DE112015001591T5

DE112015001591T5 - Hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE112015001591T5
Application number: DE112015001591.4T
Authority: DE
Inventors: Yea-Ri SONG; Jong-Hun Lee; Dong-Joo Kwon; Deok-Ryul HWANG; Seong-Hoon Yue; Chang-Hak Shin; Hwan-Seok PARK; Da-Young YU
Original assignee: LG Hausys Ltd
Current assignee: LX Hausys Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2017-01-19
Also published as: WO2015152575A1; KR20150114119A; US20160374147A1; JP2017516259A; CN106105385A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sitzheizung mit hohem Wirkungsgrad, und die Sitzheizung umfasst eine Schichtungsstruktur aus einer Substratschicht, einer ersten Isolierschicht, einer Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht und einer zweiten Isolierschicht.

Description

HOCHEFFIZIENTE SITZHEIZUNG FÜR EIN FAHRZEUG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Im Zuge der beschleunigten Entwicklung von Elektrofahrzeugen hat das Interesse an einem Heizsystem zugenommen, was zuvor noch kein Thema war. In einem herkömmlichen Fahrzeug wird eine Heizvorrichtung mit Luftblassystem verwendet, aber ein Elektrofahrzeug verfügt über keine separate Heizeinrichtung, und eine Batterie eines Elektrofahrzeugs hat Nachteile wie zum Beispiel eine Abnahme der Kraftstoff- und Energieeffizienz, wenn die Außentemperatur im Winter rapide auf ca. –10 °C oder darunter abfällt.
Um solche Nachteile zu bewältigen, wurde an einer Batterie zur Sicherung der Temperaturgleichmäßigkeit eine flächenkörperartige Heizvorrichtung zur Anwendung gebracht, die sich einer Transferenergie bedient, aber der Stromverbrauch zur Erhöhung der Innentemperatur des Fahrzeugs während der Wintersaison ist eingeschränkt, womit sich keine deutliche Wirkung zeigt. Ferner muss eine Heizvorrichtung entwickelt werden, die auf ein Elektrofahrzeug angewendet werden kann, da effiziente Methoden benötigt werden, um einen Standard einer Umgebungstemperatur zu bestimmen, bei der sich ein Fahrgast im Fahrzeug wohlfühlt, und die sich allgemein einsetzen lassen, um die Temperatur zu erzielen.
Offenbarung
Technisches Problem
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug bereitzustellen, wobei die Sitzheizung über einen hervorragenden Energiewirkungsgrad, ein gleichmäßiges Aufheizverhalten und eine exzellente Stabilität verfügen kann, während sie gleichzeitig ein geringes Gewicht hat.
Technische Lösung
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug bereitgestellt, und die Sitzheizung umfasst eine Substratschicht; eine erste Isolierschicht; eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht; und eine zweite Isolierschicht.
Die Substratschicht kann eine Metallplatte aufweisen, die aus einem Material gebildet ist, das mindestens eines aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Platin und Kombinationen hiervon besteht.
Die Sitzheizung kann ohne eine Klebeschicht auskommen.
Die Dicke der Substratschicht kann im Bereich von ca. 15 µm bis ca. 500 µm liegen.
Die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht können ein anorganisches Isoliermaterial umfassen.
Das anorganische Isoliermaterial kann mindestens eines aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LiF, BaF₂, TiO₂, ZnO, SiO₂, SiC, SnO₂, WO₃, ZrO₂, HfO₂, Ta₂O₅, BaTiO₃, BaZrO₃, Al₂O₃, Y₂O₃, ZrSiO₄, Si₃N₄, TiN und Kombinationen hiervon besteht.
Die Dicke der ersten und zweiten Isolierschicht kann jeweils im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm liegen.
Die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht kann durch Beschichten einer Oberseite der Substratschicht mit einer Kohlenstoffnanoröhrenpaste durch Siebdruck in einer vorbestimmten Form strukturiert werden.
Bei den Kohlenstoffnanoröhren kann es sich um metalldotierte Kohlenstoffnanoröhren handeln.
Die vorbestimmte Form kann ein paralleles Muster oder ein serielles Muster umfassen.
Das parallele Muster kann ein erstes Hauptmuster; ein zweites Hauptmuster; und mindestens ein geradliniges Muster umfassen, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet.
Die Breite des geradlinigen Musters, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet, kann im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegen.
Das serielle Muster kann ein erstes Hauptmuster und ein zweites Hauptmuster aufweisen, wobei das erste Hauptmuster und/oder zweite Hauptmuster in einem Haupt-Zickzackmuster ausgebildet ist; oder es weist darüber hinaus ein einzelnes Zickzackmuster auf, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet.
Die Breite des Zickzackmusters, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet, kann im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegen.
Die Dicke der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht kann im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm liegen.
Die Sitzheizung kann des Weiteren eine Leistungseinheit aufweisen, die elektrisch an die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht angeschlossen ist und eine Erwärmung der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht bewirkt, wenn eine Spannung angelegt ist.
Eine Aufheiztemperatur der Heizschicht kann im Bereich von ca. 50 °C bis ca. 130 °C liegen, wenn eine Spannung an die Leistungseinheit angelegt ist.
Vorteilhafte Wirkungen
Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich eine hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug herstellen, wobei die Sitzheizung über einen hervorragenden Energiewirkungsgrad, ein gleichmäßiges Aufheizverhalten und eine exzellente Stabilität verfügen kann, während sie gleichzeitig ein geringes Gewicht hat.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, in der eine Querschnittsansicht eines Teils dargestellt ist, der eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht in einer hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
2(a) ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt einer herkömmlichen Sitzheizung für ein Fahrzeug darstellt;
2(b) ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt einer hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
(a) von 3 und (a) von 4 sind schematische Ansichten, in denen jeweils eine Ausführungsform eines parallelen Musters der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht dargestellt ist;
(b) von 3 und (b) von 4 sind schematische Ansichten, in denen jeweils eine Ausführungsform eines seriellen Musters der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht dargestellt ist;
(c) von 3 und (c) von 4 sind schematische Ansichten, in denen jeweils eine andere Ausführungsform eines seriellen Musters der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht dargestellt ist; und
5 ist eine schematische Ansicht, in der eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht dargestellt ist, an die eine Leistungseinheit in der hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug elektrisch angeschlossen ist.
Beste Art
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen auf eine Art und Weise beschrieben, dass die Erfindung von Durchschnittsfachleuten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ohne Weiteres ausgeführt werden kann. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen verwirklicht werden, und die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Für eine deutliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind hier Teile weggelassen, die sich nicht auf die Beschreibung beziehen, und gleiche Bezugszahlen in den Zeichnungen geben über die gesamte Beschreibung hinweg gleiche Elemente an.
In den Zeichnungen sind der Deutlichkeit halber Dickenangaben von Schichten und Bereichen übermäßig groß dargestellt. Auch in Bezug auf die Zweckmäßigkeit der Erläuterung sind Dickenangaben von einigen Schichten und Bereichen in den Zeichnungen übermäßig groß dargestellt.
Nachstehend wird mit einem Element, das "an einem oberen Teil (oder unteren Teil)" eines Substrats "auf (oder unter)" einem Substrat ausgebildet ist, ein Element bezeichnet, das direkt auf einer Oberseite (oder Unterseite) des Substrats ausgebildet ist, wobei keine Beschränkung dahingehend besteht, dass zwischen dem Substrat und auf (oder unter) dem Substrat kein Element vorhanden ist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug bereitgestellt, und die Sitzheizung umfasst eine Schichtungsstruktur aus einer Substratschicht, einer ersten Isolierschicht, einer Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht und einer zweiten Isolierschicht.
Ein Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungs-(HVAC)System, das in einem herkömmlichen Fahrzeug enthalten ist, stellt eine Kerntechnologie für die Innenumgebungssteuerung eines Fahrzeugs dar. Jedoch wird von einer zur Fahrzeugbeheizung üblicherweise verwendeten PTC-Heizeinheit Wärme übertragen, indem direkt ein Kühlmittel erwärmt wird, und hat somit Nachteile, dass sie zur Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels lange braucht und ihr Gewicht erhöht ist, da separat eine Pumpe, eine Metallplatte und das Kühlmittel enthalten sind.
Für Heiz- und Kühlsysteme von Elektrofahrzeugen wurden auch konventionelle Heiz- und Kühlsysteme eingesetzt, wie sie in einem herkömmlichen Fahrzeug verwendet werden, aber aufgrund des Problems, dass ca. 40 % der elektrischen Leistung der Gesamtenergie einer Batterie eines Elektrofahrzeugs für das Heizen und Kühlen verbraucht werden, nimmt die Kilometerleistung ab, womit für das Heiz- und Kühlsystem die beständige Forderung besteht, dass es schlank gebaut und hocheffizient ist. Auch eine Abnahme des Wärmeverlusts des Heiz- und Kühlsystems sowie strukturelle Verbesserungen an einer auf das Heiz- und Kühlsystem angewendeten Sitzheizung haben zugenommen.
Da die hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug eine Schichtungsstruktur aus einer Substratschicht, einer ersten Isolierschicht, einer Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht und einer zweiten Isolierschicht umfasst, nimmt in dieser Hinsicht, wenn die hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug im Heiz- und Kühlsystem verwendet wird, der Stromverbrauch ab, die Gleichmäßigkeit der Temperatur während des Aufheizens verbessert sich, und somit kann das System eine exzellente Leistung an den Tag legen. Auch kann bei einem Elektrofahrzeug, bei dem die Sitzheizung angewendet wird, trotz der Außenluft im Winter die Innenumgebung gesteuert werden.
1 ist eine schematische Ansicht, in der eine Querschnittsansicht eines Teils dargestellt ist, der eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht in einer hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Mit Bezugnahme auf 1 kann die hocheffiziente Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug von unten her eine Substratschicht 10, eine erste Isolierschicht 20, eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 und eine zweite Isolierschicht 40 aufweisen. Die hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug weist eine Schichtungsstruktur aus drei dünnen Schichten auf der Substratschicht auf und kann basierend auf einem Material gebildet werden, dass sich jeweils an den Schichten, einer Drucktechnik der einzelnen Schichten und einer Mustergestaltung der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 orientiert.
Die Substratschicht 10 kann eine Metallplatte aufweisen, die aus einem Material gebildet ist, das mindestens eines aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Platin und Kombinationen hiervon besteht. Die Substratschicht kann zum Beispiel eine Aluminiumplatte mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sein, wobei eine Aluminiumplatte bevorzugt wird, da an ihr bei äußerer Druckeinwirkung wie etwa bei einer thermischen Kontraktion oder Expansion keine Risse entstehen.
Die Dicke der Substratschicht 10 kann ca. 15 µm bis ca. 500 µm betragen. Wenn die Dicke der Substratschicht innerhalb dieses Bereichs gehalten wird, kann verhindert werden, dass sich das Substrat verzieht, und die Wärme kann sich während des Aufheizvorgangs in horizontaler oder vertikaler Richtung ausbreiten.
Die erste Isolierschicht 20 und zweite Isolierschicht 40 können ein anorganisches Isoliermaterial aufweisen. Das anorganische Isoliermaterial kann zum Beispiel mindestens eines umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LiF, BaF₂, TiO₂, ZnO, SiO₂, SiC, SnO₂, WO₃, ZrO₂, HfO₂, Ta₂O₅, BaTiO₃, BaZrO₃, Al₂O₃, Y₂O₃, ZrSiO₄, Si₃N₄, TiN besteht.
Ein Isoliermaterial bezieht sich auf ein Material, das keinen Wärmedurchgang gestattet, und somit kann, wenn das erste Isoliermaterial und zweite Isoliermaterial ein aus einem anorganischen Material gebildetes Isoliermaterial umfassen, die Schichten jeweils die Substratschicht und das Kohlenstoffnanoröhren-Erwärmungsmaterial trennen, das später im Einzelnen beschrieben wird, womit ein elektrischer Schlag verhindert werden kann. Insbesondere das erste Isoliermaterial kann einen Stromschlag an der Substratschicht verhindern, wenn der Aufheizvorgang ausgeführt wird, indem an die hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug eine Spannung angelegt wird, das zweite Isoliermaterial kann einen Bereich schützen, der durch die Spannungsanlegung Wärme freisetzt, und bei der Sitzheizung in einem Heizmodul können Stromschläge sowie Feuer verhindert werden.
Die Dicke der ersten Isolierschicht 20 und zweiten Isolierschicht 40 kann jeweils im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm liegen. Wenn die jeweilige Dicke der ersten Isolierschicht 20 und zweiten Isolierschicht 40 innerhalb dieses Bereichs gehalten wird, werden an den Isolierschichten beim Trocknungsprozess keine Risse und auch Verzug entstehen. Auch können die Dicken der ersten Isolierschicht 20 und zweiten Isolierschicht 40 identisch oder voneinander verschieden sein. Wenn die Dicken der Schichten identisch sind, kann dies hinsichtlich der Effizienz bei einem Druckprozess vorzuziehen sein, und der Wärmeübertragungswirkungsgrad kann vorhergesagt werden.
Die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 kann in einer vorbestimmten Form strukturiert werden, indem eine Oberseite der Substratschicht durch Siebdruck mit einer Kohlenstoffnanoröhrenpaste beschichtet wird, und wie beispielsweise in 3 und 4 gezeigt ist, kann die vorbestimmte Form ein paralleles Muster oder ein serielles Muster umfassen. Die Kohlenstoffnanoröhrenpaste bezieht sich auf eine Zusammensetzung, die zubereitet wird, indem Kohlenstoffnanoröhren in Form einer Paste verarbeitet werden, wobei die Paste zum Beispiel ein organisches Lösungsmittel, Kohlenstoffnanoröhren, einen Füllstoff und ein organisches Bindemittel enthalten kann, und die Kohlenstoffnanoröhren mindestens eine Art umfassen können, die aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren und mehrwandigen Kohlstoffnanoröhren ausgewählt ist.
Ferner handelt es sich beim Siebdruck um ein Verfahren, gemäß dem ein Sieb gebildet wird, indem ein Tuch aus chemischen Fasern fest aufgespannt und ein Druckbereich darauf ausgebildet und hierauf eine Drucktinte so aufgebracht wird, dass die Tinte nur durch den Druckbereich austritt, wodurch die Kohlenstoffnanoröhrenpaste in einem vorbestimmten Muster oder einer vorbestimmten Form auf die Substratschicht aufgezogen werden kann. Wenn die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht mittels Siebdruck gebildet wird, kann die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht ein paralleles Muster oder ein serielles Muster aufweisen, und eine Heizstelle oder eine Heizfläche lässt sich mittels des Musters mühelos ändern, womit sich der Wirkungsgrad der Sitzheizung verbessern kann.
Die Kohlenstoffnanoröhren können metalldotierte Kohlenstoffnanoröhren sein. In diesem Fall kann es sich bei dem Metall um Silber handeln. Metalldotierte Kohlenstoffnanoröhren haben einen Temperaturwiderstandsbeiwert, der nahezu bei 0 liegt, und der Widerstandswert zeigt nach wiederholtem Gebrauch fast keine Veränderung, sodass die Zuverlässigkeit mühelos sichergestellt werden kann. Das heißt, dass die Verbesserung nicht dadurch erzielt werden kann, dass einfach nur Kohlenstoff mit einem negativen Temperaturwiderstandsbeiwert und ein Metall mit einem positiven Temperaturwiderstandsbeiwert gemischt werden, sondern die Wirkung hervorgebracht werden kann, wenn Metallionen chemisch an eine funktionelle Gruppe an einem Ende einer mit Säure behandelten Kohlenstoffnanoröhre gebunden werden.
Die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 kann mittels Siebdruck zum Beispiel mit einer Kohlenstoffnanoröhrenpaste mit einem Oberflächenwiderstand von ca. 10 Ω/☐ beschichtet werden, wobei die Paste aus mit Silber dotierten Kohlenstoffnanoröhren gebildet wird, und kann somit in einer vorbestimmten Form strukturiert werden. Wenn die Paste direkt auf die Aluminiumplatte aufgezogen wird, kann sich die Anhaftungseigenschaft von z.B. der Substratschicht an der Aluminiumplatte verbessern, und folglich kann der Wärmeverlust einer hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug gesenkt werden.
Die Dicke der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht kann im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm liegen. Wenn die Dicke der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht gleichmäßig innerhalb dieses Bereichs beibehalten wird, kann die Entstehung von Rissen verhindert und die Dauerhaftigkeit eines bestimmten Niveaus sichergestellt werden. Ferner kann, wenn die Dicke innerhalb dieses Bereichs gehalten wird, ein Muster der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht gemäß einem Wärmeübertragungsbereich mühelos geändert werden.
2(a) ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Sitzheizung für ein herkömmliches Fahrzeug, und 2(b) ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 2(a) gezeigt ist, weist die Sitzheizung 101 für ein herkömmliches Fahrzeug, die in eine herkömmliche PTC-Heizeinheit eingebaut ist, insbesondere eine Schichtungsstruktur auf, die hergestellt wird, indem eine Metallsubstratschicht 11, eine Klebeschicht 21 mit einer darin eingebetteten keramischen Heizschicht 31 und eine Metallsubstratschicht 11 nacheinander übereinandergelegt werden. Dementsprechend kann der keramischen Heizschicht 31 durch die Klebeschicht 21 hindurch ein Strom zugeführt werden, indem eine Gleichspannung an die Metallsubstratschicht 11 angelegt wird, womit die Heizeinheit eine Heizleistung vorlegen kann.
Aufgrund der eine vorbestimmte Dicke aufweisenden Klebeschicht 21 ist die Dicke der Sitzheizung 101 eines herkömmlichen Fahrzeugs erhöht, da die keramische Heizschicht 31 an der Metallsubstratschicht mittels der Klebeschicht 21 als Medium angebracht wird, und die Sitzheizung 101 eines herkömmlichen Fahrzeugs muss an beiden Oberflächen der Klebeschicht 21 eine Metallsubstratschicht aufweisen, um das äußere Aussehen für eine lange Zeit unveränderlich aufrechtzuerhalten. Im Ergebnis müssen die Gesamtdicke und das Gewicht der Sitzheizung 101 auf einem hohen Niveau ausgebildet werden. Auch ist die Heizleistung eines keramischen Materials niedrig, womit die Dicke oder das Volumen der keramischen Heizschicht 31 auf einem hohen Niveau ausgelegt werden muss, um die Sitzheizung 101 bis auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Vor diesem Hintergrund können sich das Fahrverhalten und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs weiter verschlechtern, wenn die Gesamtdicke und das Gewicht der Sitzheizung 101 für ein herkömmliches Fahrzeug hoch angesetzt sind.
Da der Strom in der Metallsubstratschicht selbst fließt, ist es ferner ohne Weiteres möglich, dass während des Gebrauchsprozesses ein Stoßstrom auftritt, und an einer topischen Stelle kann eine übermäßige Erwärmung stattfinden, womit die Feuergefahr hoch ist.
Dagegen umfasst die hocheffiziente Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Schichtungsstruktur, die hergestellt wird, indem eine Substratschicht, eine erste Isolierschicht, eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht und eine zweite Isolierschicht der Reihe nach übereinandergelegt werden. Dann kann, wie im Zusammenhang mit einer später noch zu beschreibenden Leistungseinheit geschildert wird, eine Niete verwendet werden, sodass die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht einen direkten Kontakt mit einem Draht hat, und eine Spannung wird direkt angelegt, um einen Strom zuzuführen, wodurch es möglich wird, über eine Heizleistung zu verfügen.
In dieser Hinsicht weist die hocheffiziente Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug eine Heizschicht auf, die aus einem Kohlenstoffnanoröhrenmaterial gebildet wird, wodurch die Heizleistung relativ zunimmt, und infolgedessen kann die Dicke der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht dünn ausgelegt werden, oder die Schicht kann so strukturiert werden, dass sich die Heizleistung überall gleichmäßig zeigt.
Gleichzeitig kann, da nur eine Isolierschicht ohne eine Klebeschicht 21 enthalten sein kann, nur eine Substratschicht enthalten sein, wodurch die Dicke und das Gewicht der Sitzheizung abnehmen und somit die Entstehung eines Stoßstroms effektiv verhindert werden kann.
Infolgedessen kann, da die Gesamtdicke und das Gewicht der hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kleiner ausfallen, die Sitzheizung mit geringem Gewicht hergestellt werden, wodurch sich das Fahrverhalten und die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs verbessern, was zu einer hervorragenden Energieeffizienz führen kann. Gleichzeitig besteht ein Vorteil dahin gehend, dass ein gleichmäßiges Aufheizverhalten und eine hervorragende Stabilität gegeben sind.
Hinsichtlich des Wirkungsgrads beträgt ein Gewicht eines HVAC-Moduls, auf das die hocheffiziente Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug angewendet wird, beispielsweise ca. 57 g, was um ungefähr 31 % weniger ist als das einer herkömmlichen PTC-Heizeinheit, und im Hinblick auf die Erwärmung der gesamten Fläche der Substratschicht können beim Stromverbrauch im Vergleich zu demjenigen einer herkömmlichen PTC-Einheit ungefähr 20 % eingespart werden.
Die hocheffiziente Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug kann des Weiteren eine Leistungseinheit aufweisen, die an die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 elektrisch angeschlossen ist und eine Erwärmung der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht bewirkt, wenn eine Spannung an diese angelegt wird. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht, an die eine Leistungseinheit 50 in der hocheffizienten Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug elektrisch angeschlossen ist.
Diese schematische Ansicht stellt die Leistungseinheit 50 dar, die in der hocheffizienten Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug elektrisch an die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht angeschlossen ist.
Die Leistungseinheit 50 kann eine Niete 54, einen Draht 55 und eine Stromversorgungseinheit 56 umfassen.
Die Niete 54 ist ein Druckfixierungselement, umfasst zum Beispiel einen Drahtverbindungsanschluss und fixiert den Draht 55 so, dass er in festem Kontakt mit der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 ist, um die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 und den Draht 55 miteinander zu verbinden.
Bei der Niete 54, dem Draht 55 und der Stromversorgungseinheit 56 kann es sich um allgemeine, auf diesem technischen Gebiet verwendete Elemente handeln, die nicht ausdrücklich hierauf beschränkt sind.
Eine Spannung, zum Beispiel ca. 3 V oder ca. 24 V, kann an die Leistungseinheit 50 angelegt werden, wobei hier, da kein Stoßstrom auftritt, eine Stromcharakteristik mit gesicherter Stabilität ermöglicht werden kann, wenn die Leistungseinheit 50 auf EIN/AUS geschaltet ist. Aufgrund der hocheffizienten, im HVAC-Modul installierten Sitzheizung können die Temperaturen einer Oberfläche und des Umgebungsbereichs der Sitzheizung gleichmäßig ansteigen, und auch die Heizfläche kann vergrößert werden.
Wenn an die Leistungseinheit 50 eine Spannung angelegt wird, kann die Aufheiztemperatur der Heizschicht im Bereich von ca. 50 °C bis ca. 130 °C liegen. Hinsichtlich der Heizleistung weist die hocheffiziente Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug eine Aufheiztemperatur auf, die um ca. 15 °C bis ca. 30 °C höher liegt als diejenige einer herkömmlichen PTC-Heizeinheit, und kann infolgedessen eine gewünschte Soll-Temperatur erreichen, wobei eine geringe elektrische Leistung verbraucht wird. Die Aufheiztemperatur bezieht sich auf eine Oberflächentemperatur der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht, wenn eine Spannung an die Leistungseinheit 50 angelegt ist, und wenn eine Spannung an die Leistungseinheit 50 angelegt wird, entsteht Wärme an der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht, und aufgrund der so erzeugten Wärme kann die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht eine konstante Aufheiztemperatur beibehalten.
Insbesondere wenn die Aufheiztemperatur der Heizschicht niedriger als ca. 50 °C liegt, kann es sein, dass die Heizwirkung der Sitzheizung keinen Einfluss auf das gesamte Heiz- und Kühlsystem hat, und wenn die Aufheiztemperatur der Heizschicht höher als ca. 130 °C liegt, kann eine zu starke Erwärmung stattfinden, das Heiz- und Kühlsystem kann eventuell ausfallen und die Lebensdauer der Sitzheizung kann sich verkürzen.
3(a) und 4(a) sind schematische Ansichten, die jeweils eine Ausführungsform eines parallelen Musters der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht darstellen, 3(b) und 4(b) sind schematische Ansichten, in denen jeweils eine Ausführungsform eines seriellen Musters der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht dargestellt ist, und 3(c) und 4(c) sind schematische Ansichten, die jeweils eine andere Ausführungsform eines seriellen Musters der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht zeigen. In dieser Hinsicht kann die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht 30 ein paralleles Muster oder ein serielles Muster aufweisen.
Das parallele Muster kann ein erstes Hauptmuster 31; ein zweites Hauptmuster 32; und mindestens ein geradliniges Muster 33 aufweisen, welches das erste Hauptmuster 31 mit dem zweiten Hauptmuster 32 verbindet. In dieser Hinsicht kann es sich bei dem parallelen Muster um ein Muster handeln, das mit dem ersten Hauptmuster 31, dem zweiten Hauptmuster 32 und dem mindestens einen geradlinigen Muster 33 verbunden ist.
Wenn des Weiteren die Leistungseinheit 50 enthalten ist, kann es sich bei dem ersten Hauptmuster 31 und zweiten Hauptmuster 32 um Muster handeln, die elektrisch direkt an die Leistungseinheit 50 angeschlossen sind, oder insbesondere kann es ein Muster sein, mit welchem der Draht 55 direkt in Kontakt ist, und zwar über einen Drahtverbindungsanschluss der Niete 54, die in der Leistungseinheit 50 enthalten ist. Wie in 5 gezeigt ist, kann der Draht 55 beispielsweise mittels der Niete 43 befestigt und angeschlossen sein, um ein Endteil des ersten Hauptmusters 31 und zweiten Hauptmusters 32 zu kontaktieren.
Ferner kann die Breite des ersten Hauptmusters 31 und zweiten Hauptmusters 32 jeweils im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegen.
Bei dem parallelen Muster kann es sich beim ersten Hauptmuster 31 und zweiten Hauptmuster 32 zum Beispiel um ein Paar aus geradlinigen Hauptmustern handeln, die mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen parallel zueinander sind, und der vorbestimmte Abstand kann im Bereich von ca. 0,5 mm bis ca. 50 mm liegen, ist aber nicht hierauf beschränkt bzw. kann entsprechend der Größe der hocheffizienten Sitzheizung 100 für ein Fahrzeug zweckentsprechend geändert werden.
Wie in 3(a) und 4(a) gezeigt ist, kann das mindestens eine geradlinige Muster 33, welches das erste Hauptmuster 31 und zweite Hauptmuster 32 verbindet, sich mit dem ersten Hauptmuster und zweiten Hauptmuster überschneiden, um diese zu verbinden, und wenn mehrere geradlinige Muster 33 enthalten sind, können die mehreren geradlinigen Muster 33 parallel zueinander sein.
Insbesondere kann die Breite jedes der geradlinigen Muster, welche das erste Hauptmuster 31 und zweite Hauptmuster 32 miteinander verbinden, im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegen. Eine Fläche der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht kann mühelos sichergestellt werden, indem der Breitenbereich der geradlinigen Muster beim parallelen Muster beibehalten wird, und die Fläche der Heizschicht lässt sich entsprechend der Form des Musters mühelos abändern.
Das serielle Muster umfasst das erste Hauptmuster 31 und zweite Hauptmuster 32, wobei das erste Hauptmuster 31 oder das zweite Hauptmuster 32 in einem Haupt-Zickzackmuster ausgebildet ist; oder kann darüber hinaus ein Zickzackmuster 34 aufweisen, welches das erste Hauptmuster 31 mit dem zweiten Hauptmuster 32 verbindet.
Wenn des Weiteren die Leistungseinheit 50 enthalten ist, kann es sich bei dem ersten Hauptmuster 31 und zweiten Hauptmuster 32 um ein Muster handeln, an das die Leistungseinheit 50 elektrisch direkt angeschlossen ist, oder kann zum Beispiel ein Muster sein, mit dem der Draht 55 direkt über einen Drahtverbindungsanschluss der in der Leistungseinheit 50 enthaltenen Niete 54 in Kontakt ist. Wie in 5 gezeigt ist, kann der Draht 55 zum Beispiel so fixiert und angeschlossen sein, dass er ein Endteil des ersten Hauptmusters 31 und zweiten Hauptmusters 32 kontaktiert.
Ferner kann die Breite des ersten Hauptmusters 31 und zweiten Hauptmusters 32 jeweils im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegen.
Beispielsweise beim parallelen Muster, wie in 3(b) und 4(b) gezeigt ist, kann, wenn das erste Hauptmuster 31 oder zweite Hauptmuster 32 in einem Haupt-Zickzackmuster ausgebildet ist, das jeweils andere Hauptmuster zu einem geradlinigen Hauptmuster ausgebildet werden, welches an das Haupt-Zickzackmuster angeschlossen ist.
Ferner kann es sich beim seriellen Muster, wie in 3(c) und 4(c) gezeigt, beim ersten Hauptmuster 31 und zweiten Hauptmuster 32 zum Beispiel um ein Paar geradlinige Hauptmuster handeln, die mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen parallel zueinander sind, und der vorbestimmte Abstand kann zum Beispiel im Bereich von ca. 0,5 mm bis ca. 50 mm liegen, ist aber nicht hierauf beschränkt.
In dieser Hinsicht können, wenn es sich beim ersten Hauptmuster 31 und zweiten Hauptmuster 32 um ein Paar geradlinige Hauptmuster handelt, ein Zickzackmuster 34, welches das erste Hauptmuster 31 und zweite Hauptmuster 32 verbindet, zusätzlich im seriellen Muster enthalten sein. Das heißt, dass das eine Zickzackmuster 34 mit einer vorbestimmten Fläche das erste Hauptmuster mit dem zweiten Hauptmuster verbinden kann.
Die Breite des Zickzackmusters, die das erste Hauptmuster 31 mit dem zweiten Hauptmuster 32 verbindet, kann im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegen. Wenn das Zickzackmuster diesen Breitenbereich einhält, kann eine Kontaktfläche des ersten Hauptmusters und zweiten Hauptmusters sichergestellt werden, und somit kann ein Strom fließen, der einer an die Leistungseinheit 50 angelegten Spannung entspricht. Auch lässt sich durch das serielle Muster mühelos eine Heizfläche der Heizschicht bilden, wobei eine topische Erwärmung verhindert wird.
Wenn die Heizschicht das parallele Muster aufweist, kann ein Oberflächenwiderstand der Heizschicht im Bereich von ca. 0,5 Ω/☐ bis ca. 10 Ω/☐ liegen, und wenn die Heizschicht das serielle Muster aufweist, kann ein Oberflächenwiderstand der Heizschicht im Bereich von ca. 0,5 Ω/☐ bis ca. 10 Ω/☐ liegen. Wenn die Heizschicht das parallele Muster aufweist, ist dieses hinsichtlich dessen vorzuziehen, dass der Strom aufgrund eines niedrigeren Oberflächenwiderstands reibungslos fließt. Es kann auch sein, dass das parallele Muster niedrigere Verarbeitungskosten und eine kürzere Herstellzeit benötigt als das serielle Muster.
Hinsichtlich der Verhinderung einer topischen Erwärmung ist jedoch das serielle Muster vorzuziehen, und zwar wegen der Gleichmäßigkeit der Erwärmung im Vergleich zum parallelen Muster, und folglich lassen sich die Stabilität und die Gleichmäßigkeit der Temperatur der Sitzheizung jeweils verbessern, indem das parallele Muster mit dem seriellen Muster kombiniert wird und gleichzeitig die Vorteile des geradlinigen Musters und Zickzackmusters zusammengeführt werden.
Nachstehend werden ausführliche Beispiele der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Die hier bereitgestellten Beispiele dienen jedoch nur dem Zweck der praktischen Umsetzung oder Beschreibung der vorliegenden Erfindung in allen Einzelheiten, wobei die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
<Beispiel und Vergleichsbeispiel>
Beispiel
Eine erste Isolierschicht mit einer Dicke von 20 µm, die ein aus SiO₂ und ZnO gebildetes, anorganisches Isoliermaterial enthielt, wurde auf die Oberseite einer Aluminiumplatte mit einer Dicke von 500 µm aufgebracht, es wurde eine Kohlenstoffnanoröhrenpaste mit 30 Gewichtsteilen Kohlenstoffnanoröhren, 5 Gewichtsteilen eines Füllstoffs und 20 Gewichtsteilen eines organischen Bindemittels beruhend auf 100 Gewichtsteilen eines organischen Lösungsmittels angewendet und mittels Siebdruck darauf aufgebracht, um eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht mit einer Dicke von 10 µm zu bilden. Dann wurde eine zweite Isolierschicht mit einer Dicke von 20 µm, die ein aus SiO₂ und ZnO gebildetes, anorganisches Isoliermaterial enthielt, auf die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht aufgebracht, um dadurch eine hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug herzustellen.
Hierbei wurde eine Heizeinheit für ein Elektrofahrzeug verwendet, welches über die hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug verfügte, die auf einen Heizkern für ein Elektrofahrzeug angewendet wurde.
Vergleichsbeispiel
Eine PTC-Heizeinheit (PTC Polo, HVAC-System) wurde auf einen Heizkern für ein Elektrofahrzeug angewendet. Die PTC-Heizeinheit (PTC Polo, HVAC-System) enthielt insbesondere einen Sitzheizung, die in einer Schichtungsstruktur ausgebildet war, welche hergestellt wurde, indem eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 500 µm, eine Klebeschicht mit einer darin eingebetteten keramischen Heizschicht und einer Dicke von 1,8 mm und eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 500 µm nacheinander übereinandergeschichtet wurden.
<Versuchsbeispiel> – Erwärmungscharakteristiken einer hocheffizienten Sitzheizung für ein Fahrzeug

1) Leistungsbeurteilung der Heizeinheit: eine Spannung wurde an eine Leistungseinheit von in einem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel hergestellten Heizeinheiten angelegt, und zwar bei den jeweils in Tabelle 1 gezeigten elektrischen Leistungen. Dann wurde eine Aufheiztemperatur von jeder der Sitzheizungen gemessen, wobei die Ergebnisse in Tabelle 1 gezeigt.

[Tabelle 1]

		3 V	6 V	8 V
Beispiel	Heizleistung (W)	209	210	212
	Luftmassenstrom (kg/min)	1,34	2,94	3,95
	Temperaturdifferenz (°C)	14	10	9
	Max. Heizkerntemperatur (°C)	115	78	72
Vergleichsbeispiel	Heizleistung (W)	206	211	207
	Luftmassenstrom (kg/min)	1,36	2,97	4,16
	Temperaturdifferenz (°C)	11	5	5
	Max. Heizkerntemperatur (°C)	75	47	43

Mit Bezugnahme auf Tabelle 1 wurde gemessen, dass die Aufheiztemperatur der Sitzheizung des Beispiels um ca. 30 °C oder mehr höher lag als eine Aufheiztemperatur der Sitzheizung des Vergleichsbeispiels, womit bestätigt wurde, dass bei Anwendung derselben Leistung und derselben Spannung das Leistungsverhalten der Sitzheizung des Beispiels besser war als das Leistungsverhalten der Sitzheizung des Vergleichsbeispiels.

2) Leistungsbeurteilung des Moduls: Die Heizeinheiten des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wurden in herkömmliches HVAC-Modul eingebaut, und Spannungen (8 V, 6 V) wurden an die Leistungseinheit bei derselben elektrischen Leistung (210 W) angelegt, eine Innentemperatur des Elektrofahrzeugs und die maximale Oberflächentemperatur der Heizeinheit wurden mittels eines Thermometers gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

[Tabelle 2]

		8 V (4 kg/min)	6 V (3kg/min)
Beispiel	Lufttemperaturzunahme (K)	9	10
Beispiel	Maximale Oberflächentemperatur (°C)	72	78
Vergleichsbeispiel	Lufttemperaturzunahme (K)	5	5
Vergleichsbeispiel	Maximale Oberflächentemperatur (°C)	43	47

Mit Bezugnahme auf Tabelle 2 lagen im Falle der Verwendung einer Heizeinheit des Beispiels die Innentemperatur in einem Elektrofahrzeug und die maximale Oberflächentemperatur der Heizeinheit höher als diejenigen bei Verwendung der Heizeinheit des Vergleichsbeispiels, und somit hatte, wenn dieselbe elektrische Leistung und dieselbe Spannung angewendet wurden, die Heizeinheit des Beispiels eine höhere Leistung als die Heizeinheit des Vergleichsbeispiels hinsichtlich des Stromverbrauchs. Somit hat sich klar bestätigt, dass die Heizleistung der Sitzheizung des Beispiels unter derselben Spannung besser war.

3) Gewichtsbeurteilung: Mittels einer Waage (GF-4000, erhältlich von AND Co., Japan) wurde das Gewicht von den jeweils für das Beispiel und Vergleichsbeispiel hergestellten Sitzheizungen gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

[Tabelle 3]

Gewicht (g)

Beispiel 58

Vergleichsbeispiel 89
Mit Bezugnahme auf Tabelle 3 lag das Gewicht der Sitzheizung des Beispiels niedriger, wodurch das Gewicht effektiv reduziert wurde und man somit klar erwarten konnte, dass bei gleichzeitiger Verbesserung des Fahrverhaltens und der Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs der Energiewirkungsgrad noch besser ausfällt.
Bezugszeichenliste

100: hocheffiziente Sitzheizung für Fahrzeuge
10: Substratschicht
20: erste Isolierschicht
21: Klebeschicht
30: Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht
31: keramische Heizschicht
31: erstes Hauptmuster
32: zweites Hauptmuster
33: geradliniges Muster
34: Zickzackmuster
40: zweite Isolierschicht
50: Leistungseinheit
54: Niete
55: Draht
56: Stromversorgungseinheit

Claims

Hocheffiziente Sitzheizung für ein Fahrzeug, wobei die Sitzheizung aufweist: eine Substratschicht; eine erste Isolierschicht; eine Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht; und eine zweite Isolierschicht.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei die Substratschicht eine Metallplatte aufweist, die aus einem Material gebildet ist, das mindestens eines aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Platin und Kombinationen hiervon besteht.
Sitzheizung nach Anspruch 1, die nicht über eine Klebeschicht verfügt.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Substratschicht im Bereich von ca. 15 µm bis ca. 500 µm liegt.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht ein anorganisches Isoliermaterial umfassen.
Sitzheizung nach Anspruch 5, wobei das anorganische Isoliermaterial mindestens eines aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LiF, BaF₂, TiO₂, ZnO, SiO₂, SiC, SnO₂, WO₃, ZrO₂, HfO₂, Ta₂O₅, BaTiO₃, BaZrO₃, Al₂O₃, Y₂O₃, ZrSiO₄, Si₃N₄, TiN und Kombinationen hiervon besteht.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der ersten und zweiten Isolierschicht jeweils im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm liegt.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht durch Beschichten einer Oberseite der Substratschicht mit einer Kohlenstoffnanoröhrenpaste durch Siebdruck in einer vorbestimmten Form strukturiert wird.
Sitzheizung nach Anspruch 8, wobei es sich bei den Kohlenstoffnanoröhren um metalldotierte Kohlenstoffnanoröhren handelt.
Sitzheizung nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmte Form ein paralleles Muster oder ein serielles Muster umfasst.
Sitzheizung nach Anspruch 10, wobei das parallele Muster umfasst: ein erstes Hauptmuster; ein zweites Hauptmuster; und mindestens ein geradliniges Muster, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet.
Sitzheizung nach Anspruch 11, wobei die Breite des geradlinigen Musters, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet, im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegt.
Sitzheizung nach Anspruch 10, wobei das serielle Muster ein erstes Hauptmuster und ein zweites Hauptmuster aufweist, wobei das erste Hauptmuster und/oder zweite Hauptmuster in Form eines Haupt-Zickzackmusters ausgebildet ist; oder darüber hinaus ein einzelnes Zickzackmuster aufweist, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet.
Sitzheizung nach Anspruch 13, wobei die Breite des Zickzackmusters, welches das erste Hauptmuster und zweite Hauptmuster verbindet, im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 2 mm liegt.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm liegt.
Sitzheizung nach Anspruch 1, darüber hinaus eine Leistungseinheit aufweisend, die elektrisch an die Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht angeschlossen ist und eine Erwärmung der Kohlenstoffnanoröhren-Heizschicht bewirkt, wenn eine Spannung angelegt ist.
Sitzheizung nach Anspruch 16, wobei eine Aufheiztemperatur der Heizschicht im Bereich von ca. 50 °C bis ca. 130 °C liegt, wenn eine Spannung an die Leistungseinheit angelegt ist.