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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 19939174 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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Aus
DE 19954978 ist ein klimatisierter
Sitz mit einer Heizmatte bekannt, welche perforiert ist, um eine
höhere
Luftdurchlässigkeit
herzustellen. Bei einer solchen Matte fällt allerdings viel Materialverschnitt
an.
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Aus
DE 2703293 ist ein Heizelement
bekannt, welches seitliche Einschnitte aufweist, um ein Heizelement
durch Dehnung an unterschiedlich lange Heizregister anpassen zu
können.
Dieses Verfahren ist jedoch nur für dicke, robuste Materialien
vorgesehen. Auch sind die Elektroden weit voneinander beabstandet,
so daß es
hier nicht zu Kurzschlüssen kommen
kann.
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Aus
DE 2655543 ist ein Heizelement
aus mehreren Schichten bekannt, welches eine Vielzahl von Lochungen
oder Schlitzen aufweist. Dadurch soll das Heizelement an seinem
Einsatzort sich den Längenänderungen
seiner Umgebung bspw. in einem Polster besser anpassen können. Nachteilig
ist, daß auch
dieses Heizelement in seiner Dehnbarkeit eingeschränkt ist,
u. a. dadurch, daß die
Elektroden reißen.
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Gegenstand der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines alternativen Heizelementes.
Sie wird durch die Merkmale des Anspruches 1 erfüllt.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 2 ist mechanisch robust und luftdurchlässig.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 6 ist materialsparend.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 7 ist selbstregelnd.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 8 ist elektrisch sicher kontaktierbar.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 9 ermöglicht die
Beheizung von Fahrzeuginneneinrichtungen.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 10 ermöglicht
den Aufbau kompakter Funktionsmodule.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 11 ermöglicht
eine gleichmäßige Temperierung
von personenberührten
Flächen
trotz unterschiedlicher Auskühlungstendenzen.
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Ein
Heizelement nach Anspruch 12 ermöglicht
die Bildung kompakter, leichter Funktionsmodule.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den übrigen Unteransprüchen entnehmbar.
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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 sehr
stark steigt. 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 Heizwiderstand 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. 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 Erken nung 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 coextrudiert.
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 des 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 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
Flächen-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 um 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 wird der spezifische elektrische
Widerstand sehr hoch. 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.