DE102020100226A1

DE102020100226A1 - Elektrische Heizmatte

Info

Publication number: DE102020100226A1
Application number: DE102020100226.2A
Authority: DE
Inventors: Mario Schrödner; Hannes Schache; Lajos Szabó; Marcel Ehrhardt
Original assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Current assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-07-08
Also published as: EP3849277A1; US20210207815A1; JP2021131221A; CN113099561A; KR20210089586A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Flächenheizung oder Heizmatte basierend auf einer elektrisch leitfähigen Polymerfolie oder einem leitfähigen Polymerschaum, die lokal nur dort heizt, wo sich Personen, Tiere oder Gegenstände auf der Matte befinden. Dadurch kann im Vergleich zu einer ganzflächigen Heizung Energie eingespart werden. Idealerweise funktioniert diese lokale Wärmeerzeugung ohne irgendeine externe elektronische Steuerung oder Regelung.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Flächenheizung oder Heizmatte basierend auf einer elektrisch leitfähigen Polymerfolie oder einem leitfähigen Polymerschaum, die lokal nur dort heizt, wo sich Personen, Tiere oder Gegenstände auf der Matte befinden. Dadurch kann im Vergleich zu einer ganzflächigen Heizung Energie eingespart werden. Idealerweise funktioniert diese lokale Wärmeerzeugung ohne irgendeine externe elektronische Steuerung oder Regelung.
[Stand der Technik]
Elektrische Flächenheizungen finden vielfältige Anwendung u.a. als Wandheizung, Fußbodenheizung, Spiegelheizung, Terrarienheizung, Wasserbettenheizung, beheizbare Fußmatte, und vielen anderen mehr. Während z.B. für die Beheizung von Räumen eine großflächige Wärmeabgabe gewünscht ist, benötigt man bei beheizbaren Fußmatten oder Heizdecken für Haustiere, z.B. Hunde, die Wärme nur dort wo direkter Kontakt besteht. Bekannte elektrische Flächenheizsysteme erzeugen die Wärme durch Umwandlung elektrischer Energie (Joulsche Wärme). Sie bestehen z.B. aus leitfähigen Kunststoffen, die flächig ganz oder teilweise mit Elektroden, die auch als Leiterbahnen ausgeführt sein können, kontaktiert sind. Alternativ können auch metallische Leiterbahnen auf der Heizfläche, die auf einem isolierenden Trägermaterial durch Ätzen oder Drucken erzeugt werden, selbst als Widerstandsheizung verwendet werden.
All diesen elektrischen Flächenheizungen ist gemeinsam, dass mit der Lage und Fixierung der Elektroden der lokale Stromfluss und damit die lokale Wärmeentwicklung endgültig festgelegt sind. Eine örtlich selektive Ansteuerung ist dann nur möglich, wenn einzelne Sektoren der Heizfläche aktiv geregelt werden.
Eine Alternative offenbart das Patent JPH0624768, das eine partielle und selektive Stromzufuhr mittels eines drucksensitiven Widerstands beschreibt. Ein Nachteil dieser Erfindung ist, dass je nach angestrebter Ortsauflösung mehrere Drucksensoren implementiert werden müssen. In der Patentschrift JPH09245937 wird dieser Nachteil überwunden, indem die elektrisch leitfähige heizende Schicht selbst druckempfindlich ausgeführt wird, sodass Stromwärme nur dort generiert wird, wo eine Kraft bzw. Druck einwirkt. Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass selbst im unbelasteten Fall auf Grund des noch vorhandenen endlichen Widerstands ein Reststrom fließt, infolge dessen permanent eine geringe Energiemenge verbraucht wird. Mit der vorliegenden Erfindung wird auch dieser Nachteil überwunden, da im unbelasteten Fall kein Ruhestrom fließt. Kein Ruhestrom im Sinne dieser Erfindung bedeutet, dass die Stromstärke kleiner als 1 mA ist.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung für eine elektrische Flächenheizung oder Heizmatte basierend auf einer elektrisch leitfähigen Polymerfolie oder einem elektrisch leitfähigen Polymerschaum anzugeben, die lokal nur dort heizt, wo sich Personen, Tiere oder Gegenstände auf der Fläche/Matte befinden und die im unbelasteten Zustand keinen Stromfluss aufweist. Dadurch kann Heizenergie reduziert werden. Für die technische Lösung werden keine Sensoren und keine elektrischen Regelungen benötigt.
Konkret wird die Lösung der Aufgabe dadurch erreicht, dass ein Material aus elektrisch leitfähigem Kunststoff (1) mit Elektroden (2), (3) auf der Ober- und Unterseite kontak-tiert wird. Zusätzlich befinden sich auf der Oberseite und/oder Unterseite des leitfähigen Kunststoffs Abstandshal-ter (4) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Hierdurch erfolgt zwischen den Elektroden kein stoff- oder kraftschlüssiger Kontakt. Erst durch Druckerhöhung infolge einer lokalen Belastung auf der Fläche wird ein enger Kontakt der Elektroden zum Heizkörper hergestellt, wodurch in diesem Bereich Strom fließen kann und Wärme erzeugt wird.
Bei dem elektrisch leitfähigen Kunststoff kann es sich sowohl um einen intrinsisch leitfähigen Kunststoff handeln, als auch um einen Kunststoff, der durch Zusatz von Additiven leitfähig gemacht wurde.
Als intrinsisch leitfähige Polymere können dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiophen, Polyanilin, Polypyrrol oder Polythiophen eingesetzt werden.
Nicht intrinsisch elektrisch leitfähige Kunststoffe können durch Zusatz von elektrisch leitfähigen Additiven leitfähig gemacht werden. Geeignete Additive umfassen beispielsweise Ruß, Graphit, Graphen, Metallpartikel und Kohlenstoffnanotubes. Die Kunststoffe umfassen Polymere mit einer ausschließlich aus Kohlenstoff bestehenden Hauptkette, wie z.B. Polyethylen und Polypropylen, außerdem Polyamide, Polyurethane, Polyester und Silikone.
Der elektrisch leitfähige Kunststoff kann sowohl massiv als auch porös oder geschäumt vorliegen. In Abhängigkeit vom zugrundeliegenden Polymer kann er steif oder flexibel sein.
Besonders bevorzugt sind leitfähige Kunststoffe mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des elektri-schen Widerstands, die eine selbständige Reduktion des Stroms und damit der Wärmeerzeugung mit zunehmender Temperatur realisieren.
Die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffs liegt zwischen 102 und 105 S/m, bevorzugt zwischen 10² und 104 S/m.
Vorteilhafterweise besitzen die flächigen Elektroden eine gewisse mechanische Flexibilität, wodurch ein reversib-les Andrücken und Ablösen des Kontaktes an den Heizkörper unter Druck ermöglicht wird. Geeignete flächige Elektroden können z.B. Metallfolien, metallbeschichtete Polymerfolien, metallische Drahtgewebe, metallisierte Gewebe oder leitfähige Schäume sein, die einen ausreichend kleinen elektrischen Zuleitungswiderstand gewährleisten. Das Material des Flächenheizkörpers (1) ist bevorzugt ein leitfähiger Kunststoff in Form einer Folie oder Platte oder ein leitfähiger Schaum.
Zur Verhinderung des Stromflusses im unbelasteten Zu-stand ist es nötig zwischen die Elektroden (2), (3) und dem elektrisch leitfähigen Flächenheizkörper (1) in gewissen Abständen punktuell oder linienförmig elektrisch nicht leitende Abstandshalter (4) anzubringen, die verhindern, dass die Elektroden lokal begrenzt zufällig in Kontakt mit dem Flächenheizkörper kommen. Durch das erfindungsgemäße Anbringen der Abstandshalter wird die Stromstärke gänzlich auf null reduziert. Die Abstandshalter (4) können dünne, flexible Schaumstofffolien oder dünne Textilfasern sein. Dabei ist darauf zu achten, dass die von den Abstandshaltern (4) bedeckte Fläche sehr klein, möglichst kleiner als 10%, im Vergleich zur gesamten Fläche der Heizmatte ist.
Bevorzugte Ausführungsformen
In einer 1. Ausführungsform besteht der elektrisch leitfähige Kunststoff (1) aus einer leitfähigen Schaumstoffplatte, die Elektroden (2), (3) aus einem metallischen Drahtgewebe und die Abstandshalter (4) aus dünnen Polyesterfasern, die in einem Abstand von mehreren Zentimetern zwischen der Schaumstoffplatte und den Elektroden verlegt sind.
In einer 2. Ausführungsform sind als Abstandshalter (4) dünne Schaumstoffpads mit einer lateralen Ausdehnung von wenigen Millimetern in einem Abstand von mehreren Zentimetern auf die Schaumstoffplatte aufgeklebt.
In einer 3. Ausführungsform sind die Elektroden (2), (3) durch ein metallisiertes Gewebe realisiert. Ein wesentlicher Vorteil dieser Elektroden gegenüber dem metallischen Drahtge-webe aus der 1. und 2. Ausführungsform ist die höhere Flexi-bilität und das geringere Gewicht.
[Beispiele]
Beispiel 1
Dieses Beispiel zeigt das Wirkprinzip der Erfindung. Ein leitfähiger PE-Schaumstoff (ELS-M) mit den Abmessungen 470 x 320 mm und der Dicke 6 mm wird beidseitig mit Netzelektroden aus Edelstahl belegt. Die Netzelektroden bestehen aus Edelstahldrähten mit einer Maschenweite von 1,4 mm und werden am Rand lose am Schaumstoff fixiert. Zwischen die untere Netzelektrode und den leitfähigen Schaumstoff wurden als Abstandshalter PET-Kunststofffilamente mit einem Durchmesser von 0,5 mm im Abstand von ca. 6 cm in das Drahtgewebe eingeflochten. Zwischen die obere Netzelektrode und den leitfähigen Schaumstoff wurden als Abstandshalter 28 Schaumstoffplättchen (2 mm dünn) im Abstand von ca. 8 cm aufgeklebt. Prinzipiell kann man auch andere Materialien und Formkörper als Abstandshalter verwenden, solange sie nicht den flächigen Kontakt der Elektroden zum leitfähigen Schaumstoff im Belastungsfall verhindern.
Legt man an die Elektroden eine Spannung von 60 Volt, so fließt im unbelasteten Fall durch die Heizmatte kein messbarer Strom. Belastet man die Matte lokal, beginnt an dieser Stelle ein deutlich höherer Strom zu fließen. In einem Beispiel erfolgte die Belastung, vorgegeben durch die Geometrie der Auflage, in einem ringförmigen Bereich mit einem inneren Durchmesser von 3,5 cm und einem äußeren Durchmesser von 6,6 cm. Das entspricht einer Auflagefläche von 24,6 cm². Belastet man die Fläche mit einer Masse von 9,4 kg, so fließt ein Strom von 140 mA. Das entspricht einer lokalen Stromdichte von 5,7 mA/cm². Erhöht man die Last auf 13,3 kg, erhöht sich die Stromstärke auf 160 mA respektive 6,5 mA/cm². Infolge dessen kommt es zu einer Temperaturerhöhung um 30 - 35 K im Vergleich zum unbelasteten Teil der Matte.
In einer zweiten Variante wird der zentrale Teil der Matte im Bereich eines Rechtecks von 31x20 cm mit einem Gewicht von 80 kg beaufschlagt. Die Stromstärke beträgt jetzt 1,3 A und die lokale Stromdichte 2,1 mA/cm².
Betritt eine Person mit einem Gewicht von ca. 75 kg, die Matte, so fließt ein Strom von 1,34 A. Mit der Annahme einer Sohlenfläche von ca. 500 cm² ergibt sich eine Stromdichte von 2,7 mA/cm². Die so generierte elektrische Leistung von 80 Watt führt zu einer schnellen Aufheizung der Matte unterhalb der Füße, wobei nach ca. 10 Sekunden eine Temperaturerhöhung zwischen 15 und 25 Grad je nach Fußkontakt mittels Thermografie nachweisbar ist (Bild 2).
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt die Bedeutung der Abstandshalter für die Reduzierung des Ruhestroms im unbelasteten Fall, dadurch dass keine Abstandshalter verwendet werden. Ein leitfähiger Schaumstoff mit den Abmessungen 21 × 21 cm² und der Dicke 7 mm wird beidseitig mit Netzelektroden aus Edelstahl belegt. Die Netzelektroden bestehen aus Edelstahldrähten mit einer Maschenweite von 1,4 mm und werden am Rand lose am Schaumstoff fixiert. Abstandshalter fehlen. Legt man an die Elektroden eine Spannung von 60 Volt, so fließt ohne Belastung durch die Heizmatte ein kleiner aber gut messbarer Strom von 10 mA, der durch zufällige punktuelle Kontakte verursacht wird. Belastet man die Matte lokal, beginnt an dieser Stelle ein höherer Strom vergleichbar wie in Beispiel 1, zu fließen.
Bezugszeichenliste

1: leitfähiger Kunststoff
2: obere Elektrode
3: untere Elektrode
4: Abstandshalter
5: Heizmatte

Claims

Elektrische Flächenheizung bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffkörper sowie einer oberen und einer unteren Elektrode an denen eine elektrische Spannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Elektroden flexibel ist und zwischen oberer Elektrode und Kunststoffkörper und/oder unterer Elektrode und Kunststoffkörper in definierten Abständen räumlich eng begrenzt dünne Abstandshalterhalter aufgebracht werden, so dass im unbelasteten Zustand kein Strom fließt, bei Belastung jedoch sich die flexible Elektrode durchbiegt und einen stoffschlüssigen Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Kunststoffkörper bildet, und damit ein lokaler Stromfluss und eine Erwärmung realisiert wird.
Elektrische Flächenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Kunststoffkörper intrinsisch leitfähig ist, z.B. dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiophen, Polyanilin, Polypyrrol oder Polythiophen.
Elektrische Flächenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Kunststoffkörper durch Zusatz von Additiven leitfähig gemacht wird, z.B. durch Ruß, Graphit, Graphen, Metallpartikel und Kohlenstoffnanotubes.
Elektrisch leitfähiger Kunststoffkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ausgewählt wird aus der Gruppe der Polymere mit einer ausschließlich aus Kohlenstoff bestehenden Hauptkette, z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid, Polyvinilydenchlorid, Polyethylenvinylacetat-Copolymer oder aus der Gruppe der Polyamide, Polyurethane, Polyester oder Silikone.
Elektrisch leitfähiger Kunststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper entweder massiv oder porös oder geschäumt vorliegt.
Elektrisch leitfähiger Kunststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des elektrischen Widerstands besitzt.
Elektrisch leitfähiger Kunststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffs zwischen 10² und 10⁵ S/m, bevorzugt zwischen 10² und 10⁴ S/m liegt.
Elektrische Flächenheizung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Elektroden z.B. Metallfolien, metallbeschichtete Polymerfolien, metallische Drahtgewebe, metallisierte Gewebe oder leitfähige Schäume sein können.
Elektrische Flächenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter elektrisch nicht leitfähig sind und in gewissen Abständen punktuell oder linienförmig auf der Ober- und/oder Unterseite des elektrisch leitfähigen Kunststoffkörper angebracht sind.
Abstandshalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Schaumstofffolien oder Textilfasern handelt und die von den Abstandshaltern bedeckte Fläche kleiner als 10% der Gesamtfläche des elektrisch leitfähigen Kunststoffkörpers ist.