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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein flexibles Heizelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Es sind Heizelemente bekannt (z.B.
aus
DE 3502838 oder
US 5849137 ) mit zwei leitfähigen Folien,
welche eine PTC-Schicht zwischen sich einbetten. Soche Heizelemente
sind wenig luftdurchlässig und
wenig flexibel.
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EP
0424160 zeigt einen Sitz mit Klimatisierungseinrichtung.
Er besitzt eine Luftverteilungsschicht, die aus Spiralfedern gebildet
ist. Die Sitzklimatisierung basiert jedoch auf der Einspeisung abschließend klimatisierter
Luft in die Luftverteilungsschicht und deren gleichmäßiger Verteilung
im Sitz.
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Aus
DE
1993174 ist ein Heizelement bekannt, dessen Heizleiter
aus labyrinthartig angeordneten Folienabschnitten gebildet ist.
Der Strom heizt hier durch konventionelle Widerstandsheizung, während er
labyrinthartig entlang der Heizelementebene fließt. Solche Heizelemente sind
wenig luftdurchlässig
und benötigen
eine externe Temperatur-Regeleinrichtung.
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Gegenstand der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die
Schaffung eines alternativen Heizelementes.
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Ein Heizelement nach Anspruch 1 ist
mechanisch robust und luftdurchlässig.
Ein Heizelement nach Anspruch 2 ist materialsparend.
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Ein Heizelement nach Anspruch 3 ist
selbstregelnd.
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Ein Heizelement nach Anspruch 4 ist
elektrisch sicher kontaktierbar.
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Ein Heizelement nach Anspruch 5 ermöglicht die
Beheizung von Fahrzeuginneneinrichtungen.
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Ein Heizelement nach Anspruch 6 ermöglicht den
Aufbau kompakter Funktionsmodule.
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Ein Heizelement nach Anspruch 7 ermöglicht eine
gleichmäßige Temperierung
von personenberührten
Flächen
trotz unterschiedlicher Auskühlungstendenzen.
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Ein Heizelement nach Anspruch 8 ermöglicht die
Bildung kompakter, leichter Funktionsmodule.
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Figuren
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Die nachfolgende Beschreibung behandelt Möglichkeiten
zur Ausgestaltung der Erfindung. Diese Ausführungen sind nur beispielhaft
zu verstehen und erfolgen unter Bezug auf:
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1 Querschnitt
durch ein Anwendungsbeispiel für
flächige
Heizelemente
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2 Querschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Heizelementes
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3 Draufsicht
auf ein zweites Ausführungsbeispiel
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4 Draufsicht
auf ein drittes Ausführungsbeispiel
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5 Draufsicht
auf einen Kontaktierungsbereich einer vierten Ausführungsform
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6 Querschnitt
durch den Kontaktierungsbereich von 5
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7 Vergrößerung des
Details X in 6
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8 Aufheizkurven
verschiedener PTC-Materialien
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9 Draufsicht
auf die Sitzfläche
eines klimatisierten Sitzes
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Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
einen typischen Anwendungsfall für
ein flächiges,
flexibles Heizelement 1. Dieses Heizelement 1 ist
in die Polsterung eines Möbelstückes, z.
B. eines Sitzes integriert. Dazu ist es auf einem Polsterkern 36 angeordnet.
Der Polsterkern 36 ist meistens aus Schaumstoff.
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Das Heizelement 1 ist im
vorliegenden Einbaubeispiel von einem Zwischenpolster 34,
einem darüber
angeordneten sog. „Schaum-Backing" und einem Bezugsmaterial 30 bedeckt.
Das Bezugsmaterial 30 ist üblicherweise aus Stoff oder
Leder.
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Ein solchermaßen angeordnetes Heizelement
erwärmt
von einem Benutzer berührte
Flächen schnell
und mit geringem Energieaufwand.
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2 zeigt
ein Heizelement 1 in vergrößertem Querschnitt. Das Heizelement 1 ist
dünnschichtig.
Unter dünnschichtig
wird verstanden, daß das Objekt
im Vergleich zu seinen übrigen
Abmessungen eine geringe Schichtdicke in Richtung der Schichthöhenerstreckung 9 aufweist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Heizelement etwa 1 mm dick.
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Das Heizelement 1 weist
einen dünnschichtigen
elektrischen Heizwiderstand 5 auf. Dieser ist durch eine
Schicht von etwa 0,5 bis 1 mm Dicke gebildet. Der Heizwiderstand 5 ist
zumindest teilweise aus einem PTC-Material gebildet. Ein Material
mit PTC-Effekt weist bei hohen Temperaturen einen höheren spezifischen
elektrischen Widerstand auf als bei niedrigeren Temperaturen. Insbesondere
kann bei Anlegen des elektrischen Heizwiderstandes 5 an eine
elektrische Spannung ein bestimmter Temperaturwert nicht überschritten
werden, da der spezifische Widerstand des Heizwiderstands 5 zuvor
gegen unendlich geht. Das PTC-Material ist beispielsweise ein mit
Rußpartikeln
versetztes Polymer.
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Am flächigen Heizwiderstand 5 sind
ebenfalls flächige,
dünnschichtige
Verteilerelektroden 3, 3' diesen vorzugsweise im wesentlichen überdeckend angeordnet.
Die Verteilerelektroden 3, 3' sind vorzugsweise auf einander
gegenüberliegenden
Seiten des Heizwiderstandes 5 und dabei vorzugsweise einander
im wesentlichen überdeckend
angeordnet. Dadurch betten sie den Heizwi derstand 5 im
wesentlichen zwischen sich ein. Die Verteilerelektroden 3, 3' sind so angeordnet,
daß sie
im Betrieb im wesentlichen über
die gesamte Fläche
des Heizwiderstandes 5 einen Fluß elektrischen Stroms ermöglichen,
der im wesentlichen parallel zur Schichthöhenerstreckung 9 gerichtet
ist. Die Verteilerelektroden 3, 3' weisen eine Schichtdicke von etwa
10 bis 50 μm,
vorzugsweise etwa 20 μm
auf. Sie besitzen eine deutlich höhere spezifische Leitfähigkeit
als das Material des Heizwiderstands 5.
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Vorzugsweise ist zumindest eine,
vorzugsweise alle Verteilerelektroden 3, 3', aus einem
elektrisch leitfähigen
Textil gebildet. Besonders geeignet sind Gewirke, Gewebe, Gestricke
und Vliese. Besonders geeignet sind hierfür metallische Fasern oder Kunststoffasern
mit metallischer Beschichtung. Sie bilden eine große Kontaktfläche zwischen
dem elektrischen Heizwiderstand 5 und den Verteilerelektroden 3, 3'.
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Alternativ ist außerdem zumindest eine, vorzugsweise
alle Verteilerelektroden 3, 3', aus einer metallischen oder metallisch
beschichteten Folie gebildet. Zweckmäßig ist hier, daß die Folien
durch eine zweckmäßige Vorbehandlung
eine mikrostrukturierte, vergrößerte Oberfläche aufweisen.
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Die Versorgungselektroden 3, 3' sind stoffschlüssig mit
dem Heizwiderstand 5 verbunden. Dies kann z. B. durch Aufkleben,
Galvanisieren, Bedampfen, Laminieren oder sonstige bekannte Verfahren bewirkt
sein.
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Das Heizelement 1 weist
vorzugsweise mindestens eine Deckschicht 7, 7' auf, mit der
mindestens eine der Verteilerelektroden 3, 3' gegenüber der Umgebung
abgeschirmt ist. Vorzugsweise ist das Heizelement 1 wie
dargestellt auf beiden Seiten (bezüglich der Schichthöhenerstreckung 9)
durch Deckschichten 7, 7' gegen chemisch aggressive oder elektrisch
leitfähige
Umgebungsbestandteile geschützt.
Die Deckschichten 7,7' können dabei das Heizelement 1 vollflächig überdecken.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Ausnehmungen 22 nicht von
der Deckschicht 7 überdeckt
sind.
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Die Deckschichten 7, 7' haben eine
Dicke von etwa 40 μm.
Sie sind beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen gebildet.
Zweckmäßig sind hochreißfeste Materialien.
Insbesondere kann die Wahl vorgereckter, insbesondere doppelt vorgereckter
Folien zweckmäßig sein.
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Alle Schichten, insbesondere die
Verteilerelektroden 3, 3' und der elektrische Heizwiderstand 5 können die
gleichen oder aber verschiedene Farben aufweisen. Eine verschiedenartige
Farbgebung ermöglicht
eine gute optische Erkennung der elektrischen Kontaktflächen. Eine
gleichartige Farbgebung läßt das Heizelement
als homogenes Gebilde erscheinen.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Heizelementes 1 in Draufsicht. Das Heizelement 1 ist
mit einer Vielzahl von Ausnehmungen 22 versehen. Diese
Ausnehmungen 22 durchdringen zumindest den Heizwiderstand 5 und
die Versorgungselektroden 3, 3'. Die Durchdringungsrichtung entspricht
dabei im wesentlichen der Schichthöhenerstreckung 9.
Durch die Vielzahl der Ausnehmungen 22 ist zwischen diesen
eine Vielzahl von Stegen 20 gebildet. Die Stege 20 sind
so miteinander verbunden, daß das
Heizelement 1 eine netzartige Struktur erhält.
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Die Ausnehmungen 22 sind
vorzugsweise so eingebracht, daß im
wesentlichen das gesamte Material der durchdrungenen Schichten 3, 3', 5 in
Form der Stege 20 am Heizelement 1 verbleibt.
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Das Heizelement 1 hat weiterhin
eine Kontaktierungseinrichtung 10. Diese weist mindestens zwei,
vorzugsweise eine Vielzahl von in etwa parallel zueinander verlaufenden
Verteilungsleitern 14 auf. Die Verteilungsleiter 14 besitzen
eine deutlich höhere spezifische
elektrische Leitfähigkeit
als die Widerstandsschicht 5 und vorzugsweise auch als
die Verteilerelektroden 3, 3'. Sie sind z. B. aus Carbon- und/oder
Stahlfasern gebildet. Sie sind vorzugsweise bei Herstellung des
Verbunds aus Verteilerelektroden 3, 3' und Heizwiderstand 5 co extrudiert.
Dadurch ist zwischen den Verteilungsleitern 14 und den
Verteilerelektroden 3, 3' eine vergrößerte Kontaktfläche gebildet.
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Die Verteilungsleiter 14, 14' überstreichen zumindest
einen Teil d es Heizelementes 1, vorzugsweise im wesentlichen
das gesamte Heizelement 1, in mindestens einer Erstreckungsrichtung
der Heizelemente-Ebene. Sie sind dabei linear oder an einer Vielzahl
von Punkten elektrisch leitfähig
mit dem Heizelement 1, insbesondere mit einer der Verteilerelektroden 3, 3' verbunden.
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Vorzugsweise sind die Verteilungsleiter 14, 14' in etwa gleichmäßigen Abständen zueinander
angeordnet. Zwei benachbarte Verteilungsleiter 14, 14' sind dabei
jeweils auf verschiedenen Seiten des Heizelementes 1 (bezüglich der
Schichthöhenerstreckung 9)
angeordnet, um voneinander verschiedene Verteilerelektroden 3, 3' zu kontaktieren.
Die Verteilungsleiter 14, 14' sind zweckmäßigerweise bereits am Heizelement 1 angebracht,
bevor die Ausnehmungen 20 eingebracht und das Heizelement 1 gereckt
wird. Die Verteilungsleiter 14, 14' sind zweckmäßigerweise zumindest größtenteils
ebenfalls von den Deckschichten 7, 7' bedeckt.
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Zur Herstellung des vorliegenden
Heizelementes 1 werden zunächst zwei Verteilerelektroden 3, 3' mit dem elektrischen
Heizwiderstand 5 zu einem flächigen Verbundmaterial verbunden.
In dieses Verbundmaterial werden dann Ausnehmungen 22 gestanzt.
Diese sind vorzugsweise linienförmige
Schlitze.
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Nach Einbringen der Ausnehmungen 22 wird das
Heizelement 1 gereckt. Das Recken erfolgt vorzugsweise
senkrecht zur Längsorientierung
der Ausnehmungen 22. Dadurch weiten sich die zunächst linearen
Ausnehmungen 22 zu wabenförmigen Öffnungen auf. Erfolgt eine
entsprechend große
Deformation, so ist die Formveränderung
dauerhaft. Das Heizelement weist außerdem nach dem Recken eine gerichtete
Gefügestruktur
auf.
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Das Recken erfolgt in mindestens
einer Richtung senkrecht zur Schichthöhenerstreckung 9.
Eine Reckung in zwei Richtungen ist ebenfalls denkbar. Dies kann
z. B. zur Erzeugung verschiedenartiger Zonen mit unterschiedlicher
Heizleistung durch unterschiedliche Maschengröße des Gitternetzes zweckmäßig sein.
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Die Ausnehmungen 22 sind
vorzugsweise so geschanzt, daß die
dazwischen verbleibenden Stege 20 im Ausgangszustand eine
Breite von vorzugsweise ca. 1 – 2
mm, im späteren
gereckten Zustand vorzugsweise ca. 0,2 – 2 mm, aufweisen.
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Die Breite der Stege kann auch größer sein. Allerdings
ist dann beim Recken mit einer Aufrichtung der Stege 22 in
Richtung der Schichthöhenerstreckung 9 zu
rechnen.
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Die Ausnehmungen 22 sind
vorzugsweise in etwa gleich lang. Im nicht gereckten Zustand sind
sie etwa 1 – 3
cm, vorzugsweise 2 cm lang. Die zueinander benachbarten Ausnehmungen 22 sind
in nicht gerecktem Zustand etwa ¼ bis ¾ ihrer Länge, vorzugsweise u m etwa
ihre halbe Länge
zueinander versetzt. Die Versetzung erfolgt längs der Längsachse der Ausnehmungen bzw.
senkrecht zur Reckrichtung und parallel zur Ebene des Heizelementes.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß die Ausnehmungen 22 oder
ihre Abstände
zueinander in einem Heizelement verschieden sind. Dadurch lassen sich
Zonen unterschiedlicher Heizdichte erstellen.
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Das Heizelement 1 ist im
gereckten Zustand in etwa 2- bis 20-mal, vorzugsweise 5- bis 15-mal, vorzugsweise
etwa 10-mal länger
als im nichtgereckten Zustand.
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Das Heizelement weist im ungereckten
Zustand eine Dicke von etwa 1 mm auf. Diese Dicke verändert sich
nur geringfügig
beim Recken.
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4 zeigt
ein Heizelement, das im wesentlichen dem von 3 entspricht. Es weist jedoch Versorgungsleiter 14 auf,
die ebenfalls mit Ausnehmungen 22 versehen sind. Dadurch überstreicht
ein Versorgungsleiter 14 jeweils mehrere, nebeneinander
angeordnete Stege 20. Dies gewährleistet einen sicheren Stromeintrag
auch bei Bruch eines einzelnen Steges 20.
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5 und 6 zeigen ein Heizelement
mit alternativen Kontaktierungseinrichtungen 10, 10'. Bei diesem Heizelement 1 ist
nur der Randbereich elektrisch kontaktiert. Hierzu sind die einer
Verteilerelektrode 3, 3' zugeordneten Verteilungsleiter 14, 14' jeweils mit
einem Verbindungsbereich 11, 11' verbunden, um eine kammartige
Struktur zu bilden. Der Verbindungsbereich 11 der Verteilerelektrode 3 ist
dabei den Verbindungsbereich 11' der Verteilerelektrode 3' überdeckend
angeordnet. Zur Isolation der beiden Verbindungsbereiche 11, 11' ist ein flächiges Isolationselement 12 dazwischen
angeordnet. Die Versorgungsleiter 14, 14' kontaktieren
die von ihnen überstrichenen
Stege 20 punktuell. Die der Verteilerelektrode 3 zugeordneten
Verteilungsleiter 14 sind wie im vorigen Ausführungsbeispiel
versetzt zu den Kontaktierungsleitern 14' der Verteilerelektrode 3' angeordnet.
Die Kontaktpole der Kontaktierungseinrichtung 10, 10' sind ebenfalls
einander nicht überdeckend angeordnet,
um die Kontaktierung zu vereinfachen.
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Der aus dem der Heizwiderstand 5 und
den Verteilerelektroden 3 gebildete Steg 20 ist
dabei zwischen den Verteilungsleitern 14, 14' eingeklemmt und
so kontaktiert.
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Im Betrieb wird an die Kontaktierungseinrichtungen 10, 10' eine elektrische
Spannung angelegt. Diese Spannung wird über die Verteilungsleiter 14, 14' gleichmäßig auf
die Verteilerelektroden 3, 3' weitergeleitet. Die anliegende
Spannung bewirkt einen Stromfluß durch
den Heizwiderstand 5. Dieser Stromfluß ist abhängig vom Widerstand des Heizwiderstandes.
Der lokale Stromfluß ist
damit abhängig von
der lokal vorliegenden Temperatur. Es fließt also dort viel Strom und
wird dort viel geheizt, wo niedrige Temperaturen sind. Es fließt also
dort wenig Strom und wird dort wenig geheizt, wo hohe Temperaturen sind.
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8 zeigt
den Zusammenhang von elektrischem Widerstand und Temperatur in Form
von Aufheizkurven 24, 24', 24" für verschiedenen PTC-Materialien
für den
Heizwiderstand 5.
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Allen Aufheizkurven 24 bis 24" ist gemeinsam,
daß sie
bei tieferen Temperaturen einen etwa gleichbleibenden elektrischen
Widerstand aufweisen. Bei zunehmender Temperatur steigt der elektrische
Widerstand an. Bei Annäherung
an einen materialspezifischen Temperaturwert geht der spezifische elektrische
Widerstand gegen unendlich. Vorzugsweise wird für den Heizwiderstand 5 ein
Material gewählt,
das bei Temperaturwerten zwischen 40 und 60 °C bereits eine relevante Widerstandserhöhung zeigt.
Der maximal erreichbare Temperaturwert wird je nach Anwendungsfall
vorzugsweise zwischen 60 und 90 °C,
vorzugsweise zwischen 70 und 80 °C
eingestellt.
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9 zeigt
die Draufsicht auf eine Sitzfläche eines
Sitzes 40. Diese Sitzfläche
ist vollflächig
mit einem (nicht sichtbaren) Heizelement belegt. Der Aufbau des
Sitzes kann beispielsweise dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
entsprechen.
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Die Sitzfläche weist zwei Bereiche 42, 44 auf.
Der Bereich 42 ist von Luft durchströmbar. Hier wird durch einen
Ventilator 46 im Sitz Luft durch die Sitzoberfläche transportiert,
z. B. durch Saugen oder Blasen. In dem nicht ventilierten Bereich 44,
der an den Rändern
des ventilierten Bereiches 42 angeordnet ist, wird die
Oberfläche
des Sitzes nur beheizt, nicht jedoch von Luft durchströmt.
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In der Sitzfläche des Sitzes 40 gibt
es zwischen ventiliertem und nicht ventiliertem Bereich einerseits
und durch inhomogene Luftströmungen
im ventilierten Bereich 42 andererseits eine sehr ungleichmäßige Auskühlung des
integrierten Heizelementes. Ein erfindungsgemäßes Heizelement kann seine
Temperatur örtlich
angepaßt
und selbständig nachregeln.
Es fließt
dabei an den stärker
ausgekühlten
Stellen vermehrt Strom parallel zur Schichthöhenerstreckung 9 durch
das Heizelement.