DE112014005889T5

DE112014005889T5 - Heizelement mit einstellbarer Temperaturverteilung

Info

Publication number: DE112014005889T5
Application number: DE112014005889.0T
Authority: DE
Inventors: Thomas Wittkowski
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: 2016-09-22
Also published as: LU92344B1; WO2015097218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement (1) zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, aufweisend eine erste Zuleitung (2) und eine zweite Zuleitung (2a), die sich im Allgemeinen entlang entgegengesetzten Längsseiten des Heizelements (1) erstrecken, wobei jede Zuleitung (2, 2a) einen elektrischen Kontaktpunkt zu einer elektrischen Stromquelle aufweist, wobei jede Zuleitung (2, 2a) die Elektroenergiezufuhr entlang dieser verteilt, wobei mindestens eine Schicht von widerstandsfähigem Material (3) zwischen den beiden Zuleitungen (2, 2a) eingefasst ist, wobei deren Breite (w) durch die Zuleitungen (2, 2a) begrenzt ist, wobei ein elektrischer Strom im Betrieb von der ersten Zuleitung (2) zur zweiten Zuleitung (2a) durch die Schicht von widerstandsfähigem Material (3) fließt und dadurch Wärme abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Heizelement mit einstellbarer Temperaturverteilung. 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, aber nicht einschränkender Schwerpunkt liegt auf dem Beheizen aller Arten von Oberflächen, wie Türverkleidungen, Lenkräder, Armlehnen und einiges mehr, in der Kabine von Kraftfahrzeugen, insbesondere wenn diese Oberflächen nicht planare Oberflächen sind.
Stand der Technik
Gemäß dem Stand der Technik weisen Heizelemente zur Erzeugung von Wärme, wenn sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, eine erste Zuleitung oder einen ersten Bus und eine zweite Zuleitung oder einen zweiten Bus auf, die sich im Wesentlichen entlang entgegengesetzter Längsseiten des Heizelements erstrecken. Jede Zuleitung weist einen elektrischen Kontaktpunkt für die elektrische Stromquelle auf, um die elektrische Stromversorgung entlang dieser bereitzustellen und zu verteilen. 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 zu der zweiten Zuleitung und gibt dadurch Wärme ab, um das Heizen einer Oberfläche auszuführen, auf der das Heizelement aufgebracht ist.
Eines oder mehrere dieser Heizelemente können eine elektrisch betriebene Heizung bilden oder zusammengefasst werden, um eine solche 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.
Die Gestaltung und Konfiguration von planaren Heizungen unterliegen verschiedenen Einschränkungen und Begrenzungen unter einem technischen Gesichtspunkt, aber auch unter gewerblichen Betrachtungen. Obwohl Heizungen mit einem parallelen elektrischen Anschluss eine maximale Gestaltungsfreiheit bieten, gibt es immer noch strenge Begrenzungen bezüglich ihrer Verwendung in planaren Heizungen.
Einige der stärksten Einschränkungen bei der Heizungsgestaltung und -konfiguration ergeben sich aus der Verfügbarkeit von Materialien mit einem geeigneten Schichtwiderstand, der langfristigen Stabilität sowie der wirtschaftlichen Akzeptanz. In manchen Fällen kann ein zu hoher elektrischer spezifischer Widerstand der Zuleitungen zumindest bis zu einem gewissen Grad durch eine größere Schichtdicke oder eine vergrößerte Leitungsbreite kompensiert werden. Häufig begrenzen jedoch Anforderungen an die Stabilität sowie geometrische und gewerbliche Einschränkungen die Dicke und/oder Breite der Zuleitungen.
Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus der Geometrie des zu erwärmenden Bereichs. Dieser Bereich kann eine flache Platte sowie ein nicht flacher Bereich sein, der ein Element mit einer komplexen Form bildet. Dies ist zum Beispiel der Fall bei einem Lenkrad, welches typischerweise eine dreidimensionale Form mit unterschiedlichen Anteilen des erwärmten Bereichs aufweist. Es wird gewünscht, dass die Heizung eine gleichmäßige Temperatur über die gesamte Form eines solchen Stücks ausführen muss.
Als weiteres Beispiel kann es Öffnungen für Türöffner oder Schalter geben, die nicht erwärmt werden müssen. In allen Fällen muss die Heizung, um sie zu integrieren, möglichst nahe an der Außenfläche des zu erwärmenden Stücks positioniert werden, um kürzeste thermische Reaktionszeiten zu gewährleisten und den Energieverbrauch zu minimieren.
Fortwährende Herausforderungen bei diesen Heizungen bestehen darin, die nicht gleichmäßige Erwärmung von komplex geformten Bereichen, d. h. im Allgemeinen nicht rechteckigen Heizbereichen, sowie den unvermeidbaren Spannungsabfall über das Heizelement zu kompensieren. Diese Herausforderungen sind besonders kritisch, wenn die Heizung eine hohe Leistungsdichte ergeben muss.
Falls die erforderliche Leistungsdichte, d. h. die Leistung pro Flächeneinheit in dem Heizbereich, hoch ist und sich das Heizelement über einen großen Bereich erstreckt, steht man sehr schnell der Situation gegenüber, dass der Spannungsabfall über die Länge des Heizelements erheblich unterschiedliche Leistungsdichten an beiden Enden eines rechteckigen Heizelements aufweist. Dies führt zu einer äußerst ungleichen Temperaturverteilung, die im Gegensatz zu der Anforderung einer maximalen Leistungsdichte über den gesamten erwärmten Bereich und einer hohen Homogenität der Temperaturverteilung steht. Dies ist insbesondere kritisch, wenn eine gewisse maximale Temperatur an der zu erwärmenden Oberfläche nicht überschritten werden darf.
Um eine gleichmäßige Erwärmung eines komplex geformten Bereichs zu erhalten, ist vorgeschlagen worden, breite Zuleitungen mit geringem Widerstand zur Verfügung zu stellen und viele klein bemessene, diskrete rechteckige Heizelemente über den komplex geformten Bereich zu verteilen. Dies führt jedoch zu einer verringerten Leistungsdichte über den komplex geformten Bereich bei einer gegebenen Temperatur. Auch ist auf Grund der unvermeidlichen Sicherheitsmargen in der Heizungsgestaltung und des Überlappens von Schichten von verschiedenen Materialien der Materialverbrauch für die Zuleitungen und den erwärmten Bereich hoch.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, eine Technik unter Verwendung einer Reihe von Heizelementen anzuwenden, bei der der Spannungsabfall entlang der Reihe berücksichtigt wird. Mehrere Heizelemente von verschiedenen geometrischen Erstreckungen oder Schichtwiderständen werden so betrieben, dass die Leistungsdichte über die gesamte Reihe von Heizelementen recht gleichmäßig ist. Dieser Ansatz beruht jedoch auf einer rechteckigen Form von jedem Heizelement.
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.
Heizelemente für komplex geformte Bereiche sind klein und rechteckig, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über einen kleinen rechteckigen Bereich oder einen komplex geformten Bereich zu gewährleisten, und unterliegen daher einer überaus ungleichmäßigen und nicht einstellbaren Heiztemperaturverteilung.
Aufgabenstellung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Heizelement, vorzugsweise mit einer einstellbaren Temperaturverteilung, zur Verfügung zu stellen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, gelöst, wobei das Heizelement eine erste Zuleitung und eine zweite Zuleitung aufweist, die sich im Wesentlichen entlang entgegengesetzten Längsseiten des Heizelements erstrecken, wobei jede Zuleitung einen elektrischen Kontaktpunkt zum Verbinden der Zuleitung mit einer elektrischen Stromquelle aufweist. Wenn sie mit der elektrischen Stromquelle verbunden ist, verteilt jede Zuleitung die entlang der Erstreckung der Zuleitung zugeführte Elektroenergie. Mindestens eine Schicht von widerstandsfähigem Material ist zwischen den beiden Zuleitungen und in elektrischem Kontakt mit den Zuleitungen angeordnet, wobei eine Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material durch die Zuleitungen begrenzt ist. Im Betrieb fließt ein elektrischer Strom durch die Schicht von widerstandsfähigem Material von der ersten Zuleitung zur zweiten Zuleitung und gibt dadurch Wärme ab. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung der ersten und der zweiten Zuleitung, und demgemäß die Schicht von widerstandsfähigem Material, derart, dass die Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material entlang einer Längsrichtung in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements variiert und dass mindestens eine von der ersten und der zweiten Zuleitung eine Zuleitungsbreite aufweist, die auf die gleiche Weise in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements variiert.
In einer möglichen Ausführungsform variiert die Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements, beginnend an einer lateralen Seite des Heizelements, nach der folgenden Gleichung:
wobei w(x) die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material bei einer Längenkoordinate x des Heizelements ist, beginnend an der lateralen Seite, w0 die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material an der lateralen Seite ist, l die Gesamtlänge des Heizelements ist, b und α jeweils Koeffizienten bei b ungleich null sind.
Demgemäß variiert die Zuleitungsbreite von mindestens einer der ersten und der zweiten Zuleitung, vorzugsweise beider Zuleitungen, in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements, beginnend an einer lateralen Seite des Heizelements, nach der folgenden Gleichung:
wobei wfl(x) die Zuleitungsbreite an einer Längenkoordinate x des Heizelements ist, beginnend an der lateralen Seite, wfl0 die Zuleitungsbreite an der lateralen Seite ist, l die Gesamtlänge des Heizelements ist, b und α jeweils Koeffizienten bei b ungleich null sind.
Vorzugsweise ist α ein realer Wert gleich oder größer null, während der Koeffizient b jeden realen Wert größer –1 annehmen kann, der nicht gleich null ist, α kann z. B. gleich 1 oder 2 sein.
In einer Ausführungsform, in der α gleich 1 ist, weist das Heizelement 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 mit elektrischen Kontaktpunkten ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen ist und Rsq der Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material ist, wobei w bzw. wfl w(x) bzw. wfl(x) bei x = 0 ist.
In einer Ausführungsform, bei der α gleich 2 ist, weist das Heizelement vorzugsweise eine Spannung u(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate auf, definiert durch:
wobei u0 die Spannung an den elektrischen Kontaktpunkten ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen ist und Rsq der Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material ist, wobei w bzw. wfl w(x) bzw. wfl(x) bei x = 0 ist.
Es sei angemerkt, dass der Fachmann auf dem Gebiet die Leistungsdichte leicht in Abhängigkeit von der Längenkoordinate von der Spannung ableiten kann.
Die Zuleitungen sind vorzugsweise aus einem Material mit hohem Leitwert, wie auf einem Substrat aufgebrachtes Kupfer oder Silber, gefertigt, wobei die Schicht von widerstandsfähigem Material auf dem Substrat aufgebracht ist. Das Substrat kann ein Polymerfilm oder ein Gewebe sein.
Vorzugsweise bedeckt eine dielektrische Schutzschicht oder eine doppelseitige Klebstoffschicht die Zuleitungen und die Schicht von widerstandsfähigem Material.
Vorzugsweise ist die Schicht von widerstandsfähigem Material aus einem Material mit einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten gefertigt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Heizung, aufweisend ein oder mehr Heizelemente, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein solches Heizelement aufweist.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelements, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Aufbringen einer gut leitfähigen Schicht auf ein Substrat an jeder von zwei entgegengesetzten Seiten des Heizelements, wobei diese gut leitfähigen Schichten jeweils eine Zuleitung des herzustellenden Heizelements bilden,
– Aufbringen einer widerstandsfähigen Materialschicht auf das Substrat,

Vorzugsweise variiert die Zuleitungsbreite in Abhängigkeit von der Längenkoordinate des Heizelements.
Vorzugsweise werden die leitfähigen Schichten und die Schicht von widerstandsfähigem Material durch Drucken aufgebracht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei:
1 Kurven zeigt, die das Verhältnis der Breite der Zuleitung zu der anfänglichen Breite der Zuleitung und der widerstandsfähigen Schicht in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen Länge und Gesamtlänge für ein Heizelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausdrücken;
2 eine schematische Draufsicht eines Heizelements mit jeweiligen Breiten der Zuleitung und der widerstandsfähigen Schicht in Abhängigkeit von der Länge des Heizelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 eine Kurve zeigt, die die relative Leistungsdichte des Heizelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der Länge des Heizelements ausdrückt;
4 eine schematische Draufsicht eines Heizelements mit jeweiligen Breiten der Zuleitung und der widerstandsfähigen Schicht in Abhängigkeit von der Länge des Heizelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
5 eine Kurve zeigt, die die relative Leistungsdichte des Heizelements gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der Länge des Heizelements ausdrückt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
In Bezug auf die 2 und 4, die jeweils die erste und die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, weist ein Heizelement 1 zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, eine erste Zuleitung 2 und eine zweite Zuleitung 2a auf, die sich im Wesentlichen entlang entgegengesetzten Längsseiten des Heizelements 1 erstrecken. Jede Zuleitung 2, 2a hat eine Zuleitungsbreite wfl und weist einen elektrischen Kontaktpunkt zur Verbindung der Zuleitung mit einer elektrischen Stromquelle auf, wobei jede Zuleitung 2, 2a die elektrische Stromzufuhr entlang dieser verteilt.
Mindestens eine Schicht von widerstandsfähigem Material 3 ist zwischen den beiden Zuleitungen 2, 2a und in elektrischem Kontakt mit den Zuleitungen angeordnet. Die Breite w der Schicht von widerstandsfähigem Material ist durch die Zuleitungen 2, 2a begrenzt. Im Betrieb zur Ausführung der Erwärmung fließt ein elektrischer Strom durch die Schicht von widerstandsfähigem Material 3 von der ersten Zuleitung 2 zur zweiten Zuleitung 2a und gibt dabei Wärme ab. Es ist zu berücksichtigen, dass die Schicht von widerstandsfähigem Material von verschiedener Art sein kann. Es kann sich um eine wirksame Schicht handeln, die gemäß irgendeinem geeigneten Haftverfahren auf ein Substrat aufgebracht wird, es kann sich jedoch auch um separate Elemente von Widerstandselementen handeln, die lokal auf ein Substrat aufgebracht werden, wobei die Aufbringung zum Beispiel durch Drucken eines geeigneten Materials auf das Substrat erfolgen kann.
Es ist möglich, dass ein solches Heizelement 1 aus einem flexiblen, jedoch im Wesentlichen planaren Substrat, wie einem Polymerfilm, vorzugsweise PET, PEN, PU oder Silikon, oder alternativ zum Beispiel aus einer Art Gewebe gefertigt wird.
Die Zuleitungen 2, 2a, die die Elektroenergie auf die Schicht von widerstandsfähigem Material 3 bereitstellen und verteilen, können aus einem Material mit hohem Leitwert, wie vorzugsweise Kupfer oder Silber, gefertigt sein, und sie werden entweder in einem additiven Verfahrensschritt oder in einer Kombination aus additiven und subtraktiven Verfahrensschritten aufgebracht und strukturiert. Die Herstellung der Schicht von widerstandsfähigem Material wird vorzugsweise in einem Druckverfahren ausgeführt, was einen Druck mit geringem Leitwert mit einem Schichtwiderstand Rsq ergibt.
Schließlich kann dem Heizelement 1 oder der kompletten Heizung eine schützende und elektrisch isolierende Schicht zugegeben werden, die aus mehreren solchen Heizelementen 1, gegebenenfalls kombiniert mit bekannten Heizelementen, besteht. Diese dritte Schicht schützt das gesamte Heizelement 1 vor Beschädigung durch die Umgebung und kann typischerweise durch ein Druckverfahren oder in einem einfachen Nassbeschichtungsverfahren aufgebracht werden.
Ein solches Heizelement 1 kann im Allgemeinen ein Bestandteil einer Heizung, gegebenenfalls mit einem oder mit mehreren Heizelementen sein, zum Beispiel eine Heizung in Form einer Heizfolie, und bietet eine Lösung für das Problem der planaren Erwärmung, wodurch es einige der vorstehend aufgeführten Einschränkungen und Begrenzungen überwindet. Eine Heizung, gegebenenfalls eine Flächenheizung, kann mehr als eines der hier beanspruchten Heizelemente aufweisen und kann andere Heizelemente aufweisen, welches Heizelemente sein können, die bereits im Stand der Technik bekannt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung variiert die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w in Abhängigkeit von der Längenkoordinate x des Heizelements 1.
Vorteilhafterweise weist jede Zuleitung 2, 2a auch eine Zuleitungsbreite wfl auf, die in Abhängigkeit von der Längenkoordinate x des Heizelements 1 variiert.
Die erste Zuleitungsbreite und die zweite Zuleitungsbreite können auf die gleiche Weise entlang der Längsrichtung variieren. Ferner können die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w und die Zuleitungsbreite wfl auf die gleiche spezifizierte Weise variieren.
In den 2 und 4 ist eine laterale Seite der Schicht von widerstandsfähigem Material als Punkt Null der Längsrichtung oder Längenkoordinate bezeichnet, ein Punkt, an dem die anfängliche Breite der Zuleitungen und der Schicht jeweils mit wfl0 und w0 bezeichnet sind. Der elektrische Kontaktpunkt jeder Zuleitung 2, 2a kann sich an dieser lateralen Seite befinden, und diese elektrischen Kontaktpunkte jeder Zuleitung 2, 2a können sich nahe beieinander befinden, d. h. indem sie sich in dem gleichen Abschnitt des Heizelements 1 befinden, wobei dieser Abschnitt mit 0 bezeichnet ist. In den 2 und 4 erstrecken sich die Zuleitungen 2, 2a lateral jenseits der lateralen Seite der Schicht von widerstandsfähigem Material 3, aber diese Ausführungsform ist nicht einschränkend.
Es sei angemerkt, dass die Anordnung der Kontaktpunkte, die an den Zuleitungen 2, 2a im Bereich der lateralen Seite der Schicht von widerstandsfähigem Material 3 angeordnet sind, die Vereinfachung der Gleichungen erlaubt, die die Breite der Zuleitung und der Schicht von widerstandsfähigem Material wfl(x) und w(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate x des Heizelements 1 ausdrücken. Es ist jedoch ersichtlich, dass eine solche Anordnung der Kontaktpunkte kein wesentliches Merkmal des Heizelements 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Mindestens einer der Kontaktpunkte der jeweiligen Zuleitungen 2, 2a kann sich zum Beispiel an einer anderen Stelle auf dem Heizelement 1 befinden. Die Kontaktpunkte für die erste Zuleitung 2 und die zweite Zuleitung 2a können sich an verschiedenen Abschnitten auf dem Heizelement 1 befinden.
Das Heizelement 1 gemäß der Erfindung muss keine rechteckige Form haben und weist eine einstellbare Temperaturverteilung auf. Dies erreicht man durch eine gesteuerte Variation der Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w(x) und vorteilhafterweise gleichzeitig eine gesteuerte Variation der Zuleitungsbreite wfl(x), jeweils in Abhängigkeit von der Längenkoordinate x des Heizelements 1. Sogar allein mit der Variation der Schichtbreite des widerstandsfähigen Materials w(x) ermöglicht die Erfindung z. B. eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung von erwärmten Oberflächen, die ungünstige geometrische Formen, d. h. in den meisten Fällen eine komplexe Form, aufweisen.
1 betrifft alle Ausführungsformen, während die 2 und 3 die erste Ausführungsform betreffen und die 4 und 5 eine zweite Ausführungsform eines Heizelements 1 gemäß der Erfindung betreffen.
Für die erste und die zweite Ausführungsform, wie in den 2 und 4 gezeigt ist, variiert die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w in Abhängigkeit von einer Längenkoordinate x des Heizelements 1, beginnend an einer seiner lateralen Seiten, gemäß der folgenden Gleichung:
wobei w(x) die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material bei einer Längenkoordinate x des Heizelements ist, beginnend an der lateralen Seite, w0 die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material an der lateralen Seite ist, l die Gesamtlänge des Heizelements 1 ist, b und α jeweils Koeffizienten bei b ungleich null sind.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der vorliegenden Erfindung variiert die Zuleitungsbreite wfl in Abhängigkeit von der Längenkoordinate x des Heizelements 1, beginnend an einer lateralen Seite des Heizelements 1, gemäß der folgenden Gleichung:
wobei wfl(x) die Zuleitungsbreite an einer Längenkoordinate x des Heizelements 1 ist, beginnend an der lateralen Seite, wfl0 die Zuleitungsbreite an der lateralen Seite ist, l die Gesamtlänge des Heizelements 1 ist, b und α jeweils Koeffizienten bei b ungleich null sind.
Bei den beiden Gleichungen gibt es, wenn b gleich null ist, keine Änderung bei der Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w und der Zuleitungsbreite w in Bezug auf die Länge des Heizelements, und diese Breiten bleiben die anfänglichen Breiten wfl0 und w0. Folglich würde bei b gleich null das in den 2 und 4 veranschaulichte Heizelement 1 im Vergleich zu einem rechteckigen Heizelement des Stands der Technik unverändert bleiben.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Exponentenkoeffizient α ein realer Wert gleich oder größer null sein, während der Koeffizient b jeden realen Wert größer –1 annehmen kann, der nicht gleich null ist. Vorzugsweise kann α gleich 1 oder 2 sein.
1 zeigt, wie die Verhältnisse w/w0 und wfl/wfl0 in Abhängigkeit von x/l variieren, d. h. die Längenkoordinate zu der Gesamtlänge des Heizelements 1, und zwar für zwei willkürliche Wahlen des Koeffizienten b, d. h. b = 0,5, dargestellt in strichgepunkteten Kurven, und b = –0,3, dargestellt in durchgehenden Kurven. Werte des Exponentenkoeffizienten α sind bei dieser Figur willkürlich mit 0,5, 1, 2, und 5 gewählt.
Wenn die Breiten der Zuleitungen und der Schicht von widerstandsfähigem Material wfl, w gleichzeitig variieren, ist aus dieser Figur offensichtlich, dass bei einem positiven b die Zuleitungen 2, 2a und der Heizbereich, d. h. die Schicht von widerstandsfähigem Material 3, sich mit einem zunehmenden Verhältnis x/l verbreitern, wie es in 2 zu sehen ist. Umgekehrt verengen sich bei einem negativen b die Zuleitungen 2, 2a und der Heizbereich, d. h. die Schicht von widerstandsfähigem Material 3, mit einem zunehmenden Verhältnis x/l, wie es in 4 zu sehen ist.
Wenn der Exponentenkoeffizient α gleich 1 ist, wird eine lineare Variation der Zuleitungsbreite wfl und der Schichtbreite w in Bezug auf das Verhältnis der Längenkoordinate x zur Gesamtlänge l erhalten. Wenn sich der Exponentenkoeffizient α von 1 unterscheidet, wird ein Heizelement mit gekrümmten Grenzlinien erhalten.
Die Variation der potentiellen Unterschiede entlang des Heizelements in Abhängigkeit von der Längenkoordinate x, und wenn b nicht gleich null ist, ist in den Gleichungen 2 und 3 für die technisch wichtigsten Fälle angegeben, wo der Exponentenkoeffizient α gleich 1 oder 2 ist. Davon ausgehend kann die Leistungsdichte in Abhängigkeit von x direkt aus der Spannung in Abhängigkeit von x berechnet werden:
Solange ein thermisches Gleichgewicht erreicht wird, ist der Temperaturanstieg proportional zur Leistungsdichte. In den folgenden Abschnitten werden Beispiele offenbart, die zeigen, wie die Leistungsdichte und folglich die Temperaturverteilung entlang der Länge des Heizelements eingestellt werden.
Ein Beispiel gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist beabsichtigt, die Breite des erwärmten Bereichs und folglich die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w um 25 % von w0 = 0,1 m bei einer Längenkoordinate x = 0 auf w = 0,125 m bei einer Längenkoordinate x = l zu erhöhen. Es ist ferner beabsichtigt, gleichzeitig die Leistungsdichte auf mehr oder weniger lineare Weise auf 50 % am lateralen Ende des Heizelements gegenüber dem Kontaktpunkt der Zuleitungen 2, 2a, verglichen mit seinem Wert an der kontaktierten lateralen Seite des Heizelements 1, zu verringern. Eine mögliche Anwendung ist die Kompensation einer linear variierenden thermischen Isolierung zwischen dem Heizelement 1 und der zu erwärmenden Oberfläche.
2 zeigt eine Draufsicht des Heizelements 1, wobei das Heizelement 1 in dieser Figur nicht maßstabsgerecht ist. Die gekrümmte Zuleitungsbreite wfl nimmt gemäß derselben funktionellen Beziehung wie die Schichtbreite w zu. Das in dieser Figur veranschaulichte Beispiel basiert auf der folgenden Geometrie und den folgenden Materialparametern:

• Zuleitungsbreite bei x = 0: wfl0 = 0,014 m
• Schichtwiderstand der Zuleitung Rsqfl = 0,04 Ohm
• Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material bei x = 0: w0 = 0,1 m
• Heizelementlänge l = 0,4 m
• Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material Rsq = 30 Ohm
• Bordspannung, U0 = 13,5 V
• α = 2
• b = 0,25

Diese Parameter führen zu der angestrebten Leistungsdichte von etwa 600 W/m² an der kontaktierten Seite des Heizelements, und die Leistungsdichte nimmt am Ende des Heizelements linear auf 300 W/m² ab. 3 zeigt die erreichte Leistungsdichtenverteilung.
Ein Beispiel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Bezug auf die 4 und 5 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist es gewünscht, eine gleichmäßige Leistungsdichte, d. h. eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Heizbereich eines trapezförmigen Heizelements, zu erreichen. Die folgenden geometrischen Werte und Widerstandswerte werden beispielhaft angegeben:

• Breite der Zuleitung bei x = 0, wfl0 = 0,014 m
• Schichtwiderstand der Zuleitung, Rsqfl = 0,04 Ohm
• Breite des Heizbereichs des Heizelements bei x = 0, w0 = 0,1 m
• Länge des Heizbereichs des Heizelements, l = 0,4 m
• Schichtwiderstand des Heizbereichs, Rsq = 30 Ohm
• Bordspannung, U0 = 13,5 V

Bei diesem Beispiel der zweiten Ausführungsform ist es gewünscht, über den gesamten Heizbereich eine Leistungsdichte von etwa 600 W/m² zu erreichen. Eine gute Gleichmäßigkeit wird erreicht mit:
α = 1 entsprechend einer linearen Variation der Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w und der Zuleitungsbreite wfl, wobei x/l somit die Trapezform bestimmt, und
b = –0,18 entsprechend einer Verengung der Zuleitungsbreite wfl und der Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material w, mit einem zunehmenden Verhältnis x/l.
4 zeigt die schematische Draufsicht eines Heizelements 1 gemäß diesem Beispiel. Die anfängliche Schichtbreite w0 von 0,1 m der Schicht von widerstandsfähigem Material bei x = 0 nimmt linear auf 0,082 m am Ende des Heizelements 1 ab, d. h. x = l. Die anfängliche Breite wfl0 von 1,4 cm der Zuleitungen bei x = 0 nimmt linear auf 1,15 cm am Ende des Heizelements 1 ab.
Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, kann das Heizelement 1 durch Drucken auf einen Polymerfilm hergestellt werden. Es ist klar, dass auch andere Drucksubstrate, wie Gewebe oder die Rückseite eines Dekors, verwendet werden können. In der bevorzugten Implementierung kann eine Siebdrucktechnik, zum Beispiel Flachbett- oder Rotationsdruck, eingesetzt werden, und das bevorzugte Substrat ist ein thermisch stabilisierter Polyesterfilm von einer bevorzugten Dicke zwischen 50 und 125 Mikron. Gegebenenfalls wird die Oberfläche seiner Druckseite mit irgendeiner dünnen, die Haftung begünstigenden Schicht vorbehandelt.
Zunächst kann der gut leitfähige Druck auf ein Substrat aufgebracht werden. Er besteht z. B. aus einem Polymerdickfilm (polymer thick film, PTF) von einer typischen Dicke zwischen 5 und 10 Mikron. Er enthält Silberflocken und ein Polymerbindemittel. Alternativ kann eine Silber- oder Kupfer-Nanoteilchen enthaltende Tinte als die elektrisch leitende Komponente verwendet werden. Der Nassdruck kann in einem Förderbandofen für etwa 90 Sekunden bei einer Lufttemperatur von 145 °C getrocknet werden. Die Zuleitungen werden folglich auf dem Substrat gebildet.
Zweitens kann der Druck mit geringem Leitwert gedruckt werden, wobei dieser Druck die Schicht von widerstandsfähigem Material bildet. Er besteht aus einem PTF mit einer typischen Dicke zwischen 5 und 10 Mikron. Er enthält Russschwarzteilchen und ein Polymerbindemittel. Alternativ kann eine Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen enthaltende Tinte verwendet werden. Wie bei dem gut leitfähigen Druck kann der Nassdruck mit einem geringen Leitwert in einem Förderbandofen für etwa 90 Sekunden bei einer Lufttemperatur von 145 °C getrocknet werden.
Von Bedeutung ist auch die alternative Verwendung einer Tinte / eines Drucks, die/der einen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTCR) aufweist. Die Auswahl der Geometrie und von Materialien mit einer Implementierung, bei der der Druck mit geringem Leitwert als PTCR durchgeführt wird, führt zu einer homogenen Erwärmung über den gesamten Heizbereich. Wenn er aufgeheizt ist, trägt ein solcher Druck dazu bei, die Temperaturverteilung über das Heizelement weiter zu homogenisieren und bietet eine zusätzliche Sicherheit in einem hypothetischen Szenario der Überhitzung.
Drittens kann eine dielektrische Schutzschicht mit einer typischen Dicke zwischen 20 und 30 Mikron aufgebracht werden. Das Dielektrikum ist ein UV-reaktives System, das mit einer UV-Dosis von etwa 1 J/cm² vernetzt ist. Abhängig von der Integration des Heizelements in eine eine Heizung bildende Fläche ist es oft möglich, einen doppelseitigen Klebstoff auf das gedruckte 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 der Verkleidung oder an dem Dekor.
Die resultierende Leistungsdichte des so hergestellten Heizelements ist in 5 gezeigt. Die Leistungsdichte weist ein Minimum und ein Maximum an beiden Enden des Heizelements auf. Die Leistungsdichte bei x = 0 ist immer noch 600 Wm², die relativen Variationen betragen jedoch nur ±6 % über die Länge des Heizelements.
Die erzeugte Verteilung der Leistungsdichte und die entsprechende Temperaturverteilung erfüllen die Anforderungen in Bezug auf die Größe, im Durchschnitt etwa 600 W/cm², und die Gleichmäßigkeit, mit einer Abweichung von weniger als 6 %, auf ausgezeichnete Weise. Gleichzeitig passt die Trapezform des Heizelements ausgezeichnet zur Geometrie der Flächenheizung, so dass die Leistungsdichte der Flächenheizung bei einer gegebenen Maximaltemperatur maximiert wird.
Das Heizelement mit einstellbarer Temperaturverteilung gemäß der Erfindung ist ein wesentliches konstitutives Element, wenn der gesamte Bereich einer Fläche mit einer hohen Gleichmäßigkeit über die Fläche auf eine gegebene Maximaltemperatur erwärmt werden muss. Die Fläche kann gut mehrere Heizelemente der hier beschriebenen Art oder in Kombination mit anderen Arten von Heizelementen, die bereits vom Stand der Technik bekannt sind, aufweisen. Auf diese Weise wird ohne Weiteres die Erwärmung von Flächen erreicht, die nicht erwärmte Öffnungen aufweisen, zum Beispiel Türöffner, Schalter usw.
Bezugszeichenliste

1: Heizelement
2: Zuleitung
2a: Zuleitung
3: Schicht von widerstandsfähigem Material
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: Längenkoordinate

Claims

Heizelement (1) zum Erzeugen von Wärme, wenn es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, wobei das Heizelement eine erste Zuleitung (2) und eine zweite Zuleitung (2a) aufweist, die sich im Wesentlichen entlang entgegengesetzten Längsseiten 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 mindestens eine Schicht von widerstandsfähigem Material (3) zwischen den beiden Zuleitungen (2, 2a) und in elektrischem Kontakt mit den Zuleitungen angeordnet ist, wobei eine Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material im Wesentlichen durch die Zuleitungen (2, 2a) begrenzt ist und wobei im Betrieb ein elektrischer Strom von der ersten Zuleitung (2) zur zweiten Zuleitung (2a) durch die Schicht von widerstandsfähigem Material (3) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der ersten und der zweiten Zuleitung derart ist, dass die Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert und dass mindestens eine der ersten und der zweiten Zuleitung (2, 2a) eine Zuleitungsbreite (wfl) aufweist, die auf die gleiche Weise in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert.
Heizelement (1) nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste als auch die zweite Zuleitung (2, 2a) eine Zuleitungsbreite (wfl) aufweisen, die auf die gleiche Weise in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert.
Heizelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert, beginnend an einer lateralen Seite des Heizelements (1), nach der folgenden Gleichung:
und wobei die Zuleitungsbreite (wfl) von mindestens einer der ersten und der zweiten Zuleitung in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert, beginnend an einer lateralen Seite des Heizelements (1), nach der folgenden Gleichung:
wobei w(x) die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material bei einer Längenkoordinate x des Heizelements (1) ist, beginnend an der lateralen Seite, w0 die Breite der Schicht von widerstandsfähigem Material an der lateralen Seite ist, wfl(x) die Zuleitungsbreite bei einer Längenkoordinate x des Heizelements (1) ist, beginnend an der lateralen Seite, wfl0 die Zuleitungsbreite an der lateralen Seite ist, l die Gesamtlänge des Heizelements (1) ist, b und α jeweils Koeffizienten sind, wobei b nicht gleich null ist.
Heizelement (1) nach Anspruch 3, wobei α ein realer Wert gleich oder größer null ist, während der Koeffizient b jeden realen Wert größer als –1 annehmen kann, der nicht gleich null ist.
Heizelement (1) nach Anspruch 4, wobei α gleich 1 oder 2 ist.
Heizelement (1) nach Anspruch 5, wobei, wenn α gleich 1 ist, 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, die die elektrischen Kontaktpunkte aufweist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen (2, 2a) ist und Rsq der Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material (3) ist, wobei w bzw. wfl w(x) bzw. wfl(x) bei x = 0 sind.
Heizelement (1) nach Anspruch 5, wobei, wenn α gleich 2 ist, das Heizelement (1) eine Spannung u(x) in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) zeigt, definiert durch:
wobei u0 die Spannung an den elektrischen Kontaktpunkten ist, Rsqfl der Schichtwiderstand der Zuleitungen (2, 2a) ist und Rsq der Schichtwiderstand der Schicht von widerstandsfähigem Material (3) ist, wobei w bzw. wfl w(x) bzw. wfl(x) bei x = 0 ist.
Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuleitungen (2, 2a) aus einem gut leitenden Material, wie Kupfer oder Silber, gefertigt sind, das auf ein Substrat aufgetragen ist, wobei die Schicht von widerstandsfähigem Material (3) auf das Substrat zwischen den beiden Zuleitungen (2, 2a) aufgetragen ist.
Heizelement (1) nach Anspruch 8, wobei eine dielektrische Schutzschicht oder ein doppelseitig beschichteter Klebstoff die Zuleitungen (2, 2a) und die Schicht von widerstandsfähigem Material (3) bedeckt.
Heizelement (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Substrat ein Polymerfilm oder ein Textilerzeugnis ist.
Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht von widerstandsfähigem Material (3) aus einem Material gefertigt ist, das einen positiven Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts aufweist.
Heizung, aufweisend ein oder mehrere Heizelement(e) (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aufbringen einer gut leitfähigen Schicht auf einem Substrat an jeder von zwei entgegengesetzten Seiten des Heizelements, wobei diese gut leitfähigen Schichten jeweils eine Zuleitung (2, 2a) des herzustellenden Heizelements (1) bilden, Aufbringen einer widerstandsfähigen Materialschicht auf dem Substrat, wobei die Breite (w) der Schicht von widerstandsfähigem Material in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert und wobei die Zuleitungsbreite (wfl) auf die gleiche Weise in Abhängigkeit von der Längenkoordinate (x) des Heizelements (1) variiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die leitfähigen Schichten und die Schicht von widerstandsfähigem Material durch Drucken aufgebracht werden.