DE112014005882T9

DE112014005882T9 - Heizelement mit einer Schicht von widerstandsfähigem Material, welches lokal so konfiguriert ist, dass ein vorbestimmter Schichtwiderstand erhalten wird

Info

Publication number: DE112014005882T9
Application number: DE112014005882.3T
Authority: DE
Inventors: Thomas Wittkowski; Michael Olk
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-10-27
Also published as: DE112014005882T5; WO2015097219A1; LU92345B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement (1) zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, aufweisend ein Substrat, welches eine erste und eine zweite Zuleitung (2, 2a) trägt, die sich im Allgemeinen entlang entgegengesetzten Seiten des Elements (1) erstrecken, wobei jede Zuleitung einen elektrischen Kontaktpunkt zur Quelle aufweist, wobei jede Zuleitung (2, 2a) die Stromversorgung entlang dieser verteilt, wobei ein Zwischensubstratteil (3), das zwischen den beiden Zuleitungen (2, 2a) eingefasst ist, eine Schicht aus einem widerstandsfähigen Material trägt, wobei im Betrieb ein Strom von einer Zuleitung (2) zur anderen Zuleitung (2a) durch die Schicht fließt und Wärme abgibt. Die Schicht liegt in Form eines Musters vor, das auf dem Substratteil (3) aufgebracht und so konfiguriert ist, dass der somit lokal erhaltene Schichtwiderstand kontinuierlich über das Zwischensubstratteil (3) entsprechend einem jeweiligen vorbestimmten Schichtwiderstand variiert, um eine gewünschte Temperaturverteilung über das Heizelement (1) zu erreichen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Heizelement mit einer Schicht von widerstandsfähigem Material, welches lokal so konfiguriert ist, dass ein jeweiliger vorbestimmter Schichtwiderstand erhalten wird. Als eine bevorzugte, aber nicht einschränkende Anwendung kann ein solches Heizelement zur Erwärmung von Oberflächen in Kraftfahrzeugen, d. h. in Abteilen/Kabinen von Flug-, Bahn- und Straßenfahrzeugen, mit dem Ziel verwendet werden, die Insassen zu wärmen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Beheizen aller Arten von Oberflächen, wie Türverkleidungen, Lenkräder, Armlehnen und einiges mehr in der Kabine von Kraftfahrzeugen, wobei es sich zumindest teilweise um nicht planare Oberflächen handelt.
Stand der Technik
Gemäß dem Stand der Technik weisen Heizelemente zur Erzeugung von Wärme, wenn sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, ein Substrat auf, welches eine erste Zuleitung oder einen ersten Bus und eine zweite Zuleitung oder einen zweiten Bus trägt, die sich im Allgemeinen entlang entgegengesetzter Seiten des Heizelements erstrecken. Jede Zuleitung weist einen elektrischen Kontaktpunkt zu der elektrischen Stromquelle auf, wobei jede Zuleitung die elektrische Stromversorgung entlang dieser verteilt. Mindestens eine Schicht von widerstandsfähigem Material ist zwischen den beiden Zuleitungen und in elektrischem Kontakt mit diesen angeordnet. Im Betrieb fließt ein elektrischer Strom durch die Schicht von widerstandsfähigem Material von der ersten Zuleitung zur zweiten Zuleitung und leitet dadurch Wärme ab, wenn ein Anschluss an die elektrische Stromquelle vorhanden ist.
Eines oder mehrere dieser Heizelemente können zusammengefasst werden, um eine elektrisch betriebene Heizung zu bilden. Diese Heizelemente können durch spezifische elektrische Versorgungsschaltungen entweder in Reihe oder parallel betrieben werden, wodurch jeweilige Bereiche eines zu erwärmenden Gegenstands erwärmt werden.
Individuelle Heizelemente sowie ihre Zuleitungen können mit irgendeinem industriellen Abscheidungsverfahren auf das Substrat aufgebracht werden, wie z. B. durch Bedrucken, wobei das Substrat ein Polymerfilm oder ein Textilträger ist, oder der Druck erfolgt direkt auf die Rückseite des zu erwärmenden Gegenstands.
Die Einstellung der Temperaturverteilung in einem elektrisch erwärmten Bereich ist der Kern der Gestaltung der Heizung. Heute sind nur grobe Annäherungen an die gewünschte Einstellung möglich. Der Grund hierfür liegt in der Verwendung einer nur kleinen diskreten Anzahl von Heizelementen, die durch ihren Schichtwiderstand gekennzeichnet sind. In der Regel wird die gleiche Schicht von widerstandsfähigem Material verwendet, die einen gleichmäßigen Schichtwiderstand für die gesamte Schicht aufweist. Folglich kann die Temperaturverteilung in dem erwärmten Bereich kaum eingestellt werden. Nur in bestimmten Sonderfällen, wie bei kleinen rechteckigen erwärmten Bereichen, in denen der Spannungsabfall vernachlässigbar gering ist, wird eine gewisse Gleichmäßigkeit der Temperatur in einem solchen kleinen Bereich erreicht. Heutzutage ist jedoch eine definierte, planare Einstellung der Temperatur nicht möglich.
Häufig findet man elektrisch betriebene Heizungen, die mehr als ein Heizelement wie vorstehend beschrieben aufweisen. Eine solche elektrisch betriebene Heizung wird entweder in Reihe oder in parallelen Stromkreisen betrieben. Parallele Stromkreise können eine planare Erwärmung ausführen.
Eine fortwährende Herausforderung bei diesen Heizungen besteht in der Schaffung einer definierten Temperaturverteilung innerhalb des erwärmten Bereichs. Der Stand der Technik nimmt diese Herausforderung durch Vorschlagen verschiedener Lösungen an.
In den meisten heutigen Produkten werden die Heizelemente sehr klein und von einer rechteckigen Form gewählt, so dass der Spannungsabfall entlang der Zuleitungen vernachlässigbar klein ist. Auf diese Weise ist die Heizung mit kleinen rechteckigen Heizelementen mit einer konstanten Temperatur über den erwärmten Bereich versehen.
Eine weitere Möglichkeit, eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, besteht darin, den Spannungsabfall entlang einer Reihe von Heizelementen zu berücksichtigen. Mehrere Heizelemente von unterschiedlichen geometrischen Erstreckungen oder Schichtwiderständen werden derart betrieben, dass die Leistungsdichte über die gesamte Reihe von Heizelementen ziemlich gleichmäßig ist. Dieser Ansatz beruht jedoch auf einem konstanten Schichtwiderstand in jedem Heizelement.
In manchen Produkten werden starke Schwankungen der Temperaturverteilung über den Heizbereich einfach toleriert.
Keine der vorstehend erwähnten Lösungen ist in der Lage, eine nicht gleichmäßige Temperaturverteilung über den erwärmten Bereich auf gut definierte Weise einzustellen oder eine gleichmäßige Temperaturverteilung für Heizelemente einzustellen, insbesondere bei nicht rechteckigen Heizelementen oder bei Heizelementen, in denen die Spannung in Abhängigkeit von deren Längenkoordinate enorm abfällt.
Folglich gibt es bisher kein Heizelement, welches die Abweichungen von der rechteckigen Geometrie in einem komplex geformten Bereich sowie den Spannungsabfall ausgleicht, um die Temperaturverteilung einzustellen.
Ferner sind Heizelemente für komplex geformte Bereiche entweder klein und rechteckig, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über einen kleinen rechteckigen Bereich zu gewährleisten, oder die komplex geformten Bereiche unterliegen einer überaus ungleichmäßigen und nicht einstellbaren Heiztemperaturverteilung.
Aufgabenstellung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Heizelement zur Verfügung zu stellen, welches eine Einstellung der Temperaturverteilung in dem gesamten erwärmten Bereich ermöglicht.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, erreicht, welches ein Substrat aufweist, das eine erste Zuleitung und eine zweite Zuleitung trägt, die sich im Allgemeinen entlang entgegengesetzter Seiten des Heizelements erstrecken. Jede der ersten und der zweiten Zuleitung weist einen elektrischen Kontaktpunkt zum Verbinden der Zuleitung mit einer elektrischen Stromquelle auf, wobei jede Zuleitung Elektroenergie verteilt, die entlang ihrer Erstreckung zugeführt wird. Ein Zwischensubstratteil zwischen den beiden Zuleitungen trägt eine Schicht von widerstandsfähigem Material, so dass im Betrieb elektrischer Strom durch die Schicht von widerstandsfähigem Material von der ersten Zuleitung zur zweiten Zuleitung fließt und dadurch Wärme abgegeben wird. Gemäß der Erfindung liegt die Schicht von widerstandsfähigem Material in Form eines mikroskopischen Musters vor, das auf das Zwischensubstratteil aufgebracht und derart konfiguriert ist, dass der Schichtwiderstand, der für das aufgebrachte Muster lokal erhalten wurde, über das Zwischensubstratteil entsprechend einem jeweiligen vorbestimmten Schichtwiderstand kontinuierlich variiert, um eine gewünschte Temperaturverteilung über das Heizelement zu erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Muster durch das Vorliegen von mikroskopischen Ausschlüssen in dem widerstandsfähigen Material definiert, wobei eine Verteilung von Ausschlüssen des Musters auf dem Zwischensubstratteil vorzugsweise einer vorbestimmten Verteilung, einer zufälligen oder einer pseudozufälligen Verteilung in jedem unitären Flächenelement folgt. Es ist anzumerken, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung der Begriff Ausschluss verwendet wird, um einen mikroskopischen Bereich in der Schicht von widerstandsfähigem Material zu bezeichnen, in dem kein widerstandsfähiges Material oder eine verringerte Menge an widerstandsfähigem Material in der Schicht vorliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Heizbereich (zwischen den beiden Zuleitungen) eines Heizelements unter Verwendung eines druckfähigen widerstandsfähigen Materials aufgedruckt werden. Die Eigenschaften des Heizbereichs sind vorzugsweise über den gesamten Heizbereich nicht gleich. Das widerstandsfähige Material wird in einem solchen Muster aufgedruckt, dass dessen Schichtwiderstand des Heizbereichs in Abhängigkeit von den lateralen Koordinaten x, y, der bedruckten Schicht variiert, so dass Rsqp ≤ Rsq(x, y) ≤ ∞. Außerdem variiert Rsq(x, y) vorzugsweise kontinuierlich, d. h. es wechselt nicht abrupt (in einem Schritt) zwischen Rsqp und ∞.
Die (kontinuierliche) Variation von Rsq(x, y) wird durch winzige Ausschlüsse in dem Muster des Druckgewebes erhalten. Diese Ausschlüsse sind nicht mit "Öffnungen" oder "Zonen" oder ähnlichem zu verwechseln. Diese Ausschlüsse sind im Vergleich zur Größe des Heizelements sehr klein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Ausschlüsse z. B. kreisförmig sein und einen Durchmesser zwischen 20 µm und 300 µm, und vorzugsweise im Bereich von 100 µm und 200 µm aufweisen. Rsq(x, y) wird kontinuierlich eingestellt, indem der Massenbelag solcher geformter Ausschlüsse n(x, y) in Abhängigkeit von den lateralen Koordinaten x, y eingestellt wird.
Vorzugsweise ist der Massenbelag von Ausschlüssen n(x, y) eine kontinuierliche Funktion. Auf diese Weise wird der Schichtwiderstand Rsq(x, y) durch den lokalen Massenbelag n(x, y) von Ausschlüssen gesteuert. Rsqp ist der minimale Schichtwiderstand, den man bei n(x, y) = null erhält.
Es versteht sich, dass, um einen aussagekräftigen Schichtwiderstand Rsq(x, y) zu definieren, der Bereich, für den Rsq definiert wird, viel größer als der Bereich eines einzelnen Ausschlusses sein sollte. Es sei angemerkt, dass die gleiche Anforderung für die Bestimmung eines aussagekräftigen Massenbelags von Ausschlüssen gilt. Als Daumenregel gilt, dass das unitäre Flächenelement, auf dem n(x, y) oder Rsq(x, y) definiert sind, laterale Abmessungen mit einem Faktor von fünfmal und vorzugsweise einem Faktor von zehnmal größer als die laterale Abmessung eines einzelnen Ausschlusses aufweist.
In einer Ausführungsform, in der der Durchmesser eines Ausschlusses 0,3 mm beträgt, wäre der Bereich, um n(x, y) oder Rsq(x, y) zu definieren, 3 × 3 mm². Es versteht sich intuitiv, dass der Bereich von 3 × 3 mm² viel kleiner als der Heizbereich sein sollte. Der Heizbereich sollte ein Faktor von fünfmal und vorzugsweise ein Faktor von zehnmal größer als der Bereich sein, auf dem n(x, y) oder Rsq(x, y) definiert sind. Dies bedeutet, dass der Heizbereich vorzugsweise 10⁴ d²-mal größer als der Bereich eines einzelnen Ausschlusses auf dem Druckgewebe ist.
In einer Ausführungsform, in der das Zwischensubstratteil mindestens eine Öffnung aufweist, kann der Einfluss der Öffnung auf den lokalen Schichtwiderstand durch einen passend eingestellten Massenbelag von Ausschlüssen in der Schicht von widerstandsfähigem Material auf dem Zwischensubstratteil in der Umgebung der Öffnung kompensiert werden. Durch eine passende Einstellung des Massenbelags von Ausschlüssen, d. h. durch eine entsprechende lokale Einstellung des Schichtwiderstands, ist es möglich, einen Heizstrom um die Öffnung abzulenken.
In einer möglichen Ausführungsform können die Ausschlüsse von einer anderen Form sein, wobei mindestens zwei verschiedene Formen in einem Flächenelement des Zwischensubstratteils vorliegen, und falls die Verteilung von Ausschlüssen einer vorbestimmten Verteilung folgt, hat jede verschiedene Form von Ausschlüssen ihre eigene vorbestimmte Verteilung.
In einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das Zwischensubstratteil im Wesentlichen in zwei Dimensionen mit den Koordinaten x und y, und nur eine einzige Form von Ausschlüssen in der Schicht von widerstandsfähigem Material liegt über dem Zwischensubstratteil ohne Überlappung dieser Ausschlüsse vor. Der kontinuierlich eingestellte Schichtwiderstand Rsq(x, y) des aufgebrachten Musters mit solchen Ausschlüssen wird dann in Bezug auf den Schichtwiderstand eines vollständigen Musters Rsqp definiert durch:
wobei F die Fläche eines Ausschlusses ist und n(x, y) die Flächendichte von Ausschlüssen in Abhängigkeit von wenigstens einer der Koordinaten x und y des Zwischensubstratteils ist, und wobei a₁ und a₂ empirische Faktoren sind, die von der Art (Größe und Form) des Ausschlusses, der Siebmasche, der Tintenviskosität und Oberflächenenergie, der Substratoberflächenenergie und den Parametern des Druckverfahrens abhängen. In einer möglichen Ausführungsform können a₁ und a₂ z. B. gleich 1 sein.
Die erste und die zweite Zuleitung können jeweils eine wellenartige Form in Phase miteinander aufweisen, so dass die Breite des auf dem Zwischensubstratteil aufgebrachten Musters kontinuierlich zwischen einer verringerten Breite und einer größeren Breite wechselt. In diesem Fall weist das aufgebrachte Muster von Ausschlüssen entsprechend einer größeren Breite vorzugsweise einen niedrigeren Schichtwiderstand auf als das Muster entsprechend einer verringerten Breite, wodurch eine kontinuierliche Variation des Schichtwiderstands über das Zwischensubstratteil mit dem darauf aufgebrachten Muster möglich wird.
Vorzugsweise nimmt, wenn die erste und die zweite Zuleitung an entgegengesetzten Seiten des Heizelements nicht parallel sind, d. h. wenn sie divergieren, der Schichtwiderstand des aufgebrachten Musters in Abhängigkeit von der Divergenz der Zuleitungen kontinuierlich ab.
Vorzugsweise variieren die Zuleitungsbreite und der Schichtwiderstand des aufgebrachten Musters, wenn die Zuleitungen eine variable Breite aufweisen, beginnend von einer lateralen Seite des Heizelements, jeweils in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements, beginnend von der lateralen Seite, und zwar gemäß den folgenden Gleichungen:
wobei wfl(x) und Rsq(x) jeweils die Zuleitungsbreite und der eingestellte Schichtwiderstand Rsq(x) des aufgebrachten Musters bei einer Längenkoordinate x des Heizelements sind, beginnend von der lateralen Seite, wfl0 und Rsq0 jeweils die Zuleitungsbreite und der Schichtwiderstand Rsq(x, y) des aufgebrachten Musters an der lateralen Seite sind, l die Gesamtlänge des Heizelements ist, b und α jeweilige Koeffizienten sind, wobei b nicht gleich null ist.
Vorzugsweise ist α ein realer Wert gleich oder größer null, z. B. ist α gleich 1 oder 2, während der Koeffizient b jeden realen Wert größer als –1 annehmen kann, der nicht gleich null ist.
Vorzugsweise weist das Heizelement, falls α gleich 1 ist, eine elektrische Potentialdifferenz auf, d. h. die Spannung u(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements, definiert durch:
wobei u0 die Spannung an der lateralen Seite ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen ist und Rsq der Schichtwiderstand des aufgebrachten Musters ist. Rsq und wfl bedeuten Rsq(x) bzw. wfl(x) bei x = 0.
Falls α gleich 2 ist, weist das Heizelement eine Spannung u(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements auf, definiert durch:
wobei u0 die Spannung an der lateralen Seite mit elektrischen Kontaktpunkten ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen ist und Rsq der Schichtwiderstand des aufgebrachten Musters ist. Rsq und wfl bedeuten Rsq(x) bzw. wfl(x) bei x = 0.
Es sei angemerkt, dass der Fachmann auf dem Gebiet die Leistungsdichte ohne weiteres in Abhängigkeit von der Längenkoordinate von der Spannung ohne Weiteres ableiten kann.
Vorzugsweise ist die Schicht von widerstandsfähigem Material aus einem Material mit einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten gefertigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
1 einen Teil eines Druckmusters (von Ausschlüssen), das in den zwei Dimensionen eines Zwischensubstratteils eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kontinuierlich eingestellt wird, wobei das Muster einen kontinuierlich eingestellten Schichtwiderstand in zwei Dimensionen aufweist;
2 ein auf einem Zwischensubstratteil eines Heizelements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebrachtes Muster, wobei das Muster kontinuierlich zwischen einer verringerten Breite und einer größeren Breite wechselt;
3 ein auf einem Zwischensubstratteil eines Heizelements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebrachtes Muster, wobei das Muster zwischen divergierenden lateralen Seiten aufgebracht ist und einen kontinuierlich eingestellten Schichtwiderstand aufweist;
4 eine schematische Draufsicht eines Heizelements mit jeweiligen parallelen Zuleitungen, wobei die Zuleitungsbreiten und die Breite der widerstandsfähigen Schicht konstant sind, wobei dieses Heizelement dem Stand der Technik entspricht;
5 eine Kurve, die die relative Leistungsdichte des in 4 gezeigten Heizelements in Abhängigkeit von der Heizelementlänge ausdrückt;
6 Kurven, die das Verhältnis der Zuleitungsbreite und des Schichtwiderstands zu einer jeweiligen anfänglichen Zuleitungsbreite und einem anfänglichen Schichtwiderstand in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Länge zur Gesamtlänge für ein Heizelement gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausdrücken;
7 eine schematische Draufsicht eines Heizelements gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Zuleitung bzw. Schichtwiderstand in Abhängigkeit von der Länge des Heizelements, wobei sich die Breite der Zuleitungen verengt und der Schichtwiderstand mit zunehmendem Verhältnis x/l in der in dieser Figur gezeigten Ausführungsform abnimmt;
8 eine herangezoomte Sicht in ein mögliches Muster von mikroskopischen Ausschlüssen in einem Flächenelement zur Aufbringung auf ein Zwischensubstratteil für das Heizelement gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine Kurve, die die relative Leistungsdichte des in 7 gezeigten Heizelements in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausdrückt.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf die 4 und 7 weist ein Heizelement 1 zum Erzeugen von Wärme, wenn es gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, ein Substrat auf, das eine erste Zuleitung 2 und eine zweite Zuleitung 2a trägt, die sich im Allgemeinen entlang entgegengesetzten Seiten des Heizelements 1 erstrecken. Jede Zuleitung 2, 2a weist einen elektrischen Kontaktpunkt zur elektrischen Stromquelle auf und verteilt die elektrische Stromversorgung entlang diesem.
Ein Zwischensubstratteil 3, welches sich zwischen den beiden Zuleitungen 2, 2a erstreckt, trägt eine Schicht von widerstandsfähigem Material. Im Betrieb fließt ein elektrischer Strom durch die Schicht von widerstandsfähigem Material von der ersten Zuleitung 2 zur zweiten Zuleitung 2a und gibt dadurch Wärme ab. Dieses Zwischensubstratteil 3 und die darauf aufgebrachte Schicht von widerstandsfähigem Material bilden den Heizbereich des Heizelements 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie es in 8 gezeigt ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, liegt die Schicht von widerstandsfähigem Material in Form eines Musters von mikroskopischen Ausschlüssen vor, die auf das Zwischensubstratteil 3 aufgebracht und so konfiguriert ist, dass der gewünschte lokale Schichtwiderstand erhalten wird.
Die Leistungsdichte, d. h. die Leistung pro Flächeneinheit, wird kontinuierlich über den Heizbereich des Heizelements eingestellt. Bei einem thermischen Gleichgewicht ist die Leistungsdichte proportional zum Temperaturanstieg, der durch das Heizelement erzeugt wird. Die kontinuierliche Einstellung der Leistungsdichte erfolgt durch einen kontinuierlich eingestellten Schichtwiderstand des Heizbereichs des Heizelements. Das kontinuierliche Einstellen des Schichtwiderstands erfolgt durch ein kontinuierlich eingestelltes Muster von mikroskopischen Ausschlüssen in der Schicht von widerstandsfähigem Material, das auf das Zwischensubstratteil 3 aufgebracht ist.
Es ist wichtig anzumerken, dass kontinuierlich im obigen Sinne kontinuierlich in Bezug auf die Aufbringung des Musters auf dem Zwischensubstratteil 3, definiert durch räumliche Koordinaten bedeutet, und dass es nicht zeitlich kontinuierlich bedeutet. In der Praxis kann das kontinuierliche Einstellen des Druckmusters durch eine feine Diskretisierung der Druckebene in einer oder in zwei Dimensionen angenähert werden.
Um einen kontinuierlich eingestellten Schichtwiderstand des Heizbereichs des Heizelements 1 zu erhalten, wobei der Heizbereich durch das Zwischensubstratteil 3 mit dem darauf aufgebrachten Muster gebildet ist, wird das aufgebrachte Muster durch das Vorliegen von Ausschlüssen in dem widerstandsfähigen Material definiert, wobei der Ausdruck "Ausschluss" verwendet wird, um einen mikroskopischen Bereich in der Schicht von widerstandsfähigem Material zu bezeichnen, in dem kein widerstandsfähiges Material oder eine verringerte Menge an widerstandsfähigem Material in der Schicht vorliegt. Die Schicht von widerstandsfähigem Material, die auf dem Zwischensubstratteil 3 aufgebracht ist, kann daher mit Regionen mit einer höheren Dichte von Ausschlüssen versehen sein, die Regionen mit einem höheren Schichtwiderstand entsprechen, während andere Regionen mit einer geringeren Dichte von Ausschlüssen Regionen mit einem geringeren Schichtwiderstand bilden.
Diese kontinuierliche Einstellung durch das aufgebrachte Muster ermöglicht eine vollständige kontinuierliche Kontrolle der Temperaturverteilung in dem Heizbereich.
Unter einem technischen Gesichtspunkt mag es wichtig sein zu erwähnen, dass die gedruckte Schicht mit einem Schichtwiderstand Rsq an einer bestimmten Position x, y anders aussieht als ein zugeordneter Entwurf eines Druckgewebes. Das Druckgewebe weist nämlich winzige kreisförmige Ausschlüsse vom Massenbelag n(x, y) auf. Dieser mikroskopische Entwurf wird jedoch im Druckverfahren nicht 1:1 auf das Drucksubstrat übertragen. Auf Grund der geringen Größe der Ausschlüsse (im Größenbereich der Auflösung des Druckverfahrens) ist die Form der Ausschlüsse nicht mehr kreisförmig, wenn sie auf das Substrat übertragen werden, und ihr Durchmesser ist kleiner als bei dem Druckentwurf. Die Form eines „gedruckten“ Ausschlusses wird unscharf sein, oder es kann vorkommen, dass der „gedruckte“ Ausschluss gar kein Ausschluss ist, sondern durch eine lokal verringerte Druckdicke gekennzeichnet ist. Somit sollte klar werden, dass der in 8 gezeigte Druckentwurf im Druckverfahren nicht 1:1 auf das Substrat übertragen wird, sondern zu einem Druck führen kann, dessen Durchschnittsdicke im Vergleich zu einem Entwurf mit n(x, y) = 0 einfach verringert ist.
1 veranschaulicht schematisch eine erste Ausführungsform eines Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt eine kontinuierlich aufgebrachte Mustereinstellung in den beiden Dimensionen auf einer Aufbringungsebene des Musters auf dem Zwischensubstratteil. Dunklere Bereiche 4 deuten einen geringen Schichtwiderstand an (d. h. gekennzeichnet durch einen geringen Massenbelag von mikroskopischen Ausschlüssen) und hellere Bereiche deuten einen hohen Schichtwiderstand an (d. h. gekennzeichnet durch einen hohen Massenbelag von mikroskopischen Ausschlüssen). Der kontinuierlich variierende Schichtwiderstand in zwei Dimensionen ist durch die kontinuierlichen Graupegel angedeutet. Das in 1 gezeigte makroskopische Muster kann in null, in einer oder in zwei Dimensionen oder in irgendeiner anderen geeigneten Form der Verteilung der dunkleren Bereiche 4 periodisch sein.
Die dunkleren Bereiche 4, d. h. die Bereiche von geringem Schichtwiderstand, bieten einen leichteren Weg für den elektrischen Strom als die helleren Bereiche. Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von dem extern angelegten elektrischen Feld der elektrische Strom vorzugsweise durch die dunklen Bereiche 4 des eingestellten Widerstandsmusters transportiert. Da die Leistung pro Flächeneinheit proportional zum Quadrat des Stroms ist, jedoch nur linear vom Widerstand abhängt, kann die zweidimensionale Leistungsdichte und daher die Temperaturverteilung auf diese Weise kontinuierlich eingestellt werden.
Auf diese Weise kann die Temperaturverteilung über das Zwischensubstratteil mit dem darauf aufgebrachten Muster auf nahezu jede Spezifikation eingestellt werden. Diese Art von Muster kann vorteilhafterweise verwendet werden für:

• die Erwärmung von erwärmten Bereichen von natürlicher bzw. freier Form,
• die Kompensation eines Spannungsabfalls, der in Zuleitungen des Heizelements auftreten kann,
• das Strukturieren des Heizbereichs, um spezielle Temperaturverteilungen zu erreichen, d. h. Periodizität in der Ebene usw...,
• die höchste Homogenität der Temperaturverteilung in dem erwärmten Bereich,
• die Kanalisierung von Stromfluss; insbesondere ist es möglich, Öffnungen in dem Heizelement zu bedecken, so dass die Temperaturverteilung hinter der Öffnung (in Richtung des Stromflusses) durch das Vorliegen der Öffnung nur leicht beeinträchtigt wird. Eine Öffnung kann zum Beispiel ein Türöffner oder ein Bedienfeld in einer Türverkleidung oder in einer Armlehne usw. sein.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine kontinuierliche Druckmustereinstellung für ein Heizelement vorgenommen wird, welches wellenförmige Zuleitungen aufweist, wobei die Zuleitungen nicht gezeigt sind, aber das Zwischensubstratteil 3 mit dem darauf aufgebrachten Muster begrenzen. Das auf dem Zwischensubstratteil 3 aufgebrachte Muster stellt dunklere Bereiche 4 entsprechend einem geringen Schichtwiderstand dar. Hellere Regionen des Zwischensubstratteils 3 entsprechen einem hohen Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material.
Bei dieser Ausführungsform entsprechen dunklere Bereiche 4 einem geringen Schichtwiderstand bzw. hellere Bereiche einem hohen Schichtwiderstand. Der Schichtwiderstand wird durch das Druckmuster kontinuierlich eingestellt, so dass der Schichtwiderstand in den Zonen geringer ist, in denen der Abstand zwischen den Zuleitungen groß ist, und dass der Schichtwiderstand in den Zonen höher ist, in denen der Abstand zwischen den Zuleitungen klein ist.
Diese Figur zeigt somit eine kontinuierliche Druckmustereinstellung in der x-Richtung, wobei der Schichtwiderstand eine Funktion nur einer Koordinate ist, d. h. der x-Koordinate. Die Zuleitungen, die das Zwischensubstratteil 3 begrenzen, das den sich in 2 von oben nach unten erstreckenden Heizbereich bildet, sind auf besondere Weise wellenförmig. Es ist klar, dass Zuleitungen nicht unbedingt periodisch sein müssen und dass Ausschnitte dieser Ausführungsform anders aussehen können, als es in 2 veranschaulicht ist. Zum Beispiel können die wellenförmigen Zuleitungen mehr Perioden aufweisen, wobei die Zuleitungen außerdem parallel sind oder auch nicht, usw.
Die kontinuierliche Druckmustereinstellung, die durch die kontinuierlichen Graupegel veranschaulicht ist, gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten erwärmten Bereich. Dies wird durch kontinuierliches Einstellen des Schichtwiderstands zwischen den Zuleitungen erreicht. Eine solche kontinuierliche Druckmustereinstellung wird z. B. bei einer Lenkradheizung eingesetzt, wobei eine zweidimensionale Heizung um einen Torus, d. h. das Lenkrad, drapiert werden muss.
3 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt eine kontinuierliche Druckmustereinstellung eines Heizelements mit nicht parallelen Zuleitungen 2, 2a.
3 zeigt eine kontinuierliche Druckmustereinstellung in einer einzigen Koordinatenrichtung, nämlich in der x-Richtung. Bei dieser Ausführungsform sind die Zuleitungen 2, 2a, die das Zwischensubstratteil 3 begrenzen, das in 3 den Heizbereich von oben nach unten bildet, nicht parallel. Das Zwischensubstratteil 3 kann ein Trapez oder alternativ nahezu jede andere kompakte Form bilden. Die kontinuierliche Einstellung des Musters auf dem Zwischensubstratteil 3 entspricht verschiedenen, kontinuierlich eingestellten Schichtwiderständen. Die Graustufenwerte in 3 zeigen die kontinuierliche Variation des Schichtwiderstands über das Zwischensubstratteil 3 mit dem darauf aufgebrachten Muster an, wobei dunklere Bereiche 4 einem geringen Schichtwiderstand und hellere Bereiche einem höheren Schichtwiderstand entsprechen.
Solch eine kontinuierliche Einstellung des Schichtwiderstands gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das Zwischensubstratteil 3 und folglich über den gesamten Heizbereich. Eine solche kontinuierliche Mustereinstellung kann in Heizungen eingesetzt werden, in denen Heizelemente dieser Geometrie erforderlich sind. Auf diese Weise ist es möglich, zum Beispiel enge Ecken einer Türverkleidung oder einer Armlehne zu heizen.
Bezüglich aller in den 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsformen und anderer Ausführungsformen, bei denen der Schichtwiderstand des Materials in Abhängigkeit von zwei Dimensionen des Zwischensubstratteils 3 variieren kann, wenn der Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material auf dem Zwischensubstratteil 3 durch eine kontinuierliche Einstellung des darauf aufgebrachten Musters kontinuierlich eingestellt wird, kann diese kontinuierliche Einstellung mit dem Schichtwiderstand des Materials verglichen werden, der durch Aufbringen eines vollständigen Musters erhalten wird.
Bei dem kontinuierlich eingestellten Schichtwiderstand in zwei Dimensionen x, y, bezeichnet durch Rsq(x, y), und dem Schichtwiderstand eines vollständigen, auf dem Zwischenteil des Substrats aufgebrachten Musters, bezeichnet mit Rsqp, lautet der kontinuierlich eingestellte Schichtwiderstand:
wobei F der Bereich eines mikroskopischen Ausschlusses des Musters ist und n(x, y) der Massenbelag von Ausschlüssen in Abhängigkeit von mindestens einer der Koordinaten x und y des Zwischensubstratteils 3 ist. Die Faktoren a₁ und a₂ sind empirische Faktoren, die von der Art des Ausschlusses (Größe und Form), der Siebmasche, der Tintenviskosität und Oberflächenenergie, der Substratoberflächenenergie und den Parametern des Druckverfahrens abhängen. In einer möglichen Ausführungsform können a₁ und a₂ z. B. gleich 1 sein.
Die Gleichung 1 geht davon aus, dass der Bereich F von jedem mikroskopischen Ausschluss des Musters der gleiche ist und dass sich diese Ausschlüsse nicht überlappen. Sie geht ferner davon aus, dass die Längendimension von jedem dieser Ausschlüsse in der Größenordnung der minimalen Strukturgröße des verwendeten Aufbringungsaufbaus liegt. Wenn somit die Aufbringungsauflösung z. B. um 0,2 mm liegt, würde ein typischer Durchmesser z. B. eines kreisförmigen Ausschlusses auch im Bereich von 0,2 mm liegen. Es versteht sich, dass ein solcher Ausschluss nicht kreisförmig sein muss. Auch ist es nicht zwingend, dass all diese Ausschlüsse die gleiche Form oder Größe aufweisen. Es ist jedoch vorteilhaft, die Positionen der Ausschlüsse über dem Zwischensubstratteil 3 zufällig oder pseudozufällig in einem Flächenelement zu verteilen.
Zum Zweck der Veranschaulichung und zum Vergleich zeigt die Draufsicht eines in 4 gezeigten Heizelements 1 ein klassisches Heizelement, welches nicht Gegenstand der Erfindung ist. Dieses Heizelement 1 ist von rechteckiger Form und seine Leistungsdichte in Abhängigkeit von dem Abstand entlang seiner Längsachse ist in 5 dargestellt. Bei den 4 und 5 wurden die geometrischen und elektrischen Parameter wie folgt gewählt:

• Breite der Zuleitung wfl = 0,014 m
• Schichtwiderstand der Zuleitung, Rsqfl = 0,04 Ohm
• Breite des gedruckten Heizbereichs des Heizelements, w = 0,1 m
• Länge des gedruckten Heizbereichs des Heizelements, l = 0,4 m
• Schichtwiderstand des gedruckten Heizbereichs, Rsq = 30 Ohm
• Bordspannung, U0 = 13,5 V

Bei dieser Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik ist die Breite des aufgebrachten Heizbereichs entsprechend der Breite w0 des Zwischensubstratteils zwischen den Punkten 0 und w0 über die Länge des Heizelements 1 konstant. Das gleiche gilt für die Breite wfl0 jeder Zuleitung 2, 2a zwischen jeweils den Punkten –wfl und 0 für die zweite Zuleitung 2a und den Punkten w0 und wfl0 + w0 für die erste Zuleitung 2.
Diese elektrischen Parameter führen zu der angestrebten Leistungsdichte von ungefähr 600 W/m² auf der kontaktierten Seite des Heizelements 1 und ungefähr 450 W/m² am Ende des Heizelements 1, bei x = l. Offensichtlich fällt die Leistungsdichte über die Längsachse des Heizelements 1 um grob 25 % ab, was für einen effizienten Betrieb nicht akzeptabel ist. Es ist somit wünschenswert, in der Lage zu sein, die Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Position entlang der Heizelement-Längsachse zu modifizieren und einzustellen.
Im Gegensatz zu der in den 4 und 5 skizzierten Situation sieht die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 6 bis 9 veranschaulicht ist, vor, die Breite der Zuleitungen wfl sowie den Schichtwiderstand des Materials des Heizbereichs, Rsq(x) auf die gleiche spezifizierte Weise zu variieren. Die Längenkoordinate des Heizelements 1 sei x. Das Heizelement 1 wird bei x = 0 in Kontakt gebracht, während die Länge des Heizelements 1 l ist. Bei diesem Beispiel der bevorzugten Ausführungsform variieren sowohl der Schichtwiderstand des Materials Rsq(x) als auch die Breite der Zuleitungen wfl(x) in Abhängigkeit von x:
wfl0 und Rsq0 bezeichnen die Zuleitungsbreite bzw. den Schichtwiderstand des Materials des Heizbereichs an der Position x = 0. Der Exponent α kann reale Werte gleich oder größer null annehmen, der Koeffizient b kann jeden realen Wert größer –1 annehmen. Bei b = 0, ist das Heizelement 1 unverändert im Vergleich zu demjenigen, das als Beispiel in 4 gezeigt ist.
6 zeigt, wie die Verhältnisse wfl/wfl0 und Rsq/Rsq0 gemäß Eq. 2 in Abhängigkeit von x/l für zwei willkürliche Auswahlen des Koeffizienten b variieren, d. h. b = 0,5 (strichpunktierte Kurven) und b = –0,3 (durchgehende Kurven). Werte des Exponenten α werden willkürlich mit 1, 2 und 5 gewählt. Es ist ersichtlich, dass sich bei einem positiven b die Zuleitungen verbreitern und der Schichtwiderstand des Materials mit einem zunehmenden Verhältnis x/l zunimmt. Umgekehrt verengen sich die Zuleitungen bei einem negativen b und der Schichtwiderstand des Materials nimmt mit einem zunehmenden Verhältnis x/l ab.
Der Exponent α = 1 entspricht einer linearen Variation von wfl und Rsq in Abhängigkeit von x/l. Die Variation der Spannungen in Abhängigkeit von x ist in den Gleichungen 3 und 4 für die technisch wichtigsten Fälle α = 1 und α = 2 vorgesehen.
Daraus können die Leistungsdichten in Abhängigkeit von x direkt berechnet werden.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es gewünscht, eine gleichmäßige Leistungsdichte entsprechend einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den gesamten Heizbereich des Heizelements zu erreichen. Bei thermischem Gleichgewicht ist der Temperaturanstieg proportional zur Leistungsdichte.
Als Ausgangspunkt werden dieselben geometrischen Werte und Widerstandswerte wie in dem in den 4 und 5 gezeigten Beispiel genommen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist es gewünscht, eine Leistungsdichte von etwa 600 W/m² über den gesamten Bereich des Heizelements mit einer ansonsten unveränderten Geometrie des Heizbereichs zu erreichen; d. h. der Heizbereich ist immer noch 0,1 m breit und 0,4 m lang.
Es ist erkannt worden, dass eine zufriedenstellende Temperaturgleichmäßigkeit erreicht wird mit:

• α = 1 entsprechend einer linearen Variation von wfl und Rsq mit x/l, und
• b = –0,42 entsprechend einer Verengung der Breite der Zuleitungen und einer Abnahme des Schichtwiderstands Rsq mit zunehmendem x/l.

7 zeigt die schematische Draufsicht eines Heizelements 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die anfängliche Breite von 1,4 cm der Zuleitungen bei x = 0 nimmt linear auf 0,81 cm am Ende des Heizelements 1 ab, bei x = l. Der Schichtwiderstand des Materials nimmt demgemäß von 30 Ohm bei x = 0 auf 17,4 Ohm bei x = l ab. Wie bei den anderen vorausgehenden Ausführungsformen ist ein hoher Schichtwiderstand des Materials in einem hellen Grau gezeigt, und ein geringer Widerstand des Materials ist in einem dunklen Grau gezeigt, wobei ein Gradient des Schichtwiderstands des Materials über die Länge des Zwischensubstratteils 3 erzeugt wird.
Um einen Schichtwiderstand des Materials zu erhalten, der linear mit x/l variiert, wird das aufgebrachte Muster von mikroskopischen Ausschlüssen des Heizelements 1 gemäß Eq. 1 erzeugt. Der Schichtwiderstand Rsq(x/l) wird eingestellt, indem eine Anzahl von mikroskopischen, pseudozufällig verteilten kreisförmigen Punkten, die in 8 mit 8 bezeichnet sind und jeweils einen Durchmesser von 0,3 mm aufweisen, von der Aufbringung auf dem Zwischensubstratteil 3 ausgenommen wird. Zu Veranschaulichungszwecken zeigt 8 das aufgebrachte Muster von Ausschlüssen in einem winzigen Flächenelement um die Position x = 0,125 m entsprechend x/l = 0,31 in 7. In diesem Flächenelement ist der Massenbelag von kreisförmigen Ausschlüssen aus dem Druck, n(x/l = 0,31) = 470 cm^–2, und der Schichtwiderstand ist Rsq(x/l = 0,31) = 21,7 Ohm.
Die resultierende Leistungsdichte des Heizbereichs ist als eine Funktion einer Heizelement-Längenkoordinate in 9 gezeigt. Die Leistungsdichte weist ein Minimum bei x/l ≈ 0,2 und Maxima an beiden Enden des Heizelements auf. Die Leistungsdichte bei x = 0 ist immer noch 600 Wm², die relativen Variationen betragen jedoch nur ±8 % über die Länge des Heizelements. Die erzeugte Verteilung der Leistungsdichte und folglich die Temperaturverteilung erfüllen die Anforderungen in Bezug auf Größe, im Durchschnitt etwa 600 W/cm², und Gleichmäßigkeit mit einer Abweichung von weniger als 10 % viel besser als im Stand der Technik, der in den 4 und 5 gezeigt ist.
Vorteilhafterweise können ein oder mehrere dieser Heizelemente gemäß der Erfindung eine elektrisch betriebene Heizung bilden oder zusammengefasst werden, um eine solche zu bilden. Diese Heizelemente können entweder in Reihe oder parallel durch spezifische elektrische Versorgungsschaltungen betrieben werden, wodurch jeweilige Bereiche eines zu erwärmenden Gegenstands erwärmt werden.
Es ist auch möglich, in einer solchen Heizung ein oder mehr Heizelemente gemäß der Erfindung mit einem oder mehreren bekannten Heizelementen zusammenzufassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelements mit dem Schritt des kontinuierlichen Einstellens der Aufbringung des Musters auf dem Zwischensubstratteil in Abhängigkeit von mindestens einer lokalen Koordinate des Zwischensubstratteils, so dass der somit aus der gemusterten Schicht von widerstandsfähigem Material auf dem Zwischensubstratteil erhaltene Schichtwiderstand Rsq(x, y) einem jeweiligen vorbestimmten Schichtwiderstand entspricht, um eine gewünschte Temperaturverteilung über das Heizelement zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird, wenn ein Spannungsabfall entlang jeder Zuleitung zwischen dem Kontaktpunkt und dem von diesem Kontaktpunkt am weitesten entfernten Punkt der Zuleitung auftritt, der Spannungsabfall entlang der Zuleitungen durch den Schritt des Aufbringens des Musters auf dem Zwischensubstratteil mit einer kontinuierlichen Einstellung des Massenbelags von mikroskopischen Ausschlüssen, um den Spannungsabfall zu korrigieren, kompensiert.
Vorteilhafterweise wird das Heizelement durch Drucken auf einen Polymerfilm hergestellt, wobei dieser Polymerfilm das Substrat bildet. Das Substrat kann zum Beispiel aus PET, PEN, PU oder Silikon hergestellt werden. Es ist jedoch klar, dass auch andere Drucksubstrate, wie Gewebe oder die Rückseite eines Dekors, verwendet werden können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Siebdruck, z. B. ein Flachbettdruck oder ein Rotationsdruck, eingesetzt werden, und ein Substrat der Wahl ist ein temperaturstabilisierter Polyesterfilm einer bevorzugten Dicke zwischen 50 und 125 Mikron. Gegebenenfalls wird die Oberfläche der Druckseite mit irgendeiner dünnen, die Haftung begünstigenden Schicht vorbehandelt.
Der erste Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines Heizelements besteht darin, eine Aufbringung der gut leitfähigen Schichten auf das Substrat, vorteilhafterweise durch Bedrucken, auszuführen. Die Schichten können aus einem Polymer-Dickfilm (polymer thick film, PTF) von einer typischen Dicke zwischen 5 und 10 Mikron bestehen, der Silberflocken und ein Polymerbindemittel enthält. Alternativ kann eine Silber- oder Kupfer-Nanoteilchen enthaltende Tinte als die elektrisch leitende Komponente verwendet werden. Der Nassdruck wird in einem Förderbandofen für etwa 90 Sekunden bei einer Lufttemperatur von 145 °C getrocknet.
Der zweite Schritt des Verfahrens besteht darin, die Schicht mit geringem Leitwert auf dem Substrat herzustellen, vorteilhafterweise durch Bedrucken, wobei diese Schicht das auf ein Zwischensubstratteil aufzubringende Muster bildet. Das Muster kann aus einem PTF mit einer typischen Dicke zwischen 5 und 10 Mikron bestehen. An dem Punkt eines mikroskopischen Ausschlusses ist die Druckdicke viel dünner, bis zu null Mikron. Die Schicht kann Russschwarzteilchen und ein Polymerbindemittel enthalten. Alternativ kann eine Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen enthaltende Tinte verwendet werden.
Von Bedeutung ist auch die alternative Verwendung einer Tinte / eines Drucks, die/der einen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTCR) aufweist. Eine solche Aufbringung eines Materials mit einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten trägt dazu bei, die Temperaturverteilung über das Heizelement weiter zu homogenisieren und bietet eine zusätzliche Sicherheit in einem hypothetischen Überhitzungsszenario. Wie bei dem gut leitfähigen Druck wird der Nassdruck mit einem geringen Leitwert in einem Förderbandofen für etwa 90 Sekunden bei einer Lufttemperatur von 145 °C getrocknet. Das Muster wird somit auf das Zwischensubstratteil mit einer kontinuierlichen lokalen Einstellung in Bezug auf einen vorbestimmten Schichtwiderstand so aufgebracht, dass eine gewünschte Temperaturverteilung über das Heizelement verwirklicht wird.
Der dritte Schritt kann die Aufbringung einer dielektrischen Schutzschicht mit einer typischen Dicke zwischen 20 und 30 Mikron über dem Heizelement sein. Das Dielektrikum kann ein UV-reaktives System sein, welches mit einer UV-Dosis von etwa 1 J/cm² vernetzt ist.
Abhängig von der Integration des Heizelements in eine Heizung ist es oft möglich, einen doppelseitigen Klebstoff auf das Heizelement aufzubringen, welcher die Funktion einer Schutzschicht übernimmt und die dielektrische Schicht überflüssig macht. Der doppelseitige Klebstoff gewährleistet gleichzeitig die Befestigung des Heizelements und dessen Haftung an einer Verkleidung oder einem Dekor, die bzw. das erwärmt werden soll.
Die Erfindung ermöglicht es durch eine kontinuierlich eingestellte Musteraufbringung über ein Zwischensubstratteil, definierte Temperaturverteilungen in dem Heizbereich zu erreichen. Diese Errungenschaft ist für eine hohe Temperaturgleichmäßigkeit, erwärmte Bereiche von natürlicher bzw. freier Form und ein thermisches Maskieren in zwei Dimensionen äußerst wertvoll.
Eine spezifische Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht für elektrische Heizungsgegenstände in einer Kabine eines Fahrzeugs, zum Beispiel Fahrzeugsitze, aber auch Türen, Armlehnen, das Lenkrad und viele andere Innenflächen in der Kabine. Der Grund hierfür ist die Zunahme des Insassenkomforts auf Grund von zusätzlichen Heizungen sowie die Kompatibilität von elektrischen Heizungen mit Hybrid- oder Elektroautos. Heizelemente gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, nahezu jede Oberfläche innerhalb der Kabine bei einer vorbestimmten Temperatur innerhalb nur weniger zehn Sekunden zu erwärmen und ergeben eine maximale Heizenergie für einen gegebenen Bereich und für eine gegebene maximale Oberflächentemperatur.
Bezugszeichenliste

1: Heizelement
2: Zuleitung
2a: Zuleitung
3: Zwischensubstratteil
4: Dunkler Bereich
5: Kreisförmiger Ausschluss
α: Exponentenkoeffizient
b: Koeffizient
l: Gesamtlänge
U0: elektrische Potentialdifferenz, d. h. Spannung am elektrischen Kontaktpunkt
Rsq: Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material
Rsqfl: Schichtwiderstand der Zuleitungen
w: Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material
w0: Anfängliche Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material
wfl: Zuleitungsbreite
wfl0: Anfängliche Zuleitungsbreite
x: Koordinatenlänge

Claims

Heizelement (1) zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, wobei das Heizelement ein Substrat aufweist, das eine erste Zuleitung (2) und eine zweite Zuleitung (2a) trägt, die sich entlang entgegengesetzten Seiten des Heizelements (1) erstrecken, wobei jede der ersten und der zweiten Zuleitung (2, 2a) einen elektrischen Kontaktpunkt zum Verbinden der Zuleitung mit einer elektrischen Stromquelle aufweist, wobei ein Zwischensubstratteil (3) zwischen den beiden Zuleitungen (2, 2a) eine Schicht von widerstandsfähigem Material trägt, wobei im Betrieb ein elektrischer Strom von der ersten Zuleitung (2) zur zweiten Zuleitung (2a) durch die Schicht von widerstandsfähigem Material fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht von widerstandsfähigem Material in Form eines Musters vorliegt, das auf dem Zwischensubstratteil (3) aufgebracht ist, wobei das Muster durch das Vorliegen von mikroskopischen Ausschlüssen in dem widerstandsfähigen Material definiert ist, und dass eine Verteilung der mikroskopischen Ausschlüsse des Musters auf dem Zwischensubstratteil (3) einer vorbestimmten Verteilung folgt, so dass der für das aufgebrachte Muster lokal erhaltene Schichtwiderstand über das Zwischensubstratteil (3) kontinuierlich variiert.
Heizelement (1) nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Verteilung eine zufällige oder pseudozufällige Verteilung ist.
Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich das Zwischensubstratteil (3) im Wesentlichen in zwei Dimensionen mit den Koordinaten x und y erstreckt und wobei eine Dimension der mikroskopischen Ausschlüsse in der x-Richtung oder in der y-Richtung im Bereich zwischen 20 µm und 300 µm und vorzugsweise im Bereich von 100 µm und 200 µm liegt.
Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich das Zwischensubstratteil (3) im Wesentlichen in zwei Dimensionen mit den Koordinaten x und y erstreckt und wobei eine Dimension der Schicht von widerstandsfähigem Material in der x-Richtung oder in der y-Richtung wenigstens 100-mal größer ist als eine jeweilige Dimension der mikroskopischen Ausschlüsse.
Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Zwischensubstratteil (3) mindestens eine Öffnung aufweist und wobei der Einfluss der Öffnung auf den lokalen Schichtwiderstand durch eine geeignete lokale Verteilung von Ausschlüssen des Musters auf dem Zwischensubstratteil (3) kompensiert wird.
Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausschlüsse von unterschiedlicher Form sein können, wobei mindestens zwei verschiedene Formen über dem Zwischensubstratteil (3) bestehen, und falls die Ausschlussverteilung einem vorbestimmten Verteilungsmodus folgt, jede verschiedene Form von Ausschlüssen ihren eigenen vorbestimmten Verteilungsmodus aufweist.
Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich das Zwischensubstratteil (3) im Wesentlichen in zwei Dimensionen mit den Koordinaten x und y erstreckt, wobei das Muster nicht überlappende Ausschlüsse aufweist, und wobei der kontinuierlich eingestellte Schichtwiderstand Rsq(x, y) des aufgebrachten Musters mit solchen Zonen in Bezug auf den Schichtwiderstand eines vollständigen Musters Rsqp definiert ist durch:
wobei F die Fläche eines Ausschlusses ist und n(x, y) die Flächendichte von Ausschlüssen in Abhängigkeit von wenigstens einer der Koordinaten x und y des Zwischensubstratteils (3) ist, und wobei a₁ und a₂ empirische Faktoren sind, die von der Art (Größe und Form) des Ausschlusses, der Siebmasche, der Tintenviskosität und Oberflächenenergie, der Substratoberflächenenergie und den Parametern des Druckverfahrens abhängen.
Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Zuleitung (2, 2a) jeweils eine wellenartige Form in Phase miteinander aufweisen, so dass die Breite des auf dem Zwischensubstratteil (3) aufgebrachten Musters kontinuierlich zwischen einer verringerten Breite und einer größeren Breite wechselt, und wobei die Zone des aufgebrachten Musters, die einer größeren Breite entspricht, einen Schichtwiderstand aufweist, der niedriger ist als in der Zone, die einer verringerten Breite entspricht.
Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Zuleitung (2, 2a) an entgegengesetzten Längsseiten des Heizelements (1) nicht parallel sind und wobei der Materialwiderstand über das Zwischensubstratteil (3) mit dem darauf aufgebrachten Muster in Abhängigkeit von der Divergenz der Zuleitungen (2, 2a) kontinuierlich abnimmt.
Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuleitungen (2, 2a) entlang ihrer Länge eine variable Breite (wfl) aufweisen, beginnend von einer lateralen Seite des Heizelements (1), und wobei die Zuleitungsbreite (wfl) und der Schichtwiderstand (Rsq) des Zwischensubstratteils (3) mit dem darauf aufgebrachten Muster jeweils in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) gemäß den folgenden Gleichungen variieren:
wobei wfl(x) und Rsq(x) jeweils die Zuleitungsbreite und der eingestellte Schichtwiderstand Rsq(x) des Zwischensubstratteils (3) mit dem darauf aufgebrachten Muster bei einer Längenkoordinate x des Heizelements (1) sind, beginnend von der lateralen Seite, wfl0 und Rsq0 jeweils die Zuleitungsbreite und der Schichtwiderstand Rsq(x) des Zwischensubstratteils (3) mit dem darauf aufgebrachten Muster an der lateralen Seite sind, l die Gesamtlänge des Heizelements (1) ist, b und α jeweilige Koeffizienten sind, wobei b nicht gleich null ist.
Heizelement (1) nach Anspruch 10, wobei α ein realer Wert gleich oder größer null ist, α vorzugsweise gleich 1 oder 2 ist, während der Koeffizient b jeden realen Wert größer als –1 annehmen kann, der nicht gleich null ist.
Heizelement (1) nach Anspruch 10, wobei α gleich 1 ist und wobei das Heizelement (1) eine Spannung u(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) zeigt, definiert durch:
wobei u0 die Spannung an der lateralen Seite ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen (2, 2a) ist und Rsq der Schichtwiderstand des Zwischensubstratteils (3) mit dem darauf aufgebrachten Muster ist, wobei Rsq bzw. wfl Rsq(x) und wfl(x) bei x = 0 bedeuten.
Heizelement (1) nach Anspruch 10, wobei α gleich 2 ist und wobei das Heizelement (1) eine Spannung u(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) zeigt, definiert durch:
wobei u0 die Spannung an der lateralen Seite mit elektrischen Kontaktpunkten ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen (2, 2a) ist und Rsq der Schichtwiderstand des Zwischensubstratteils (3) mit dem darauf aufgebrachten Muster ist, wobei Rsq bzw. wfl Rsq(x) und wfl(x) bei x = 0 bedeuten.
Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster aus einem Material mit einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten ist.