DE3502838A1

DE3502838A1 - Heizelement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3502838A1
Application number: DE19853502838
Authority: DE
Inventors: Hans Mils Oppitz
Original assignee: Eltac Nogler und Daum KG
Current assignee: Eltac Nogler und Daum KG
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1985-01-29
Publication date: 1985-08-08
Also published as: SE8500457D0; GB2154407B; FR2559333A1; GB2154407A; SE8500457L; GB8502619D0; US4616125A

Description

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VNR lo6Ü84 Nürnberg, ?8.öl.1985

KLTAC Nogler & Daum KG, Speckbacher Straße 29,

Α-6ο?ο Innsbruck

Heizelement und Verfahren zu dessen Herstellung

D-8500 Nürnberg ι · konig&trasse ί ■ teiefon 0911/24537 . telex 623965 · Postscheckamt nornberg I84352-B57

Heizelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Heizelement mit einer einen elektrischen Widerstand bildenden Schicht, die zwischen zwei zueinander und zur Schicht etwa parallel verlaufenden flächenförmigen Elektroden angeordnet ist und gegebenenfalls mit einer auf der von der Schicht abgewendeten Seite der Elektrode angeordneten Isolierschicht, bei dem der Stromfluß senkrecht zu einer Ebene erfolgt, die zu der den Widerstand bildenden Schicht in etwa parallel verläuft.

Es sind bereits flächenförmige Heizelemente des gleichen Erfinders be-. kannt die einen elektrischen Schichtwiderstand zwischen elektrisch und thermisch gut leitendem Material aufweisen, wobei der Stromfluß im wesentlichen senkrecht zur Schichtebene erfolgt. Der elektrische Schichtwiderstand wird dabei durch elektrische Widerstandsmassen gebildet, die beispielsweise aus Silikonkautschuk mit darin homogen verteilten elektrisch leitenden und halbleitenden Teilchen oder aus einem elektrisch leitenden Verbundwerkstoff bestehen, bei dem Kunstharze mit Metallverbindungen in einer Menge versetzt werden, sodaß auf ein Kunstharz-Molekül annähernd ein Metall- oder Halbmetall atom kommt, aus dem die Ionen ausgewaschen werden und die derart erhaltenen Dispersionen, Lösungen oder Granulate mit Graphit oder Ruß zur Weiterverarbeitung versetzt sind. Die beidseits des elektrischen Schichtwiderstandes angeordneten Elektroden werden bei Bedarf mit Isoliermaterialien abgedeckt, um eine Berührung von leitenden Teilen zu vermeiden. Das vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung gemeinsam genutzte Gedankengut wurde unter anderem in der AT-PS Nr. 325 176, Nr. 274 965 und Nr. 313 588 beschrieben. Derartige flächenförmige Heizelemente unter Verwendung der unterschiedlichen Widerstandsmassen haben sich in der Praxis bewährt.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement zu schaffen, bei dem die Heizleistung einfach und genau festgelegt werden kann. Darüberhinaus soll es in verschiedene Baukörper integrierbar sein.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Schicht thermisch isolierend ausgebildet und mit einem elektrisch leitenden Kunststoff, insbesondere mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes durchsetzt ist und die den beiden Oberflächen zugeordneten Elektroden im wesentlichen über den leitenden Kunststoff leitend miteinander verbunden sind. Die überraschenden Vorteile dieser Lösung liegen darin, daß durch die Verwendung einer thermisch isolierenden Schicht als Widerstandsschicht die Heizleistung einfach an unterschiedliche Einsatzbedingungen angepaßt werden kann. Darüberhinaus wird durch diese Lösung die Möglichkeit eröffnet, die bei derartigen Heizsystemen erforderliche Isolierung mit dem Heizelement direkt zu verbinden, sodaß ein Mehrlagenaufbau, wie er beispielsweise bei den bekannten Heizfolien erforderlich war, wegfällt. Ein weiterer Vorteil dieser überraschend einfachen Lösung liegt darin, daß die meist sehr empfindlichen Widerstandsschichten durch das Einarbeiten in die thermisch isolierende Schicht gegen mechanische Beschädigungen geschützt sind und somit Störungen bei Heizanlagen mit derartigen Heizelementen vermieden werden. Vorteilhaft ist die durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Heizelemente erzielte thermische Eigendärnmung z.B. besonders bei heizbaren Isolierverkleidungen für Rohre und dgl., die den Wirkungsgrad derartiger Heizelemente erhöhen.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiters möglich, daß der leitende Kunststoff im wesentlichen lösungsmittelfrei in Art eines Thermoplastes mit makromolekularem Aufbau ausgebildet ist und vorzugsweise aus einem Acry-1 at mit mindestens zum Teil vernetzten Polymeren mit geringem Weichmacheranteil besteht der Halbleitereigenschaften sowie einen relativ geringen Kohlenstoffanteil aufweist, wobei die Kohlenstoffbestandteile frei schwebend im Kunststoff angeordnet sind. Von Vorteil ist bei derartigen Kunststoffen, daß sie eine hohe Elastizität und Haftkraft aufweisen. Die thermisch isolierende Schicht bleibt daher auch trotz der ständig wechselnden inneren Spannungen beim Erwärmen und Abkühlen sowie bei mechanischen Beanspruchungen unverändert einsatzbereit.

Gemäß einem weiteren sehr wesentlichen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die thermisch isolierende Schicht über Bindemittel zusammengehaltene FÜllmaterialien aufweist, wobei das Bindemittel den elektrisch leitenden Kunststoff umfaßt. Durch die Mehrfachfunktion des elektrisch leitenden Kunststoffes bzw. dadurch, daß dieser gemeinsam mit oder als Ersatz des Bindemittels für die thermisch isolierende Schicht eingesetzt werden kann, können die Heizelemente kostengünstig hergestellt werden. Weiters bildet bei dieser Ausführung des Heizelementes der leitfähige Kunststoff einen Skelettleiter bzw. ein Netz zwischen den Füllmaterialien.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Füllmaterial korn- und bzw. oder kugelförmig ausgebildet ist und vorzugsweise aus Mikroball ons besteht, wodurch gute thermische Wärmedämmeigenschaften erreicht und bei entsprechender Auswahl des Füllmaterials auch eine hohe mechanische Belastbarkeit des Heizelementes erzielt werden kann.

Weiters ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, daß die Füllinaterialien durch korn- und bzw. oder kugelförmige Isoliermaterialien, z.B. vorgeschäumtes Polystyrol oder dgl. gebildet sind, die mit dem elektrisch leitenden Kunststoff als Bindemittel den Tragkörper bilden, wodurch mit Vorteil die thermisch isolierende Schicht zur Wärmeerzeugung benutzt wird und gleichzeitig auch zur Wärmeisolierung bzw. Speicherung dient. Die Wärmeabstrahlung der beheizten Flächen bzw. Räume wird dadurch mit Vorteil gleichzeitig vermindert. Durch entsprechende Wahl des Volumens der einzelnen Füllmaterialien kann die Menge des benötigten leitenden Kunststoffes bei unterschiedlichen Dicken des Heizelementes und damit dessen Heizleistung vorbestimmt werden.

Von Vorteil ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Füllmaterialien, z.B. Kugeln oder Mikroballons aus Kunststoff oder keramischen Massen, z.B. Glas mit dem leitenden Kunststoff umhüllt und vorzugsweise miteinander sowie gegebenenfalls mit den Elektroden zusammengesintert sind. Durch das Beschichten der Oberflächen der Füllstoffe kann die Menge an elektrisch leitendem Kunststoff der als Widerstandsmasse

dient über die Schichtdicke genauer vorherbestirnnmt werden, sodaß nach dem Zusammensintern der Füllmaterialien zu einein Heizelement eine durchgehende Kontaktierung bei annähernd gleichen Flächenwiderstandswerten erzielt wird. Dies vereinfacht das Herstellen von Heizelementen mit in etwa gleicher Heizleistung, sodaß diese nunmehr auch für den Aufbau von größeren Heizflächen verwendbar sind.

Vorteilhaft ist es weiters, wenn die thermisch isolierende Schicht als plattenförmiger Tragkörper insbesondere als Wärmedämmplatte ausgebildet ist. Bei dieser Lösung liegt der überraschende Vorteil darin, daß das Isoliermaterial der wärmedämmenden Platte neben der Funktion als Tragkörper auch gleichzeitig die Widerstandsmasse bildet. So ist es möglich, daß die tragenden Bauteile bzw. Verkleidungsplatten oder dgl. unmittelbar als Heizelemente Verwendung finden. Diese Lösung erlaubt es aber auch einen gewünschten Widerstandswert möglichst exakt bei einer Großproduktion einzuhalten bzw. an unterschiedliche gewünschte Stärken oder Größen anzupassen.

Erfindungsgemäß ist es weiters auch möglich, daß die thermisch isolierende Schicht mit den Elektroden einstückig verbunden und innerhalb einer Wärmedämmplatte aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Durch die einstückige Verbindung zwischen thermisch isolierender Schicht und den Elektroden ist eine kostengünstige Herstellung der Heizelemente möglich, da ein zusätzlicher Arbeitsgang für die Kontaktierung der Elektroden mit der thermisch isolierenden Schicht eingespart werden kann. Überdies kann das Heizelement durch den Mehrschichtaufbau in Sandwichbauweise höher belastet werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der guten elektrischen Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden Kunststoff, d.h. der Widerstandsmasse und den Elektroden. Wird zusätzlich eine schwarze Beschichtung auf den als Elektroden dienenden Folien auf der der thermisch isolierenden Schicht zugewandten Seite angeordnet die einen Schwarzkörper bildet, so kommt es zu einer Ansammlung bzw. einem völligen Inhalieren der Wärmestrahlung in dieser schwarzen Schicht und wenn die Folie aus der die Elektrode hergestellt ist aus Metall besteht zu einer energiereichen Reflexion insbesondere der infraroten Wärmestrahlung.

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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Elektroden durch Folien aus Metall und bzw. oder insbesondere leitfähigen Kunststoffen gebildet und über den elektrisch leitenden Kunststoff mit der thermisch isolierenden Schicht einstückig verbunden sind, wobei gegebenenfalls zwischen der thermisch isolierenden Schicht und der Folie eine schwarze Beschichtung als Schwarzkörper angeordnet ist. Werden die Folien vorher mit dem leitenden Kunststoff beschichtet, so wird insbesondere beim Zusammensintern infolge der Eigentemperaturentwicklung des Heizelementes eine definierte Schicht aus elektrisch leitendem Kunststoff zwischen den den Elektroden nächstliegenden Füllmaterial! en und den Folien sichergestellt. Damit wird ein in etwa gleichbleibender Übergangswiderstand zwischen der thermisch isolierenden Schicht und den Elektroden erreicht. Überdies wird durch die Verwendung des Schwarzkörpers eine bessere Kontaktwärme und vor allem eine bessere Wärmeaufnahme erzielt als beispielsweise bei Verwendung einer Reinaluminiumfolie als Elektrode.

Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, daß die Elektroden durch mit einem insbesondere als Schwarzkörper dienenden leitenden Kunststoff beschichtete Folien gebildet sind, zwischen welchen das beschichtete Füllmaterial als thermisch isolierende Schicht angeordnet ist. Die bei mit Hochspannung betriebenen Heizelementen erforderlichen Isolierungen können gleichzeitig zur Wärmedämmung bzw. zur Vermindung der Abstrahlung der durch die Heizelemente erzeugten Wärme benutzt werden. Vorteilhaft ist es hierbei weiters, wenn die in Abstrahlungsrichtung angeordnete Dämmschicht der Dämmplatte eine geringere Dicke bzw. einen geringeren Isolierfaktor aufweist als die auf der der Abstrahlungsrichtung gegenüberliegenden Seite des Tragkörpers angeordnete Isolierschicht.

Weiters ist es aber auch möglich, daß der Widerstand des elektrischen Kunststoffes in der thermisch isolierenden Schicht insbesondere während des Heizvorganges in Abstrahlungsrichtung zum z\x erwärmenden Objekt zunimmt und vorzugsweise mehrere thermisch isolierende Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten einen Tragkörper bilden. Dadurch wird erreicht, daß die Wärmeabgabe in Abstrahlungsrichtung verstärkt wird und durch die full stoffe - insbesondere dann, wenn es sich

hierbei um Warmedäinrnmaterialien handelt - nicht unerwünscht behindert wird.

Im Rahmen der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizelementes beschrieben. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender flüssiger Kunststoff mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes mit korn- und bzw. oder kugelförmigen Füllmaterialien vermischt und das Gemisch aus Kunststoff und Füllmaterialien zwischen zwei leitenden Folien in eine Form eingebracht wird, worauf die Formhälften zusammengepreßt werden und der Kunststoff ausgehärtet wird. Durch diese einfachen Verfahrensschritte, nämlich dem Zusetzen eines leitenden flüssigen Kunststoffes mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes wird bei dem zur Herstellung von Wärmedämmplatten erforderlichen Arbeitsvorgang gleichzeitig ein Heizelement geschaffen.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Füllmaterialien und vorzugsweise die einander zugewendeten Seiten der aus leitenden Folien gebildeten Elektroden mit einem leitenden thermoplastischen Kunststoff insbesondere mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes beschichtet werden, worauf der Kunststoff ausgehärtet wird, wonach die beschichteten Füllmaterialien zwischen die beiden mit ihren beiden Beschichtungen einander zugewendeten Folien eingebracht und die Folien zusammengedrückt werden, wobei gleichzeitig die beiden Folien mit einer Spannungsquelle verbunden werden und an die Folien ein Mehrfaches der Betriebsspannung angelegt wird, worauf das Heizelement über den Schmelzpunkt des thermoplastischen Kunststoffes erhitzt und die Füllmaterialien untereinander und mit den Folien zusammengesintert werden. Die Vorteile dieser Lösung liegen darin, daß der elektrisch leitende Kunststoff über die gesamte Dicke der Schicht in im etwa gleichen Ausmaß vorliegt und somit ein Absinken der Füllmaterialien - beispielsweise in einer flüssigen Gußmasse - verhindert wird. Außerdem wird in den Berührungsbereichen zwischen den einzelnen Füllmaterialien durch das Beschichten eine in etwa gleichbleibende vordefinierte Menge des elektrischen Widerstandes angeordnet, sodaß die gewünschte Endtemperatur einfach eingehalten werden kann.

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Zum besseren Verständnis der folgenden Erfindung wird diese anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Heizelement gemäß der Erfindung in schaubildlicher Darstellung;

Fig. 2 eine Stirnansicht einer anderen Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Heizelementes bei dem die Füllmaterialien mit dem leitenden Kunststoff überzogen sind;

Fig. 3 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Heizelementes bei dem die Füllmaterialien durch Mikroballons gebildet sind;

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Heizelement, welches innerhalb

einer Wärmedämmplatte aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist;

Fig. 5 eine aus erfindungsgemäßen Heizelementen gebildete Heizanlage für eine Fußbodenheizung;

Fig. 6 eine andere Ausführung eines Heizelementes mit einer Anschlußvorrichtung;

Fig. 7 eine aus Heizelementen nach der Erfindung aufgebaute Heizanlage im Schnitt und schematischer Darstellung.

In Fig.l ist ein erfindungsgemäßes Heizelement 1 dargestellt. Zwischen zwei Elektroden 2 und 3 ist eine Schicht 4 angeordnet die als elektrischer Widerstand dient. Erfindungsgemäß ist diese Schicht 4 thermisch isolierend in dem entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kornfö'rmige Füllmaterialen 5 angeordnet sind. Ein besonders gutes Ergebnis

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wird hierbei erreicht, wenn diese kornförmigen Füllmaterialien durch Isoliermaterialien, beispielsweise vorgeschäumtes Polystyrol oder dgl., gebildet sind. Die Schicht 4 ist weiters mit einem elektrisch leitenden Kunststoff 6 durchsetzt. Vorteilhaft weist dieser Kunststoff 6 einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auf.

Die beiden mit einer Spannungsquelle 7 über Leitungen 8,9 verbundenen Oberflächen 10,11 der Schicht 4 zugeordneten Elektroden 2,3 sind über den leitenden Kunststoff 6 zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden. Das aus dem leitenden Kunststoff 6 zwischen den Füllmaterialien 5 gebildete räumliche Kunststoffgitter bildet den Heizwiderstand der sich bei Stromdurchgang entsprechend erwärmt. Damit kann das Heizelement gleichzeitig zur Isolierung gegen Wärmeabstrahlungen insbesondere aus dem beheizten Objekt herangezogen werden. Darüberhinaus sind die elektrischen Widerstandsschichten durch das Einarbeiten in die thermisch isolierende Schicht gegen mechanische Beschädigung geschützt. Störungen werden bei Heizanlagen mit derartigen Heizelementen dadurch vermieden. Der Wirkungsgrad derartiger Heizelemente 1 wird weiters durch die erzielte thermische Eigendämmung zusätzlich erhöht.

In Fig.2 ist ein Heizelement 12 gezeigt, bei dem die Füllmaterialien z.B. durch Kugeln 13 beispielsweise aus Styropor gebildet sind. Diese Kugeln 13 sind mit einer Beschichtung 14 versehen, die durch ein Bindemittel 15 gebildet ist, in welches ein leitender Kunststoff 16 - durch die Schraffurlinien angedeutet - eingemischt ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn es sich bei dem Kunststoff 16 um einen im wesentlichen ionenfreien und in der Art eines Duroplastes mit makromolekularem Aufbau ausgebildeten Kunststoff handelt. Vorzugsweise kann hierzu ein Acrylat mit mindestens zum Teil vernetzten Polymeren mit geringem Weichmacheranteil verwendet werden, das Halbleitereigenschaften sowie einen relativ geringen Kohlenstoffanteil aufweist, wobei die KohlenstoffbestandteiIe möglichst frei schwimmend im Kunststoff angeordnet sein sollen.

Auf die beiden durch Folien 17, z.B. aus Metall oder Kunststoff gebildeten Elektroden 2 und 3 ist auf der der Schicht 4 zugewandten Oberfläche eine Beschichtung 18 aufgebracht. Diese Beschichtung 18 kann das mit dem

leitenden Kunststoff 16 versetzte Bindemittel 15 oder nur ein leitender Kunststoff 16 sein. Von Vorteil ist es hierbei, wenn die zur Beschichtung verwendeten Materialien tiefschwarz sind, sodaß diese Beschichtung 18 gleichzeitig als Schwarzkörper dient.

In Fig.3 ist eine Ausführungsvariante eines Heizelementes 12 gezeigt bei dem die Füllmaterialien durch Mikroball ons 19 gebildet sind. Auch in diesem Fall sind die Mikroball ons mit einer Beschichtung 14 versehen die zugleich als Bindemittel und elektrischer Widerstandskörper dient. Wie aus dieser Darstellung weiters zu ersehen ist sind die einzelnen Füllmaterial! en bzw. Mikrotnllons 19 untereinander bzw. mit den beiden die Elektroden 2,3 bildenden Folien 17 zusammengesintert. Dieses Zusammensintern der Füllmaterialien erfolgt durch eine Druckbeaufschlagung der die Elektroden 2,3 bildenden Folien 17 unter gleichzeitiger Erwärmung des Heizelementes 12. Zu dieser Erwärmung kann die Spannungsquelle 7 herangezogen werden. Die von dieser Spannungsquelle 7 gelieferte Spannung muß jedoch zum Zusammensintern ein Mehrfaches der normalen Betriebsspannungen betragen, sodaß die Temperatur des Heizelementes oberhalb der Schmelztemperatur der Beschichtung 14 liegt. Die Heizelemente können erfindungsgemäß sowohl mit Niederspannung, z.B. 12,24 oder 42 Volt als auch mit Hochspannung, z.B. 220 Volt betrieben werden. Die Spannung beim Zusammensintern kann dann z.B. 36,72,126 oder 660 Volt betragen.

Durch das Zusammensintern vernetzen sich die einzelnen Füllmaterialien bzw. Mikroballons 19 zu einer kompakten Schicht 4.

Ein Vergleich zwischen dem im gleichen Verfahren hergestellten Heizelement 12 nach Fig.2 zeigt, daß bei Wegfall der Beschichtung 18 auf der Folie 17 die Beschichtung 14 der Mikroballons im Bereich der Folien 17 bei der Ausführungsform nach Fig.3 verdünnt wird. Demgegenüber erfolgt die Stromeinleitung bei der Ausführungsform gemäß Fig.2 über die gesamte Fläche der Folien bedingt durch die Beschichtung 18 in etwa gleich.

In Fig.4 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizelementes 20 gezeigt, bei dem die isolierende Schicht 21 einstückig mit Elektroden 22,23 verbunden ist. Die isolierende Schicht 21 mit den Elek-

troden 22 ist innerhalb einer Wärmedämmplatte 24 angeordnet. Über Leitungen 25,26 sind die beiden Elektroden 22,23 mit dem Null-Leiter bzw. mit der Phase eines Wechselstromversorgungsnetzes verbunden. Zwischen der Elektrode 22 und einer dieser zugeordneten Oberseite 27 der Wärmedämmplatte 24 ist eine weitere beispielsweise durch ein Gitter, ein Netz 28 oder eine Folie gebildete Schutzelektrode 29 angeordnet. Diese ist über eine Leitung 30 mit einer Erdung verbunden. Die Wärmedämmplatte weist dabei in dem zwischen der Elektrode 23 und der der Oberseite 27 gegenüberliegenden Oberfläche eine größere Dicke auf als zwischen der Elektrode und der Oberseite 27. Dadurch wird eine bessere Wärmedämmung gegenüber Abstrahlungsverlusten des Heizelementes in Richtung der der Oberseite gegenüberliegenden Oberfläche erreicht.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Heizelementes 20 wird dieses dann bevorzugt derart aufgelegt, daß die der Oberseite 27 gegenüberliegende Oberfläche der Wärmedämmplatte 24 auf einer Bodenkonstruktion, z.B. einer Rohbetondecke 31 aufliegt. Die Oberseite 27 ist dadurch einem darüber angeordneten Estrich 32 und einem auf diesem angeordneten Bodenbelag 33 zugeordnet. Durch diese Anordnung wird ein Berührungsschutz gegenüber den spannungsführenden Teilen insbesondere der an die Phase angeschlossenen Elektrode 23 erreicht, da beispielsweise bei Einschlagen eines Metallkörpers in die Wärmedämmplatte durch die dabei erfolgende Leitungsverbindung zwischen der Schutzelektrode 29 und der an den Null-Leiter angelegten Elektrode 22 ein bei derartigen Anlagen zwingend vorgeschriebener Schutzschalter, z.B. Fehlerstromschalter durch die Verbindung des NuIl-Leiters mit der Erdleitung ausgelöst wird. Bevor daher der eindringende Metallteil die phasenführende Elektrode 23 erreicht, ist die Stromzufuhr zuverlässig unterbrochen. Weiters ist es, wie in Fig.4 mit strichlierten Linien angedeutet, möglich, auch zwischen der Elektrode 23 und der der Oberseite 27 gegenüberliegenden und der Rohbetondecke 31 zugeordneten Oberfläche eine Schutzelektrode 29 anzuordnen. Neben dem sich daraus ergebenden Vorteil, daß die phasenführende Elektrode 23 auch von der der Oberseite 27 gegenüberliegenden Oberfläche her einen Berührungsschutz aufweist, wird durch die Anordnung von im Abstand von der phasenführenden Elektrode 23 angeordneten Elektroden, wie beispielsweise der mit dem Nulleiter verbundenen Elektrode 22 bzw. den Schutzelektroden 29 erreicht,

daß sich das Feld jeweils zwischen den Elektroden 23 und 22 bzw. 23 und 29 aufbaut und keine Störfelder von den Heizelementen abgegeben werden die insbesondere bei Wohnräumen unangenehme Störungen nach sich ziehen können.

In Fig.5 ist eine aus derartigen Heizelementen 20 zusammengesetzte Heizfläche gezeigt. Die Wärmedämmplatten 24 sind im Bereich einer Längsseitenkante jeweils mit einer Feder 34 und im Bereich der gegenüberliegenden Längsseitenkante mit einer Nut 35 versehen, um einen zusammenhängenden Isolierbelag mit in etwa ebener Oberfläche zu bilden. Die Kontaktierung der Elektroden 22,23 sowie der eventuell eingebauten Schutzelektroden 29 erfolgt in den Stirnendbereichen der Heizelemente 20. Dazu sind die Stirnseiten der isolierenden Schicht 21 bzw. der Elektroden 22,23 - wie in Fig.4 gezeigt - gegenüber Stirnkanten 36 der Wärmedämmplatte 24 zurückgesetzt. Wie in der linken Hälfte der Fig.4 gezeigt, kann der dadurch entstehende Hohlraum durch eine Abdeckung 37 verschlossen werden die in Richtung der Stirnkante 36 der Wärmedämmplatte 24 eine Vertiefung aufweist in der, wie aus Fig.5 besser ersichtlich ist, von einer Anschlußvorrichtung 38 Anschlußdrähte mit Steckern bzw. Buchsen gelagert sind, um die Elektroden von parallel zueinander verlaufenden Reihen von Heizelementen 20 untereinander zu verbinden.

Um einen Anschluß der Heizflächen im Eckbereich durch Beschneiden von Plattenteilen einfach zu ermöglichen, können den Heizelementen 20 Blindelemente 39 zugeordnet sein.

Es sei an dieser Stelle auch noch erwähnt, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Heizelementes 20 die Wärmeabgabe in Abstrahlungsrichtung, d.h. also in Richtung der Oberseite 27 durch die unterschiedliche Dicke der Wärmedämmplatte unterhalb und oberhalb der isolierenden Schicht 21 sowie die Verwendung eines elektrisch leitenden Kunststoffes mit einem positiven Temperaturkoaffizienten des elektrischen Widerstandes verstärkt wird. Bedingt durch das Auflegen der Heizelemente 20 auf die Rohbetondecke 31 und die damit verbundenen Abstrahlungsverluste erwärmt sich der der Oberseite 27 zugewandte Bereich der isolierenden Schicht 21 stärker. Durch diese stärkere Erwärmung erhöht sich damit auch gleichzeitig der

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elektrische Widerstand, wodurch eine noch höhere Wärmeabgabe erzielt / wird. Dadurch wird also in den der Oberseite 27 zugewendeten Bereichen der isolierenden Schicht eine höhere Wärmeabgabe erfolgen als in den der Rohbetondecke 31 zugewendeten Bereichen. Es wird daher die. Wärmeabgabe in Richtung des zu erwärmenden Objektes erhöht.

In Fig.6 ist eine weitere Ausführungsvariante für eine Anschlußvorrichtung 40 zur Verbindung zweier nebeneinander liegender Heizelemente 41 gezeigt. Diese Heizelemente 41 weisen auch im Bereich von Stirnseiten 42 jeweils eine Nut 35 bzw. eine Feder 34 auf. Im Bereich der Nut 35 ist von der Anschlußvorrichtung eine Steckdose 43 angeordnet, während im Bereich der Feder 34 der gegenüberliegenden Stirnseite 42 ein Stecker 44 der Anschlußvorrichtung vorgesehen ist. Beim Zusammenschieben der Heizelemente 41 und Ineinanderschieben der Nuten 35 und Federn 34 von aneinander stoßenden Heizelementen 41 werden gleichzeitig die Anschlußstifte 45 des Steckers 44 in Buchsen 46 der Steckdose 43 eingeschoben und somit die Elektroden 22,23 der einander unmittelbar benachbarten Heizelemente 41 elektrisch verbunden. Selbstverständlich ist es bei Anordnung zusätzlicher Schutzelektroden 29 auch möglich, die Schutzelektroden der aneinanderstoßenden Heizelemente 41 durch Anordnung eines dritten Anschlußstiftes bzw. einer dritten Buchse in der Anschlußvorrichtung 40 zu verbinden.

In Fig.7 ist die Verlegung von Heizelementen 1 und deren elektrische Verbindung bei Herstellung einer größeren Heizfläche gezeigt. Für den Aufbau einer Bodenheizung sind beispielsweise auf einer Deckenkonstruktion 47 Wärmedämmplatten 48 aufgelegt. Auf diesen Wärmedämmplatten 48 werden die Heizelemente 1 aufgelegt. Die Heizelemente 1 werden beispielsweise mittels Platten 49 die elektrisch und gegebenenfalls auch thermisch isolierend sind abgedeckt. Auf diese Platten 49 wird ein Estrich 50 aufgebracht, in dem ein Estrichgitter 51 angeordnet ist. Die Elektroden 2,3 sowie das als Schutzelektrode dienende Estrichgitter 51 bzw. eine zwischen Estrich und den Platten 49 eingelegte elektrisch leitende Folie mit strichlierten Linen angedeutet - sind über Leitungen mit dem Null-Leiter, der Phase bzw. mit einer Erdung verbunden.

Zur leitenden Verbindung der einzelnen Elektroden 2,3 der aneinanderstoßenden Heizelemente 1 sind bevorzugt in den Heizdämmplatten 48 bzw. in den Platten 49 Ausnehmungen 52 angeordnet. Im Bereich dieser wird über Kontaktstücke 53 eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden 2 und der aneinanderstoßenden Heizelemente 1 hergestellt.

Wie aus der zeichnerischen Darstellung in Fig.7 bereits ersichtlich, ist die Plattenstarke der Wärmedämmplatten 48 größer als die der Platten 49. Die Wärmeausbreitung von den Heizelementen 1 in Richtung des zu beheizenden Raumes wird daher durch die Platten 49, falls diese thermisch isolierend sind, nicht behindert. Eine Abstrahlung der Wärme in die andere Richtung ist durch die dicken Wärmedämmplatten 48 erschwert.

Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der Platten 49 nur eine Ausgleichsschicht, beispielsweise aus Sand, Lecca oder dgl. anzuordnen oder lediglich eine Isolierfolie oberhalb der Elektrode 3 anzuordnen auf die der Estrich 50 dann direkt aufgebracht ist. In ähnlicher Weise kann anstelle der Platten 49 eine entsprechende isolierende Abdeckfolie - mit strichlierten Linien angedeutet - oberhalb der Elektrode 3 aufgebracht werden, auf die dann ein Bodenbelag beispielsweise ein Klebeparkett oder dgl. auch unmittelbar aufgebracht werden kann.

Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, daß die thermisch isolierende Schicht 54 verstärkt werden kann, um eine erhöhte Tragkraft aufzunehmen. Diese Verstärkung ist vor allem dann wichtig, wenn die Oberfläche der in der isolierenden Schicht 54 zur Verwendung gelangenden Mikroballons 55 nicht ausreicht, um die erforderlichen Beanspruchungen bei der Belastung der thermisch isolierenden Schicht beispielsweise die Biege- bzw. Knickbeanspruchungen aufzunehmen. In diesem Fall ist es, wie dargestellt möglich, die Mikroballons mit einer Oberflächenbeschichtung 56 zu versehen. Diese Oberflächenbeschichtung kann lediglich eine Oberflächenvergütung, also eine Erhöhung der Oberflächenfestigkeit nach sich ziehen, wobei hierzu vorteilhafter Weise Silikatbeschichtungen verwendet werden können. Es ist aber möglich, durch diese Oberflächenbeschichtung 56 gegebenenfalls zusätzlich zur Oberflächenvergütung nur die Oberfläche zu schließen, d.h. die Saugfähigkeit der Mikroballons 55 zu verringern,

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sodaß, wenn diese nachträglich mit einem elektrisch leitenden Kunststoff 57 wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vergossen werden, die Mikroballons weniger oder überhaupt keinen elektrischen Kunststoff aufsaugen.

Vorteilhaft ist es weiters, wenn die Mikroball ons 55 aus Thermoplasten hergestellt sind. Wird das Heizelement zum Versintern der Mikroballons bzw. zum Härten der isolierenden Schicht erwärmt, so kommt es zu einer dauerhaften plastischen Verformung dieser Mikroballons die nicht reversibel ist, sodaß eine Federung der isolierenden Schicht und ein Rückgehen in den ursprünglichen Zustand vermieden wird.

.Weiters ist es, wie in Fig.6 angedeutet, möglich, daß die Schutzelektroden 58 durch geschlossene elektrisch leitende Folien gebildet sind. Handelt es sich dabei bei der Folie um Metallfolien, so wird eine vorteilhafte Reflexion der Wärmestrahlung vor allem aus jenem Bereich, der einer Rohbetondecke oder dgl. zugeordnet ist, erreicht. Die dem beheizten Raum zugewandte Folie wird vorzugsweise als Schwarzkörper ausgebildet, sodaß ein intensiver Wärmeübergang zwischen den Heizelementen 41 und dem zu erwärmenden Raum erfolgt. Die geschlossene Folie hat aber weiters noch den Vorteil, daß zwischen der phasenführenden Elektrode und der jeweiligen Schutzelektrode 58 bzw. der diese bildenden geschlossenen Folie 59 ein definierter Feldaufbau besteht und der Aufbau von Störfeldern dadurch verhindert wird.

Erfindungsgemäß ist es weiters mit Vorteil möglich, anstelle des erwähnten Gitters oder Netzes für die Elektroden insbesondere die Schutzelektroden 29 in einem oberhalb dem erfindungsgemäßen Heizelement angeordneten Dämm- bzw. Schutzkörper eine Folie bzw. ein Vlies aus leitenden Fasern zu verwenden. Wird ein Metall gitter verwendet, so muß dies extrem kleine Maschenweiten aufweisen bzw. in Art eines Feinsiebes ausgebildet sein, um sicherzustellen:, daß bei Einschlagen eines Metal !körpers mit dem eindringenden Metall teil eine Leitungsverbindung hergestellt wird. Nur dann kann sichergestellt werden, daß bei einem weiteren Eindringen des Metallteiles und dessen Auftreffen auf der Elektrode eine zuverlässige Auslösung der Schutzvorrichtung und damit eine Unterbrechung der Stromzufuhr gewährleistet ist.

Weiters sei der Ordnung halber noch darauf hingewiesen, daß die in den Fig.l bis 7 dargestellten Füllmaterialien, wie Kugeln, Mikroballons sowie der leitende Kunststoff zum besseren Veständnis der Erfindung gegenüber der tatsächlichen Ausführung stark vergrößert dargestellt sind, um die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Heizelemente besser erläutern zu können.

Von Vorteil ist es weiters, wenn als leitendes Kunststoffmaterial ein leitender Kunststoff verwendet wird, wie er in dem Österreichischen Patent Nr. 313 588 des gleichen Erfinders beschrieben ist. Die Vorteile dieses elektrisch leitenden Kunststoffes liegen darin, daß er neben einem positivem Koeffizienten seines elektrischen Widerstandes einen guten Korrosionsschutz bildet und somit ein dauerhafter Bestand der erfindungsgemäßen Heizelemente auch in agressiver Umgebung gewährleistet ist. Vor allem ist zu beachten, daß die zur Verwendung gelangenden elektrisch leitenden Kunststoffe die für die erfindungsgemäßen Heizelemente eingesetzt werden bzw. als Füllmaterialien oder Mikroballons eingesetzt werden lösungsmittel frei sind.

Die vorstehend beschriebenen Heizelemente 1,12,41 können im Rahmen der Erfindung in beliebigen Lagen und Ausführungen zur Beheizung von Behältern, Räumen, Fahrzeugen oder dgl. eingesetzt werden. Sie sind mit gleichen Vorteilen als Decken- oder Wandheizungselemente verwendbar. Vorteilhaft eignen sie sich auch für den Einsatz als Rohrverkleidungen bzw. Isolierungen für Fallrohre bei Dachrinnen oder in Verbindung mit Leitungen die frostfrei zu halten sind.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß der Stromdurchgang nicht entsprechend der kürzesten Verbindung zwischen den beiden durch die Schicht 4 distanzierten Elektroden erfolgen kann, sondern durch die Füllmaterial!en abgelenkt bzw. umgelenkt wird und diese umgehen muß, wodurch eine optimale Ausnutzung der zugeführten elektrischen Heizenergie gewährleistet erscheint.

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Claims

Patentansprüche

1.) Heizelement mit einer einen elektrischen Widerstand bildenden ichicht, die zwischen zwei zueinander und zur Schicht etwa parallel verlaufenden flächenförmigen Elektroden angeordnet ist und gegebenenfalls mit einer auf der von der Schicht abgewendeten Seite der Elektrode angeordneten Isolierschicht, bei dem der Stromfluß senkrecht zu einer Ebene erfolgt, die zu der den Widerstand bildenden Schicht in etwa parallel verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4,21,54) thermisch isolierend ausgebildet und mit einem elektrisch leitenden Kunststoff (6,16,57), insbesondere mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes durchsetzt ist und die den beiden Oberflächen (10,11) zugeordneten Elektroden (2,3;22,23) im wesentlichen über den leitenden Kunststoff (6,16,57) leitend miteinander verbunden sind.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Kunststoff (6,16,57) im wesentlichen lösungsmittelfrei in Art eines Thermoplastes mit makromolekularem Aufbau ausgebildet ist und vorzugsweise aus einem Acryl at mit mindestens zum Teil vernetzten Polymeren mit geringem Weichmacheranteil besteht der Halbleitereigenschaften sowie einen relativ geringen Kohlenstoffanteil aufweist, wobei die Kohlenstoffbestandteile frei schwebend im Kunststoff angeordnet sind.

3. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch isolierende Schicht (4,21,54) über Bindemittel zusammengehaltene Füllmaterialien (5) aufweist, wobei das Bindemittel (15) den elektrisch leitenden Kunststoff (6,16,57) umfaßt.

4. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (5) korn- und bzw. oder kugelförmig ausgebildet ist und vorzugsweise aus Mikroballons (19,55) besteht.

ORIGINAL INSPECTED

5. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmaterialien (5) durch korn- und bzw. oder kugelförmige Isoliermaterialien, z.B. vorgeschäumtes Polystyrol oder dgl. gebildet sind, die mit dem elektrisch leitenden Kunststoff (6,16,57) als Bindemittel (15) den Tragkörper bilden.

6. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmaterialien (5), z.B. Kugeln (13) oder Mikroballons (19,55) aus Kunststoff oder keramischen Massen, z.B. Glas mit dem leitenden Kunststoff (6,16,57) umhüllt und vorzugsweise miteinander sowie gegebenenfalls mit den Elektroden (2,3;22,23) zusammengesintert sind.

7. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch isolierende Schicht als plattenförmiger Tragkörper insbesondere als Wärmedämmplatte (24) ausgebildet ist.

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8. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich- § \

■» riet, daß die \hermisch isolierende Schicht (4,21,54) mit den Elektroden (2,3;22,23) einstückig verbunden und innerhalb einer Würmedammplatte (24) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.

9. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2,3;22,23) durch Folien (17) aus Metall und bzw. oder insbesondere leitfä'higen Kunststoffen gebildet und über den elektrisch leitenden Kunststoff mit der thermisch isolierenden Schicht (4,21,54) einstückig verbunden sind, wobei gegebenenfalls zwischen der thermisch isolierenden Schicht (4,21,54) und der Folie (17) eine schwarze Beschichtung (18) als Schwarzkörper angeordnet ist.

10. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2,3;22,23) durch mit einem insbesondere als Schwarzkörper dienenden leitenden Kunststoff (6,16,57) beschichtete Folien (17) gebildet sind, zwischen welchen das beschichtete Füllmaterial (5) als thermisch isolierende Schicht (4,21,54) angeordnet ist.

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11. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des elektrischen Kunststoffes (6,16,57) in der thermisch isolierenden Schicht (4,21,54) insbesondere während des Heizvorganges, in Abstrahlungsrichtung zum zu erwärmenden Objekt zunimmt und vorzugsweise mehrere thermisch isolierende Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten einen Tragkörper bilden.

12. Verfahren zum Herstellen eines Heizelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender flüssiger Kunststoff (6,16,57) mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes mit korn- und bzw. oder kugelförmigen Füllmaterialien (5) vermischt und das Gemisch aus Kunststoff und Füllmaterialien zwischen zwei leitenden Folien in eine Form eingebracht wird, worauf die Formhälften zusammengepreßt werden und der Kunststoff ausgehärtet wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach einem der An-

Sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmaterialien (5) und ^ vorzugsweise die einander zugewendeten Seiten der aus leitenden Folien \ (17) gebildeten Elektroden mit einem leitenden thermoplastischen Kunststoff insbesondere mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes beschichtet werden, worauf der Kunststoff ausgehärtet wird, wonach die beschichteten Füllmaterialien zwischen die beiden mit ihren beiden Beschichtungen einander zugewendeten Folien (17) eingebracht und die Folien zusammengedrückt werden, wobei gleichzeitig die beiden Folien mit einer Spannungsquelle verbunden werden und an die Folien ein Mehrfaches der Betriebsspannung angelegt wird, worauf das Heizelement über den Schmelzpunkt des thermoplastischen Kunststoffes erhitzt und die Füllmaterial! en untereinander und mit den Folien zusammengesintert werden.

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