2012-2014 Thermofoil
Entwicklung eines innovativen Heizsystems durch die Kombination von Kohlenstoff-Nanopartikel dotierten Polymeren und thermisch gespritzten Metallschichten
Kurzbeschreibung
Das Projekt Thermofoil befasst sich mit der Entwicklung eines innovativen elektrischen Fl?chenheizsystems, das auf jeder beliebigen Fl?chengeometrie 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 vollfl?chige Kontaktierung der eigentlichen Heizschicht und daraus resultierend ein senkrecht zur Fl?che flie?ender 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 Besch?digungen. Zum Nachweis der hohen Funktionalit?t 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. |
F?rderstelle
AiF (ZIM-Kooperationsprojekt) (04/2012 - 03/2014) |
Herstellungsprozess des innovativen Heizsystems
Das Heizsystem wird in einem Schichtaufbauverfahren hergestellt. Zun?chst 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 Dr?hten aus metallischem Werkstoff wird ein Lichtbogen gezündet, wodurch die Dr?hte aufgeschmolzen werden. Die verflüssigten Metalltropfen werden durch einen Gasstrom in Richtung des Substrats geschleudert und erstarren an der Oberfl?che. 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 sp?ter die Heizwirkung erzeugt wird. Das Polymer wird mit Ru?partikeln und Kohlenstoff-Nanor?hren (Carbon Nanotubes) dotiert um die elektrische Leitf?higkeit des Polymers zu erh?hen. Als Verfahren hierfür eignet sich Sprühen, Rakeln oder Aufrollen.
Anschlie?end 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 Leitf?higkeit um die elektrischen Auswirkungen der Nanopartikel korrekt zu berücksichtigen.
Die einzelnen Schichten wurden als Kontaktk?rper definiert um Kontaktübergangskoeffizienten für die W?rmeleitung 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 repr?sentiert. Sie ist bezüglich Position, r?umlicher Ausdehnung und St?rke variabel. Au?erdem wurden W?rmeverluste an die Umgebung integriert, dazu wurde das Modell der freien Konvektion herangezogen.
Skalierung des Demonstrators
Es wurde untersucht, wie sich das Heizsystem bei anderen Gr??en/Dimensionierungen verh?lt. 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 k?ltesten Punkt des Demonstrators und der Stromzuführung (gemessen an der Oberfl?che) gegen die Kantenl?nge des Systems aufgetragen. Man erkennt, dass der Temperaturunterschied mit steigender Kantenl?nge des Systems sehr stark zunimmt. Bereits ab einer Kantenl?nge von 300 mm entstehen im System Temperaturunterschiede von 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 als 10 °C.
Variation der Betriebsspannung des Heizsystems
Ein weiterer Ansatzpunkt um ein gleichm??igeres Temperaturfeld des Heizsystems zu erreichen ist die Erh?hung der Betriebsspannung. Es soll u. a. gekl?rt werden, welche Auswirkung das Erh?hen der Betriebsspannung auf das Heizsystem hat.
Variation der Kontaktschichtdicken
Ein weiterer Parameter, der ver?ndert werden kann, ist die Dicke der Kontaktschicht. Durch Erh?hung der Kontaktschichtdicke verringert sich der Widerstand in L?ngen- und Breitenrichtung des Heizsystems, dadurch kann sich der Strom besser verteilen bevor er durch die Kontaktschicht flie?t. Das Verh?ltnis des Widerstands der Kontaktschicht zum Widerstand der Heizschicht wird ebenfalls kleiner, was wie im vorigen Kapitel gezeigt einen positiven Effekt auf die Homogenit?t 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 Ver?nderungen durch die anderen Widerst?nde 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 ?berhitzen.
Untersucht wurde ein System mit einer Kantenl?nge von 500 mm bei einer Betriebsspannung von 48 V. Die 3 verwendeten spezifischen Widerst?nde 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 Absch?tzung von Endtemperaturen wurde ein Tool entwickelt das bei vorgegebenen Eingabeparametern den zeitlichen Temperaturverlauf des Heizsystems berechnet. Als Grundlage wurde das Blockkapazit?ten-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 ?berhitzen 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.
Zun?chst wurde ein FE-Modell erstellt und auf das Experiment kalibriert. Es wurde gezeigt, dass die unbekannten Randbedingungen und Materialeigenschaften durch einfache analytische ?berlegungen rekonstruiert werden konnten. Es wurde gezeigt, dass L?cher im Heizsystem keine Auswirkungen auf die Temperaturunterschiede auf der Oberfl?che 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 Oberfl?che folgende Konfigurationen m?glich sind:
| Betriebsspannung [V] | Anzahl Stromzuführungen | Max. Abstand Zuführung |
| 6 | 2 | 250 |
| 3 | 400 | |
| ganze Seite | 1500 | |
| 12 | 2 | 400 |
| 24 | 2 | 600 |
| 48 | 2 | 1000 |
Es wurde festgestellt, dass es mit zunehmender Heizsystemgr??e zum ?berhitzen der Stromzuführungen kommt. Dieses Problem l?sst sich am effektivsten durch das steigern der Betriebsspannung und Anpassung des Widerstands der Kontaktschicht beheben. Wenn die Betriebsspannung nicht erh?ht werden kann, müssen 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育ere Stromzuführungen angebracht werden, der maximale Abstand der Zuführungen ist Tabelle 3 zu entnehmen.
Die Ver?nderung der Dicke der Kontaktschichten brachte nur m??igen Erfolg. Beim Erh?hen 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 niederschl?gt.
Es wurden die Auswirkungen von PTC- und NTC-Effekten untersucht. Im Vergleich zum konstanten Widerstand wird bei einem PTC-Effekt im station?ren Zustand eine niedrigere Temperatur erreicht und das System bleibt stabil. Bei einem NTC-Effekt wird das Heizsystem bei den im Experiment gemessenen W?rmeverlusten thermisch instabil und die Temperatur steigt bis ins Unendliche. Wenn die W?rmeverluste h?her gew?hlt werden, kann das System allerdings auch mit einem NTC-Effekt stabil bleiben. Die Temperatur liegt in diesem Fall h?her als bei einem konstanten Widerstand oder dem PTC-Effekt. Die Erh?hung der Dicke des Substrats hatte keine Auswirkungen auf die thermische Stabilit?t des Heizsystems, es wurde lediglich die Aufheizrate gesenkt.
Als Anwendungsbeispiel wurde eine Halbkugel aus Stahl beheizt, es konnte gezeigt werden, dass die Krümmung der Oberfl?che keine Auswirkung auf die Gleichm??igkeit des Temperaturfelds des Heizsystems hat.
Abschlie?end wurde ein Tool zur schnellen Berechnung des zeitlichen Temperaturverlaufs des Heizsystems bei einstellbaren Parametern entwickelt. Die berechneten Temperaturverl?ufe stimmen mit der Durchschnittstemperatur des Heizsystems in der Simulation überein.