DE102005044490A1

DE102005044490A1 - Arrangement and heating element

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Publication number: DE102005044490A1
Application number: DE200510044490
Authority: DE
Inventors: Christopher Dr. Klatt; Dirk W. Dr. Schubert; Benno Schmied; Christoph Dr. Gund; Werner Kattge; Achim Gruber
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-22
Also published as: WO2007031324A1

Abstract

Anordnung, umfassend mindestens eine Lage (1), welche eine Matrix (2) aus funktionalen Fasern umfasst, wobei die Matrix (2) elektrisch leitfähig und/oder erwärmbar ist und wobei die Matrix (2) über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar ist, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine solche Anordnung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass diese im Hinblick auf deren thermisches Verhalten an unterschiedliche Anforderungen problemlos anpassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische funktionale Fasern umfasst. Eine gattungsbildende Anordnung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) Mittel (3, 4, 5) zur Schaffung von gegeneinander elektrisch isolierten leitenden Abschnitten (6, 7, 8) umfasst.An arrangement comprising at least one layer (1) which comprises a matrix (2) of functional fibers, the matrix (2) being electrically conductive and / or heatable and the matrix (2) being connectable to a current or voltage source via contact lines is, with regard to the task of designing and developing such an arrangement in such a way that it can be easily adapted to different requirements with regard to its thermal behavior, characterized in that the matrix (2) comprises exclusively non-metallic functional fibers at least in some areas. A generic arrangement is further characterized in that the matrix (2) comprises means (3, 4, 5) for creating conductive sections (6, 7, 8) that are electrically isolated from one another.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung betrifft Anordnungen, umfassend mindestens eine Lage, welche eine Matrix aus funktionalen Fasern umfasst, wobei die Matrix elektrisch leitfähig und/oder erwärmbar ist und wobei die Matrix über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren Heizelemente, die eine solche Anordnung umfassen.The The invention relates to arrangements comprising at least one layer, which comprises a matrix of functional fibers, wherein the matrix electrically conductive and / or heated is and where the matrix is over Contact leads can be connected to a current or voltage source is. The invention further relates to heating elements, the one such arrangement.

Stand der TechnikState of technology

Anordnungen und Heizelemente der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Solche Anordnungen finden unter anderem in Heizelementen im Automotive-Bereich Verwendung. Insbesondere werden Anordnungen dieser Art in Sitzheizungen verwendet. Dabei kann die Matrix mit funktionalen Fasern durchsetzt sein, welche sich bei Einleitung eines Stroms erwärmen und hierdurch nachgeordnete Bauteile wie Sitzbezüge erwärmen können.arrangements and heating elements of the type mentioned are from the prior Technology already known. Such arrangements find, inter alia in heating elements in the automotive sector use. Especially arrangements of this kind are used in seat heaters. there the matrix may be interspersed with functional fibers which to heat up when a current is introduced and thus subordinate Components such as seat covers heat can.

Nachteilig bei den gattungsbildenden Anordnungen ist jedoch, dass funktionale Fasern aus bestimmten Materialien einer langen Erwärmungszeit bedürfen und nach einmaliger Erwärmung über einen relativ langen Zeitraum in warmem Zustand verbleiben. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass ein einmalig erwärmtes Element nach Abschalten des Stroms nur in aufwendiger Weise wieder abzukühlen ist. Dies ist dann nachteilig, wenn bestimmte Bereiche rasch aber nur kurzzeitig erwärmt werden sollen. Insoweit sind die gattungsbildenden Anordnungen durch eine große Trägheit in Bezug auf deren thermisches Verhalten gekennzeichnet. Des Weiteren sind die gattungsbildenden Anordnungen nicht geeignet, Bereiche definiert unterschiedlichen thermischen Verhaltens zu generieren.adversely in the generic arrangements, however, is that functional Require fibers from certain materials a long heating time and after one-time warming over a relative remain in a warm condition for a long period of time. This has particular the disadvantage that a once heated element after switching off the flow is cool again only in a complex manner. This is disadvantageous when certain areas are heated quickly but only for a short time should. In that regard, the generic formations are by a size inertia characterized in terms of their thermal behavior. Furthermore the generic formations are not suitable areas defined to generate different thermal behavior.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Anordnungen der eingangs genannten Art derart aus zu gestalten und weiter zu bilden, dass diese im Hinblick auf deren thermisches Verhalten an unterschiedliche Anforderungen problemlos anpassbar sind.Of the The present invention is therefore based on the object, arrangements of the type mentioned above to make out and continue to form these with regard to their thermal behavior different requirements are easily customizable.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Anordnung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Matrix zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische, funktionale Fasern umfasst.The previously indicated task is by an arrangement with the features of claim 1. Thereafter, an arrangement of the type mentioned is configured and further developed that the matrix at least partially exclusively non-metallic, includes functional fibers.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass eine Matrix, welche zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische Fasern umfasst, in diesen Bereichen schnell erwärmbar und abkühlbar ist. Nichtmetallische Fasern geben gespeicherte Wärme besonders rasch an die Umgebung ab. Des Weiteren sind solche Fasern in einer Dicke herstellbar, die nur geringe Stromstärken zu deren rascher Erwärmung erforderlich machen.In according to the invention has been recognized that a matrix, which at least partially exclusively comprises non-metallic fibers, in these areas quickly heated and be cooled is. Non-metallic fibers give stored heat extra quickly to the environment. Furthermore, such fibers are in one Thickness can be produced, which requires only low currents for their rapid heating do.

Insoweit ist eine Anordnung realisiert, die im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten problemlos an unterschiedliche Anforderungen anpassbar ist.in this respect is an arrangement realized in terms of its thermal Behavior easily adaptable to different requirements is.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Patentanspruch 1 die eingangs genannte Aufgabe gelöst.consequently is with the inventive arrangement according to claim 1 the object mentioned above solved.

Patentanspruch 2 löst ebenfalls die genannte Aufgabe. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass Mittel zur Schaffung von gegeneinander elektrisch isolierten leitenden Abschnitten ermöglichen, die Stromstärke in einzelnen Bereichen zu erhöhen und in anderen zu erniedrigen. Hierdurch ist es möglich, in einem oder mehreren definierten Bereichen eine raschere Wärmeentwicklung zu erzielen als in benachbarten. Durch geeignete Anordnung der Mittel kann der Strom auf einem bestimmten Weg geleitet werden, wobei einzelne Abschnitte des Weges stärker und andere weniger stark erwärmt werden können. claim 2 releases also the mentioned task. According to the invention, it has been recognized that Means for providing mutually electrically isolated conductive Enable sections that amperage to increase in individual areas and to humiliate in others. This makes it possible in one or more defined areas to achieve faster heat generation as in neighboring. By suitable arrangement of the means of the Electricity will be routed along a particular path, with individual sections the way stronger and others less heated can be.

Insoweit ist mit Patentanspruch 2 eine Anordnung realisiert, die im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten problemlos an unterschiedliche Anforderungen anpassbar ist.in this respect is with claim 2, an arrangement realized in terms of on their thermal behavior easily to different requirements is customizable.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Patentanspruch 2 die eingangs genannte Aufgabe ebenfalls gelöst.consequently is with the inventive arrangement according to claim 2, the object mentioned above also solved.

In besonders vorteilhafter Weise könnten die funktionalen Fasern ausschließlich Kohlenstofffasern umfassen. Des Weiteren könnte die Matrix ausschließlich aus Kohlenstofffasern bestehen. Eine Matrix, die Kohlenstofffasern umfasst, lässt sich besonders leicht entsorgen, da Kohlenstofffasern nicht umweltgefährdend sind. Des Weiteren zeichnen sich Kohlenstofffasern durch ein besonders günstiges Wärmeleitfähigkeitsverhalten aus. Kohlenstofffasern speichern Wärme nur schlecht und geben daher rasch ihre Wärme an die Umgebung ab. Des Weiteren sind sie in einer Dicke herstellbar, die bei geringer Länge der Fasern einen großen elektrischen Widerstand bewirkt.In particularly advantageous way could the functional fibers comprise exclusively carbon fibers. Furthermore could the matrix exclusively consist of carbon fibers. A matrix, the carbon fibers includes, lets Dispose of particularly easily, since carbon fibers are not environmentally hazardous. Furthermore, carbon fibers are characterized by a special favorable thermal conductivity behavior out. Carbon fibers store heat only badly and give therefore their heat quickly to the environment. Furthermore, they can be produced in a thickness, the short length the fibers a big one electrical resistance causes.

Die Matrix könnte als karbonisiertes Vlies ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung erlaubt die Realisierung einer Matrix, welche ausschließlich Kohlenstoff umfasst. Der Schritt der Karbonisierung eines Vlieses stellt sicher, dass sämtliche organischen Fremdstoffe durch den Karbonisierungsschritt aus dem Vlies ausgetragen werden. Insoweit ist ein Vlies geschaffen, welches besonders leicht entsorgbar ist, da keinerlei umweltschädigende Stoffe in der Matrix enthalten sind. Das Vlies könnte ausschließlich aus Kohlenstofffasern bestehen.The matrix could be designed as a carbonized nonwoven. The embodiment allows the realization of a matrix which exclusively comprises carbon. The step of carbonizing a nonwoven ensures that all organic Foreign substances are discharged through the carbonization step from the nonwoven. In that regard, a fleece is created, which is particularly easy disposable, since no environmentally harmful substances are contained in the matrix. The fleece could consist exclusively of carbon fibers.

Die Matrix könnte Fasern mit einer mittleren Faserdicke von 0,5–100 μm umfassen. Die funktionalen Fasern könnten eine solche Dicke aufweisen. Fasern einer solchen Dicke zeigen bei allen gängigen Materialien eine ausreichende Stabilität, um die Matrix mit Knickstellen zu versehen, ohne dass diese zerbricht. Die Verarbeitung von Fasern mit einer mittleren Faserdicke von 5 bis 20 μm ist besonders vorteilhaft, da diese durch gängige Verfahren problemlos verarbeitbar sind und ein optimales Biegeverhalten zeigen.The Matrix could Comprise fibers with a mean fiber thickness of 0.5-100 microns. The functional Fibers could have such a thickness. Fibers of such thickness show all common materials sufficient stability, to provide the matrix with kinks without breaking them. The processing of fibers with a mean fiber thickness of 5 up to 20 μm is particularly advantageous, since these by common methods easily are processable and show optimal bending behavior.

Die Matrix könnte Fasern mit einer Wendelstruktur umfassen. Unter einer Wendelstruktur ist eine Kräuselung zu verstehen. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt die Schaffung einer langen elektrischen Leitung auf engem Raum. Durch die Vorkehrung einer Wendel kann ein besonders großer elektrischer Widerstand geschaffen werden. Darüber hinaus können Wendelstrukturen dazu beitragen, dass sich die Fasern untereinander besser miteinander verschlingen. Solche Fasern verleihen der Matrix vorteilhaft auch eine gewisse Elastizität.The Matrix could Comprise fibers with a helical structure. Under a spiral structure is a ripple to understand. This concrete design allows the creation a long electrical line in a small space. By the provision a coil can be a particularly large electrical resistance be created. About that can out Helical structures help to keep the fibers together eat better together. Such fibers give the matrix advantageous also a certain elasticity.

Die Fasern könnten zumindest bereichsweise bindemittelfrei sein. Der Verzicht auf Bindemittel stellt sicher, dass die Fasern an ihren Kontaktstellen besonders gut miteinander leitend verbunden sind.The Fibers could be at least partially binderless. The waiver of binder provides sure that the fibers are particularly good at their contact points with each other are conductively connected.

Die Matrix könnte ein Flächen-Gewicht von 20 bis 300 g/m² aufweisen. Die Wahl dieses Flächengewichtsbereichs schafft eine Matrix mit hinreichender Stabilität, die erforderlich ist, um Anwendungen im Automotive-Bereich, z.B. Sitzheizungen, gerecht zu werden. Des Weiteren zeigt eine solche Matrix eine ausreichende Gebrauchstauglichkeit auf Baustellen. Insoweit könnte eine solche Matrix als Heizelement in Fußbodenheizungen oder Dachbahnträgern Verwendung finden. Dabei könnte die Matrix als einzelne Lage eines Bauteils ausgestaltet sein. Für diese konkreten Anwendungen ist es erforderlich, dass die Matrix problemlos deformierbar und kraftbeaufschlagbar ist, ohne zu zerreißen. Vor diesem Hintergrund könnte die Matrix eine Dicke von bis zu 5 mm aufweisen. Die Wahl dieser Dicke bewirkt eine Stabilität der Matrix, die für die genannten Anwendungen erforderlich ist.The matrix could have a basis weight of 20 to 300 g / m ² . The choice of this basis weight range provides a matrix with sufficient stability required to meet automotive applications such as seat heaters. Furthermore, such a matrix shows sufficient usability on construction sites. In that regard, such a matrix could be used as a heating element in underfloor heating or roofing membrane carriers. In this case, the matrix could be designed as a single layer of a component. For these specific applications, it is necessary for the matrix to be readily deformable and force-loadable without tearing. Against this background, the matrix could have a thickness of up to 5 mm. The choice of this thickness causes a stability of the matrix, which is required for the applications mentioned.

Die Matrix könnte eine Porosität von 30 bis 95% aufweisen. Die Wahl dieses Bereichs der Porosität stellt sicher, dass die Matrix problemlos Wärme an die Umgebung abgeben kann. Durch die Schaffung der Poren ist gewährleistet, dass die Wärme in allen Richtungen von den Fasern an die Atmosphäre und dadurch an umliegende Bauteile abgebbar ist. Vor diesem Hintergrund könnte die Matrix eine mittlere Porengröße von 5 bis 50 μm aufweisen. Diese Porengrößen haben sich als besonders vorteilhaft für die Ausbildung eines Wärmeflusses von der Matrix zu umliegenden Bauteilen ergeben.The Matrix could a porosity from 30 to 95%. The choice of this range of porosity provides sure that the matrix can easily dissipate heat to the environment can. By creating the pores ensures that the heat in all Directions from the fibers to the atmosphere and thereby to the surrounding Components is deliverable. Against this background, the matrix could be a medium Pore size of 5 up to 50 μm exhibit. These pore sizes have to be particularly advantageous for the Formation of a heat flow result from the matrix to surrounding components.

Zur Schaffung einer besonders stabilen Matrix könnte diese eine Höchstzugkraft in Längsrichtung von 10 bis 400 N/50 mm aufweisen. Eine Matrix mit dieser Festigkeit ist im Automotive- und Baubereich einsetzbar.to Creating a particularly stable matrix could make this a maximum pulling power longitudinal from 10 to 400 N / 50 mm. A matrix with this strength can be used in the automotive and construction sectors.

Die Matrix könnte in zueinander orthogonalen Orientierungen denselben elektrischen Widerstand aufweisen. Die Matrix könnte in „Machine-Direction" denselben elektrischen Widerstand aufweisen wie in „Cross-Direction". Ein Vlies wird als Bahn in „Machine Direction" produziert. Eine Matrix, welche in „Machine-Direction" denselben elektrischen Widerstand aufweist, wie in der hierzu orthogonalen „Cross-Direction", zeigt den Vorteil, dass ein Monteur nicht auf eine Vorzugsorientierung achten muss, wenn er die Matrix mit Kontaktleitungen versieht oder diese weiteren Bauteilen zuordnet. Hierdurch ist eine besonders problemlose Fertigung gewährleistet.The Matrix could in mutually orthogonal orientations the same electrical Have resistance. The matrix could be in "Machine-Direction" the same electrical Resist as in "Cross-Direction." A fleece is as a train in "Machine Direction "produced. A matrix which has the same electrical resistance in "machine direction" has, as in the orthogonal "cross-direction", shows the advantage that a mechanic does not have to pay attention to a preference orientation, if he provides the matrix with contact lines or these others Assigns components. This is a particularly trouble-free production guaranteed.

Die Matrix könnte einen elektrischen Flächenwiderstand von 0,3 bis 5 Ohm/cm² aufweisen. Eine Matrix mit einem solchen Flächenwiderstand kann bei einer angelegten Spannung von 12 V eine Leistungsaufnahme von 50 Watt problemlos realisieren. Dies eignet sie besonders geeignet für die Verwendung in Heizelementen.The matrix could have an electrical sheet resistance of 0.3 to 5 ohms / cm ² . A matrix with such a sheet resistance can easily realize a power consumption of 50 watts with an applied voltage of 12 V. This makes them particularly suitable for use in heating elements.

Die Matrix könnte mit Knickstellen versehen sein. Diese Ausgestaltung erlaubt ein Falten der Matrix. Hierdurch ist es möglich, eine längliche Matrix an definierten Stellen zu knicken und dieser eine nahezu beliebige geometrische Form zu geben. Somit ist die Matrix in komplex ausgeformten Räumen anordenbar.The Matrix could be provided with kinks. This embodiment allows a Folding the matrix. This makes it possible to have an elongated Knock matrix at defined locations and this one almost arbitrary to give geometric shape. Thus, the matrix is in complex shape clear arranged.

Die Matrix könnte mit Ausnehmungen versehen sein. Die Vorkehrung von Ausnehmungen stellt sicher, dass der Strom innerhalb der Matrix längs eines vorgegebenen Weges verläuft. Die Ausnehmungen können bereichsweise als Isolation gegenüber mindestens zwei Matrixabschnitten dienen, welche durch die Ausnehmung voneinander bereichsweise abgetrennt sind. Denkbar ist auch, die Matrix mit Ausnehmungen zu durchsetzen oder zu perforieren, um Bereiche zu schaffen, in denen kein Strom fließen kann und die somit nicht erwärmt werden.The Matrix could be provided with recesses. The provision of recesses Ensures that the current within the matrix along a predetermined way passes. The recesses can in some areas as insulation against at least two matrix sections serve, which separated from each other by the recess from each other are. It is also conceivable to enforce the matrix with recesses or perforate to create areas where no electricity can flow and thus not heated become.

Durch die Ausnehmungen kann erreicht werden, dass die Ausdehnung der Kontakte oder Klemmen minimiert wird. Es ist daher nicht erforderlich einen Kontakt oder eine Klemme über eine komplette Kante der Matrix zu erstrecken, um eine möglichst homogene Stromführung zu bewirken.Through the recesses can be achieved that the expansion of the contacts or terminals is minimized. It is therefore not necessary a contact or a terminal over a complete To extend edge of the matrix to effect the most homogeneous current flow.

Eine geeignete Anordnung von Ausnehmungen erlaubt es, einer Matrix eine definierte Elastizität zu verleihen. Dabei ist denkbar, dass die Matrix in verschiedenen Raumrichtungen dehnbar ist, ohne zu zerreißen. Die Elastizität erlaubt Verwendungen der Matrix in der Dichtungs- und Schwingungstechnik, da sie aufgrund ihrer Elastizität Vibrationen Stand halten kann. Insbesondere ist denkbar, die Matrix in Tragflächen von Flugzeugen einzusetzen, die mit besonders starken Vibrationen beaufschlagt sein können.A suitable arrangement of recesses allows a matrix a defined elasticity too to lend. It is conceivable that the matrix in different spatial directions is stretchable without tearing. The elasticity allows uses of the matrix in sealing and vibration technology, because they due to their elasticity Vibrations can withstand. In particular, the matrix is conceivable in wings use of aircraft with particularly strong vibrations can be charged.

Vor diesem Hintergrund könnten die Ausnehmungen Schlitze umfassen, die in die Matrix eingebracht sind. Beispielsweise könnte eine rechteckige oder quadratische Lage einer Matrix mit U-förmigen Schlitzen versehen sein, welche innerhalb der Matrix Streifen oder Bahnen definieren, innerhalb deren der Strom fließen kann. Die Bahnen oder Streifen sind gegeneinander durch die Schlitze bereichsweise elektrisch isoliert. Durch geeignete Anordnung der Schlitze kann auf der Matrix die Weglänge der Stromleitung eingestellt werden.In front this background could the recesses comprise slots which are inserted into the matrix are. For example, could a rectangular or square layer of a matrix with U-shaped slots be provided, which within the matrix strips or webs define within which the current can flow. The tracks or stripes are mutually electrically isolated by the slots in regions. By suitable arrangement of the slots on the matrix, the path length of the Power line can be adjusted.

Die Ausnehmungen könnten kreisförmige oder elliptische Strukturen umfassen. Denkbar sind auch hydrodynamische Strukturen, wie sie bei der Umströmung eines deformierbaren Materials entstehen. So könnten beispielsweise tropfenförmige oder stromlinienförmige Strukturen vorgesehen sein. Die genannten Strukturen haben sich als besonders geeignet erwiesen, um zu verhindern, dass innerhalb des Matrixmaterials Stromdichtespitzen entstehen, die zu unerwünschten heißen Stellen auf der Matrix führen würden.The Recesses could circular or include elliptical structures. Also conceivable are hydrodynamic Structures, as in the flow around a deformable material arise. So could for example, drop-shaped or streamlined Structures can be provided. The structures mentioned have changed proved to be particularly suitable to prevent within the Matrix material current density peaks arise, which are undesirable be called Lead digits on the matrix would.

Die Matrix könnte mit Kreisen, elliptischen oder hydrodynamischen Strukturen durchsetzt sein. Diese Öffnungen könnten etwa 1 bis 50 mm im Durchmesser aufweisen. Solche Ausnehmungen definieren Wege innerhalb der Matrix, in denen der Strom fließen kann. Durch die gezielte Anordnung der Ausnehmungen können Bereiche in der Matrix geschaffen werden, in welchen Wärme erzeugt wird. Des Weiteren werden Bereiche geschaffen, in denen keine Wärme erzeugt wird, nämlich innerhalb der Ausnehmungen.The Matrix could interspersed with circles, elliptical or hydrodynamic structures be. These openings could about 1 to 50 mm in diameter. Define such recesses Paths within the matrix where the current can flow. The targeted arrangement of the recesses can create areas in the matrix be in which heat is produced. Furthermore, areas are created in which none Generates heat is, namely within the recesses.

Die kreisförmigen, elliptischen oder hydrodynamischen Strukturen könnten in den Endbereichen der Schlitze angeordnet sein. Diese konkrete Ausgestaltung stellt sicher, dass in den Endbereichen der Schlitze keine Stromdichten auftreten, die zu heißen Stellen führen. Wenn ein Schlitz zwei leitende streifenförmige Abschnitte voneinander abtrennt, so tritt am punktuellen Ende des Schlitzes eine hohe Stromdichte auf, da der Strom auf dem kürzesten Weg fließt, um den elektrischen Widerstand zu minimieren. Hierbei kann sich am Ende des Schlitzes eine heiße Stelle, ein sogenannter "Hot-Spot" ausbilden. Um dem zu begegnen, können in den Endbereichen der Schlitze kreisförmige, elliptische oder hydrodynamische Ausnehmungen angeordnet sein.The circular, elliptical or hydrodynamic structures could be found in the end regions of the Slots can be arranged. This concrete design ensures that no current densities occur in the end regions of the slots, the hot spots to lead. If a slot has two conductive strip-shaped sections from each other separates, so occurs at the punctual end of the slot, a high current density on, because the electricity is shortest Way flows, to minimize the electrical resistance. This can happen a hot one at the end of the slot Job, a so-called "hot spot" train. To the to meet in the end regions of the slots circular, elliptical or hydrodynamic Be arranged recesses.

Denkbar ist auch, dass die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte der Matrix eine Mäanderstruktur beschreiben. Eine Mäanderstruktur realisiert eine besonders lange elektrische Leitung innerhalb einer Matrix. Hierdurch kann der elektrische Widerstand erhöht werden. Vor diesem Hintergrund könnten die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte der Matrix eine Spiralstruktur beschreiben. Bei einer solchen Struktur treten keine überhöhten Stromdichteschwankungen auf.Conceivable is also that conductive related Sections of the matrix a meander structure describe. A meander structure Realizes a particularly long electrical line within a Matrix. As a result, the electrical resistance can be increased. Against this background could the conductive related Sections of the matrix describe a spiral structure. At a such structures do not experience excessive current density fluctuations on.

Die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte der Matrix könnten als konzentrische Ringe angeordnet sein. Hierdurch kann eine Matrix geschaffen werden, die kreisförmig ausgebildet ist und beispielsweise vom Äußeren zum Inneren des Kreises einen Temperaturgradienten realisiert.The conductive related Sections of the matrix could be arranged as concentric rings. This can be a matrix be created, the circular is formed and, for example, from the outside to the inside of the circle realized a temperature gradient.

Die Flächen der leitfähigen Abschnitte der Matrix könnten so gewählt sein, dass deren elektrische Widerstände identisch sind. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass unabhängig von der Flächenausdehnung der leitfähigen Abschnitte die gleiche Wärmemenge erzeugt wird. Insoweit ist eine homogene Wärmeentwicklung über die gesamte Fläche der Matrix realisiert.The surfaces the conductive one Sections of the matrix could so chosen be that their electrical resistances are identical. This embodiment makes sure that is independent from the area extent the conductive one Sections the same amount of heat is produced. In that regard, a homogeneous heat development over the entire area of the Matrix realized.

Die Matrix könnte von mindestens einer Lage bedeckt sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Matrix vor Beschädigungen und Verschmutzungen bewahrt wird. Die Lage könnte mit der Matrix verklebt sein. Wenn die Matrix als Teil eines Heizelementes in Decken oder Dächern fungiert, könnte zumindest eine Lage als Dachbahnträger ausgebildet sein. Bei Verwendung der Matrix in einer Fußbodenheizung könnte eine Lage als Bodenbelag ausgebildet sein.The Matrix could be covered by at least one layer. This ensures that the matrix from damage and soiling is preserved. The layer could be glued to the matrix. If the matrix acts as part of a heating element in ceilings or roofs, could at least one layer may be formed as a roof liner. Using the matrix in a floor heating could be one Be designed as a floor covering.

Die Matrix könnte zwischen mindestens zwei Lagen angeordnet sein. Dies stellt sicher, dass die Matrix vor Verschmutzungen und Beschädigungen geschützt wird. Eine Matrix, die zwischen zwei Lagen angeordnet ist, ist im besonderen Maße gebrauchstauglich, da sie ohne Probleme in Montagehallen oder auf Baustellen verwendet werden kann. Es steht nicht zu befürchten, dass die Struktur der Matrix durch Montageschritte beschädigt wird, da sie komplett eingebettet ist.The Matrix could be arranged between at least two layers. This ensures that the matrix is protected from dirt and damage. A matrix located between two layers is particular Dimensions suitable for use, because it uses without problems in assembly halls or on construction sites can be. It is not to be feared that the structure of the matrix damaged by assembly steps because it is completely embedded.

Die Lage könnte polymere und/oder textile Werkstoffe umfassen. Denkbar ist die Verwendung eines Vliesstoffes, da dieser eine gute Wärmedurchlässigkeit zeigt. Ein textiler Werkstoff zeichnet sich durch eine gute Haptik und Hautverträglichkeit aus. Dies ist von Vorteil wenn die Anordnung für medizinische Zwecke verwendet wird. Elastomere zeichnen sich durch besonders hohe Stabilität aus und sind in Bodenbelägen verwendbar.The layer could comprise polymeric and / or textile materials. Conceivable is the use of a nonwoven fabric, as this shows a good heat transfer. A textile material is characterized by a good feel and skin compatibility. This is advantageous if the arrangement for medizini is used. Elastomers are characterized by particularly high stability and can be used in floor coverings.

Thermoplasten zeigen eine gute Deformierbarkeit und erlauben die dauerhafte Ausbildung komplexer Geometrien eines Matrix-Lagenverbunds.thermoplastics show a good deformability and allow the permanent training complex geometries of a matrix layer composite.

Die Lagen könnten durch einen Haftvermittler mit der Matrix verbunden sein. Dies stellt eines dauerhafte und feste Verbindung von Matrix und Lage bzw. Lagen sicher.The Layers could be connected by a primer to the matrix. This poses a permanent and firm connection of matrix and position or layers for sure.

Die Kontaktleitungen könnten durch Klemmen mit den leitfähigen Abschnitten der Matrix verbunden sein. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die Kontaktleitungen mehrfach verwendbar sind. Eine beschädigte Matrix kann ohne Probleme ausgewechselt werden, indem nämlich die Klemmen von der Matrix gelöst werden und eine neue Matrix eingesetzt wird.The Contact lines could by clamping with the conductive Be connected to sections of the matrix. This configuration provides sure that the contact lines are reusable. A damaged Matrix can be replaced without problems, namely the Clamps released from the matrix and a new matrix is used.

Die Klemmen könnten als längliche Elemente ausgestaltet sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Strom nicht punktuell eingeleitet sondern über die gesamte Länge eines leitfähigen Abschnitts in die Matrix eingebracht wird. Hierdurch wird die Bildung heißer Stellen vermieden.The Clamps could as elongated Be designed elements. This ensures that the Electricity not punctually initiated but over the entire length of a conductive Section is introduced into the matrix. This will cause the formation of hot spots avoided.

Eine erfindungsgemäße Anordnung könnte in Brennstoffzellen angeordnet sein. Aufgrund ihrer elektrischen und thermischen Eigenschaften ist eine solche Anordnung besonders als Gasdiffusionsschicht geeignet. Die thermischen Eigenschaften bewirken einen optimierbaren Feuchtehaushalt der Gasdiffusionsschicht, die elektrischen eine optimierbare elektrische Leitfähigkeit.A inventive arrangement could be in Fuel cells can be arranged. Because of their electrical and thermal properties is such an arrangement especially as Gas diffusion layer suitable. The thermal properties effect an optimizable moisture balance of the gas diffusion layer, the electrical an optimizable electrical conductivity.

Eine erfindungsgemäße Anordnung könnte in Tragflächen von Flugzeugen angeordnet sein. Durch Erwärmung der Tragflächen können diese von Frost oder Eis befreit werden. Insoweit könnte eine solche Anordnung als besonders leichtes Heizelement fungieren. Darüber hinaus könnte sich eine solche Anordnung eignen, da die verwendete Matrix eine besondere Elastizität aufweisen kann. Durch ihre Elastizität wird die Matrix nicht durch die Vibrationen der Tragflächen beschädigt.A inventive arrangement could be in wings be arranged by aircraft. By heating the wings they can free from frost or ice. In that regard, such an arrangement could act as a particularly light heating element. Furthermore could such an arrangement are suitable because the matrix used is a have particular elasticity can. Due to their elasticity The matrix is not damaged by the vibrations of the wings.

Eine erfindungsgemäße Anordnung könnte auch in Spiegeln oder anderen optischen Elementen angeordnet sein, deren Reflexionsvermögen durch Erwärmung verbessert werden kann. Die Erwärmung könnte Beschläge oder Feuchtigkeitsfilme von den optischen Elementen entfernen.A inventive arrangement could also be arranged in mirrors or other optical elements whose reflectivity by heating can be improved. The warming could be fittings or Remove moisture films from the optical elements.

Erfindungsgemäße Anordnungen können nebeneinander flächig zusammenschaltbar sein, um möglichst große Flächen zu bedecken und zu beheizen. Vor diesem Hintergrund ist auch denkbar, dass mehrere Anordnungen übereinanderliegend zusammenschaltbar sind.Inventive arrangements can side by side flat be interconnected as possible size surfaces to cover and to heat. Against this background, it is also conceivable that several arrangements are superimposed are interconnectable.

Die eingangs genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Heizelement gelöst, welches eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst.The The object mentioned above is further characterized by a heating element solved, which is an arrangement according to the invention includes.

Um Wiederholungen zu vermeiden, sei in Bezug auf die erfinderische Tätigkeit auf die Ausführungen zu den Anordnungen als solchen verwiesen.Around To avoid repetition is in relation to the inventive activity on the designs referred to the arrangements as such.

Ein solches Heizelement könnte in Fußbodenheizungen angeordnet sein, da eine Fasern umfassende Matrix besonders leicht zugeschnitten werden kann. Diese Eigenschaft eignet ein Heizelement auch für die Anwendung in anderen Baubereichen wie beim Ausbau von Dächern, Schwimmbädern und Innenräumen, dort bevorzugt im Trockenbau.One such heating element could in underfloor heating be arranged as a fiber-containing matrix particularly light can be tailored. This feature also lends a heating element for the Application in other construction areas such as the development of roofs, swimming pools and interiors, there preferably in drywall.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung, werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.It are now different ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and further education. This is on the one hand to the subordinate claims, on the other hand to the following explanation preferred embodiments of the invention with reference to the drawing. Combined with the explanation preferred embodiments the invention with reference to the drawing, are also generally preferred Embodiments and developments of the teaching explained.

Kurzbeschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung zeigenIn show the drawing

1 eine Anordnung mit einer Matrix, welche Ausnehmungen aufweist, 1 an arrangement with a matrix which has recesses,

2 eine Anordnung mit einer Matrix, bei der die Flächen der leitfähigen Abschnitte so gewählt sind, dass deren elektrischen Widerstände identisch sind, 2 an arrangement with a matrix in which the surfaces of the conductive sections are chosen such that their electrical resistances are identical,

3 eine Matrix gemäß 2, bei welcher die leitfähigen Abschnitte als konzentrische Kreisringe ausgestaltet sind, und 3 a matrix according to 2 in which the conductive portions are configured as concentric circular rings, and

4 eine Matrix mit optimierter Anordnung der Ausnehmungen. 4 a matrix with optimized arrangement of the recesses.

Ausführung der ErfindungExecution of the invention

1 zeigt eine Anordnung mit einer Lage 1, welche eine Matrix 2 aus funktionalen Fasern umfasst. Die Matrix 2 ist elektrisch leitfähig und erwärmbar. die Matrix 2 ist über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar. Die Matrix 2 umfasst bereichsweise nichtmetallische funktionale Fasern. Die Matrix 2 ist mit Ausnehmungen 3, 4 und 5 versehen. die Ausnehmungen 4 sind als längliche Schlitze ausgebildet, welche leitfähige Abschnitte voneinander trennen. Am Ende der länglichen Schlitze 4 sind kreisförmige Ausnehmungen 3 vorgesehen, welche die Bildung von heißen Stellen verhindern. Die Matrix 2 ist des Weiteren mit elliptischen Ausnehmungen 5 versehen, welche Bereiche schaffen, in denen keine Wärme erzeugt wird. 1 shows an arrangement with a layer 1 which is a matrix 2 comprising functional fibers. The matrix 2 is electrically conductive and heatable. the matrix 2 is connectable via contact lines with a power or voltage source. The matrix 2 includes partially non-metallic functional fibers. The matrix 2 is with recesses 3 . 4 and 5 Mistake. the recesses 4 are as elongated Slits are formed which separate conductive sections. At the end of the oblong slots 4 are circular recesses 3 provided, which prevent the formation of hot spots. The matrix 2 is further with elliptical recesses 5 provided, which create areas where no heat is generated.

Die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte 6 der Matrix 2 beschreiben eine Mäanderstruktur, die sich in Form einer Schlangenlinie durch die Matrix zieht.The conductive contiguous sections 6 the matrix 2 describe a meandering structure that runs through the matrix in the form of a serpentine line.

2 zeigt eine Matrix 2, welche mit länglichen Schlitzen 4 versehen ist, welche leitfähige Abschnitte 6, 7 und 8 definieren. Die leitfähigen Abschnitte 6, 7 und 8 sind durch die Schlitze 4 voneinander getrennt. Die Flächen der leitfähigen Abschnitte 6, 7 und 8 sind so gewählt, dass deren elektrische Widerstände identisch sind. Die Schlitze 4 sind durchgängig, wobei deren Ecken mit Rundungen und/oder hydrodynamischen Strukturen versehen sein können. 2 shows a matrix 2 , which with elongated slots 4 is provided, which conductive sections 6 . 7 and 8th define. The conductive sections 6 . 7 and 8th are through the slots 4 separated from each other. The surfaces of the conductive sections 6 . 7 and 8th are chosen so that their electrical resistances are identical. The slots 4 are continuous, wherein the corners can be provided with curves and / or hydrodynamic structures.

Der Abschnitt 6 weist eine Breite auf, die etwa 20–30 % der Seitenlänge der quadratischen Matrix entspricht. Der Abschnitt 7 weist eine Breite auf, die etwa 10–20 % der Seitenlänge der quadratischen Matrix entspricht. Der Abschnitt 8 weist eine Breite auf, die etwa 5–10 % der Seitenlänge der quadratischen Matrix entspricht. Die Matrix ist als karbonisiertes Vlies ausgebildet, wobei 1 cm² des Vlieses einen elektrischen Widerstand von 0,72 Ohm aufweist. Die Kantenlänge der Matrix beträgt 12 cm. Der Gesamtwiderstand dieser Anordnung beträgt zwischen 2,5 und 3,5 Ohm, wobei bei einer Spannung von 12 V eine Leistungsaufnahme von etwa 50 Watt erzielt wird.The section 6 has a width corresponding to about 20-30% of the side length of the square matrix. The section 7 has a width that corresponds to about 10-20% of the side length of the square matrix. The section 8th has a width that corresponds to about 5-10% of the side length of the square matrix. The matrix is formed as a carbonized nonwoven, wherein 1 cm ^{2 of} the nonwoven fabric has an electrical resistance of 0.72 ohms. The edge length of the matrix is 12 cm. The total resistance of this arrangement is between 2.5 and 3.5 ohms, at a voltage of 12 V, a power consumption of about 50 watts is achieved.

Die Kontaktleitungen sind durch Klemmen 9 mit den leitfähigen Abschnitten der Matrix verbunden. Die Klemmen 9 sind als längliche Elemente ausgestaltet.The contact lines are by terminals 9 connected to the conductive sections of the matrix. The clamps 9 are designed as elongated elements.

3 zeigt eine Matrix 2 mit leitfähigen Abschnitten 6, 7 und 8, welche als konzentrische Kreisringe angeordnet sind. Die leitfähigen Abschnitte 6, 7 und 8 sind durch längliche Klemmen 9 mit den Kontaktleitungen einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden. 3 shows a matrix 2 with conductive sections 6 . 7 and 8th , which are arranged as concentric circular rings. The conductive sections 6 . 7 and 8th are by elongated clamps 9 connected to the contact lines of a power or voltage source.

4 zeigt eine quadratische Matrix der Kantenlänge L, die mit kreisförmigen Ausnehmungen 3 und länglichen Schlitzen versehen ist. Die Schlitze sind parallel zueinander angeordnet und definieren vier Streifen gleicher Breite b. Die Mittelpunkte zweier kreisförmiger Ausnehmungen 3 sind in einem Abstand x von der rechten Kante und in einem Abstand b von der oberen Kante der Matrix angeordnet. Der Mittelpunkt einer weiteren kreisförmigen Ausnehmung 3 ist in einem Abstand x von der linken Kante und in einem Abstand 2b von der oberen Kante der Matrix angeordnet. 4 shows a square matrix of edge length L, with circular recesses 3 and elongated slots. The slots are arranged parallel to each other and define four strips of equal width b. The centers of two circular recesses 3 are arranged at a distance x from the right edge and at a distance b from the upper edge of the matrix. The center of another circular recess 3 is located at a distance x from the left edge and at a distance 2b from the top edge of the matrix.

Die Kantenlänge L betragt 12 cm, die Abstände x und b jeweils 3 cm. Wenn der Radius einer kreisförmigen Ausnehmung aus dem Intervall 0,95 bis 1,1 cm gewählt wird und x etwa 3,6 bis 4,2 cm beträgt, so wird die Bildung heißer Stellen in den Endbereichen der Schlitze in optimaler Weise unterdrückt. Der Quotient aus dem Betrag der maximalen Stromdichte und der homogenen Stromdichte im Bereich der Klemmen 9 nimmt bei der oben beschriebenen Dimensionierung ein Minimum an.The edge length L is 12 cm, the distances x and b each 3 cm. When the radius of a circular recess is selected from the interval 0.95 to 1.1 cm and x is about 3.6 to 4.2 cm, the formation of hot spots in the end portions of the slots is optimally suppressed. The quotient of the amount of the maximum current density and the homogeneous current density in the area of the terminals 9 assumes a minimum in the dimensioning described above.

Die konkreten Zahlenwerte dienen auch zur Ermittlung von relativen Werten und Verhältnissen, so dass problemlos eine Matrix beliebiger Kantenlänge L anhand der konkret genannten Zahlenwerte im Hinblick auf die genannten Abstände und Radien dimensioniert werden kann. Insoweit ist eine Hochskalierung oder Runterskalierung problemlos möglich.The concrete numerical values are also used to determine relative values and circumstances, so that easily a matrix of any edge length L on the basis of the concrete mentioned Numerical values are dimensioned with regard to the stated distances and radii can be. In that regard, is an upscaling or runter scaling easily possible.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich ausgewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.In conclusion, be particularly emphasized that the previously purely arbitrarily selected embodiments for discussion only the teaching of the invention serve, but do not limit these to these embodiments.

Claims

Arrangement comprising at least one layer ( 1 ), which is a matrix ( 2 ) of functional fibers, the matrix ( 2 ) is electrically conductive and / or heatable and wherein the matrix ( 2 ) is connectable via contact lines to a current or voltage source, characterized in that the matrix ( 2 ) comprises at least partially exclusively non-metallic functional fibers.

Arrangement comprising at least one layer ( 1 ), which is a matrix ( 2 ) of functional fibers, the matrix ( 2 ) is electrically conductive and / or heatable and wherein the matrix ( 2 ) is connectable via contact lines to a current or voltage source, characterized in that the matrix ( 2 ) Medium ( 3 . 4 . 5 ) for creating mutually electrically insulated conductive sections ( 6 . 7 . 8th ).

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized that the functional fibers comprise exclusively carbon fibers.

Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the matrix ( 2 ) is configured as at least partially carbonized nonwoven.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the matrix ( 2 ) Comprises fibers having a mean fiber thickness of 0.5-100 microns.

Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the matrix ( 2 ) Comprises fibers with a helical structure.

Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized that the fibers are at least partially binder-free.

Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the matrix ( 2 ) has a basis weight of 20 to 300 g / m ² .

Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the matrix ( 2 ) has a thickness of up to 5 mm.

Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the matrix ( 2 ) has a porosity of 30 to 95 percent.

Arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the matrix ( 2 ) has a mean pore size of 5 to 50 microns.

Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the matrix ( 2 ) has a maximum tensile force in the longitudinal direction of 10 to 400 N / 50 mm.

Arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the matrix ( 2 ) in machine-direction has the same electrical resistance as in cross-direction.

Arrangement according to one of claims 1 to 13, characterized in that the matrix ( 2 ) has an electrical sheet resistance of 0.3 to 100 ohms / cm ² .

Arrangement according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the matrix ( 2 ) is provided with kinks.

Arrangement according to one of claims 1 to 15, characterized in that the matrix ( 2 ) with recesses ( 3 . 4 . 5 ), which act as means for creating conductive sections.

Arrangement according to claim 16, characterized in that the recesses ( 3 . 4 . 5 ) Slots ( 4 ).

Arrangement according to claim 16 or 17, characterized in that the recesses ( 3 . 4 . 5 ) circular ( 3 ), elliptical ( 5 ) or hydrodynamic structures.

Arrangement according to claim 18, characterized in that the circular ( 3 ), elliptical ( 5 ) or hydrodynamic structures in the end regions of the slots ( 4 ) or their corners are arranged.

Arrangement according to one of claims 16 to 19, characterized in that the conductive sections ( 6 . 7 . 8th ) of the matrix ( 2 ) describe a meander structure.

Arrangement according to one of Claims 16 to 20, characterized in that the conductive sections ( 6 . 7 . 8th ) of the matrix ( 2 ) describe a spiral structure.

Arrangement according to one of claims 16 to 18, characterized in that the conductive contiguous sections ( 6 . 7 . 8th ) of the matrix ( 2 ) are arranged as concentric rings.

Arrangement according to one of claims 16 to 22, characterized in that the surfaces of the conductive sections ( 6 . 7 . 8th ) of the matrix ( 2 ) are selected so that their electrical resistances are identical.

Arrangement according to one of claims 1 to 23, characterized in that the matrix ( 2 ) is covered by at least one layer.

Arrangement according to claim 24, characterized the layer comprises polymeric and / or textile materials.

Arrangement according to one of claims 1 to 25, characterized in that the contact lines by clamping ( 9 ) with the conductive sections ( 6 . 7 . 8th ) of the matrix ( 2 ) are connected.

Arrangement according to claim 26, characterized in that the clamps ( 9 ) are designed as elongated elements.

Heating element comprising an arrangement according to one the claims 1 to 27.