DE4101290C2 - Elektrisches Flächenheizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizflächen­ element mit zwischen Kontaktleitern parallel zueinander ver­ legten Heizleitern, insbesondere für Automobilsitze.

Bei bekannten Flächenheizelementen ist ein linienförmiger Heizleiter zwischen zwei Kunststoffmatten in einer Ebene mehr oder weniger gleichmäßig verteilt angeordnet. Der Heizleiter bildet dabei einen einzigen Linienzug zwischen den beiden elektrischen Anschlußpunkten.

Vorteilhaft ist an dem bekannten Flächenheizelement, daß sich die Verlegungsart praktisch jeder beliebigen gewünschten Heizleistungskonzentration und jeder geometrischen Variation verhältnismäßig leicht anpassen läßt.

Mit diesen Vorteilen gehen aber einige Nachteile einher:

Aus der Bordspannung bei Kraftfahrzeugen der meist durch den Sitz vorgegebenen beheizten Fläche, einer sinnvollen Heizlei­ terlänge von etwa drei bis zehn Meter und einem Heizleiter­ querschnitt, der möglichst klein sein sollte, damit man den Heizleiter durch einen Sitzbezug hindurch nicht spürt, kommt man zwangsläufig zu Heizleitermaterialien, deren Leitfähigkeit im Bereich der von Kupfer liegt.

Wirtschaftlich interessantere niederohmige Materialien gibt es nicht. Hochohmigere, z. B. ferritische oder auf leitfähigen Kunststoffen basierende Materialien ergeben bei der bekannten Verlegung der Heizleiter keine flächendeckende Heizleistungs­ verteilung oder recht dicke und damit bei den meisten Anwen­ dungen durch den Sitzbezug spürbare Heizleiter.

Auf Kupfer aufbauende Heizleiter oder Litzen haben keine hohen Reißfestigkeiten und Biegewechselfestigkeiten. Dieser Nachteil wird dadurch zu beheben versucht, daß die Heizlitzen mit mechanisch und thermisch hochwertigen Isolierungen versehen oder sehr hoch verseilt werden mit einer hohen Anzahl dünner Einzeldrähte. Beide Maßnahmen wirken kostensteigernd.

Die vergleichbar geringe Heizleiterfestigkeit kann zu Schwie­ rigkeiten führen, wenn ein solches Heizelement in den Bezug eines Sitzes eingenäht werden muß. Ein Nadeltreffer kann zur vollständigen Unterbrechung des Heizleiters und damit zum sofortigen Ausfall oder zu einer Schwächung des Querschnittes führen, mit der Folge, daß es hier im späteren Betrieb zu erhöhten Temperaturen kommt und der Heizleiter schließlich unterbrochen wird. Knicke können ebensolche Folgen haben.

Aus den gleichen Gründen sind U-förmige Durchführungen durch Tunnelbereiche im Schaumteil eines Sitzes kritisch, da diese Bereiche normalerweise mechanisch hochbelastet werden. Deswe­ gen sind Sondermaßnahmen wie zusätzliche Verstärkungseinlagen erforderlich.

Unabhängig davon, ob ein einzelner Heizleiter von Hand oder automatisch verlegt wird, benötigt dieser Vorgang eine be­ stimmte Zeit zwischen einer halben und drei Minuten je Teil, die einen beträchtlichen Kostenanteil am gesamten Heizelement ausmacht.

Aus der DE-OS 24 45 334, der US-A-34 24 362 und der DE-OS 33 29 282 sind jeweils Flächenheizelemente bekannt, bei denen zwischen Kontaktleitern parallel zueinander verlegte Heizleiter vorgesehen sind. Die Heizleiter und die Kontaktlei­ ter sind in eine nichtleitende Faserbahn eingewebt. Die Ein­ webung in die Faserbahn bringt es mit sich, daß die Heizleiter und die Kontaktleiter im gleichen Maße Zug- und Biegebean­ spruchung ausgesetzt sind, wie die nichtleitende Faserbahn. Bei beispielsweise aus Kupfer bestehenden Heizleitern besteht daher die Gefahr, daß diese brechen, so daß die Funktions­ fähigkeit des Flächenheizelements nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der DE-OS-31 17 247 ist es außerdem bekannt, Kontaktleiter als eingewebte, eingesteckte, eingenadelte oder eingewirkte Kupferdrähte auszubilden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Flächenheizelement, ins­ besondere für Sitzheizungen zu schaffen, das einfach und billig herstellbar ist, das an jede gewünschte Heizleistungs­ konzentration und geometrische Sitzform anpaßbar ist und unempfindlich ist gegen die bei der Herstellung und im späte­ ren Betrieb eintretenden Belastungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Flächenheizelement gelöst, bei dem zwischen Kontaktleitern parallel zueinander verlegte Heizleiter vorgesehen sind, wobei die Kontaktleiter und die Heizleiter wellenförmig in der Ebene des Heizelements verlegt sind.

Die wellenförmige Verlegung des Heizleiters erfolgt, um eine bessere Anpassungsfähigkeit an die jeweilige Sitzform und den Sitzbereich zu erzielen, längs einer gekrümmten, vorzugsweise periodisch oder nicht periodisch wellenförmigen Bahn, z. B. mäander-, dreiecks- oder sinusförmig. Die elektrische Kon­ taktierung der parallel zueinander angeordneten und geschalte­ ten Heizleiter erfolgt jeweils in zu den Heizleitern meist senkrecht verlaufenden Kontaktleitern an den beiden einander gegenüberliegenden Rändern der Heizfläche.

Bei dem erfindungsgemäßen Flächenheizelement können mehrere, wenn nicht alle Heizleiter in einem Arbeitsgang parallel verlegt werden, so daß beim Verlegen jeweils nur eine Bewegung erforderlich ist, deren Länge der Breite des Heizelements entspricht. Hierdurch reduziert sich die zum Verlegen der Heizleiter erforderliche Zeit gegenüber dem herkömmlichen Heizelement auf 10% oder weniger, was einen erheblichen Ko­ stenvorteil bedeutet.

Mit dieser Art der Heizleiteranordnung kann insgesamt eine Vielzahl von Geometrievarianten abgedeckt werden.

Die Art der Anordnung vieler paralleler, elektrisch an die Bordspannung eines Kraftfahrzeugs angeschlossener Heizleiter führt zu anderen spezifischen Leitwerten der Heizleiter. Sie ermöglicht Heizleiter aus Eisen oder Stahl und Legierungen hieraus. Die Heizleiter selbst haben dabei einen Durchmesser von weniger als 0,1 mm. Die Festigkeit der Stahlheizleiter ist gegenüber Kupferleitern erheblich höher. Bei sitzspezifischen Biege- und Wechseltests wurden zwischen den herkömmlichen isolierten Kupferlitzen und einem derartigen Stahlheizleiter Biege- und Wechselfestigkeiten gemessen, die um den Faktor 100 höher waren.

Gegenüber Kupferheizleitern muß dabei ein einzelner Stahlheiz­ leiter eine wesentlich geringere Strombelastung tragen, die etwa bei 0,1 A liegt. Damit ist auf der einen Seite das Pro­ blem von Überhitzungen praktisch ausgeschlossen. Wegen des geringen Durchmessers ist es äußerst unwahrscheinlich, daß ein Heizleiter beim Vernähen von der Nadel der Nähmaschine getrof­ fen wird. Sollte er getroffen werden, wird er meist seitlich ausweichen, so daß es kaum zu Beschädigungen kommen kann. Aber selbst wenn ein einzelner Heizleiter vollständig bricht, beeinträchtigt dies nicht die Brauchbarkeit des Heizelements.

Da nicht, wie beim bekannten Kupferheizleiter Ströme von 4 bis 8 A zu übertragen sind, läßt sich auch die Kontaktierung der Heizleiter mit den Kontaktleitern wesentlich vereinfachen.

Erfindungsgemäß sind nicht nur die Heizleiter, sondern auch die Kontaktleiter längs gekrümmter Bahnen, d. h. periodisch oder aperiodisch wellenförmig angeordnet. Dies hat zum einen den Vorteil, daß sich das Flächenheizelement auch in Richtung der Kontaktleiter beliebig dehnen und stauchen läßt und wäh­ rend des Betriebs den dauernden Bewegungen des Sitzes nachge­ ben kann. Hauptvorteil dieser Ausführungsform der Kontaktlei­ ter ist aber, daß sich schon bei Verwendung eines einzigen Kontaktleiters häufig mehrere Kontaktpunkte mit einem Heizlei­ ter ergeben. Eine hohe Sicherheit erzielt man, wenn zwei oder mehr Kontaktleiter nebeneinander verlegt werden. Darüberhinaus ist es möglich, einen oder nochmals mehrere Kontaktleiter zusätzlich auf die Unter- und Oberseite der Heizleiter zu legen, oder auch umgekehrt, wodurch die Anzahl der redundanten Kontaktierungen verdoppelt wird.

Eine weitere Erhöhung der Redundanz ist möglich, wenn man die Heizleiter im Kontaktierungsbereich zunächst über den oder die Kontaktleiter hinaus und dann wieder zurück führt.

Der Verlauf der Heizleiter und der Kontaktleiter wird im allgemeinen gleich oder ähnlich ausgeführt, d. h. daß z. B. sinusförmig verlegte Heiz- und Kontaktleiter gleiche "Wellen­ länge" und "Amplitude" haben, die Wellen also gleich hoch und gleich lang sind.

Führt man in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die hänge der Welle von Heiz- und Kontaktleiter unterschiedlich aus, wobei vorzugsweise die Wellenlänge der Kontaktleiter wesentlich kleiner ist als die der Heizleiter, so läßt sich die Anzahl der Kontaktstellen weiter erhöhen.

Eine besonders sichere Verbindung ergibt sich, wenn die Heiz­ leiter und die Kontaktleiter durch in den Heizleitern gebilde­ te Schlingen verschlungen sind.

Die Kontaktleiter bestehen vorzugsweise aus hochpoligen Litzen mit Einzeldrähten im Durchmesserbereich von 0,05 mm. Das Material ist vorzugsweise Kupfer, die Oberfläche versilbert, verzinnt oder vorzugsweise vernickelt, um einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand zwischen Kontakt- und Heizlei­ tern zu erzielen.

Ferner können die Kontaktleiter aus einem flexiblen, stauch- und dehnbaren, gewirkten oder gewebten Band bestehen.

Der Gesamtquerschnitt der Kontaktleiter soll im gleichen Bereich liegen wie der der zugehörigen Anschlußkabelbäume, d. h. zwischen etwa 0,5 und etwa 0,1 mm². Dieser Querschnitt wird je nach Einzelausführung auf die verschiedenen, parallel zueinander geführten Kontaktleiter verteilt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Flächenheizelements anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für die gegenseitige Anordnung der Heiz- und Kontaktleiter,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Heizleiter auf ein Kontaktleiterband gelegt sind, wobei die "Wellenlänge" des Kontaktleiters wesentlich kleiner ist als die der Heizleiter,

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung eine Kontaktleiterbahn mit zwei an deren Rändern verlaufenden Kontaktstrei­ fen,

Fig. 4 und 5 den Querschnitt eines Flächenheizelements in ausgezogener Darstellung bzw. nach dem Zusammenbau,

Fig. 6 die Draufsicht auf ein Flächenheizelement mit unbe­ heizten Bereichen,

Fig. 7 die Draufsicht auf ein trapezförmiges Flächenheizele­ ment,

Fig. 8 die Draufsicht auf ein trapezförmiges Flächenheizele­ ment mit einem unbeheizten Bereich,

Fig. 9 die Draufsicht auf eine Sitzfläche,

Fig. 10 die Draufsicht auf ein Flächenheizelement für den Sitz der Fig. 9,

Fig. 11 die Draufsicht auf eine Ausführungsform, bei der die Heizleiter und die Kontaktleiter miteinander ver­ schlungen sind und

Fig. 12 die Draufsicht auf eine Ausführungsform, bei der als Kontaktleiter ein flexibles Band verwendet ist.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Flächenheizelements mit mehreren wellenförmigen, parallel zueinander verlegten Heizleitern 1 (nur drei sind gezeigt), die an den Rändern des Heizelements, in Fig. 1 links und rechts, Kontaktleiter 2 berühren. Auf der linken Seite der Fig. 1 sind zwei wellenförmig verlegte Kontaktleiter 2 ge­ zeigt, die gemeinsam an einen Pol einer Spannungsquelle ange­ schlossen sind.

Auch auf der rechten Seite der Fig. 1 sind zwei Kontaktleiter 2 gezeigt, wobei im Unterschied zu der Darstellung auf der linken Seite der Fig. 1 die Heizleiter 1 zunächst über die Kontaktleiter 2 hinausgeführt und dann zurückgebogen sind. Der Abstand der beiden Kontaktleiter 2 auf der linken wie rechten Seite ist etwa gleich der "halben Wellenlänge" der Heiz- und Kontaktleiter 1 bzw. 2.

In der auf der linken Seite der Fig. 1 gezeigten Ausführungs­ form berührt jeder Kontaktleiter 2 jeden Heizleiter 1 abwech­ selnd jeweils drei- bzw. einmal, so daß, da die Kontaktleiter 2 parallel geschaltet sind, insgesamt vier Kontaktstellen vorhanden sind. Durch die auf der rechten Seite der Fig. 1 gezeigte Ausführungsform läßt sich die Anzahl der Kontakt­ stellen praktisch verdoppeln.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Flächenheizelements, bei der die "Wellenlänge" der Kontaktleiter 2 wesentlich kleiner (etwa 1/3) ist als die der Heizleiter 1. Die bzw. der Kon­ taktleiter 2 ist auf einem Trägerband 3 befestigt; sie bilden zusammen einen Kontaktstreifen 4. Das Trägerband 3 kann bei­ spielsweise aus einem selbstklebenden Streifen bestehen. Auch können die Kontaktleiter auf das Trägerband 3 aufgenäht oder als Borte, z. B. auch in das Band der Fig. 3, eingewebt oder eingewirkt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind gemäß Fig. 3 entwe­ der die Kontaktleiter 2 selbst oder Kontaktstreifen 4 längs der Ränder eines vorgefertigten Kontaktbandes 5 verlegt. Bei der Herstellung der Flächenheizelemente brauchen die Heizlei­ ter 1 lediglich quer zur Längsrichtung des Kontaktbandes 5 auf dasselbe aufgelegt zu werden. Auch ist es möglich, die Heiz­ leiter 1 auf ein dem Band 5 entsprechendes Band aufzulegen und daran zu befestigen und anschließend die beiden Bänder derart miteinander zu verbinden, daß die Heizleiter 1 die Kontaktbän­ der 3 kreuzen und beide Leiterarten einander berühren (viel­ fach redundant).

Fig. 4 und 5 zeigen jeweils im Querschnitt ein Flächenheizel­ ement, wobei in Fig. 4 die einzelnen Teile der besseren Über­ sicht halber auseinandergezogen sind.

Analog der Darstellung der Fig. 3 sind auf ein Basismaterial 6 zwei Trägerstreifen 3 mit den daran befestigten Kontakt­ leitern 2 aufgelegt. Quer zu den Kontaktleitern 2 und Träger­ bändern 3 verlaufen die Heizleiter 1. Das ganze ist mit einem Deckstreifen abgedeckt, wobei das Basismaterial 6 z. B. aus Schaumstoff mit einer Dicke von 1 bis 5 mm und das Deckmateri­ al 7 aus einem Gewirk, Gewebe, aus Folie oder einer zweiten Schaumstoffschicht besteht. Das ganze ist durch thermoreaktive Flächenverklebung zu einem einheitlichen Flächenheizelement verbunden, wobei die Kontaktleiter 2 selbstverständlich an Anschlußklemmen herausgeführt sind. Der nötige Kontaktdruck wird einzig durch die federnden Eigenschaften der Materialien, also des Basismaterials 6, des Trägerstreifens 3 und des Deckmaterials gewährleistet und nach Einnähen in den Sitz und bei Belastung verstärkt.

Bei besonders hohen Belastungen kann der Verbund zwischen den Heizleitern und den Kontaktleitern durch eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Naht 26 verstärkt werden.

Fig. 6 zeigt die Draufsicht auf ein Flächenheizelement (nach Abnehmen des Basismaterials oder des Deckmaterials 7 nach Fig. 4, 5). Die Heizleiter 1 sind gleichmäßig über das Flä­ chenheizelement verteilt. Durch Weglassen oder Heraustrennen einzelner oder einer Gruppe von Heizleitern läßt sich zwischen beheizten Bereichen 8, 9 sehr leicht ein unbeheizter Bereich 10 bilden.

Bei Bedarf kann das Flächenheizelement mit praktisch beliebi­ gen Grundflächenformen ausgebildet werden. Ein Beispiel ist in Fig. 7 gezeigt, wo das Flächenheizelement eine trapezförmige Grundfläche hat, wobei der Abstand der Kontaktstreifen dem Verlauf der nicht-parallelen Kanten des Trapezes folgt. Zur Steuerung oder Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung ist der Heizleiterabstand d an der kürzeren Seite des Trapezes größer als an der längeren und wird zur jeweils anderen Seite stetig oder unstetig kleiner bzw. größer.

Fig. 8 zeigt ein Flächenheizelement, bei dem zusätzlich zu den äußeren Kontaktstreifen 3 im mittleren Bereich zusätzlich ein Kontaktstreifen 11 annähernd dreieckförmig verlegt ist, wobei die Schenkel des Dreiecks etwa parallel zur Hauptkontaktierung verlaufen. Verbindet man die beiden an der längeren Kante des Trapezes liegenden Enden des Kontaktstreifens 11 durch eine Brücke 12 miteinander, so bleibt der vom Kontaktstreifen 11 umschlossene dreieckförmige Bereich 13 unbeheizt.

Um darzustellen, wie variabel das erfindungsgemäße Flächen­ heizelement ist, sei schließlich auf die in Fig. 9 gezeigte Draufsicht eines Sitzes 14 verwiesen, der nur in den Berei­ chen 15, 16, 17 und 18 beheizt werden soll, während die da­ zwischen liegenden grabenförmigen Vertiefungen 21 unbeheizt bleiben sollen.

Es ist nun nicht notwendig, Flächenheizelemente bereitzustel­ len, deren Form und Größe jeweils denen der zu beheizenden Bereiche 15, 16, 17 und 18 entspricht. Vielmehr läßt sich ein einziges Flächenheizelement der in Fig. 10 gezeigten Art verwenden, bei dem an der Vorder- und Hinterkante des Sitzes jeweils die Kontaktstreifen 4 verlaufen, die zur Stromzufüh­ rung zu den Heizleitern 1 dienen. Die den Vertiefungen 19 und 20 entsprechenden Bereiche des Flächenheizelements sind durch Weglassen oder Herausschneiden der Heizleiter 1 gebildet, während der der Vertiefung 21 entsprechende Bereich durch zwei Kontaktstreifen 22 umrandet ist, die durch eine Brücke 23 kurzgeschlossen sind. Auf diese Weise bleiben die den Ver­ tiefungen 19, 20 und 21 entsprechenden Bereiche des Flächen­ heizelements unbeheizt.

Statt der Brücke 23 oder der Brücke 12 in Fig. 8 kann auch ein durchgehender Kontaktstreifen 22 bzw. 11 verwendet werden.

Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform, bei der die Heizleiter 1 und die Kontaktleiter 2 miteinander ver­ schlungen sind. Hier ist die Verschlingung durch in den Heiz­ leitern 1 gebildete Schlingen gebildet, wobei es gegebenen­ falls ausreicht, an jedem zweiten oder dritten usw. Kreuzungs­ punkt eine Schlinge vorzusehen und die Schlingen schachbrett­ artig zu staffeln.

Bei der Ausführungsform der Fig. 12 bestehen die Kontaktleiter aus einem flexiblen, stauch- und dehnbaren Band 25 aus einem Metallgewirk oder -geflecht, das gegebenenfalls mit einem metallischen Schutzüberzug (Nickel, Zinn, Silber) versehen ist.

Claims (6)

1. Elektrisches Flächenheizelement mit zwischen Kontakt­ leitern (2) parallel zueinander verlegten Heizleitern (1), wobei die Kontaktleiter (2) und die Heizleiter (1) wellen­ förmig in der Ebene des Heizelements verlegt sind.

2. Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Wellen der Kontakt­ leiter (2) wesentlich kürzer ist als die der Heizleiter (1).

3. Flächenheizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (1) auf untere Kontaktleiter (2) aufgelegt und auf die Heizleiter (1) wieder­ um Kontaktleiter (2) aufgelegt sind.

4. Flächenheizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (1) und die Kon­ taktleiter (2) durch in den Heizleitern (1) gebildete Schlin­ gen verschlungen sind.

5. Flächenheizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktleiter (2) auf einem Trägerband (3) wellenförmig verlegt sind.

6. Flächenheizelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kontaktleiter (2) aus einem flexiblen, stauch- und dehnbaren Band (25) bestehen.