DE102006021649A1

DE102006021649A1 - Flächiges Heizelement

Info

Publication number: DE102006021649A1
Application number: DE102006021649A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Krobok
Original assignee: WET Automotive Systems AG
Current assignee: Gentherm GmbH
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: US7838804B2; DE102006021649B4; DE102006021649C5; CN101072459A; JP2007305579A; CN101072459B; US20070257027A1; JP4593587B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement (1) mit
- mindestens einem flächigen Heizwiderstand (18) zur Anordnung nahe einer zu beheizenden Fläche,
- mindestens einer Elektrode (4) zum Einspeisen von Strom in den Heizwiderstand (18), welche mindestens zwei Kontaktleiterstränge (3, 3') aufweist, die zumindest in einem länglichen Kontaktierungsbereich (200) zumindest lokal miteinander und mit dem Heizwiderstand (18) in Verbindung stehen.
Es ist vorgesehen, daß an mindestens einer Stelle längs der Elektrode (4) und/oder des Kontaktierungsbereiches (200), an der mindestens einer der Kontaktleiterstränge (3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''') zumindest lokal eine Verlaufsrichtung parallel zur Verlaufsrichtung der Elektrode (4) und/oder des Kontaktierungsbereiches (200) aufweist, mindestens ein weiterer Kontaktleiterstrang (3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''') zumindest lokal eine winklig dazu gerichtete Verlaufsrichtung aufweist.

Description

Thema der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft flächige Heizelemente, insbesondere zur Beheizung von benutzerberührten Flächen im Fahrgastraum eines Fahrzeuges, Sitze, insbesondere für Fahrzeuge, sowie Fahrzeuge nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Aus DE 4101290 C2 und aus EP 0939579 B1 sind elektrische Heizelemente bekannt, bei denen ein flächiger Heizwiderstand an jeweils gegenüberliegenden Seiten durch Kontaktleiter elektrisch kontaktiert ist. Um möglichst viele Kontaktpunkte zwischen Heizwiderstand und Kontaktleitern sicherzustellen und um die Kontaktleiter gegenüber mechanischer Beanspruchung robuster zu machen, sind die Heizleiter wellenförmig oder miteinander verflochten am Heizwiderstand angebracht. Es hat sich gezeigt, daß es Anwendungsfälle gibt, bei denen jedoch eine noch höhere mechanische Belastbarkeit notwendig ist, als sie von den bekannten Kontaktleitertypen geboten werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Zur Bereicherung des Standes der Technik werden deshalb ein Heizelement, ein Sitz und ein Fahrzeug nach den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung entnehmbar.
Eine detaillierte Auswertung von Kontaktleiterstrangbrüchen ergab, daß die Wahrscheinlichkeit von Brüchen an den Extremwerten ihres Verlaufes bzw. an ihren Scheitelpunkten deutlich höher ist als in den übrigen Bereichen. Dies liegt daran, daß sie im Bereich solcher Extremwerte in etwa parallel zum Kontaktie rungsbereich bzw. einer Elektrode verlaufen. Dadurch hat ein Kontaktleiter hier wenig Möglichkeit, einer Belastung auszuweichen. Ein Heizelement nach Anspruch 1 vermeidet nun, daß die Zonen höherer Ausfallwahrscheinlichkeit von verschiedenen Kontaktleitersträngen direkt nebeneinander angeordnet sind. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein gebrochener Kontaktleiterstrang von benachbarten Kontaktleitersträngen überbrückt werden kann und somit die Leitfähigkeit längs des Kontaktbereiches gewährleistet ist, deutlich erhöht. Besonders vorteilhaft ist, wenn für den größten Teil der Stellen mit zumindest lokal paralleler Verlaufsrichtung zur Elektrode mindestens ein zumindest lokal nichtparalleler weiterer Kontaktleiterstrang versehen ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn mindestens die Hälfte der übrigen Kontaktleiterstränge zur Überbrückung geeignet sind, vorzugsweise mindestens 70%, noch besser 90%.
Heizelemente nach den Ansprüchen 2 und 3 sind fertigungstechnisch effizient herstellbar.
Definitionen
Ein Leiterstrang ist ein Strang, in dem sich ein, mehrere oder viele filamentartige elektrische Leiter erstrecken, vorzugsweise im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Stranges. Ein Leiterstrang kann selbst aus einer Vielzahl von Leitersträngen aufgebaut sein. Ein Strang ist ein längliches Gebilde, dessen Längenabmessungen die Abmessungen seines Querschnittes bei weitem übertreffen. Vorzugsweise weisen die beiden Dimensionen des Querschnittes in etwa ähnliche Abmessungen auf. Vorzugsweise ist das Gebilde biegeelastisch, aber in einem festen Aggregatszustand ("Strang").
Unter filamentartig wird hier verstanden, daß das so bezeichnete Objekt aus einer kurzen oder langen Faser oder aus einem Monophil- oder Multifilamentfaden gebildet ist ("filamentartig").
Unter „im wesentlichen" bzw. „größtenteils" wird verstanden, daß ein Merkmal zu mehr als 50% erfüllt ist, insbesondere zu mindestens 70%, vorzugsweise zu mindestens 90–95%.
„Winklig" bedeutet insbesondere einen Winkel größer als 0°, insbesondere zwischen 5° und 85°.
„Verlaufsrichtung" meint die Richtung, in die eine Tangente an einen Punkt eines Gegenstandes oder einer Kurve aufweist. Insbesondere sind interessant der Mittelpunkt eines Körpers, der Querschnittsflächen-Mittelpunkt eines Querschnittes, die Punkte auf einer Mittelhalbierenden eines länglichen Gegenstandes.
Ein „Kunststoff" ist jedes synthetische, in der Natur nicht auftretende Material, insbesondere Polymere und daraus abgeleitete Substanzen wie Carbonfasern.
Unter einem „Bündel" wird hier nicht nur eine Zusammenfassung von Einzelsträngen in eine längliche Gesamtanordnung von etwa kreisförmigem Querschnitt verstanden. Nachfolgend wird unter einem Bündel von Heizsträngen verstanden eine Anzahl von Heizsträngen, welche innerhalb eines zumindest gedanklich räumlich abgrenzbaren länglichen Bereiches angeordnet sind, funktionell und/oder räumlich als zusammengehörig zu betrachten sind, und/oder zumindest in Bezug auf ihren Gesamtverlauf in etwa längs zueinander angeordnet sind.
Figuren
Im Folgenden werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Diese Ausführungen sollen die Erfindung verständlich machen. Sie haben jedoch nur beispielhaften Charakter. Selbstverständlich lassen sich im Rahmen der Erfindung einzelne oder mehrere beschriebene Merkmale auch weglassen, abwandeln oder ergänzen. Auch können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen selbstverständlich untereinander kombiniert werden. Nachfolgend wird Bezug genommen auf:
1 Draufsicht auf ein Heizelement
2 Vergrößerte Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Elektrode des Heizelementes
3 Vergrößerte Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Elektrode des Heizelementes
4 Vergrößerte Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer Elektrode des Heizelementes
5 Seitenansicht eines Fahrzeuges mit einem beheizten Sitz in einem teilweisen Aufriß
Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein flächiges elektrisches Heizelement 1 („Heizelement 1").
Das Heizelement 1 weist mindestens einen flächigen Heizwiderstand (18) auf („Heizwiderstand 18").
Dieser weist mindestens einen flächigen Träger 8 auf ("flächiger Träger 8"). Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens einer der Träger 8 zumindest teilweise aus einem Textil, Gewirke, Gestrick, Gewebe, Vlies, einem biegsamen Thermoplasten, einem luftdurchlässigen Material und/oder einer Folie gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist ein Träger 8 mit einem Vlies aus synthetischen Fasern vorgesehen.
Vorgesehen ist, daß das Heizelement 1 mindestens eine Heizzone 100 aufweist ("Heizzone 100"). Diese ist einer zu beheizenden Fläche zugeordnet oder bildet diese selbst. Sie ist weitgehend mit dem Heizwiderstand 18 identisch.
Der Heizwiderstand 18 weist insbesondere mindestens einen Heizleiter 2 auf ("Heizleiter 2"), der an und/oder in der Heizzone 100 angeordnet ist. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Heizleitern vorgesehen, die vorzugsweise mäan dernd nebeneinander und elektrisch parallel zueinander angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel ist je ein Heizleiter in einem mittleren Abstand von ca. 2 cm zum jeweils nächsten Heizleiter und ungefähr parallel dazu angeordnet.
Vorgesehen ist, daß zumindest ein Teil der Heizleiter 2 untereinander vernetzt ist, indem zumindest ein Teil der Heizleiter 2 zwischen ihren Enden 57 zumindest teilweise elektrisch leitfähig an Kontaktstellen 77 miteinander in Kontakt steht ("vernetzte Heizleiter"). Lokale Heizleiterstörungen, z. B. durch lokale Beschädigungen beim Einnähen oder Vandalismus, stören dadurch den Betrieb des Heizelementes nicht, da bei lokalem Ausfall einzelner Heizleiter der Heizstrom auf benachbarte Heizleiter verteilt wird.
Das Heizelement 1 weist mindestens einen Kontaktierungsbereich 200 auf, an dem die Heizzone 100 bzw. der Heizwiderstand 18 kontaktiert wird ("Kontaktierungsbereich 200"). Das vorliegende Heizelement weist zwei Kontaktierungsbereiche 200 auf, die beabstandet und in etwa parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Heizzone 100 mit dieser zwischen sich angeordnet sind. Die Kontaktierungsbereiche könnten jedoch auch gekrümmt oder mäandernd angeordnet sein.
Das Heizelement 1 weist mindestens eine Elektrode 4 auf, um Strom in mindestens einen der Heizleiter 2 des Heizwiderstands 18 einzuspeisen ("Elektrode 4"). Hier sind zwei Elektroden 4 vorgesehen, von denen jeweils eine entlang der Kontaktierungsbereiche 200 verläuft. Sie können innerhalb des Kontaktierungsbereiches mäandernd und/oder wie hier geradlinig verlaufen. Sie sind vorzugsweise als Bänder vorkonfektioniert und brauchen nur aufgenäht oder aufgeklebt werden.
Mindestens eine Elektrode 4 weist vorzugsweise ein Trägerband 14 auf, an dem mindestens ein Kontaktleiterstrang 3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''' angeordnet ist („Trägerband 14"). Das Trägerband 14 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das den Kontaktleitern 3 eine gewisse Beweglichkeit gestattet, sie gleichzeitig jedoch vor größeren Zug- oder Biegebeanspruchungen schützt.
Besonders geeignet hierfür sind Gewirke oder Geflechte aus synthetischen Materialien der Bekleidungsindustrie.
Unter Hinzunahme der 2, 3 und 4 wird nun die Anordnung der Kontaktleiterstränge 3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''' genauer beschrieben.
2 zeigt zwei Gruppen von Kontaktleitersträngen 3, 3', die jeweils in Form einer harmonischen Schwingung auf einem Trägerband 14 angeordnet sind. Diese Kontaktleiterstränge 3, 3' sind mittels einer Vielzahl parallel zueinander und parallel zum Elektrodenband verlaufender Nähte 22 am Trägerband 14 befestigt. Jede der beiden Gruppen von Kontaktleitersträngen 3 umfaßt jeweils drei Kontaktleiterstränge. Die Kontaktleiterstränge jeweils einer Gruppe sind in regelmäßigen Abständen quer zum Trägerband 14 verschoben zueinander angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel berühren sie sich deshalb untereinander nicht mehr. Jedoch ist je nach Kurvenverlauf auch eine überschneidende Anordnung möglich.
Die harmonische Schwingung hat eine sinusähnliche Kontur, weist jedoch innerhalb einer Periode unterschiedlich hohe Extremwerte sowohl bei den Minima 42, 42', 42'', als auch bei den Maxima 41, 41', 41'' (bezogen auf den Längsverlauf des Trägerbandes 14) auf („Schwingungskontur").
Die beiden Gruppen von Kontaktleitern 3, 3' sind nun so gegeneinander entlang der Längsrichtung des Trägerbandes 14 verschoben, daß die Extremwerte bzw. Scheitelpunkte der harmonischen Schwingungen der einen Gruppe von Kontaktleitern 3 nirgends an gleicher Stelle bezüglich der Längsrichtung des Trägerbandes 14 angeordnet sind wie die Extremwerte bzw. Scheitelpunkte der Schwingungskontur der Kontaktleiterstränge 3' der anderen Gruppe.
In einer anderen Ausführungsform gemäß 3 können die Kontaktleiterstränge 3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''' jeweils auch leicht gegenüber allen anderen Kontaktleitersträngen 3, 3', 3'', 3'''', 3'''', 3''''' längs des Trägerbandes 14 versetzt angeordnet sein. Die Schwingungsform entspricht hier einer sinusähnlichen Schwingung mit stets gleichbleibenden Extremwerten.
Bei der Ausführungsform von 4 sind wie in 2 zwei Gruppen von Kontaktleitersträngen 3, 3' vorgesehen. Die erste Gruppe weist eine Schwingungskontur gemäß 2 mit unterschiedlich hohen Extremwerten auf. Die zweite Gruppe weist eine sinusartige Schwingung mit gleichbleibenden Extremwerten auf. Die Kontaktleiterstränge 3, 3' sind dabei so angeordnet, daß beide Gruppen von Kontaktleitersträngen 3, 3' jeweils im wesentlichen die gesamte Breite des Trägerbandes 14 überstreichen. Außerdem sind die beiden Gruppen jeweils so relativ zueinander angeordnet, daß die Extremwerte der einen Gruppe nie an derselben Position längs der Elektrode 4 angeordnet sind wie die der Kontaktleiterstränge 3' der anderen Gruppe.
Als weitere Varianten wären denkbar, mehrere Kontaktleiterstränge nebeneinander anzuordnen, von denen zumindest einer in seinem Verlauf zufallsbestimmt ist, oder der eine andere Periodendauer aufweist als mindestens einer der übrigen Kontaktleiterstränge. Entscheidend ist, daß an jeder Stelle längs der Elektrode 4 mindestens ein Kontaktleiterstrang zumindest örtlich eine Verlaufsrichtung aufweist, die von der Verlaufsrichtung der Gesamtelektrode bzw. ihres Trägerbandes 14 verschieden ist.
Mindestens ein Kontaktleiterstrang 3 kann beispielsweise mindestens einen im wesentlichen metallischen elektrischen Leiterstrang 30 aufweisen, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welcher vorzugsweise zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus einem nicht oxidierenden oder passivierten Metall versehen ist, vorzugsweise Silber oder einer Silberlegierung ("metallische Kontaktleiter"). Im Ausführungsbeispiel ist eine mit Silber beschichtete Litze aus Kupfer vorgesehen. Dies reduziert den Preis des Heizelementes, weil für die Kontaktierungsleiter herkömmliche metallische Litzen eingesetzt werden können.
Mindestens ein Kontaktleiterstrang 3 und/oder eine Elektrode 4 ist zweckmäßigerweise mit einer Vielzahl von Heizleitern 2 elektrisch verbunden. Im Ausführungsbeispiel kontaktieren alle Kontaktleiterstränge 3 alle Heizleiter 2.
Vorgesehen ist außerdem, daß das Heizelement 1 mindestens eine Verbindungsleitung 6 aufweist, um Strom aus einer Stromquelle 70 über mindestens eine Elektrode 4 in das Heizelement 1 einzuspeisen ("Verbindungsleitung 6").
Das Heizelement weist außerdem sinnvoller Weise einen Temperatur-Sensor 80 auf, der eine Stromzufuhr zum Heizelement 1 bei Temperaturen zwischen 60°C und 80°C unterbricht ("Temperatur-Sensor").
Es kann zweckmäßig sein, daß mindestens ein Kontaktleiterstrang 3 eine Vielzahl von Einzelsträngen aufweist, vorzugsweise zwischen 1 und 360, vorzugsweise zwischen 10 und 70 („viele Einzelstränge"). Vorliegend sind die Kontaktleiterstränge 3 mit ca. 60 Einzelsträngen ausgeführt. Dies gewährleistet auch beim Ausfall einzelner Einzelstränge z. B. beim Übernähen, daß der Kontaktleiterstrang 3 funktionsfähig bleibt. Hier sind zudem eine Vielzahl von Einzelsträngen zu mindestens einem Strangbündel zusammengefaßt („Strangbündel"), um die Stabilität des Kontaktleiterstranges 3 zu erhöhen. Mehrere Strangbündel sind dann zu einem Gesamtbündel zusammengefaßt, vorzugsweise zwischen 1 und 20, vorzugsweise zwischen 2 und 5. Hier sind 2 Strangbündel vorgesehen.
Es kann zweckmäßig sein, daß das Heizelement in einen Fahrzeugsitz, ein Lenkrad, eine Armauflage, eine Sitz-Auflage, eine Wärmedecke oder ähnliches eingebaut ist. 5 zeigt ein Heizelement, das in einen Sitz 150 eingebaut ist. Das Heizelement kann sich in einer Sitzeinlage oder wie hier zwischen der Abdeckungsoberfläche und dem Sitzkissen befinden. Es kann zweckmäßig sein, daß das Heizelement in ein größeres Teilsystem eingebaut ist, um den Sitzbenutzer mit Heizung, Kühlung, Ventilation, etc. zu versorgen.

1: Heizelement
2: Heizleiter
3, 3': Kontaktleiterstränge
4: Elektrode
8: Träger
14: Trägerband
18: Heizwiderstand
22: Naht
30: Metallischer Leiterstrang
41: Maxima
42: Minima
57: Enden der Heizleiter
77: Kontaktstellen
80: Temperatur-Sensor
100: Heizzone
150: Sitz
200: Kontaktierungsbereich

Claims

Elektrisches Heizelement (1) mit – mindestens einem flächigen Heizwiderstand (18) zur Anordnung nahe einer zu beheizenden Fläche, – mindestens einer Elektrode (4) zum Einspeisen von Strom in den Heizwiderstand (18), welche mindestens zwei Kontaktleiterstränge (3, 3') aufweist, die zumindest in einem länglichen Kontaktierungsbereich (200) zumindest lokal miteinander und mit dem Heizwiderstand (18) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer Stelle längs der Elektrode (4) und/oder des Kontaktierungsbereiches (200), an der mindestens einer der Kontaktleiterstränge (3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3'''') zumindest lokal eine Verlaufsrichtung parallel zur Verlaufsrichtung der Elektrode (4) und/oder des Kontaktierungsbereiches (200) aufweist, mindestens ein weiterer Kontaktleiterstrang (3, 3', 3'', 3''', 3'''', 3''''') zumindest lokal eine winklig dazu gerichtete Verlaufsrichtung aufweist.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kontaktleiterstränge (3, 3') zumindest abschnittsweise nicht linear, insbesondere periodisch schwingend, verlaufen und voneinander verschiedene Periodenlängen und/oder voneinander verschiedene Schwingungsmuster aufweisen.
Heizelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kontaktleiterstränge (3, 3') periodisch mit der gleichen Periodendauer schwingen, daß sie phasenverschoben in Bezug auf ihren Längsverlauf zueinander angeordnet sind und daß die Phasenverschiebung vorzugsweise von einem ganzzahligen Vielfachen von 90° verschieden ist.
Heizelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein flächiger Heizwiderstand (18) zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material gebildet ist, insbesondere aus Carbonfasern, einer Metallfolie und/oder metallisierten Kunststoff-Fasern, und/oder daß mindestens ein flächiger Heizwiderstand (18) zumindest teilweise aus elektrisch schlecht leitendem bzw. isolierendem Material gebildet ist, insbesondere aus einem Gewirke oder Vlies aus natürlichen oder synthetischen Fasern.
Heizelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kontaktleiterstrang (3) zumindest teilweise aus einem metallischen Draht, vorzugsweise aus versilbertem Kupfer und/oder Edelstahl, und/oder aus einem elektrisch leitfähigem Kunststoff, vorzugsweise mit einer Metallisierung aus Silber gebildet ist.
Sitz, insbesondere Fahrzeugsitz, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einem Heizelement nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestattet ist.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es mit mindestens einem Heizelement und/oder Sitz nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestattet ist.