkte der Weißen
Ware, beispielsweise als Heizung für einen Backofen, Toaster
oder auch Herdplatten bzw. Glaskeramikkochfelder, eingesetzt. Zur Aufheizung
dieser Gegenstände bis zu Temperaturen von > 400°C werden
bislang Heizstäbe eingesetzt, von denen aus eine Wärmestrahlung
erfolgte, um das angrenzende Trägermaterial aufzuheizen. Durch
den Einsatz solcher Heizstäbe kommt es zu einem inhomogenen
Aufwärmvorgang. Eine gezielte Fokussierung auf das Kochgut
oder das zu erwärmende Gut ist dadurch nicht gegeben. Des
Weiteren besteht zwischen den Heizdrähten und dem Trägermaterial
ein Luftpolster, welches sich negativ auf die Wärmeübertragung
auswirkt.
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Zur
Vermeidung eines inhomogenen Aufheizvorganges sind beispielsweise
Induktionskochfelder bekannt, bei denen die Wärme im Kochtopf durch
Wirbelströme direkt erzeugt wird. Dadurch wird zwar eine
homogene Aufheizung des Kochgutes erzielt, jedoch sind die Anschaffungskosten
aufwändig, und es werden spezielle Töpfe zum Erwärmen
des Kochgutes benötigt. Diese Hochtemperaturheizung lässt
sich jedoch nicht ohne Weiteres auf beliebige Produkte der Weißen
Ware übertragen.
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Aus
der
DE 10 2005
049 428 A1 ist ein plattenförmiges Heizelement
bekannt geworden, welches zur Raumklimatisierung von Wohnungen und Gebäuden
eingesetzt wird. Auf einer Verbundplatte ist eine Heizschicht aus
einem Kohlenstoff-Fasergemisch mit nicht leitenden Materialien bekannt
geworden, welche auf einer Gipskartonplatte oder eine rückseitig
mit einem Verbundbaustoff versehene Verbundplatte aufgebracht ist.
Zur Kontaktierung der Heizschicht sind streifenförmige
Kontaktelemente vorgesehen, so dass eine flächige Erwärmung
der Schicht auf Kohlenstofffaser-Gemisch ermöglicht wird.
Solche flächenförmige Heizungen ermöglichen aufgrund
deren Ausgestaltung der Heizschicht lediglich Temperaturen in einem
Bereich von < 50°C
und eignen sich nicht für den Einsatz der Weißen
Ware. Darüber hinaus ist das Aufbringen von solchen Fasergemischen
oder Fasergeweben sehr kostenintensiv.
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Analoges
gilt beispielsweise für die aus der
DE 20 2005 013 822 bekannt gewordenen
flächenförmigen Heizelemente, welche analog zum
Heizungselement zur Raumklimatisierung aufgebaut sind. Solche Verbundsysteme
mit einer papierähnlichen Faserstruktur sind in der Herstellung
aufwändig und kostenintensiv. Darüber hinaus ist
die Anpassung an beliebige Geometrien und ein leichtes Aufbringen
erschwert.
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Aus
der
DE 100 01 330
A1 ist eine Elektrokochplatte mit mindestens einer Kochzone
bekannt geworden, welche als Trägermaterial Glaskeramik, Glas
oder Keramik einsetzt. An deren Unterseite ist zum Beheizen der
Kochzonen eine elektrische Isolierschicht vorgesehen sowie eine thermisch
isolierende Abdeckschicht, wobei dazwischen liegend ein Heizwiderstandsmaterial
vorgesehen ist. Das Heizwiderstandsmaterial besteht aus elektrisch
leitfähigem Kohlenstoff, Graphitteilchen oder Kohlenstofffasern,
die mit Elektroden kontaktiert sind. Das Heizwiderstandselement
kann mit einem Bindemittel aus hitzebeständigen organischen
oder anorganischen Stoffen vermischt sein. Die darauf aufgebrachte zweite
thermisch isolierende Abdeckschicht schließt luftdicht
gegenüber der Atmosphäre des Heizwiderstandselementes
ab, wobei die Abdeckschicht aus hitzebeständigem Glas oder
einer Emailschicht besteht. Der Zusammenbau des Kochplattenkörpers
erfolgt durch elektrochemisches Verbinden der aufeinander liegenden
Schichten, wobei vorgesehen ist, dass das Heizwiderstandselement
durch Aufheizen auf eine Temperatur über 400°C
gebracht wird und zusätzlich eine elektrische Spannung
von mehr als 400 V an den Kochplattenkörper und das Heizwiderstandselement
angelegt wird.
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Dieser
Schichtaufbau der Kochzone weist den Nachteil auf, dass eine aufwendige
Darstellung der Haftungseigenschaften durch hohe Spannungen gegeben
ist und keine freie Wahl der Kontaktierungsmethode ermöglicht
ist, da die Kontaktierung direkt an der leitfähigen Schicht
sein muss.
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Aus
der
DE 103 36 920
A1 geht des Weiteren eine Elektrobratofenplatte zum Heizen
vor, welche auf einen Aufbau der Elektrokochplatte gemäß der
DE 100 01 330 A1 Bezug
nimmt, wobei dieser Aufbau für Elektroback-, Gar- oder
Elektrobratöfen eingesetzt werden sollen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
einer Hochtemperaturheizung sowie eine Hochtemperaturheizung vorzuschlagen,
bei welchem ein Heizelement in einfacher Weise als dünne
Schicht ganzflächig aufgebracht werden kann und eine homogene
Wärmeübertragung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine erste
Alternative des Verfahrens zur Herstellung der Hochtemperaturheizung
gelöst, bei der zur Herstellung eines Heizelementes auf
dem Trägermaterial eine erste elektrisch leitfähige
Schicht aufgebracht wird, welche aus einem fließfähigen,
nicht elektrisch leitfähigen Grundmaterial und darin dispergierten Carbon-Nanotubes
gebildet wird, dass auf diese erste Schicht eine zweite Schutzschicht
mit einem Bindemittel aufgebracht wird, welche durch das Aufbringen
auf die erste Schicht in diese zumindest teilweise penetriert und
dass die erste Schicht oder Schutzschicht mit streifenförmigen
Kontaktelementen kontaktiert werden und dass die auf dem Trägermaterial aufgebrachte
erste Schicht und Schutzschicht erhitzt werden.
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Des
Weiteren wird die Aufgabe durch eine zweite Alternative des Verfahrens
zur Herstellung der Hochtemperaturheizung gelöst, bei dem
eine Funktionsschicht mit darin dispergierten Carbon-Nanotubes und
einem Bindemittel auf das Trägermaterial aufgebracht wird
und dass die Funktionsschicht mit streifenförmigen Kontaktelementen
kontaktiert werden und anschließend die auf dem Trägermaterial aufgebrachte
Funktionsschicht erhitzt wird.
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Beide
Verfahren ermöglichen, dass ein sehr dünnes Heizelement
hergestellt wird, welches sehr schnell aufgeheizt werden kann und
eine gleichmäßige Wärmeübertragung
auf das Trägermaterial ermöglicht. Durch den Wärmebehandlungsprozess nach
dem Auftragen der ersten Schicht und der Schutzschicht oder der
Funktionsschicht hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass
die als leitfähiges Material ausgewählten Carbon-Nanotubes
temperaturbeständig in der ersten Schicht und der Schutzschicht
oder der Funktionsschicht eingebracht werden können und
ein Verbrennen vermieden wird. Dadurch wird ein Heizelement bereitgestellt,
welches einen Betrieb von Temperaturen > 400°C ermöglicht sowie
eine entsprechende Thermoschockstabilität und eine mechanische
Haftung auf dem Trägermaterial. Durch die anschließende
Wärmebehandlung beziehungsweise durch das Erhitzen wird
bei der ersten Schicht und der Schutzschicht oder der Funktionsschicht
eine Komprimierung der Schichten erzielt. Dies weist den Vorteil
auf, dass solche Hochtemperaturheizelemente luft- beziehungsweise
sauerstoffdicht komprimiert werden. Dadurch kann auch die Temperaturstabilität
der eindispergierten Carbon-Nanotubes erzielt werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
die aufgebrachte erste Schicht und Schutzschicht oder die aufgebrachte
Funktionsschicht, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 300°C
bis 700°C erhitzt wird. Durch diese Temperaturbehandlung
erfolgt ein Sinterprozess der Schichten. Dadurch kann insbesondere
eine Komprimierung der Schichten bzw. der Funktionsschicht erfolgen.
Dies weist den Vorteil auf, dass solche Hochtemperaturheizungen
durch den Sinterprozess luftsauerstoffdicht komprimiert werden und somit
für einen Betrieb bei Temperaturen von > 400°C geeignet und beständig
sind.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die auf dem Trägermaterial aufgebrachte erste elektrisch leitfähige
Schicht und Schutzschicht oder die Funktionsschichten nur durch
Anlegen einer Spannung an den streifenförmigen Kontaktelementen
erhitzt wird. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Hochtemperaturheizung
von innen heraus aufgeheizt wird. Dies ermöglicht beispielsweise,
dass zunächst organisches Material der ersten elektrisch
leitfähigen Schicht ausdiffundiert oder durch die bereits
aufgebrachte Schutzschicht hindurch diffundieren kann. Diese von
innen heraus erfolgende Aufheizung weist den Vorteil auf, dass mechanische
Spannungen in der ersten elektrisch leitfähigen Schicht
nicht entstehen. Somit kann diese Erwärmung zur Stabilität
der Schicht beitragen. Alternativ ist vorgesehen, dass die Hochtemperaturheizung
mit ihrem Trägermaterial nur auf eine Herdplatte oder externe
Heizquelle aufgebracht wird, so dass die dadurch entstehende Wärme von
unten nach oben steigt sowie zunächst die elektrisch leitfähige
Schicht und erst daran anschließend die weitere Schutzschicht
erwärmt wird. Dadurch kann ein analoger Effekt wie bei
der unmittelbaren Aufheizung des Heizelementes durch die Kontaktelemente
gegeben sein.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die erste
Schicht nach dem Aufbringen getrocknet und anschließend
die Schutzschicht aufgebracht wird. Dieser Trocknungsvorgang weist
den Vorteil auf, dass die erste Schicht zumindest geringfügig
komprimiert wird, insbesondere wasserlösliche Bestandteile
ausdampfen können, bevor die weitere Schutzschicht aufgetragen
wird. Dadurch kann ein dünner Aufbau des Heizungselementes
begünstigt werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die erste Schicht und getrennt davon die Schutzschicht oder die
Funktionsschicht durch ein Sprühverfahren durch Aufrakeln
oder ein Druckverfahren aufgebracht werden. Beispielsweise kann
ein Siebdruckverfahren vorgesehen sein, durch welches die insbesondere pastöse
erste Schicht in einfacher Weise auf das Trägermaterial
aufgebracht wird. Anschließend kann in gleicher Weise die
ebenfalls bevorzugt pastös ausgebildete zweite Schutzschicht
aufgetragen werden. Somit können bekannte Technologien
für die Herstellung von Hochtemperaturheizelementen eingesetzt werden.
Analoges gilt für das Aufbringen der Funktionsschicht auf
das Trägermaterial. Alternativ kann ein Spritzverfahren
bzw. ein Sprühverfahren vorgesehen sein, um die erste und
zweite Schicht oder die Funktionsschicht das Trägermaterial
aufzubringen. Hier kann ein sogenanntes Spraycoating, ein Dipcoating,
also eine Tauchbeschichtung oder ein Spincoating realisiert werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass
die erste Schicht vollflächig oder in nebeneinander liegenden
Streifen aufgebracht wird, die Schutzschicht vollflächig
auf die erste Schicht aufgebracht wird und diese vollständig
zum Trägermaterial umhüllt, wobei insbesondere
vor oder nach dem Aufbringen der ersten Schicht streifenförmige
Kontaktelemente aufgebracht werden. Dadurch wird die erste Schicht
als elektrisch leitfähige Schicht mit den streifenförmigen
Kontaktelementen verbunden und anschließend eine elektrische
Isolierung durch die Schutzschicht mit Ausnahme von Anschlussstellen
an den streifenförmigen Kontaktelementen ermöglicht.
Durch die vollständige Umhüllung der ersten elektrisch
leitfähigen Schicht durch die Schutzschicht wird des Weiteren
ermöglicht, dass für die Herstellung der ersten
elektrisch leitfähigen Schicht wasserlösliche
Materialien als Basis für eine Dispersion eingesetzt werden
können. Diese weisen wiederum den Vorteil auf, dass eine
Verarbeitung ohne den Einsatz von Lösungsmitteln möglich
und somit gesundheitlich unbedenklich ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass
vor dem Aufbringen der ersten Schicht oder der Funktionsschicht
auf das Trägermaterial im Erwärmungsbereich eine
elektrisch isolierende Schicht auf das Trägermaterial aufgebracht
wird. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn das Trägermaterial
nicht aus einem dielektrischen Material, sondern aus einem elektrisch
leitfähigen oder schwach elektrisch leitfähigem
Material, hergestellt ist.
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Eine
bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass zur
Herstellung der ersten Schicht als elektrisch nicht leitfähiges
Grundmaterial eine wässrige Lösung, insbesondere
Wasser oder destilliertes Wasser, eingesetzt wird, welches vorzugsweise
einen Dispergenten, wie beispielsweise Gummi Arabicum umfasst. Dieser
ermöglicht ein einfaches Aufbringen, insbesondere als vollflächige
Schicht, ohne Lösungsmittel für die Herstellung
der Dispersion als auch für die Reinigung von Maschinen
einzusetzen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass
in das elektrisch nicht leitende Grundmaterial Füllstoffe
aus Carbon-Nanotubes und Graphit eingearbeitet und diese Paste dann verdruckt
werden kann. Der letzte Schritt beschreibt das Aufbringen der Schutzschicht
(TopCoat), welche vorzugsweise aus Ethylsilikat mit Graphit besteht.
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Dabei
können bevorzugt Single-, Double- oder Multiwalled-Nanotubes
eingesetzt werden. Insbesondere die Kombination von Graphit und
Carbon-Nanotubes weist den Vorteil auf, dass eine fließfähige
Dispersion für die erste Schicht zum vollflächigen
Aufbringen auf ein Trägermaterial erzielt wird.
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Zur
Herstellung der Schutzschicht wird bevorzugt ein Silikat, insbesondere
ein Ethylsilikat zur Bildung einer anorganischen Schicht vorgesehen. Diese
weist den Vorteil auf, dass insbesondere nach der Temperaturbehandlung
durch Erhitzen die Herstellung einer anorganischen Schicht erzielt
wird, welche im Einsatz robust und luftdicht ist und daher und darüber
hinaus einen Betrieb von Temperaturen > 400°C ermöglicht. Gleichzeitig
ist dadurch auch eine Thermoschockstabilität sowie eine
mechanische Haftung an dem Trägermaterial gegeben.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass in die Schutzschicht oder in die Funktionsschicht ein Füllmittel,
insbesondere Graphit, eindispergiert wird. Dies weist den Vorteil
auf, dass insbesondere bei der ersten alternativen Ausführungsform
des Verfahrens beim Einpenetrieren der Schutzschicht in die erste elektrisch
leitfähige Schicht das Füllstoffverhältnis
erhöht wird, wodurch sich auch die Leitfähigkeit
in der zweiten Schicht erhöht. Dadurch kann die Kontaktierung
zu beliebigen Zeitpunkten aufgebracht und an unterschiedlichen Orten
flexibel angebracht werden. Die Schutzschicht dient nicht nur zur
Isolierung gegen Luftsauerstoff, durch die Zugabe von Graphit, welchestemperaturstabiler
an Luft als die CNTs ist, wird ebenso nach der Penetration und der
daraus resultierenden Verschiebung der Gewichtsprozentanteile der
Füllstoffe eine Funktionsschicht zur effektiven Durchkontaktierung
gegeben. Insgesamt hat diese Schicht also drei Merkmale:
1)
Haftung durch Penetration; 2) Isolierung gegen Luftsauerstoff; 3)
leitfähige, CNT freie schicht zur Durchkontaktierung.
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Bei
der zweiten Ausführungsform des Verfahrens, bei der die
Funktionsschicht Carbon-Nanotubes und/oder Graphit enthält,
wird ein einfaches Aufbringen in einem Prozesschritt, wie beispielsweise
in einem Druckvorgang, eine gute Haftung erzielt. Es können
bevorzugt Elemente auch für höhere Spannungen
hergestellt werden.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass in die erste Schicht ein
Haftmittel, insbesondere Gummi Arabicum eindispergiert wird. Dadurch
kann eine Haftvermittlung zwischen der ersten Schicht und einem
Trägermaterial verbessert werden. Das Gummi Arabicum dient
vor dem Aufbringen der Schutzschicht (TopCoat) als Haftvermittler.
Dadurch ist garantiert, dass beim Aufdrucken der Schutzschicht (TopCoat)
dieses nicht die erste Schicht (PreCoat) zerstört.
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Während
dem Einbrand der Schichten wird das Gummi Arabicum ausgebrannt.
Bevor sich die Schutzschicht gasdicht ausbildet, diffundieren die flüchtigen
Bestandteile des Gummi Arabicum aus. Alternativ zum Gumnmi Arabicum
sind auch ebenso andere Tenside wie SDS oder Triton denkbar.
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Die
Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß durch
ein Heizelement gelöst, bei dem auf dem Trägermaterial
eine erste elektrisch leitfähige Schicht bestehend aus
einem nicht leitfähigen Grundmaterial und einem darin dispergierten
Carbon-Nanotubes und eine Schutzschicht vorgesehen sind, welche
in die erste Schicht zumindest teilweise penetriert ist und die
erste Schicht überdeckt oder dass eine Funktionsschicht
mit Carbon-Nanotubes aufgebracht ist und dass die erste Schicht
und Schutzschicht oder die Funktionsschicht durch eine Temperaturbehandlung
komprimiert sind. Dieser besondere Aufbau des Heizelementes ermöglicht
aufgrund der Komprimierung der Schutzschicht in der ersten Schicht
oder der Funktionsschicht, dass eine hohe Temperaturbeständigkeit
sowie die Thermoschockstabilität geschaffen werden kann.
Gleichzeitig können dadurch beliebige Geometrien für
die Heizelemente auf einem Trägermaterial zur Bildung einer
Hochtemperaturheizung ausgewählt werden.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die erste Schicht und die Schutzschicht oder
die Funktionsschicht ein Heizelement mit einer Schichtdicke von weniger
als 500 μm, insbesondere weniger als 100 μm, bilden.
Aufgrund der Auswahl der Materialien kann ein ultradünnes
Auftragen ermöglicht sein. Gleichzeitig kann eine homogene
Wärmeerzeugung innerhalb der ersten elektrisch leitfähigen
Schicht und somit des Trägermaterials erfolgen.
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Die
Hochtemperaturheizung weist bevorzugt eine erste Schicht auf, welche
eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT im fließfähigen
nicht elektrisch leitfähigen Grundmaterial, insbesondere
im Wasser oder destilliertem Wasser, aufweist. Dadurch kann eine
hohe elektrische Leitfähigkeit gegeben sein, so dass mit
niederen Spannungen gearbeitet werden kann. Bevorzugt ist eine Konzentration
von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit als Füllmittel in
dem Grundmaterial vorgesehen. Durch die Hinzugabe von Graphit kann
die Fließfähigkeit der ersten Schicht oder des
Gemisches erhöht werden.
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Nach
einer alternativen der Hochtemperaturheizung ist vorgesehen, dass
die Funktionsschicht eine Konzentration von 0,1 bis 100 wt% CNT
im Grundmaterial, welches vorzugsweise aus Silikat, insbesondere
Ethylsilikat, besteht, eingebracht wird. Alternativ kann eine Matrix
aus einer Konzentration von 1 bis 3 wt% CNT und 5 bis 50 wt% Graphit
in die Funktionsschicht eingebracht werden. Durch eine solche Mischung
kann die Funktionsschicht beispielsweise durch Siebdruck appliziert
werden. Gleichzeitig wird auch die Luftisolation sowie die Stabilität
der Carbon-Nanotubes ausreichend erzielt.
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Das
Hochtemperaturheizelement weist bevorzugt ein Heizelement mit einer
ersten Schicht und einer Schutzschicht oder einer Funktionsschicht
auf, welches einen elektrischen Widerstand von weniger als 100 Ohm/Sq.
aufweist. Dies ermöglicht eine Temperaturgenerierung von > 400°C auf
großen Substraten mittels einer üblichen Spannungsversorgung
im Haushalt. Darüber hinaus könnten die Schichten noch
dünner ausgelegt werden, um noch bessere mechanische Stabilitäten
zu gewährleisten.
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Zur
Herstellung einer Hochtemperaturheizung ist bevorzugt ein Trägermaterial
vorgesehen, welches aus Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik, Aluminiumoxidkeramik,
MgO, KER 520 besteht. Dadurch werden vielfältige Einsatzbereiche,
insbesondere in der Weißen Ware, ermöglicht. Gleichzeitig kann
dadurch eine kostengünstige Herstellung erzielt werden.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in
den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben
und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen
zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder
zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform
einer Hochtemperaturheizung,
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2 eine
schematische Seitenansicht von unten auf die Hochtemperaturheizung
gemäß 1,
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3 eine
schematische Seitenansicht einer alternativen Hochtemperaturheizung
zu 1,
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4 eine
schematische Seitenansicht einer alternativen Hochtemperaturheizung
zu 1 und
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5 eine
schematische Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
zu 1.
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In 1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Hochtemperaturheizung 11 dargestellt. 2 zeigt
eine schematische Ansicht von unten. Die Hochtemperaturheizung 11 umfasst
ein Trägermaterial 12, welches beispielsweise
beim Einsatz im Bereich der Weißen Ware als Keramik, Glaskeramik, Cerankeramik,
Aluminiumoxidkeramik oder dergleichen ausgebildet sein kann. Auf
deren Unterseite ist innerhalb eines Erwärmungsbereiches
ein Heizelement 14 vorgesehen. Dieses Heizelement 14 umfasst
eine erste elektrisch leitfähige Schicht 16, auf der
eine Schutzschicht 17 aufgebracht ist. Bevorzugt umgibt
die Schutzschicht 17 vollständig die erste elektrische
Schicht 16, so dass diese elektrisch isoliert und mechanisch
geschützt gegenüber der Umgebung an dem Trägermaterial 12 vorgesehen
ist. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 16 erstreckt sich
zwischen zwei streifenförmigen Kontaktelementen 18,
welche zur Kontaktierung der elektrischen Schicht 16, beispielsweise
bis an einen Randbereich des Trägermaterials 12,
geführt sind. Zwischen den beiden bevorzugt parallel zueinander
verlaufenden Kontaktelementen 18 erstreckt sich die erste
Schicht 16 und bildet den Erwärmungsbereich. Die
Schutzschicht 17 überdeckt die erste Schicht 16 und
bevorzugt die streifenförmigen Kontaktelemente 18,
so dass lediglich beispielsweise im Randbereich eine freie Kontaktierungsstelle
ausgespart sein kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass
zunächst die erste Schicht 16 und die Schutzschicht 17 aufgebracht
wird und anschließend die streifenförmigen Kontaktelemente 18 zu
dem durch die erste Schicht 16 und Schutzschicht 17 gebildeten
Erwärmungsbereich gebracht werden.
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Die
erste elektrisch leitfähige Schicht 16 besteht
aus einem fließfähigen, elektrisch nicht leitfähigen
Grundmaterial. Bevorzugt ist eine Dispersion auf wässriger
Basis vorgesehen. In dieser Dispersion sind als elektrisch leitfähiges
Material Carbon-Nanotubes dispergiert. Ergänzend umfasst
die Dispersion ein Füllmittel, insbesondere Graphit, um
die elektrische Leitfähigkeit zu unterstützen
und die Fließfähigkeit einzustellen. Ergänzend
ist bevorzugt in der Dispersion ein Haftmittel vorgesehen. Dieses
kann beispielsweise Gummi Arabicum sein. Auch andere Tenside wie
SDS oder Triton sind einsetzbar. Dadurch kann eine fließfähige
oder pastöse Masse hergestellt werden, welche durch ein
Druckverfahren oder Sprühverfahren auf das Trägermaterial 12 applizierbar
ist. Diese Dispersion ist hochtemperatur-, thermoschockstabil und
hydrophob. Die Schutzschicht 17 besteht bevorzugt aus einem
Silikat, das bevorzugt mit Haftmittel, Füllmittel oder
weiteren Partikeln angereichert sein kann, um die Haftungseigenschaften
zu erhöhen. Dadurch kann die Thermoschockstabilität
sowie die mechanische Haftung auf dem Trägermaterial verbessert
werden. Durch das Penetrieren der Schutzschicht 17 in die
erste Schicht 16 sind diese CNT's auch für einen
Temperatureinsatz oberhalb von 350°C geeignet, da die Schutzschicht 17 die
CNT's luftdicht einschließt. Bevorzugt besteht das elektrisch
leitfähige Material aus einem Verbund aus CNT's und Graphit
oder weiteren elektrisch leitfähigen Partikeln oder Bestandteilen,
die das Ausbilden einer pastösen Masse oder einer sprühfähigen
Masse ermöglichen.
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Das
in 1 dargestellte Heizelement 14 wird dadurch
hergestellt, dass zunächst die Bestandteile aus einem elektrisch
nicht leitfähigen Grundmaterial und darin dispergiertem
Carbon-Nanotubes oder ein Verbund aus Carbon-Nanotubes mit weiteren
elektrisch leitfähigen Materialien gemischt werden, um
eine fließfähige oder pastöse Masse zu
bilden, die mittels eines Siebdruckverfahrens vollflächig auf
das Trägermaterial 12 aufgebracht wird. Anschließend
können die streifenförmigen Kontaktelemente 18 vorzugsweise
durch Auftragen einer leitfähigen Paste, insbesondere Silberleitpaste,
im Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Diese Kontaktelemente 18 können
auch vor dem Aufbringen der ersten Schicht 16 auf dem Trägermaterial 12 vorgesehen
sein. Darauf folgend kann gemäß einer Variante der
ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens diese
erste Schicht 16 temperaturbehandelt werden. Dies weist
den Vorteil auf, dass eine Aushärtung und Austrocknung
des Grundmaterials beziehungsweise der wässrigen Basis
für die als Dispersion ausgebildete erste Schicht 16 erfolgt,
wodurch eine anschließende Penetration der Schutzschicht 17 verbessert
wird. Anschließend wird die Schutzschicht 17 bevorzugt
durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht. Alternativ kann diese
auch ohne einen dazwischengeschalteten Trocknungsvorgang der ersten
Schicht 16 aufgebracht werden. Anschließend wird
das Trägermaterial 12 mit den darauf aufgebrachten
Schichten 17 als auch den Kontaktelementen 18 temperaturbehandelt,
so dass zumindest die Schutzschicht 17 vorzugsweise gesintert
wird. Hier findet die Komprimierung statt und bedingt ein weiteres „Zusammenpressen” der
leitfähigen Partikel, was wegen der erhöhten Berührungsanzahl
und der Kompaktheit zu einem geringeren spez. Widerstand führt. Dadurch
kann wiederum eine Leitfähigkeitsverbesserung in der ersten
Schicht 16 geschaffen werden.
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Solche
Hochtemperaturheizungen 11 weisen Heizelemente 14 auf,
deren Dicke beispielsweise < 100 μm
ausgebildet sein können. Darüber hinaus wird aufgrund
der vollflächigen Anordnung der elektrisch leitfähigen
Schicht 16 an dem Trägermaterial 12 eine
homogene Erwärmung und Wärmestrahlung des Trägermaterials 12 ermöglicht.
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Bevorzugt
kann der Schutzschicht 17 ein Reflektor zugeordnet sein,
um die vom Heizelement 14 in entgegengesetzter Richtung
zum Trägermaterial 12 erfolgende Wärmestrahlung
zu reflektieren und das Aufheizen des Trägermaterials 12 zu
beschleunigen.
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Eine
alternative Ausführungsform zu 1 ist in 3 gezeigt
und dahingehend gegeben, dass anstelle eines nacheinander erfolgenden
Aufbringen der ersten Schicht 16 und der Schutzschicht 17 eine Funktionsschicht 21 aufgetragen
wird. Diese Funktionsschicht 21 wird aus demselben Grundmaterial wie
die Schutzschicht 17 hergestellt. Hierbei wird ein Silikat,
insbesondere Ethylsilikat, eingesetzt, in die CNT's eindispergiert
sind. Bevorzugt kann diese Funktionsschicht 21 zu den CNT's
noch weitere leitfähige Partikel umfassen und insbesondere
ein Bindemittel, vorzugsweise Graphit, als weiteren Bestandteil
aufweisen. Durch eine solche Funktionsschicht 21 wird ermöglicht,
dass eine pastöse Masse gegeben ist, welche durch ein Sprühverfahren
oder Siebdruckverfahren aufgebracht werden kann. Des Weiteren wird
durch die anschließende Erhitzung ebenfalls eine Komprimierung
dieser Schicht durch einen Sintervorgang erzielt, wodurch die Leitfähigkeit erhöht
wird. Diese alternative Ausführungsform vereinfacht die
Herstellung eines solchen Heizelementes 14, wobei gleichzeitig
auch die Anforderungen an einen Betrieb bei Temperaturen von > 400°C sowie eine
mechanische Haftung als auch eine Thermostabilität gegeben
ist. Die streifenförmigen Kontaktelemente 18 können
vor oder nach dem Aufbringen der Funktionsschicht 21 auf
das Trägermaterial 12 aufgebracht werden.
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In 4 ist
eine alternative Ausführungsform zu 1 dargestellt.
Diese Ausführungsform weicht dahingehend von der in 1 ab,
dass vor dem Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen
Schicht 16 eine elektrische Isolierschicht 19 vollflächig
auf dem Trägermaterial 12 aufgebracht wird, um
die elektrisch leitfähige Schicht 16 gegenüber
dem Trägermaterial 12 isoliert anzuordnen. Diese
Anordnung der Isolierschicht 19 kann ebenfalls beim Aufbringen
eines Gemisches bestehend aus der ersten elektrisch leitfähigen
Schicht 16 und der Schutzschicht 17 vorgesehen sein.
Ebenso kann vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 21 auf
das Trägermaterial eine elektrisch isolierende Schicht 19 vollflächig
aufgebracht werden.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsform zu 1 dargestellt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch,
dass anstelle einer vollflächigen ersten elektrisch leitfähigen
Schicht 16 eine streifenförmige Schicht 16 gebildet
ist. Solche Stege oder Rippen können in der Geometrie und
der Kontur an die entsprechenden Anwendungsfälle angepasst
werden. Die Streifengeometrie kann gezielte Bereiche aufheizen.
Darüber hinaus begünstigt sie weiterhin die Haftungseigenschaften
an dem jeweiligen Substrat. Die Streifen können beliebig
angeordnet werden, so dass auf einem Substrat gezielt verschiedene
Heizzonen implementiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005049428
A1 [0004]
- - DE 202005013822 [0005]
- - DE 10001330 A1 [0006, 0008]
- - DE 10336920 A1 [0008]