Projekt Thermofoil

Projektname:

Entwicklung eines innovativen Heizsystems durch die Kombination von Kohlenstoff-Nanopartikel dotierten Polymeren und thermisch gespritzten Metallschichten

Förderstelle:

AiF (ZIM-Kooperationsprojekt) (04/2012 - 03/2014)

Projektpartner:

Assoziierte Partner:

Beschreibung:

Das Projekt Thermofoil befasst sich mit der Entwicklung eines innovativen elektrischen Flächenheizsystems, das auf jeder beliebigen Flächengeometrie und -topologie generiert werden kann und damit ein sehr hohes Anwendungspotential aufweist. Der Aufbau des Heizsystems erfolgt dabei durch die intelligente Kombination aus Kohlenstoff-Nanopartikel dotierten Polymeren und thermisch gespritzten Kontaktierungsschichten.

Aus dem schichtweisen Aufbau ergibt sich eine vollflächige Kontaktierung der eigentlichen Heizschicht und daraus resultierend ein senkrecht zur Fläche fließender Heizstrom, was eine Innovation im Bereich der Heiztechnologien darstellt. Die Vorteile eines solchen Aufbaus sind eine sehr homogene Temperaturverteilung sowie eine hohe Resistenz gegenüber mechanischen Beschädigungen.

Zum Nachweis der hohen Funktionalität des Heizsystems, werden im Rahmen des Projekts verschiedene Heizsystemdemonstratoren entwickelt und gefertigt. Anhand dieser werden die produktionstechnische Effizienz und das Einsatzpotenzial des neuen innovativen Heizsystems erforscht.

Aktueller Stand:

Herstellungsprozess des innovativen Heizsystems

Das Heizsystem wird in einem Schichtaufbauverfahren hergestellt. Zunächst wird die erste Kontaktschicht durch thermisches Spritzen auf ein durch eine Polymerschicht elektrisch isoliertes Substrat aufgebracht. Als Verfahren dient hier das in Abbildung 1 schematisch dargestellte Lichtbogenspritzen. Zwischen zwei Drähten aus metallischem Werkstoff wird ein Lichtbogen gezündet, wodurch die Drähte aufgeschmolzen werden. Die verflüssigten Metalltropfen werden durch einen Gasstrom in Richtung des Substrats geschleudert und erstarren an der Oberfläche. Die Partikel bilden nach und nach eine dünne metallische Schicht (sowohl durch mechanische Verklammerung als auch durch Anhaften der noch flüssigen Partikel) aus.

Als zweiter Schritt folgt eine Schicht aus einem dotierten Polymer, in der später die Heizwirkung erzeugt wird. Das Polymer wird mit Rußpartikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes) dotiert um die elektrische Leitfähigkeit des Polymers zu erhöhen. Als Verfahren hierfür eignet sich Sprühen, Rakeln oder Aufrollen.

Anschließend wird auf die Heizschicht die zweite Kontaktschicht wiederum mit dem thermischen Spritzen aufgetragen. Im letzten Schritt werden die Stromzuführungen angebracht über die das Heizsystem mit Strom versorgt wird.

Simulationsmodell

Alle Fragestellungen wurden mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) untersucht. Dafür wurden elektro-thermisch gekoppelte numerische Modelle erstellt. Als Substrat wurde Stahl verwendet, darauf wurde eine Isolationsschicht aufgebracht, um das Substrat elektrisch zu isolieren. Auf diese Basis aus Substrat und Isolation wurde das eigentliche Heizsystem, bestehend aus zwei Kontaktschichten aus Zink bzw. Kupfer und der Heizschicht aus dotiertem Epoxidharz, appliziert. Das Harzsystem wird wie normales Epoxid beschrieben, jedoch mit angepassten Eigenschaften der Leitfähigkeit um die elektrischen Auswirkungen der Nanopartikel korrekt zu berücksichtigen.

Die einzelnen Schichten wurden als Kontaktkörper definiert um Kontaktübergangskoeffizienten für die Wärmeleitung und die elektrische Leitung zu berücksichtigen. Für einzelne Untersuchungen wurden diese allerdings als perfekt angenommen. Als Randbedingung wurde eine elektrische Spannung berücksichtigt, welche eine ideale Spannungsquelle repräsentiert. Sie ist bezüglich Position, räumlicher Ausdehnung und Stärke variabel. Außerdem wurden Wärmeverluste an die Umgebung integriert, dazu wurde das Modell der freien Konvektion herangezogen.

Skalierung des Demonstrators

Es wurde untersucht, wie sich das Heizsystem bei anderen Größen/Dimensionierungen verhält. Das FE-Modell wurde in 100 mm Schritten von 100 mm auf 1000 mm skaliert und jeweils für 30 Minuten im Betrieb simuliert.

In der Abbildung ist der Temperaturunterschied zwischen dem kältesten Punkt des Demonstrators und der Stromzuführung (gemessen an der Oberfläche) gegen die Kantenlänge des Systems aufgetragen. Man erkennt, dass der Temperaturunterschied mit steigender Kantenlänge des Systems sehr stark zunimmt. Bereits ab einer Kantenlänge von 300 mm entstehen im System Temperaturunterschiede von mehr als 10 °C.

Variation der Betriebsspannung des Heizsystems

Ein weiterer Ansatzpunkt um ein gleichmäßigeres Temperaturfeld des Heizsystems zu erreichen ist die Erhöhung der Betriebsspannung. Es soll u. a. geklärt werden, welche Auswirkung das Erhöhen der Betriebsspannung auf das Heizsystem hat.

Variation der Kontaktschichtdicken

Ein weiterer Parameter, der verändert werden kann, ist die Dicke der Kontaktschicht. Durch Erhöhung der Kontaktschichtdicke verringert sich der Widerstand in Längen- und Breitenrichtung des Heizsystems, dadurch kann sich der Strom besser verteilen bevor er durch die Kontaktschicht fließt. Das Verhältnis des Widerstands der Kontaktschicht zum Widerstand der Heizschicht wird ebenfalls kleiner, was wie im vorigen Kapitel gezeigt einen positiven Effekt auf die Homogenität des Temperaturfelds hat.

Auswirkungen von PTC und NTC-Effekten

In diesem Abschnitt sollen die Auswirkungen von PTC- und NTC- Effekten auf das Heizsystem untersucht werden und wie sich die Veränderungen durch die anderen Widerstände bei verschiedenen Ausgangssituationen verhalten.

Ein PTC-Effekt (Positive Temperature Coefficient) bedeutet, dass der Widerstand eines elektrischen Leiters bei steigender Temperatur zunimmt. Dies hat zur Folge, dass die elektrische Leistung mit steigender Temperatur abnimmt. Ein NTC-Effekt (Negative Temperature Coefficient) ist das Gegenteil des PTC-Effekts. Der Widerstand des elektrischen Leiters nimmt mit steigender Temperatur ab. Folglich nimmt in diesem Fall die elektrische Leistung mit steigender Temperatur zu und das System neigt zum Überhitzen.

Untersucht wurde ein System mit einer Kantenlänge von 500 mm bei einer Betriebsspannung von 48 V. Die 3 verwendeten spezifischen Widerstände der Heizschicht sind Abbildung 30 zu entnehmen. Der PTC-Effekt wurde aus den im Experiment aufgenommenen Daten rekonstruiert. Der konstante Widerstand entspricht dem Widerstand der Heizschicht bei Raumtemperatur. Der NTC-Effekt wurde angenommen und entspricht einer Widerstandreduzierung von 10% pro 100 °C Temperaturanstieg.

Tool zur schnellen Vorhersage 

Zur schnellen Abschätzung von Endtemperaturen wurde ein Tool entwickelt das bei vorgegebenen Eingabeparametern den zeitlichen Temperaturverlauf des Heizsystems berechnet. Als Grundlage wurde das Blockkapazitäten-Modell herangezogen. Dieses Modell berücksichtigt keine Temperaturgradienten oder abfallendes elektrisches Potential in den beiden Kontaktschichten. Es eignet sich folglich nicht zur Vorhersage von unerwünschten Effekten wie dem Überhitzen der Stromzuführungen.

Zusammenfassung

Es wurde ein Innovatives Heizsystem bestehend aus einem Sandwichaufbau auf seine elektrothermischen Eigenschaften bei Variation von verschiedenen Parametern untersucht. Der Sandwichaufbau besteht aus einem Substrat mit Isolationsschicht auf die eine metallische Kontaktschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht wurde, gefolgt von der Heizschicht aus einem dotiertem Polymer und der zweiten metallischen Kontaktschicht.

Zunächst wurde ein FE-Modell erstellt und auf das Experiment kalibriert. Es wurde gezeigt, dass die unbekannten Randbedingungen und Materialeigenschaften durch einfache analytische Überlegungen rekonstruiert werden konnten. Es wurde gezeigt, dass Löcher im Heizsystem keine Auswirkungen auf die Temperaturunterschiede auf der Oberfläche des Heizsystems haben.

Ausgehend von dem kalibrierten FE-Modell wurden die Abmessungen, die Betriebsspannung und die Positionierung und Anzahl der Stromzuführungen variiert. Die Untersuchungen haben ergeben, dass bei einem maximal erlaubten Temperaturunterschied an der Oberfläche folgende Konfigurationen möglich sind:

Tabelle: Maximale Kantenlänge des Heizsystems bei bestimmten Konfigurationen

Es wurde festgestellt, dass es mit zunehmender Heizsystemgröße zum Überhitzen der Stromzuführungen kommt. Dieses Problem lässt sich am effektivsten durch das steigern der Betriebsspannung und Anpassung des Widerstands der Kontaktschicht beheben. Wenn die Betriebsspannung nicht erhöht werden kann, müssen mehrere Stromzuführungen angebracht werden, der maximale Abstand der Zuführungen ist Tabelle 3 zu entnehmen.

Die Veränderung der Dicke der Kontaktschichten brachte nur mäßigen Erfolg. Beim Erhöhen der Dicke konnte der maximale Temperaturunterschied von 16 °C auf 3,3 °C verringert werden. Folglich müsste das Heizsystem doppelt so dick werden, was sich auch in einer Verringerung der Aufheizrate niederschlägt.

Es wurden die Auswirkungen von PTC- und NTC-Effekten untersucht. Im Vergleich zum konstanten Widerstand wird bei einem PTC-Effekt im stationären Zustand eine niedrigere Temperatur erreicht und das System bleibt stabil. Bei einem NTC-Effekt wird das Heizsystem bei den im Experiment gemessenen Wärmeverlusten thermisch instabil und die Temperatur steigt bis ins Unendliche. Wenn die Wärmeverluste höher gewählt werden, kann das System allerdings auch mit einem NTC-Effekt stabil bleiben. Die Temperatur liegt in diesem Fall höher als bei einem konstanten Widerstand oder dem PTC-Effekt. Die Erhöhung der Dicke des Substrats hatte keine Auswirkungen auf die thermische Stabilität des Heizsystems, es wurde lediglich die Aufheizrate gesenkt.

Als Anwendungsbeispiel wurde eine Halbkugel aus Stahl beheizt, es konnte gezeigt werden, dass die Krümmung der Oberfläche keine Auswirkung auf die Gleichmäßigkeit des Temperaturfelds des Heizsystems hat.

Abschließend wurde ein Tool zur schnellen Berechnung des zeitlichen Temperaturverlaufs des Heizsystems bei einstellbaren Parametern entwickelt. Die berechneten Temperaturverläufe stimmen mit der Durchschnittstemperatur des Heizsystems in der Simulation überein.