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Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug, das eine Innenraumverkleidung mit einem Formteil aufweist.
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Für die Klimatisierung oder Beheizung von Innenräumen von Fahrzeugen werden meist nicht nur Lufttemperaturen, sondern auch Oberflächentemperaturen festgelegt. Bestimmte Oberflächentemperaturen sollen zu einem gewissen Komfort oder einer verbesserten Behaglichkeit der Fahrgäste im Innenraum bzw. Fahrgastraum führen.
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Dies wird in der Regel durch eine aufwendige und kostenintensive Verlegung von Luftkanälen erreicht, die zur Beheizung von Innenraumverkleidungen bzw. deren Oberflächen und/oder des Raumes dienen. Kalte Oberflächen werden dabei mit warmer Luft hinterströmt, um die Oberflächen zum Beispiel von Seitenwänden des Fahrzeugs auf eine bestimmte Temperatur anzuheben und um zusätzlich den Raum aufzuheizen.
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Problematisch ist, dass es dabei zu lokalen Unterschreitungen der geforderten Oberflächentemperaturen kommen kann. Um die Temperatur in allen Bereichen der Verkleidungsteile auf dem gewünschten Niveau zu halten, muss mehr temperierte Luft über die Innenraumverkleidung geführt werden. Dadurch kann es zu Überschreitungen der zulässigen Luftgeschwindigkeiten kommen. Dies führt wiederum dazu, dass Nachheizer verbaut werden müssen, um die Innenraumtemperatur zu halten, was mit erheblichen Kosten verbunden ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 003 440 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Innenverkleidungsteilen durch Kaschieren, gemäß dem eine flexible Materiallage auf einen formstabilen Träger unter Zwischenlage eines Klebstoffs geklebt wird. Der Klebstoff kann dabei elektrisch-leitfähige Carbon-Nanotubes enthalten, die durch Anlegen einer Spannung als Heizeinrichtung den Klebstoff erwärmen und im Gebrauchszustand des Innenkleidungsteils als Widerstand einer Flächenheizung dienen.
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Das Europäische Patent
EP 1 348 316 B1 betrifft eine Flächenheizung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Flächenheizung umfasst dabei einen Träger und eine Heizschicht, die elektrisch leitfähigen Kunststoff, insbesondere pulverförmiges Graphit, enthält. Als Träger kommt beispielsweise ein elastisches Gewebe oder Flies zum Einsatz. Träger und Heizschicht können miteinander verklebt sein.
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Die Offenlegungsschrift
DE 26 16 771 A1 offenbart einen lagenförmig aufgebauten Heizkörper mit einem halbleitenden kohlenstoffhaltigen Pyropolymer auf wenigstens einer Seite einer Substratmaterialschicht. Als Substrat kann dabei ein Glastuch verwendet werden.
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Das Dokument
DE 10 2011 116 816 A1 lehrt einen Temperatursensor, der an einer Komponente eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, die mittels einer Heizeinrichtung beheizt ist. Die Heizeinrichtung umfasst dabei wenigstens ein Kohlenstoffnanoröhrchen umfassendes Heizelement, insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhrchen und ein Matrixmaterial umfassende Schicht.
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Die Aufgabe besteht darin, eine einfache und sichere Regelung der Oberflächentemperatur der Innenraumverkleidung vorzuschlagen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug umfasst eine beheizbare Innenraumverkleidung aus mindestens einem der nachfolgend beschriebenen Formteile. Das Fahrzeug umfasst ferner Elektroden, die an das zumindest eine Formteil angeschlossen sind, und eine Energieversorgungsvorrichtung eingerichtet zum Zuführen von elektrischer Leistung an die Elektroden.
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Das Fahrzeug umfasst fürderhin einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur an einer Oberfläche der Innenraumverkleidung, wobei die Energieversorgungsvorrichtung mit dem Temperatursensor verbunden ist und eingerichtet ist, die Temperatur an der Innenraumverkleidung auf einen Sollwert zu regeln.
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Die Innenraumverkleidung aus den Formteilen ist in einem Fahrgastraum des Fahrzeugs angeordnet.
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Das Formteil ist ganz oder in Teilen aus einem Kunststoff geformt, der als Additiv einen Heizlack enthält.
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Der Kunststoff ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK, ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff und Glasfasern. Als Basis kommen duroplastische (zum Beispiel Polyesterharz (UP) oder Epoxidharz) als auch thermoplastische (zum Beispiel Polyamid) Kunststoffe in Frage. Die polymere Basis des glasfaserverstärken Kunststoffs und der Heizlack werden so aufeinander abgestimmt, dass sie homogen mischbar sind. In der Regel sind Matrix und Heizlack hydrophob. Glasfaserverstärkter Kunststoff eignet sich für die Durchmischung mit Heizlack besonders gut, da dieser bei relativ leichtem Gewicht über eine hohe Steifigkeit verfügt und zudem leicht zu formen ist.
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Bei Schienenfahrzeugen existieren zu erfüllende Normen des Nah-, Regional- und Fernverkehrs, die mit der Innenraumverkleidung aus den erfindungsgemäßen Formteilen einfach und kostengünstig zu erfüllen sind.
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Zudem kann insbesondere bei elektrischen Fahrzeugen der Energieverbrauch oder bei batteriegetriebenen Fahrzeugen die Reichweite erhöht werden. Auf eine konventionelle Heizung über Warmluftzufuhr kann verzichtet werden oder ein solches Heizsystem kann deutlich kleiner ausgelegt werden.
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Die Innenraumverkleidung kann an einer Seitenwand des Fahrzeugs angeordnet sein. Da sich die Seitenwand in unmittelbarer Nähe der Passagiere befindet, ist eine Temperierung dieses Teils des Innenraums besonders vorteilhaft.
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Die Innenraumverkleidung kann ferner in einer Nasszelle des Fahrzeugs angeordnet sein. Insbesondere in Nasszellen, wie zum Beispiel in einem Duschbereich oder bei einem Wickeltisch, wird eine gleichmäßige und konstante Wärmeabstrahlung der Innenraumverkleidung erheblich zum Komfort beitragen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine besonders energieeffiziente und exakte Regelung der Oberflächentemperatur der Innenraumverkleidung eines Fahrzeugs mit Hilfe eines modifizierten Formteils erreichen lässt. Das Formteil ist dabei zumindest teilweise aus einem Kunststoff geformt, der zusätzlich einen Heizlack enthält. Hierdurch wird das Formteil elektrisch leitfähig und kann zum Beispiel durch Anlegen einer Spannung beheizt werden. Der Heizlack wird nicht als zusätzliche Folie oder Deckschicht auf das Formteil aufgetragen, sondern als Additiv bei der Herstellung des Formteils dem weiteren Bestandteilen zugesetzt. Hierdurch lässt sich der Fertigungsprozess des heizfähigen Formteils wesentlich vereinfachen.
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Durch den Heizlack wird demnach eine drahtlose Widerstandsheizung realisiert, welche die Innenraumverkleidung erwärmt oder beheizt. Eine gleichmäßige Wärmestrahlung über das Formteil wird zudem als sehr angenehm empfunden. Im Vergleich zur herkömmlichen Kanalführung von Warmluft an der Rückwand der Innenverkleidung wird ferner weniger Energie verbraucht. Aufwändig konstruierte Kanalführungen auf der Rückseite der Innenraumverkleidung können vermieden werden.
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Unter einem Heizlack versteht man einen elektrisch leitfähigen Lack, der bei Anliegen von Strom oder Spannung Wärme bzw. Wärmestrahlung erzeugt. Der Heizlack kann elektrisch leitfähige Polymere enthalten, insbesondere Polypyrrole, Polyanilin, Polythiophene, Polyparaphenylene, Polyparaphenylen-Vinylene und deren Derivate. Die elektrische Leitfähigkeit kann beispielsweise durch Zusatz von Kohlenstoff-Nanoteilchen verbessert werden.
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Das Formteil kann bereichsweise, also vollständig oder in Teilabschnitten, mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht versehen sein. Diese kann auf das Formteil laminiert sein. So kann beispielsweise ein störender elektrischer Kontakt auf der Innenseite der Innenraumverkleidung wirkungsvoll verhindert werden. Hierzu kann zum Beispiel ein Lack verwendet werden. Zugleich kann die Schutzschicht zur Farbgebung des Formteils verwendet werden.
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Zum Anlegen der Spannung kann das Formteil Elektroden-Kontaktflächen aufweisen. Die Elektroden-Kontaktflächen können insbesondere einen einlaminierten Draht aufweisen. Dies ist ein ausreisssicherer und dauerfester Kontakt, der zudem einfach zu fertigen ist.
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Das Formteil kann den Heizlack mit einem Anteil von 3 bis 30 Gew.%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.%, enthalten. Ein Gehalt von mindestens 3 Gew.% garantiert eine hinreichende Leitfähigkeit des Kunststoffs. Sofern der Gehalt des Heizlacks nicht 30 Gew.% übersteigt, sind die mechanischen Eigenschaften Formteils nahezu unverändert. Die angegebenen Bereiche bieten demnach einen guten Abgleich zwischen Festigkeit des Formteils und ausreichender Heiz- oder Wärmeleistung. Die Temperatur des erfindungsgemäßen Formteils hängt dabei von dem Anteil des Heizlacks im Kunststoff ab. Mit einem höheren Anteil des Heizlacks kann eine höhere Temperatur des Formteils bei gleicher Spannung erreicht werden. Durch eine Auswahl des Anteils des Heizlacks kann somit die maximale Temperatur und/oder ein gewünschter Temperaturbereich des Formteils nach Beaufschlagung mit einer bestimmten Spannung festgelegt werden. Insbesondere bei Formteilen, die in Kontakt mit Personen kommen können, kann dadurch sichergestellt werden, dass es zu keiner Gefährdung kommt. So kann z. B. der Anteil des Heizlacks im Kunststoff so ausgewählt werden, dass die Temperatur des Formteils bei konstanter Spannung zwischen 26-28°C liegt.
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Das Formteil kann mittels eines Bordnetzes des Fahrzeugs mit Spannung beaufschlagt werden. Da verschiedene Fahrzeuge unterschiedliche Bordnetze haben, z. B. 12 V oder 24 V, kann der Anteil des Heizlacks in Gew.% so ausgewählt werden, dass der gewünschte Temperaturbereich des Formteils in Betrieb auch bei verschiedenen Spannungen ähnlich gestaltet werden kann.
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Durch eine homogene Verteilung des Heizlackes im glasfaserverstärkten Formteil kann eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung über die Oberfläche der aus den Formteilen aufgebauten Innenraumverkleidung gewährleistet werden. Dies hat insbesondere einen erheblichen Vorteil bei Verkleidungsteilen komplizierter Struktur, die zum Beispiel viele Radien, Hinterschneidungen, Schrägen und dergleichen aufweisen. Eine störende lokale Ungleichverteilung der Oberflächentemperatur kann somit vermieden werden, wie sie sich z. B. bei lediglich oberflächlicher Auftragung eines Heizlacks durch unterschiedliche Schichtdicken des Lacks infolge des Auftrags ergibt. Auch ist die Haltbarkeit des homogen verteilten Heizlacks im Formteil gegenüber einer lediglich oberflächlich aufgetragenen Schicht verbessert.
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Zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs wird dem zumindest einen Formteil elektrische Leistung zum Erzeugen von Wärme zugeführt.
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Anstatt, wie bisher üblich, nur die Luft aufzuheizen, werden nun zusätzlich oder ausschließlich sich im Innenraum befindliche Innenraumverkleidungen oder Verkleidungsteile beheizt. Die Regelung der Oberflächentemperatur kann durch Takten der Leistung erfolgen, in dem beispielsweise die Oberflächentemperatur mittels eines Temperaturbegrenzers bzw. Thermoschalters gemessen wird und über eine definierte Hysteresefunktion die Leistung ein- bzw. ausgeschaltet wird. Alternativ kann die Regelung in einen Klimaregler des Fahrzeugs integriert werden. Beide Varianten führen zu einer Verbesserung der Temperatureinstellung im Innenraum des Fahrzeugs, zum Beispiel einem Fahrgastraum, einem Zugbegleiterabteil, einem Pausenraum, einem Führerraum usw. Die Warmluft aus einer gegebenenfalls bestehenden Klimaanlage kann dadurch ausschließlich zur Temperierung des Innenraums genutzt werden, da die Verkleidungen durch die Klimaanlage nicht erwärmt werden müssen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Heizleistung aus der Klimaanlage zu reduzieren, da die Verkleidungsteile gleichmäßig Wärme abgeben. Gegebenenfalls kann sogar die Dimensionierung der Klimaanlage verringert werden.
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Zur Einstellung einer Temperatur kann die Leistung getaktet zugeführt werden. Da der Heizlack und damit die Innenraumverkleidung aufgrund der geringen Masse des elektrisch leitfähigen Materials schnell reagiert, kann eine einfache Taktung der angelegten Spannung oder des zugeführten Stroms vorgenommen werden.
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Ferner kann der Anteil des Heizlacks im Formteil derart festgelegt werden, dass die Temperatur des Formteils nach Beaufschlagen mit einer vorbestimmten Spannung, z. B. der Spannung des Bordnetzes eines Fahrzeugs, in einem vorbestimmten Temperaturbereich liegt. Dieser vorbestimmte Temperaturbereich kann z. B. in einem für Personen als angenehm wahrgenommenen Bereich zwischen 26 und 28°C Oberflächentemperatur liegen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Innenraum eines Fahrzeugs; und
- 2 eine Detaildarstellung einer beheizbaren Innenraumverkleidung.
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In 1 ist schematisch ein Fahrzeug 1, wie beispielsweise ein Waggon, mit einem Innenraum 2, wie beispielsweise einem Fahrgastraum dargestellt. Der Innenraum 2 ist von zwei Seitenwänden 3, einer Decke 4 sowie einem Fußboden oder einer Unterseite 5 begrenzt. Der Innenraum 2 oder zumindest Teile oder Bereiche des Innenraums 2 sind mit einer Innenraumverkleidung 6 versehen. Die Innenraumverkleidung 6 umfasst mehrere Formteile 7, die beispielsweise an den Seitenwänden 3 sowie an der Decke 4 angeordnet sind. Auch ist es möglich, Formteile an den Fußboden 5 anzubringen. In einer Längsrichtung des Fahrzeugs 1, die hier senkrecht zu der Zeichnungsebene steht, können mehrere Formteile 7 hintereinander angeordnet sein. Ebenso kann ein hier dargestelltes Formteil aus mehreren Formteilen gebildet sein.
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Die Formteile 7 bestehen aus Kunststoff, bevorzugt aber nicht beschränkend aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), da dieser bei relativ leichtem Gewicht über eine hohe Steifigkeit verfügt und zudem leicht zu formen ist. Dem polymeren Basismaterial des glasfaserverstärkten Kunststoffs wird während der Herstellung des Formteils ein Heizlack zugesetzt.
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Zumeist ist in einem Fahrzeug 1 standardgemäß eine Klimaanlage 8 zur Regulierung des Klimas in dem Innenraum 2 vorgesehen. Erfindungsgemäß sind zusätzlich beheizbare Formteile 7 der Innenraumverkleidung 6 vorgesehen, bei denen der als Additiv zugesetzte Heizlack in Folge von Anliegen einer Spannung bzw. Zuführen eines Stroms Wärme oder Wärmestrahlung abgibt. Der Heizlack bzw. die Partikel oder Anteile des Heizlacks in dem glasfaserverstärkten Kunststoff wirken dabei wie eine drahtlose Widerstandheizung. Dadurch werden die Formteile 7 erwärmt, was die Klimaanlage 8 entlastet, da diese nun nicht mehr die Formteile 7 bzw. die Innenraumverkleidung 6 erwärmen muss.
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In 2 sind Details der beheizbaren Innenraumverkleidung 6 dargestellt. Hier ist ein Formteil 7 der Innenraumverkleidung 6 dargestellt, das sich an einer Seitenwand 3 befindet. Das Formteil 7 hat eine Rückseite 7a, welche der Seitenwand 3 zugewandt ist und eine Innenseite 7b, welche dem Innenraum 2 zugewandt ist.
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Das Formteil 7 kann mindestens zwei Elektrodenkontaktflächen 9, von denen eine beispielhaft dargestellt ist, aufweisen. Über die Elektroden-Kontaktflächen 9 erfolgt der elektrische Anschluss des Formteils 7, so dass diesem zur Erzeugung von Wärme bzw. Wärmestrahlung elektrische Energie zugeführt werden kann. Entsprechend ist eine Elektrode 10 oder ein anderes Kontaktmittel, wie zum Beispiel ein Stecker, an der Elektroden-Kontaktfläche 9 befestigt.
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Die Elektrode 10 steht in elektrischer Verbindung mit einer Energieversorgungsvorrichtung 11. Die Energieversorgungsvorrichtung 11 prägt einen Strom in die Elektrode 10 ein oder legt eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Elektroden 10 an, um so einen Stromfluss durch das Formteil 7 zu erzeugen. Eine der Elektroden kann eine Erdungselektrode oder ein Erdungsanschluss sein, der zum Beispiel mit einem Wagenkasten des Fahrzeugs verbunden ist. Die Leistung oder Energie kann von der Energieversorgungsvorrichtung 11 erzeugt oder umgewandelt werden oder durch die Energieversorgungsvorrichtung 11 von einer Batterie oder einem Bordnetzsystem zur Verfügung gestellt werden.
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Mittels einer Befestigung 12, wie beispielsweise einer Schraube, einem Stift oder dergleichen, ist das Formteil 7 an der Seitenwand 3 befestigt. Vorzugsweise isoliert die Befestigung 12 das Formteil 7 gegen die Seitenwand 3.
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Die Elektroden-Kontaktflächen 9 können an jeder Stelle des Formteils 7 ausgebildet sein. Vorzugsweise befinden sie sich an der Rückseite 7a des Formteils 7. Die Elektroden-Kontaktfläche 9 kann eine spezielle Beschichtung zur Erhöhung der Leitfähigkeit oder einen speziellen Anschluss, der mit der Elektrode 10 oder einem weiteren Stecker zusammenwirkt, aufweisen. Alternativ kann jede beliebige Stelle des Formteils 7 als Elektroden-Kontaktfläche 9 verwendet werden.
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Mehrere Formteile 7 können parallel oder in Reihe geschaltet sein. Auch eine Kombination der beiden Verschaltungen ist möglich, zum Beispiel mit einigen Clustern aus parallel geschalteten Formteilen 7, wobei die Cluster in Reihe geschaltet sind.
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Ferner ist ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der hier an der Rückseite 7a des Formteils 7 angeordnet ist. Der Temperatursensor 13 ist ebenfalls mit der Energieversorgungsvorrichtung 11 verbunden und gibt Sensordaten an diese aus. Diese Sensordaten kennzeichnen die Temperatur des Formteils 7, die Temperatur einer der beiden Oberflächen 7a oder 7b des Formteils 7 und/oder die Temperatur in der Umgebung des Formteils 7. Der Temperatursensor 13 kann wie dargestellt Bestandteil der Innenraumverkleidung 6 sein oder er ist Bestandteil der Klimaanlage 8. Ebenso kann die Energieversorgungsvorrichtung 11 Bestandteil einer Energieversorgungsvorrichtung der Klimaanlage 8 sein.
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Zumindest die Innenseite 7b oder Bereiche der Innenseite 7b des Formteils 7 sind mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht 14 überzogen.
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Zur Erwärmung oder Beheizung des Innenraums 2 wird von der Energieversorgungsvorrichtung 11 Leistung über die Elektrode 10 und die Elektroden-Kontaktflächen 9 an das Formteil 7 und den dort enthaltenen Heizlack zugeführt. Daraufhin bildet sich ein Strom in dem Formteil 7 aus, der zu einer Erwärmung des Heizlacks führt. Dadurch wird sowohl das Formteil 7 als auch der Innenraum 2 in der Nähe des Formteils 7 erwärmt. Die Luft in dem Innenraum 2 kann zusätzlich mit Hilfe der Klimaanlage 8 temperiert werden. Zwischen dem Formteil 7 und der Seitenwand 3 ist eine Isolierung 15 angeordnet, welche verhindert, dass die von dem Formteil 7 abgegebene Wärme nach außen entweicht. Statt der oder zusätzlich zu der Isolierung 15 kann ein Reflektor für die Wärmestrahlung vorgesehen sein, der die Wärmestrahlung zurück auf das Formteil 7 reflektiert.
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Zur Regelung der Temperatur kann der Messwert des Temperatursensors 13 in der Energieversorgungsvorrichtung 11 mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden. Über eine Regelung der Leistung, welche der Elektrode 10 zugeführt wird, kann eine Einregelung auf den Sollwert erfolgen. Die Regelung der Leistung kann beispielsweise durch eine Taktung erfolgen. Diese Taktung erfolgt in der Energieversorgungsvorrichtung 11. Die Energieversorgungsvorrichtung 11 ist in diesem Fall als Steuerungsvorrichtung ausgebildet.
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Die Herstellung eines Formteils 7 der beheizbaren Innenraumverkleidung 6 folgt prinzipiell der Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoff-Formteilen. Ein Faserverbundwerkstoff besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten, nämlich einer polymeren Matrix sowie darin eingebetteten, verstärkenden Fasern. Entsprechend werden die beiden Komponenten zusammengebracht und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung zu dem Formteil 7 geformt.
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Hier wird zusätzlich Heizlack in flüssiger Form oder in Form von Partikeln in das polymere Basismaterial des Faserverbundwerkstoffes eingebracht. Der Anteil des Heizlacks an dem Faserverbundwerkstoff beträgt 3 bis 30 Gew.%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Formteils.
