DE202005016078U1

DE202005016078U1 - Schmiegsames Heizgerät

Info

Publication number: DE202005016078U1
Application number: DE202005016078U
Authority: DE
Original assignee: Beurer GmbH and Co
Current assignee: Beurer GmbH
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2015-10-12

Abstract

Schmiegsames Heizgerät (1) wie Heizdecke, Heizkissen, Wärmeunterbett oder dgl. mit einem flexiblen Träger (2), auf oder in dem mindestens ein flexibles, stromdurchflossenes Heizelement (3) angebracht ist, wobei
das mindestens eine Heizelement (3) flächig ausgebildet ist und ihm unter Zwischenlage einer Isolationsschicht (5) als Schutzelement (4) ein zweites flexibles, stromdurchflossenes Heizelement oder ein flexibles Überwachungselement, das zumindest in einem Kurzschlussfall stromdurchflossen ist, gegenüberliegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationsschicht (5) einen elektrischen Widerstand mit einem negativen Temperaturgang in Form eines NTC-Verhaltens oder mit einem positiven Temperaturgang in Form eines PTC-Verhaltens aufweist und
dass eine Sicherheitseinrichtung (8) vorhanden ist, mit der bei lokaler oder großflächiger Überhitzung im Bereich des Trägers (2) bereits vor einem Schmelzen der Isolationsschicht (5) durch Auswertung des elektrischen Widerstands der Isolationsschicht (5) oder einer von ihm abhängigen Größe eine Reduzierung oder Abschaltung des Heizstroms erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein schmiegsames Heizgerät wie Heizdecke, Heizkissen, Wärmeunterbett oder dgl. mit einem flexiblen Träger, auf oder in dem mindestens ein flexibles, stromdurchflossenes Heizelement angebracht ist, wobei das mindestens eine Heizelement (3) flächig ausgebildet ist und ihm unter Zwischenlage einer Isolationsschicht (5) als Schutzelement (4) ein zweites flexibles, stromdurchflossenes Heizelement oder ein flexibles Überwachungselement, das zumindest in einem Kurzschlussfall stromdurchflossen ist, gegenüberliegt.
Ein derartiges schmiegsames Gerät mit flächigem Heizelement und einem davon über eine flächige Isolationsschicht elektrisch getrennten Schutzelement in Form eines Überwachungselements ist in der US 5 679 277 angegeben. Bei diesem bekannten Heizgerät spricht eine Sicherheitseinrichtung an, wenn die Isolationsschicht schmilzt, um den Heizstrom bzw. die Heizleistung abzuschalten. Auch ist eine Steuereinrichtung vorhanden, mit der die Temperatur des Heizkörpers im Bereiches Trägers zwischen einer oberen und einer unteren Grenze steuerbar ist. Wenn das Überwachungssystem der Steuereinrichtung anspricht und die Isolationsschicht geschmolzen ist, ist das Heizgerät irrevasibel beschädigt.
Bei einem in der US 2003/0189037 A1 ist ein weiteres schmiegsames Heizgerät gezeigt, bei dem ein Heizer auch flächenförmig ausgebildet sein kann. Hierbei ist ein Temperatursensor mit negativem Temperaturgang, nämlich NTC-Verhalten für die Temperaturerfassung vorgesehen. Die Sicherheitseinrichtung weist hierbei auch eine Schmelzsicherung auf.
Ein schmiegsames Heizgerät mit Flächenheizung ist auch in der DE 102 54 622 A1 offenbart, bei der eine Heizfolie mehrere Leitschichten aufweist, die gegebenenfalls teilweise voneinander getrennt sind. Die Konstruktion weist gegebenenfalls eine Übertemperatursicherung auf. Hierbei ist es auch möglich, durch Drucken einer Schicht mit positivem Temperaturgang, nämlich einem PTC-Verhalten, oder einem negativem Temperaturgang, nämlich einem NTC-Verhalten, zwischen den partiellen metallischen Schichten bzw. den leitfähigen Schichten aus funktionellen Farb- bzw. Lackzusammensetzungen beispielsweise zur Temperaturregelung einzubauen. Nähere Ausführungen zu einer Sicherheitseinrichtung sind nicht gemacht.
Die US 6 310 332 B1 zeigt ein schmiegsames Heizgerät, bei dem zum Heizen eine Heizkordel mit Hin- und Rückleiter vorgesehen ist, die über eine Isolationsschicht mit NTC-Verhalten voneinander getrennt sind. Die so ausgebildete Isolationsschicht wird in besonderer Weise mittels einer Sicherheitseinrichtung für eine Sicherheitsüberwagung genutzt. Allerdings liegen bei Heizkordeln andere Verhältnisse vor als bei einem Flächenheizelement, weil z. B. der Strom nur über die Leiterlänge, jedoch nicht flächig geführt wird.
Bei weiteren schmiegsamen Heizgeräten in Form von Heizdecken, Heizkissen, Wärmeunterbetten oder beispielsweise auch Bandagen ist üblicherweise eine stromdurchflossene Heizkordel mäanderförmig in einem flexiblen Träger verlegt und meist koaxial mit durch eine Isolationsschicht getrenntem Hinleiter und Rückleiter ausgebildet, wie z.B. in der DE 101 36 140 C1 gezeigt. Die Temperatur wird über eine Steuereinrichtung geregelt, die mit einem Sicherheitssystem zum Abschalten bei übermäßiger Erhitzung oder einem Kurzschluss der Heizkordel ausgestattet ist. Zwar werden mit einem solchen Heizgerät hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt, jedoch ist eine gleichmäßige Wärmeverteilung schwer zu erreichen.
In der DE 198 23 495 A1 ist ein schmiegsames Heizgerät mit einem flächigen Heizelement aus einem Polymer vorgeschlagen, dessen elektrischer Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) besitzt. In das elektrisch leitende Polymer können fadenförmige Trägermaterialien, z.B. Carbonfasern, Glasfasern oder Metallfasern eingearbeitet sein. An dem Heizelement sind sich längs erstreckende Elektroden zum Anschluss an eine Stromquelle, etwa einen Akku oder eine Batterie angebracht. Bei angelegter Stromquelle durchfließt der Heizstrom die Fäden der Widerstandsmasse und erwärmt diese. Jedoch ist es schwierig, mit einem solchen Aufbau die erforderlichen Sicherheitsbedingungen einzuhalten insbesondere bei höherer Wärmeleistung.
Auch die GB 2 196 818 A zeigt ein flexibles Heizgerät mit einer leitenden Schicht, wobei in einem leitenden Elastomer beidseitig der Längsachse parallele metallische Leiter eingebettet sind, um in dem Elastomer den elektrischen Strom zur Wärmeerzeugung fließen zu lassen.
In der GB 1 246 724 A ist ein flexibles Heizgerät mit einer mäanderförmig verlegten Heizkordel oder alternativ einer flexiblen gedruckten elektrischen Schaltung angegeben sowie mit einer elektrischen Ansteuerschaltung.
Die EP 0 042 448 A1 zeigt ebenfalls eine elektrische Wärmedecke mit einem Flächenheizleiter. Hierbei dient ein Glasfasergewebe als Träger für beidseitig in dünnen Schichten aufgebrachten Silikongummi mit elektrisch leitfähigen Komponenten. An den Rändern des Flächenheizleiters aus den miteinander verbundenen Schichten sind Anschlussleitungen für die Stromversorgung vorgesehen. Zu einer Ansteuerschaltung sind keine näheren Ausführungen gemacht.
In der US 6,084,206 A ist eine elektrische Heizdecke aus einer mehrschichtigen Struktur mit zwei elektrisch leitenden etzen ausgewiesen, die über eine Zwischenlage mit PTC-Heizelementen für eine Temperaturregelung miteinander elektrisch verbunden sind. Diese Heizdecke dient zum Abdecken und Warmhalten von Waren; über Sicherheitsvorkehrungen sind keine näheren Angaben gemacht.
In der JP 2003 264052 A ist ein weiteres Heizgerät mit einem flächigen Heizelement mit Selbstregulierungsfunktion für die Temperatur vorgeschlagen, während die US 5,451,747 ein Heizgerät mit mäanderförmig eingelegter Heizkordel und einer Steuereinrichtung mit einer Sicherheitsschaltung zeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, das hinsichtlich einer gleichmäßigen Wärmeverteilung Vorteile bietet, wobei auch die Anforderungen an einen sicheren Betrieb erfüllt sind.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Isolationsschicht einen elektrischen Widerstand mit einem negativen Temperaturgang in Form eines NTC-Verhaltens oder einen positiven Temperaturgang in Form eines PTC-Verhaltens aufweist und dass eine Sicherheitseinrichtung vorhanden ist, mit der bei lokaler oder großflächiger Überhitzung im Bereich des Trägers bereits vor einem Schmelzen der Isolationsschicht durch Auswertung des elektrischen Widerstands der Isolationsschicht oder einer von ihm abhängigen Größe eine Reduzierung oder Abschaltung des Heizstroms erfolgt.
Zu einem sicheren Betrieb trägt auch bei, dass die Isolationsschicht so gewählt ist, dass sie bei über einen Zulässigkeitsbereich hinausgehender Erwärmung ihren elektrischen Widerstand stark ändert, und zwar erniedrigt (NTC-Verhalten) oder erhöht (PTC-Verhalten) und darauf basierend ein Sicherheitssystem zum Auslösen bringt, so dass vermieden werden kann, dass sie irreversibel schmilzt.
Mit diesen Maßnahmen wird eine sehr homogene Wärmeverteilung über die gesamte Wärmefläche erreicht, wobei das Heizgerät, d. h. insbesondere auch die Heizelemente und die Isolationsschicht relativ dünn und gleichmäßig schmiegsam ausgeführt werden kann. Mit dem zweiten Heizelement oder flexiblen Überwachungselement, das dem flächigen Heizelement unter Zwischenfügung der Isolationsschicht gegenüberliegt, wird ein System gebildet, das für eine Sicherheitsüberwachung, insbesondere im Hinblick auf eine übermäßige Erhitzung oder einen Kurzschluss Vorteile bietet. Dabei besitzt das Schutzelement bei der Ausführung als zweites Heizelement außer der Sicherheitsfunktion auch eine Heizfunktion im Normalbetrieb, während es bei Ausführung als Überwachungselement im Normalbetrieb nicht zur Heizung beiträgt.
Durch die Ausnutzung des NTC-Verhaltens oder alternativ auch PTC-Verhaltens der Isolationsschicht in höheren Temperaturbereichen aber bereits vor Erreichen einer Schmelztemperatur kann gerade bei einem derartigen Flächenheizelement frühzeitig auf eine lokale Übertemperatur durch die Sicherheitseinrichtung reagiert und eine Reduzierung bzw. Abschaltung des Heizstroms bewirkt werden, beispielsweise wenn ein Bereich des Heizelements abgedeckt ist. Hierdurch wird nicht nur einer irreversiblen Beschädigung des Heizelements vorgebeugt, sondern auch eine übermäßige Erwärmung eines Benutzers vermieden. Dies ist gerade bei flächiger Wärmezufuhr von Bedeutung. Diese Sicherheitsmaßnahmen sind vorteilhaft zusätzlich zu der üblichen Temperatursteuerung bzw. Temperaturregelung vorgesehen, für die günstigerweise ein z. B. positiver Temperaturgang (PTC-Verhalten) des Heizelements selbst genutzt wird. Sind hierbei der Temperaturgang der Isolationsschicht einerseits und des Heizelements andererseits gegenläufig (z. B. NTC-Verhalten der Isolationsschicht und PTC-Verhalten des Heizelements oder umgekehrt), so ergeben sich günstige Steuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten, wobei sich die Effekte aber aufheben können. Mit der weiteren Maßnahme, bei Eintritt in den Schmelzbereich bei der Sicherheitseinrichtung die Stromzufuhr zu unterbrechen, wird eine weitere Sicherheitsstufe verwirklicht.
Eine sichere Unterscheidung zwischen der Temperaturregelung im Normalbetrieb und der Erkennung einer übermäßigen lokalen bzw. flächigen Erwärmung wird dadurch erreicht, dass die Änderung des elektrischen Widerstandes der Isolationsschicht oberhalb von etwa 40° C exponentiell ist. Mit der exponentiellen Änderung des elektrischen Widerstandes über der Temperatur können auch relativ kleine Bereiche einer übermäßigen Temperaturerhöhung sicher erfasst und gegenüber einem üblichen Temperatursteuerbereich bzw. Temperaturregelbereich unterschieden werden, da sich der Änderungsbetrag des elektrischen Widerstandes, der der Temperatursteuerung bzw. Temperaturregelung zugrunde gelegt wird, also insbesondere die Temperaturänderung des Heizelements, deutlich von dem Änderungsbetrag des elektrischen Widerstandes der Isolationsschicht über der Temperatur unterscheidet.
Eine für die gleichmäßige Wärmeverteilung und eine dünne flexible Ausführung günstige Ausgestaltung besteht darin, dass das Heizelement folienartig ausgebildet ist. Die Folie kann dabei selbst aus leitfähigem Material, insbesondere Kunststoff ausgebildet sein oder eine leitende aufgespritzte Schicht tragen oder leitende Partikel enthalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung für eine gleichmäßige flächige Wärmeverteilung und Schmiegsamkeit besteht darin, dass das Heizelement aus flächig angeordneten leitenden Fäden gewebeartig ausgebildet ist. Als Fäden kommen z.B. Kohlefasern in Betracht.
Zum Ausbilden des Sicherheitssystems und gegebenenfalls zur zusätzlichen Bereitstellung der Wärmeleistung ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass das (gegebenenfalls als zweites Heizelement vorgesehene) Schutzelement folienartig oder gewebeartig mit leitenden Fäden ausgebildet ist.
Günstige Ausgestaltungen für das Sicherheitssystem bestehen darin, dass das Heizelement und/oder das zweite Heizelement bzw. das Überwachungselement mit positivem (PTC) oder negativem Temperaturgang (NTC) seines/ihres elektrischen Widerstandes ausgebildet ist/sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Sicherheitssystems besteht darin, dass die Isolationsschicht mit negativem Temperaturgang seines Widerstandes ausgebildet ist. Beispielsweise besteht eine dieser Kombinationen darin, dass das Heizelement und das Überwachungselement PTC-Verhalten und die Isolierschicht NTC-Verhalten besitzen. Auch können z.B. das Schutzelement und die Isolationsschicht NTC-Verhalten und das Heizelement PTC-Verhalten besitzt. Alle sich daraus ergebenden Kombinationen sind einsetzbar, beispielsweise auch, dass allein die Isolierschicht NTC-Verhalten besitzt. Die gezielte Temperaturabhängigkeit des Heizelementes, des Schutzelementes und/oder der Isolationsschicht wird hierbei als Sensor zum Erfassen einer Übertemperatur oder zur Temperaturregulierung ausgenutzt.
Ein vorteilhafter Aufbau besteht dabei darin, dass die Sicherheitseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Kurzschluss des Heizelementes durch erhöhten Stromfluss über das Schutzelementes eine Abschaltung des elektrischen Stromes bewirkt oder eine Warnanzeige ansteuert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Heizgerätes, die erhöhten Sicherheitsanforderungen Rechnung tragen, bestehen dabei darin, dass die Sicherheitseinrichtung Schutzkomponenten aufweist, die zu einer irreversiblen Abschaltung des Stroms führen, und/oder Sicherheitskomponenten, die zu einer reversiblen Abschaltung oder Verringerung des Stroms und/oder zur Abgabe einer optischen oder akustischen Warnanzeige führen.
Um eine möglichst gleichmäßige Führung des Heizstroms über das Heizelement zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Anschlüsse für die Bestromung des Heizelementes über Elektroden verbunden sind, die sich entlang gegenüberliegender Ränder oder Randabschnitte des Heizelementes oder entlang eines Randes des Heizelementes und eines benachbarten Randes des Schutzelementes erstrecken.
Bei einer Rechteckform des schmiegsamen Teils des Heizgerätes sind dabei vorteilhaft zwei sich gegenüberliegende Ränder über ihre gesamte Länge mit insbesondere metallischen Elektroden versehen. Die Anschlüsse können dabei fest verbunden sein oder über eine Stecker-/Kupplungseinheit. Dabei kann die entferntere Elektrode über einen Zwischenleiter mit der Anschlussstelle z.B. der Stecker-/Kupplungseinheit kontaktiert sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Heizgerätes hinsichtlich der Sicherheitseinrichtung besteht darin, dass bei Ausbildung des Schutzelementes als weiteres Heizelement die Anschlüsse für die Bestromung an zwei benachbarten Rändern oder Randabschnitten der beiden Heizelemente angebrachten Elektroden angekoppelt sind, dass die von den Anschlüssen abgelegenen, einander benachbarten Ränder der beiden Heizelemente über mindestens ein den Effektivwert oder die zeitliche Verlaufsform des Stromes beeinflussendes Element der Sicherheitseinrichtung miteinander verbunden sind und dass die Sicherheitseinrichtung so ausgebildet ist, dass die bei einer vollständigen oder teilweisen Überbrückung des mindestens einen Elementes infolge eines Kurzschlusses zwischen dem Heizelement und dem Schutzelement oder infolge übermäßiger Temperatur des Heizelementes den Strom verringert oder abschaltet und/oder die Warnanzeige auslöst. Ist z.B. das Element zwischen den abgelegenen benachbarten Rändern der beiden Heizelemente eine Gleichrichteranordnung, so wird bei einem Kurzschluss oder z.B. bei Verringerung des Widerstandes der Isolationsschicht bei Ausbildung mit einem NTC-Widerstandsverhalten der effektive Strom in der Sicherheitseinrichtung so stark vergrößert, dass z.B. eine Thermosicherung anspricht oder eine Stromsicherung der Sicherheitseinrichtung durchschmilzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Fig. ist schematisch ein schmiegsames Heizgerät 1 beispielsweise in Form einer Heizdecke dargestellt. Der schmiegsame Teil bzw. Träger 2 des Heizgerätes 1 weist mehrere Funktionsschichten auf, nämlich zwei Außenschichten 2.1, ein in dem Träger 2 eingebettetes flächiges Heizelement 3 und ein diesem gegenüberliegendes, mittels einer Isolationsschicht 5 elektrisch getrenntes Schutzelement 4, so dass sich eine Art Sandwich-Struktur ergibt, bei der sich das Heizelement 3 und das Schutzelement 4 getrennt durch die Isolationsschicht 5 als Schichten gegenüberliegen.
Denkbar ist auch, das Heizelement und das Schutzelement 4, das in Form eines zweiten Überwachungselementes oder eines Heizelementes vorliegen kann, ineinander in Form gewebeartiger Fäden zu integrieren, die mit einer Isolationsschicht überzogen sind. Mittels des dem Heizelement 3 gegenüberliegenden Schutzelementes 4 in Form des Überwachungselementes (Guard-Element) bzw. weiteren Heizelementes wird im Zusammenwirken mit einer Steuereinrichtung bzw. Überwachungseinrichtung ein Sicherheitssystem erhalten, mit dem auch z.B. ein lokaler Kurzschluss oder eine lokale oder auch großflächige Überhitzung des Heizelementes 3 erfasst und die Stromzufuhr zu dem Heizgerät 1, die z.B. über ein Netzanschlusskabel 6 erfolgt, unterbrochen wird. Auf diese Weise werden eine weitere Erwärmung und Gefährdung eines Benutzers unterbunden.
Die Isolationsschicht 5 besteht aus niedrigschmelzendem, d.h. bereits bei Überschreiten einer zugelassenen Temperatur für den Gebrauch durch den menschlichen Benutzer schmelzenden Material und/oder sie besitzt ein Widerstandsverhalten mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Verhalten). Dadurch entsteht bei unzulässig hoher Temperatur, insbesondere im Kurzschlussfall, aber auch bei punktueller (hot spot) oder genereller Überhitzung, durch das Zusammenwirken des Heizelementes 3 und des Schutzelementes 4 (Guard-Element oder zweites Heizelement) ein erhöhter Stromfluss, der mit dem Sicherheitssystem festgestellt wird und zu dem Abschalten des Heizstromes und/oder einer Warnanzeige (akustisch oder optisch) führt. Die Abschaltung des Stroms kann reversibel oder irreversibel sein. Ein Schadpunkt kann z.B. herausgeschnitten werden, um den Fehler zu beheben, oder es ist auch ein Aufbau mit Selbstheilungseffekt möglich.
Im Einzelnen sind unter Nutzung des vorstehend genannten Grundaufbaus des Heizgerätes vielfältige Ausgestaltungsvarianten realisierbar, von denen nachfolgend einige näher angegeben werden.
Das Schutzelement 4 kann z.B., wie auch das Heizelement 3, aus einem leitenden Gewebe ausgebildet sein. Das Gewebe kann beispielsweise netzartig aus einem feinen Reinnickel-Draht bestehen.
Eine andere mögliche Ausbildung des Schutzelementes 4 oder auch des Heizelementes 3 besteht in einer dünnen Metallfolie.
Ferner kann das Schutzelement 4 und/oder das Heizelement 3 aus einem Material mit bei zunehmender Temperatur ansteigendem elektrischem Widerstand (PTC-Effekt) ausgebildet sein, z.B. als Netz aus feinem Reinnickel-Draht. Mit dem PTC-Verhalten kann ein Flächensensor gebildet werden, wobei das erhaltene Sensorsignal zur Temperaturregelung und/oder für die Sicherheitsüberwachung herangezogen werden kann.
Ferner ist denkbar, das Schutzelement 4 als eine Art Schutzschild zu verwenden, um das elektromagnetische Feld zu reduzieren bzw. komplett vom Körper abzuschirmen.
Die bei niedrigen Temperaturen schmelzende Isolationsschicht 5 muss nicht als Folie ausgeprägt sein, sondern kann auch als Vlies oder Netz ausgebildet sein. Auch eine Lackbeschichtung oder ein bei niedrigen Temperaturen schmelzender Kleber als Isolationsschicht 5 zwischen dem Heizelement 3 und dem Schutzelement 4 in Form des Guard-Elementes oder des weiteren Heizelementes ist geeignet.
Auch kann die Schichtstruktur aus der Isolationsschicht 5, dem Heizelement 3 und dem Schutzelement 4 dadurch hergestellt werden, dass auf einer isolierenden Folie als Isolationsschicht 5 auf einer Seite Metall aufgebracht, z.B. aufgedampft wird, und auf der anderen Seite ein Lack auf Polymer- oder Silber-Basis oder anderen als Heizmedien geeigneten Materialien. Auch hierbei wird in der Sicherheitseinrichtung ein Signal erzeugt, wenn die Isolationsschicht 5 bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle schmilzt und sich die beiden aufgebrachten, im Normalfall voneinander isolierten Schichten berühren.
Um insbesondere das Heizelement 3 zu isolieren, kann es nach außen vollständig von einer isolierenden Umhüllung umgeben sein.
Die Spannungsversorgung für den Heizstrom kann mittels Netzspannung oder Niederspannung z.B. über ein Steckernetzteil, ein separates Netzteil oder z.B. über einen Akku erfolgen, wobei z.B. eine Schutzkleinspannung von 12 Volt eingehalten werden kann.
Als Materialien zum Aufbau des Heizelementes 3 eignen sich beispielsweise Kohlefaserelemente (in Fadenform, als Folien, Gewebe oder dgl.), Metallfolien (flächig, geätzt, bedampft, kaschiert, gewalzt oder in ähnlicher Verarbeitung), Metallfadenheizelemente (gewirkt, gewebt oder dgl.), Leitlackheizelemente (z.B. mit Carbon; gesprüht, gerakelt, im Siebdruck, gewalzt, beschichtet und gehärtet oder entwickelt), intrinsische Leitlacke (halbleitend), elektrisch leitende Polymere (z.B. mit halbleitenden Kunststoffen, wie z.B. Polyanelin), Ruß und andere Pigmente für leitfähige Kunststoffe wie POM (modifiziert mit Weichmacher für leicht flexiblen Aufbau (elektrisch leitende Filamente (z.B. cellulose Faserstoffe, leitfähige cellulose Filamente mit Sensoreigenschaften).
Bei dem Aufbau des schmiegsamen Teils sind folgende Randbedingungen eingehalten: Grundsteifigkeit gegen ein Zusammenschieben, wobei noch ausreichende Flexibilität und Schmiegsamkeit gewährleistet sind, keine Neigung zur Faltenbildung insbesondere des Schutzelementes 4, gute Wärmekopplung zwischen Heizelement 3 und Körper, Knisterfreiheit, keine großen elektrischen Leistungsänderungen in Folge mechanischer Belastungen wie Bewegen, Knicken oder dgl., gleichmäßige Wärmeverteilung bzw. definierte Wärmeverteilung, evtl. einseitige Wärmeisolierung, Herstellbarkeit gewünschter Formen.
Für die Sicherheitseinrichtung kommen verschiedene Ausbildungen in Frage. Beispielsweise wird durch das Schutzelement 4 in Form des Guard-Elementes oder eines weiteren Heizelementes an sich schon bei Kurzschluss ein erhöhter Strom ausgelöst, wobei das Guard-Element mit einem entsprechenden Anschlusskabel zum Schließen eines Überwachungsstromkreises versehen ist, über den schließlich durch erhöhten Stromfluss eine entsprechende irreversible Schutzkomponente oder eine reversible Sicherheitskomponente der Sicherheitseinrichtung ausgelöst wird, wobei der Heizstrom abgeschaltet und/oder eine Warnanzeige einer ebenfalls vorgesehenen Bedienungseinrichtung 7 ausgelöst wird, wie vorstehend bereits erwähnt. In Folge erhöhten Stroms in dem Heizelement 3 und dem Schutzelement 4 pflanzt sich der Fehler und die Stromerhöhung wegen der durch die Isolationsschicht 5 engen Anordnung schnell fort, so dass die Sicherheitseinrichtung 8 entsprechend zuverlässig anspricht. Ein negativer Temperaturwiderstand (NTC-Widerstand) der Isolationsschicht 5 kann diesen Effekt noch verstärken oder zu einer zusätzlichen Überwachung bzw. Temperaturregelung ausgenutzt werden. Hierbei kann neben oder anstelle eines Gleichstroms auch ein Einfluss der Frequenz eines Wechselstroms in Kombination mit der als Dielektrikum wirkenden Isolationsschicht genutzt werden. Auch eine alleinige Ausnutzung des NTC-Widerstandes der Isolationsschicht 5 im Zusammenhang mit einer Sicherheitsschaltung 8 bietet bereits einen zuverlässigen Schutz.
Eine vorteilhafte Maßnahme besteht des Weiteren darin, dass sich die elektrische Widerstandsänderung der Isolationsschicht 5 einerseits und des Heizelements 3 bzw. der Heizelemente andererseits in Abhängigkeit von der Temperatur in ihrem Betrag deutlich unterscheiden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass der (negative oder positive) Temperaturgang des elektrischen Widerstandes der Isolationsschicht so eingestellt ist, dass er sich oberhalb einer vorbestimmten Temperatur exponentiell ändert, d. h. im Falle eines NTC-Verhaltens exponentiell abfällt oder im Falle eines PTC-Verhaltens exponentiell ansteigt. Beispielsweise kann die exponentielle Änderung etwa bei 40° C oder 60° C bereits einsetzen, je nach Anwendungsfall des schmiegsamen Heizgeräts, so dass bereits frühzeitig vor Erreichen der Schmelztemperatur der Isolationsschicht 5, die beispielsweise zwischen 120° C und 160° C liegt, sehr deutliche Widerstandsänderungen hervorgerufen werden, die zu gut erfassbaren Signalen führen und in der Sicherheitseinrichtung zum Erkennen lokaler oder großflächigerer übermäßiger Temperaturen genutzt werden. Dadurch fallen auch gegebenenfalls gegenläufige Einflüsse der Widerstandsänderungen des oder der Heizelemente 3 nicht ins Gewicht, so dass sich jedenfalls eine deutlich erfassbare Netto-Widerstandsänderung für das Ansprechen der Sicherheitseinrichtung 8 ergibt. Dabei ist auch eine Gestaltung möglich, bei der im Normaltemperaturbereich für die Steuerung oder Regelung der Temperatur, d. h. also unterhalb der starken exponentiellen Änderung, die geringere Änderung des elektrischen Widerstandes der Isolationsschicht 5 genutzt wird, anstelle die an sich übliche Temperatursteuerung bzw. Temperaturregelung über die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes des Heizelements 3 zu nutzen.
Eine andere Ausbildung der Sicherheitseinrichtung besteht darin, dass das Heizelement 3 und das Überwachungselement 4 z.B. über zumindest ein mindestens die Stromform beeinflussendes oder die Stromstärke reduzierendes Element an ihrem von der Anschlussseite abgelegenen Randbereich miteinander verbunden sind und die Sicherheitseinrichtung dermaßen ausgebildet ist, dass bei Überbrückung des mindestens einen Elementes, z.B. einer Gleichrichteranordnung D eine Schutzkomponente oder Sicherheitskomponente reversibel bzw. irreversibel ausgelöst wird, um den Heizstrom abzuschalten, zu verringern oder eine Warnanzeige auszulösen. Die Schutzkomponente oder Sicherheitskomponente kann dabei eine beheizte Temperatursicherung sein, die durch einen bei der Überbrückung erhöhten Strom mittels eines elektrischen Widerstandselementes angeheizt wird, das mit der Temperatursicherung thermisch gekoppelt ist. Zum Anschließen des die Stromform oder Stromstärke reduzierenden Elements, also insbesondere der Gleichrichteranordnung D, eignen sich vorteilhaft an den betreffenden einander benachbarten Rändern des Heizelements 3 und des Schutzelements 4 in Form des zweiten Heizelements insbesondere metallisch leitende Randelektroden, um Spannungsabfälle möglichst zu vermeiden, d. h. einen möglichst gleichmäßigen Stromfluss durch das Heizelement 3 bzw. Schutzelement 4 zu erreichen. Die Sicherheitsschaltung an sich, die auf eine Überbrückung der Gleichrichteranordnung D anspricht, kann z. B. entsprechend dem in der eingangs erwähnten US 6 310 332 B1 genannten Aufbau oder einem ähnlichen Aufbau ausgeführt sein.
Um einen gleichmäßigen Stromfluss durch das Heizelement 3 zu erhalten, sind z.B. bei rechteckiger Form des schmiegsamen Teils zwei sich gegenüberliegende Ränder mit insbesondere metallisch leitenden Elektroden versehen, an die das Stromzuführungskabel z.B. durch eine feste Verbindung oder über eine Stecker-/Kupplungseinheit angeschlossen wird, wobei letztere zweipolig ausgeführt sein kann. Bei anderen Formen des schmiegsamen Teils sind geeignete, sich gegenüberliegende Randabschnitte mit Elektroden zum Verbinden mit den Anschlüssen des Versorgungskabels versehen. Auch können die einander benachbarten Ränder des Heizelements 3 und des Schutzelements 4 (in Form des zweiten Heizelements oder des Überwachungselements) mit derartigen metallisch leitenden Randelektroden versehen sein, an die dann in entsprechender Weise wie vorstehend beschrieben, das Stromzuführungskabel angeschlossen ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass das Heizelement über die Fläche des schmiegsamen Teils des Heizgeräts eine unterschiedliche Stärke oder Dichte der eingewobenen Heizelementabschnitte aufweist, so dass Zonen mit örtlich unterschiedlicher Temperatur erhalten werden. Eine weitere Variante besteht darin, dass bei der Herstellung das Heizelement mit der Isolationsschicht gefaltet wird, so dass die ursprünglich sich gegenüberliegenden Ränder einander benachbart sind und der Stromfluss über den umgebogenen Rand erfolgt.
In dem Bedienteil 7 können Teile der Sicherheitseinrichtung 8 angeordnet sein. Darüber hinaus ist in dem Bedienteil 7 eine Leistungsumschaltung für mehrere Schaltstufen vorgesehen, die teilweise auch automatisch z.B. mittels des NTC-Widerstandselementes beeinflusst werden können.

Claims

Schmiegsames Heizgerät (1) wie Heizdecke, Heizkissen, Wärmeunterbett oder dgl. mit einem flexiblen Träger (2), auf oder in dem mindestens ein flexibles, stromdurchflossenes Heizelement (3) angebracht ist, wobei das mindestens eine Heizelement (3) flächig ausgebildet ist und ihm unter Zwischenlage einer Isolationsschicht (5) als Schutzelement (4) ein zweites flexibles, stromdurchflossenes Heizelement oder ein flexibles Überwachungselement, das zumindest in einem Kurzschlussfall stromdurchflossen ist, gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5) einen elektrischen Widerstand mit einem negativen Temperaturgang in Form eines NTC-Verhaltens oder mit einem positiven Temperaturgang in Form eines PTC-Verhaltens aufweist und dass eine Sicherheitseinrichtung (8) vorhanden ist, mit der bei lokaler oder großflächiger Überhitzung im Bereich des Trägers (2) bereits vor einem Schmelzen der Isolationsschicht (5) durch Auswertung des elektrischen Widerstands der Isolationsschicht (5) oder einer von ihm abhängigen Größe eine Reduzierung oder Abschaltung des Heizstroms erfolgt.
Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (5) so gewählt ist, dass sie bei Überschreitung eines den Sicherheitsbestimmungen genügenden Temperaturbereiches durchschmilzt.
Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des elektrischen Widerstandes der Isolationsschicht (5) oberhalb von etwa 40° C exponentiell ist.
Heizgerät nach Anspruch einem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) folienartig ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) aus flächig angeordneten leitenden Fäden gewebeartig ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (4) folienartig oder gewebeartig mit leitenden Fäden ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) und/oder das Schutzelement (4) mit positivem (PTC-Element) oder negativem Temperaturgang (NTC-Element) seines Widerstandes ausgebildet sind.
Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung (8) so ausgebildet ist, dass sie bei Kurzschluss des Heizelementes durch erhöhten Stromfluss über das Schutzelement (4) eine Abschaltung des elektrischen Stromes bewirkt.
Heizgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung (8) Schutzkomponenten aufweist, die zu einer irreversiblen Abschaltung des Stroms führen, und/oder Sicherheitskomponenten, die zu einer reversiblen Abschaltung oder Verringerung des Storms und/oder zur Abgabe einer optischen oder akustischen Warnanzeige führen.
Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für die Bestromung des Heizelementes (3) über Elektroden verbunden sind, die sich entlang gegenüberliegender Ränder oder Randabschnitte des Heizelements (3) oder entlang eines Randes des Heizelementes (3) und eines benachbarten Randes des Schutzelementes (4) erstrecken.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Schutzelementes (4) als weiteres Heizelement die Anschlüsse für die Bestromung an zwei benachbarten Rändern oder Randabschnitten der beiden Heizelemente (3, 4) angebrachten Elektroden angekoppelt sind, dass die von den Anschlüssen abgelegenen, einander benachbarten Ränder der beiden Heizelemente (3, 4) über mindestens ein den Effektivwert oder die zeitliche Verlaufsform des Stroms beeinflussendes Element der Sicherheitseinrichtung miteinander verbunden sind und dass die Sicherheitseinrichtung so ausgebildet ist, dass die bei einer vollständigen oder teilweisen Überbrückung des mindestens einen Elementes infolge eines Kurzschlusses zwischen dem Heizelement 3) und Schutzelement (4) oder infolge übermäßiger Temperatur des Heizelementes (3) den Strom verringert oder abschaltet und/oder die Warnanzeige auslöst.