DE60037396T2

DE60037396T2 - Selbstregelendes flexibles heizelement

Info

Publication number: DE60037396T2
Application number: DE60037396T
Authority: DE
Inventors: Fred A. Di Kish; James St. Charles SURJAN; Tilak R. Grayslake Varma; Edward Genoa BULGAJEWSKI
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2020-01-25
Also published as: ATE380691T1; DE60037396D1; EP1147024A2; WO2000043225A2; EP1147024B1; CA2360072A1; DE60039928D1; WO2000043225A3; EP1147024A4; ES2296611T3; CA2360072C; WO2000043225A9; JP2002535811A; ES2311262T3; ATE404394T1; AU3349600A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine selbstregelnde flexible Heizelementkonstruktion, die für die Verwendung in Automobilkomponenten geeignet ist, jedoch auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommt, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Möbelstücke, Konsumartikel, Baumaterialien und andere Artikeln. Die flexible Heizelementkonstruktion umfasst ein atmungsaktives Gewebesubstrat, auf das eine Beschichtung aus einem leitfähigen Material und eine Beschichtung aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten („PTC” – positive temperature coefficient) aufgetragen ist. Das leitfähige Material steht in elektrischem Kontakt mit einer Stromquelle. Das PTC-Material regelt die Temperatur des Heizelements.
Im Automobilbereich kann die vorliegende Erfindung als ein Sitzheizelement und zum Bereitstellen einer nicht-erschöpfenden Liste anderer Anwendungen eingesetzt werden, als ein Heizelement für Armaturenbretter, Lenkräder, Schalthebel (für Handschalt- und Automatikgetriebe), Spiegel, Armstützen und andere.
Allgemeiner Stand der Technik
Heizvorrichtungen mit Temperatur-selbstregelnden Eigenschaften werden in der Automobilindustrie eingesetzt. Jedoch werden solche Heizelemente auch dort eingesetzt, wo die Flexibilität des Heizelements nicht das Problem ist. Zum Beispiel werden solche Heizelemente an Spiegeln verwendet, die sich außerhalb des Fahrzeugs befinden. Diese Heizelemente sind auf eine steife biaxial orientierte Polyesterfolie aufgedruckt. Siehe z. B. US-Patentschrift Nr. 4,931,627 und 4,857,711 , die beide dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden.
Derzeit zur Verfügung stehende Heizelemente für Autositze bieten aufgrund mehrerer unerwünschter Attribute eine nicht angemessene Leistung. Von derzeitigen Heizelementen ist bekannt, dass sie statische Elektrizität aufbauen, welche den Heizelement-Controllerschaltkreis beschädigt, wenn sie sich entlädt. Eine weitere Unzulänglichkeit ist das derzeitige Sitzheizelementdesign, bei dem die Heizelementbestandteile aus Kupferdraht bestehen und das Design mehrere Probleme dadurch erzeugt, dass das Heizen auf den Bereich der Drähte beschränkt ist, wodurch ein unerwünschtes Heizmuster entsteht, in dem die Bereiche in der Umgebung des Drahtes zu heiß und Bereiche entfernt vom Draht zu kalt sind. Darüber hinaus ist, da der Heizdraht an sich kein Mittel zum Regeln der Temperatur besitzt (d. h. Kupferdraht und dergleichen ist nicht in der Lage zu erkennen, dass er zu heiß geworden ist), ein hochentwickelter Temperaturcontroller zum Regeln der Temperatur des Sitzheizelementes erforderlich. Dadurch entsteht ein anspruchsvolles Designproblem für den Ingenieur, das vermieden werden könnte, wenn die Heizelementkonstruktion an sich selbstregelnd wäre und die Menge der erzeugten Wärme wie benötigt erhöhen oder verringern könnte.
Ferner ist klar, dass, wenn ein Sitz in einem Automobilfahrzeug beheizt wird, die Sitzheizelementkonstruktion flexibel, haltbar und in der Lage sein muss, den Anforderungen der Betriebsumgebung zu genügen, wozu die potentiell beeinträchtigenden Wirkungen der anhaltenden Aussetzung gegenüber Wärme und Stromfluss zählen.
Es wäre wünschenswert, wenn ein Heizelement für einen Autositz so ausgelegt wäre, dass eine gleichmäßige Menge an Wärme über den zu heizenden Bereich verteilt werden könnte. Ebenso wäre es wünschenswert, wenn ein Sitzheizelement entwickelt werden könnte, bei dem, falls gewünscht, die Menge der an einen bestimmten Bereich bereitgestellten Wärme als ein Designparameter variiert werden könnte, so dass, wenn bei einem gegebenen Design bestimmte Bereiche warmer als andere sein sollen (oder gegebenenfalls kälter), das Heizelement so konstruiert sein könnte, dass es diese Variation ermöglicht.
Ferner wäre es, da die Bequemlichkeit eines Fahrzeugsitzes von seiner Flexibilität abhängt, wünschenswert, wenn die Sitzheizelementkonstruktion flexibel wäre, so dass ihre Gegenwart im Sitz den anderen flexiblen Komponenten der Sitzkonstruktion entspricht. Es wäre außerdem wünschenswert, wenn die Sitzheizelementkonstruktion in eine flexible Gewebeschicht eingeschlossen wäre. Es wäre von großem Vorteil, wenn die Heizelementkomponenten unter Verwendung gut bekannter Druck- und Beschichtungstechnik auf das Gewebe aufgetragen sein könnten, welche verwendet werden könnten, um ein Heizelement schnell und einfach und relativ preisgünstig herzustellen. Außerdem könnten Auftragungstechniken wie Drucken oder Beschichten verwendet werden, um eine gleichmäßige oder variierende Auftragung der Komponentenmaterialien vorzunehmen, welche für die gleichmäßige Verteilung der Wärme sorgen könnten, oder falls gewünscht, für Variationen der Wärmemenge.
Materialen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) weisen bei veränderlicher Temperatur einen variablen elektrischen Widerstand auf. Wenn sich die Temperatur des Materials erhöht, erhöht sich auch der elektrische Widerstand. Der spezifische Widerstand des Materials erhöht sich, so dass der Stromfluss verringert wird, was wiederum den Wärmefluss einschränkt. Im Wesentlichen werden Verbindungen mit einem positiven Temperaturkoeffizient verwendet, um Temperatur-selbstregelnde Beschichtungen zu bilden. PTC-Materialien sind in der Technik bekannt. Beispieloffenbarungen bezüglich dieser Materialien finden sich u. a. in US-Patentschrift Nr. 5,206,482 und 5,151,747 .
Aus US 4,845,343 ist ein elektrisches Heizelement bekannt, welches ein Gewebe aufweist, das aus Elektroden hergestellt ist, sowie eine Heizelementkomponente, die aus einem leitfähigen Polymer besteht. Es wäre wünschenswert, ein Heizelement zu entwickeln, mit dem die Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung verbessert werden könnte. Ein ähnliches Heizelement ist aus US 4,719,335 bekannt, während aus US 4,436,986 eine Sicherheitsschaltung zum Abschalten einer Heizdecke mit einer Heizelementkomponente mit einem PTC-Material bekannt ist.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbstregelndes flexibles Heizelement, wie ein Heizelement zur Verwendung in Autos oder anderen Fahrzeugen, bei dem ein PTC-Material und ein leitfähiges Material auf ein Gewebe oder Faservlies, dass aus natürlichen oder synthetischen Fasern hergestellt ist, aufgetragen werden.
Ein elektrisches Bussystem aus einem leitfähigen Material wird auf ein Gewebe aufgetragen, bevor oder nachdem dieses mit einem PTC-Material beschichtet wurde. Das leitfähige Material wird in einem ineinandergreifenden Muster aufgetragen, das durch Mehrfachbusschienen entsteht. Die Busschienen sind so konfiguriert, dass das Heizelement eine gleichmäßige Erwärmung über die Fläche des Heizelementes hinweg bietet. Die Menge der erzeugten Wärme kann als ein Designparameter auch variiert werden, so dass bestimmte Regionen wie gewünscht mehr oder weniger Wärme erzeugen. Die Busschienen können mit einer Vielzahl von Verbindungsvorrichtungen mit der Stromquelle verbunden sein, wie Befestigungen, Anschlussklemmen, leitfähige Epoxidharze, um nur einige aus der großen Auswahl an Verbindungsmitteln zu nennen, die im Bereich des Fachmanns liegen würden. Drahtverbinder sind an den Anschlussklemmen und dem Draht von der Stromquelle angebracht. Vorzugsweise ist eine sekundäre Schicht über der Heizelementkonstruktion aufgetragen, wie eine Haftmittelschicht oder ein atmungsaktives Gewebe. Das atmungsaktive Gewebe kann aufgrund des verwendeten Materials atmungsaktiv sein, oder zum Beispiel durch Nadellochung atmungsaktiv gemacht worden sein.
Die Heizelementkomponente wird gleich unter der äußeren Schicht des Fahrzeugssitzes angebracht, vorzugsweise so nahe wie möglich am Endbenutzer. Die Heizelementkomponente wird auf der Sitzfläche oder an der Lehne oder beiden angebracht. Vorzugsweise weist die Beschichtung aus PTC-Material ein Gewicht von 1,035 × 10^–2 kg/m² bis 2,959 × 10^–2 kg/m² (7 bis 20 Pfund pro Bogen) (d. h. 306,58 m² (3300 Quadratfuß)) und einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 2 bis 10 Kiloohm auf, wie durch Multimetersonden, die 1 cm voneinander entfernt eingestellt sind, gemessen. Bevorzugter weist die Beschichtung aus PTC-Material einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 3 bis 8 Kiloohm auf, wie durch Multimetersonden, die 1 cm voneinander entfernt eingestellt sind, gemessen.
Zu geeigneten Materialien für das Gewebesubstrat zählen Gewebe- und Faservlies-Konstruktionen aus den folgenden Materialen, jedoch nicht darauf beschränkt: Polyester, Polyamide, Polyaramide, Polyimide, Polyetherketone, Glasfasern, Phenole und Kohlenstofffasern. Bezüglich des Gewebeauswahlprozesses hat sich herausgestellt, dass Heizelementkonstruktionen mit einer Rohdichte von etwa 0,6 g/cm³ oder höher und einem thermischen Diffusionsvermögen von etwa 0,003 cm²/s oder höher ein wünschenswertes Maß an Leitfähigkeit und Wärmefluss durch das Gewebe sicherstellen. Dies kann mit Hilfe von Multifilamenten mit einer relativ hohen Anzahl von Verdrillungen pro Inch erreicht werden. Jedoch verringert ein hohes Maß an Verdrillung, oder sogar die Verwendung Fasern mit einem hohen Denier-Wert, die Gewebeflexibilität. Dementsprechend sollte der Fachmann ein Gleichgewicht zwischen diesen Eigenschaften finden.
Das Heizelement kann eine Beschichtung aufweisen, die aus einer Zusammensetzung aus einem leitfähigen Material aus elektrisch leitfähigen Partikeln angeordnet in einer Polymermatrix und einer Beschichtung aus einem PTC-Material gebildet ist. Bei dem selbstregelnden Heizelement der vorliegenden Erfindung steht das Heizelement in thermischer Kommunikation mit der zu heizenden Komponente, wie dem Autositz. Vorzugsweise ist das PTC-Material auf ein Gewebe oder Faservlies aufgetragen. Das leitfähige Material wird entweder bevor oder nachdem das PTC-Material aufgetragen wird aufgetragen. Das leitfähige Material wird in einem ineinandergreifenden Muster von Elektroden auf das Gewebe aufgetragen, welches ein elektrisches Bussystem, das in einer Vielzahl von Mustern erzeugt werden kann, wie in einer konischen Form (siehe z. B. 1), einer gestuften Form, bei der die Größe in einer Schrittanordnung variiert, oder in einer geraden oder konstanten Größe über der gesamten Konstruktion (siehe z. B. 3), bildet. Es ist auch ein mit Einschnitten versehenes Muster möglich, bei dem in den Bussen an vorbestimmten Stellen Aussparungen vorliegenden. Die Kanten des Bussystems sind mit Mehrfachbusschienen in elektrischem Kontakt mit einer Stromquelle verbunden.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das selbstregelnde flexible Heizelement ein beschichtetes Gewebe, dessen Konstruktion eine Rohdichte von etwa 0,6 g/cm² oder höher und ein thermisches Diffusionsvermögen von etwa 0,003 cm²/s aufweist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine verkapselnde Beschichtung, bei welcher es sich um eine flammhemmende Beschichtung handeln kann, durch Laminierung oder andere bekannte Techniken über den Heizelementkomponenten aufgetragen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht von oben, welche das Heizelement der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Draufsicht von oben auf den Schaltkreis einer selbstregelnden flexiblen Heizelementkonstruktion mit dualer Wattleistung.
3 ist eine Draufsicht von oben auf eine selbstregelnde flexible Heizelementkonstruktion mit einer konischen und geraden Busschienenanordnung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In der bevorzugten Ausführungsform ist ein Polyestergewebe oder -faservlies 10 mit einer Dichte von etwa 3,39 × 10^–2 kg/m² bis 20,34 × 10^–2 kg/m² (1 bis 6 Unzen pro Quadratyard) (bevorzugter etwa 12,54 × 10^–2 kg/m² (3,7 Unzen pro Quadratyard)) mit einem PTC-Material 12 wie im Handel erhältlichen PTC-Beschichtungsmaterialien beschichtet, wie einem Ethylenvinylacetat-Co-Polymerharz, das als Dupont 265 erhältlich ist. Derartige Materialien sind in US-Patentschrift Nr. 4,857,711 beschrieben. Die Beschichtung wird mit einem Gewicht von 1,92 × 10^–2 kg/m² (13 Pfund pro Bogen (d. h. 306,58 m² (3300 Quadratfuß)) und einem spezifischen Widerstand von 2 bis 10 Kiloohm (bevorzugter 3 bis 8 Kiloohm), wie durch Multimetersonden, die 1 cm voneinander entfernt eingestellt sind, gemessen, aufgetragen.
Vor dem Auftragen des leitfähigen Materials wird das Gewebe vollständig getrocknet. Die PTC-Schicht 12 und die leitfähig Schicht 14 werden in einzelnen Schichten in jeder beliebigen Auftragsreihenfolge aufgetragen. Das leitfähige Material 14 kann aus Polymerharzen wie Vinylen, Polyestern, Acrylen und leitfähigem Material wie Silberpigment, einem silberbeschichteten Kupferpig ment oder plattierten Kupferpigmenten und/oder solvatisierenden Materialien wie organischen Lösemitteln und Lösemitteln auf Wasserbasis, welche leitfähiges Material enthalten, formuliert sein. Nach gründlichem Vermischen wird die Beschichtung durch eine Mühle geleitet, um die abschließende Dispersion zu bewirken. Weitere leitfähige Materialien können verwendet werden, wie leitfähige Gewebedrähte, die durch leitfähige Leime innerhalb der Konstruktion befestigt sind. Die Anmelder haben herausgefunden, dass diese Formulierungen flexibel sind, während sie Rissbildung widerstehen, wenn sie eine Last tragen und wenn sie gedehnt werden.
Das leitfähige Material 14 wird vorzugsweise in einem ineinandergreifenden Muster (siehe 1) durch ein Siebdruckverfahren aufgetragen, dann vollständig getrocknet, wodurch ein elektrisches Bussystem gebildet wird. Es können auch andere Verfahren verwendet werden, um das leitfähige Material aufzutragen, einschließlich Aufsprühen, Abziehanwendungen, Rollendruck oder andere Druckverfahren, die eine gleichmäßige Beschichtung bereitstellen. Das leitfähige Material wird in Elektrodenmustern gedruckt, welche ineinandergreifend sind. Jede Elektrode des Musters steht in elektrischem Kontakt mit einer von mehreren Busschienen 16 und 18, wobei sich benachbarte Elektroden in ihrer Verbindung zwischen den Busschienen 16 und 18 abwechseln. Die Busschienen sind in einer abnehmenden konischen Anordnung konfiguriert. D. h. die Breite der Busschienen verringert sich allmählich vom Anschlussklemmenende (20, 22) zum freien Ende (24, 26). Dies stellt sicher, dass der elektrische Widerstand, der durch die Busschienen erzeugt wird, eine Heizwirkung erzeugt, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die, die durch die Heizbereiche erzeugt wird. Eine Person, der die elektrischen Eigenschaften des PTC-Materials, des leitfähigen Materials und die Temperaturanforderungen bekannt sind, kann leicht Heizbereiche mit variierenden Größen und Formen mit variierenden Busgrößen entwickeln, die verschiedene Mengen an Wärme über dem Heizbereich bereitstellen können. Dementsprechend wird das gesamte Substrat, von der Mitte bis zur Peripherie, einschließlich der Bereiche unter den Busschienen, wie gewünscht im Wesentlichen ohne kalte Stellen geheizt. Es sei darauf hingewiesen, dass während sich die Verbindungen zur Heizelementkonstruktion entlang ihrer Kanten befinden, auch andere Konfigurationen möglich sind, wie das Vornehmen einer Verbindung aus dem Inneren der Konstruktion, oder eine Kombination von Verbindungen entlang der Kanten und im Inneren.
Die Leistung kann über die Heizelementkonstruktion hinweg variiert werden, indem der Abstand der kleineren Busse variiert wird, d. h. der Fachmann wird leicht verstehen, dass dies die Leistung an jeder gegebenen Stelle in der Konstruktion variieren würde.
2 zeigt ein Schaltbild für ein selbstregelndes flexibles Heizelement-Design gemäß der vorliegenden Erfindung, welches ein Heizelement mit multipler Wattleistung bereitstellt. Wie bei diesem Design gezeigt, sind hohe/niedrige Einstellungen möglich, bei denen der Strom entweder von einer gemeinsamen zur hohen Busanordnung oder von einer gemeinsamen zur niedrigen Busanordnung fließt. Basierend auf anderen Anschlussklemmenverbindungen sind auch andere Kombinationen möglich.
Die Anschlussklemmen 20 und 22 sind an den Busschienen befestigt und stehen in Kommunikation mit einer Stromquelle (nicht gezeigt). Die Anschlussklemmen können durch Befestigungen oder jedes andere Mittel an den Busschienen 16 und 18 angebracht sein, die das Herstellen eines elektrischen Kontaktes erlauben. Eine sekundäre Schutzschicht, wie eine verkapselnde Schicht, kann über die Heizelementanordnung 30 laminiert sein.
Wenn eine Spannung über die Anschlussklemmen und über die Elektrodenanordnung hinweg angelegt wird, fließt abhängig von der Umgebungstemperatur und den elektrischen Eigenschaften des PTC-Materials Strom durch das PTC-Material zwischen den Elektroden, wodurch in den einzelnen Heizbereichen Wärme erzeugt wird. Der Stromfluss und die Heizwirkung des PTC-Materials sind abhängig von seiner Temperatur, welche sich verändert, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, und bei einer vorbestimmten Temperatur des PTC-Materials erhöht sich der spezifische Widerstand des Materials, wodurch das Material keinen Strom mehr leitet, wodurch die Heizbereiche wiederum keine Wärme mehr erzeugen oder aufgrund eines erheblich verringerten Stromflusses nur eine sehr geringe Menge an Wärme erzeugen. Dementsprechend ist zu sehen, dass das Heizelement in Übereinstimmung mit der umgebenden Umgebungstemperatur selbstregelnd ist.
3 zeigt eine alternative Anordnung, in der die Breite der Busschienen eine Kombination eines Profils ist, bei dem die Größe nahe dem freien Ende (24, 26) konstant bleibt, und eines konischen Profils, bei dem die Größe der Busschienen weiter weg vom Anschlussklemmenende (20, 22) allmählich abnimmt.
Der Fachmann wird leicht verstehen, dass das Anbringen eines Sicherheitsschalters an den Anschlussklemmen Durchgangsbedingungen verhindert, in deren Verlauf die erzeugte Wärme die obere Grenze überschreitet, die im Design des Heizelements eingestellt wurde. Der Schalter kann ein einfacher Ein-Aus-Schalter sein, der es dem Benutzer gestattet, den Stromfluss durch das Heizelement abzuschalten.
Beispiel 1
Das thermische Diffusionsvermögen von fünf beschichteten Polyestergewebeproben wurde bestimmt.
Die Proben, gekennzeichnet mit 1 bis 5, unterschieden sich hinsichtlich dessen, ob es sich um ein Gewebe oder ein Vlies handelte, und wenn es ein Gewebe war, im Webmuster, in der Anzahl der Durchschüsse pro Inch, in den Enden pro Inch, in der Anzahl der Filamente in den Kett- und Schussfäden und in den Verdrillungen pro Inch in den Fäden. Diese Gewebe wurden als Streifen des beschichteten Gewebes mit einer Länge von etwa 500 mm und einer Breite von 70 mm den Tests unterzogen. Proben mit 12,7 mm im Durchmesser wurden für die Tests aus den Streifen gestanzt.
Das thermische Diffusionsvermögen der Proben wurde durch das Laser-Flash-Verfahren unter Einsatz eines Holometrix Microflash-Instrumentes erhältlich von Holometrix Micromet bei 10° und 100° gemessen. Dieses Instrument und Verfahren entsprechen ASTM E1461-92, „Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method" [Standardtestverfahren für das thermische Diffusionsvermögen von Feststoffen durch das Flash-Verfahren]. Die Testergebnisse folgen nach einer Beschreibung des Experimentprozesses.
Das thermische Diffusionsvermögen steht in Beziehung zur stationären thermischen Leitfähigkeit durch die Gleichung
wobei D das thermische Diffusionsvermögen, λ die thermische Leitfähigkeit, C_p die spezifische Wärme und ρ die Dichte ist. Das Diffusionsvermögen ist ein Maß dafür, wie schnell ein Körper seine Temperatur ändern kann; es erhöht sich mit der Fähigkeit eines Körpers, Wärme zu leiten (λ) und es verringert sich mit der Menge an Wärme, die benötigt wird, die Temperatur eines Körpers zu ändern (C_p). Alle drei Größen auf der rechten Seite der Gleichung (1) sowie das thermische Diffusionsvermögen können Funktionen der Temperatur sein.
Die Messung des thermischen Diffusionsvermögens eines Materials erfolgt üblicherweise durch schnelles Erhitzen einer Seite einer Probe und Messen der Temperaturanstiegskurve auf der gegenüberliegenden Seite. Die Zeit, welche die Wärme benötigt, die Probe zu durchdringen und einen Temperaturanstieg auf der rückseitigen Fläche zu verursachen, kann verwendet werden, um das Diffusionsvermögen in der Z-Richtung zu messen und die thermische Leitfähigkeit in der Z-Richtung zu berechnen, wenn die spezifische Wärme und die Dichte bekannt sind.
Verfahren und Analyse in der Z-Richtung
Die Probe ist eine Scheibe mit einem Standarddurchmesser von 12,7 mm und einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis 3 mm. Mit dem Holometrix Thermaflash 2200 Laser-Flash-System wird die Probenscheibe zwischen einem Neodym-Glas-Laser (1,06 μm Wellenlänge, 330 μs Impulsbreite) und einem Indiumantimonid(InSb)-IR-Detektor in einem Tantal-Röhrenofen ausgerichtet. Ein Thermoelement vom Typ C in Kontakt mit der Probe steuert die Probe und ihre Umgebung bei jeder Temperatur zwischen 20 und 2000°C. Nachdem die Probe bei der gewünschten Temperatur stabilisiert wurde, wird der Laser in einem Zeitraum von wenigen Minuten mehrere Male abgefeuert und die notwendigen Daten für jeden Laser „schuss” werden aufgezeichnet. Die Laserstrahlenergie trifft auf und wird durch die Vorderfläche der Probe absorbiert, wodurch ein Wärmeimpuls durch die Dicke der Probe geschickt wird. Der sich daraus ergebende Probentemperaturanstieg ist recht gering und liegt in einem Bereich von etwa 0,5 bis 2°C. Dieser Temperaturanstieg wird durch einstellbare Filter zwischen dem Laser und dem Ofen im Optimalbereich gehalten. Eine Linse fokussiert das Rückflächenbild der Probe auf dem Detektor und das Temperaturanstiegssignal im Vergleich zur Zeit wird amplifiziert und mit einem Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler aufgezeichnet.
Leitfähigkeit
Die thermische Leitfähigkeit der Probe kann mit Gleichung (1) berechnet werden, nach einer Messung des Diffusionsvermögens wie oben beschrieben, sowie mit Messungen der spezifischen Wärme und der Rohdichte der Probe. Die Rohdichte wird normalerweise aus dem gemessenen Probenvolumen (berechnet aus den gemessenen Abmessungen) und der Masse berechnet.
Testergebnisse

Die gemessenen Werte der Dicke, der Rohdichte und des thermischen Diffusionsvermögens sind in Tabelle 1 unten angegeben. Die Ergebnisse wurden nicht für die thermische Expansion korrigiert. Die Proben wurden zum Testen des thermischen Diffusionsvermögens mit etwa 5 μm Graphit beschichtet. Die zweite Spalte von rechts in Tabelle 1 führt die Standardabweichung als einen Prozentsatz des durchschnittlichen Diffusionsvermögens für die fünf bis zehn Laser „schösse” für jeden Datenpunkt auf. Die Rohdichtewerte sind schätzungsweise auf ±5% genau. Tabelle 1 Laser-Flash-Ergebnisse des thermischen Diffusionsvermögens

	Dicke @ 25°C	Rohdichte @ 25°C	Getestete Temperatur	Thermisches Diffusionsvermögen α	Gewebetyp
Probe	(mm)	(g/cm³)	(°C)	(cm²/s)
1	0,288	0,634	10 100	0,00360 0,00297	B-3 Polyester
2	0,180	0,555	10 100	0,00647 0,00562	B-2 Polyester
3	0,220	0,677	10 100	0,00617 0,00505	IFC 322-222 Polyester
4	0,269	0,510	10 100	0,00242 0,00205	Polyesterfaservlies
5	0,556	0,910	10 100	0,00255 0,00203	PUR-beschichtetes Polyester

Hinweis: Das thermische Diffusionsvermögen ist ein Durchschnitt aus 5 Ablesungen.

Beispiel 2

Die fünf in Beispiel 1 diskutierten Polyestertestproben wurden getestet, um zu bestimmen, ob sie kaputt gehen würden, wenn sie einem längeren Betriebszeitraum ausgesetzt werden. Die Proben waren mit PTC-Material beschichtet. Nach dem Trocknen wurde ein Silberpigment auf das PTC-Material aufgetragen. Diese selbstregelnden flexiblen Heizelementkonstruktionen wurden für längere kontinuierliche Zeiträume einem 12-Volt-Gleichstrompotential ausgesetzt. Die Wärme in den Konstruktionen stieg weiterhin an, bis für die Konstruktionen Nr. 1 und 3 ein stationärer Zustand erreicht wurde. Diese Konstruktionen zeigten ausreichenden Wärmewiderstand. Die Konstruktionen 2, 4 und 5 wurden zerstört, bevor sie den stationären Zustand erreichten. D. h. die „durchgefallenen" Heizelementkonstruktionen verbrannten während der Tests aufgrund der während des Heizelementbetriebes erzeugten Wärme. Es wurde festgestellt, dass die Gewebe, die bestanden haben, eine Rohdichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ oder höher und ein thermisches Diffusionsvermögen von mindestens etwa 0,003 cm²/s zeigten. Laser-Flash-Ergebnisse des thermischen Diffusionsvermögens

	Dicke @ 25°C	Rohdichte @ 25°C	Getestete Temperatur	Thermisches Diffusionsvermögen m	Gewebetyp	Heizelementkonstruktion
Probe	(mm)	(g/cm³)	(°C)	(cm²/s)		Bestanden/Durchgefallen
1	0,288	0,634	10 100	0,00360 0,00297	B-3 Polyester	Gerade bestanden
2	0,180	0,555	10 100	0,00647 0,00562	B-2 Polyester	Durchgefallen
3	0,220	0,677	10 100	0,00617 0,00505	IFC 322-222 Polyester	Bestanden
4	0,269	0,510	10 100	0,00242 0,00205	Polyesterfaservlies	Durchgefallen
5	0,556	0,910	10 100	0,00255 0,00203	PUR-beschichtetes Polyester	Durchgefallen

Hinsichtlich des Gewebeauswahlverfahrens wurde herausgefunden, dass Heizelementkonstruktionen mit einer Rohdichte von etwa 0,6 g/cm³ oder höher und einem thermischen Diffusionsvermögen von etwa 0,003 cm²/s oder höher ein wünschenswertes Maß an Leitfähigkeit und Wärmefluss durch das Gewebe sicherstellen. Dies kann unter Verwendung von Multifilamenten mit einer relativ hohen Zahl an Verdrillungen pro Inch erreicht werden. Jedoch verringert ein hohes Maß an Verdrillung oder sogar die Verwendung von Fasern mit einem hohen Denier-Wert die Gewebeflexibilität. Dementsprechend sollte der Fachmann ein Gleichgewicht zwischen diesen Eigenschaften finden.
Obwohl die selbstregelnde flexible Heizelementkonstruktion der vorliegenden Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform als ein Sitzheizelement für Autos beschrieben ist, sollte verstanden werden, dass sie nicht nur für die Verwendung in Automobilkomponenten geeignet ist, sondern auch in anderen Anwendungen Verwendung findet, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Möbelstücke, Konsumartikel, Konstruktionsmaterialen und andere Artikel. Dementsprechend sollte die vorangehende Offenbarung als Bereitstellung eines Kontextes für die Erfindung gelesen werden, und nicht als eine Einschränkung des Anwendungsgebietes davon.
Durch die Beschreibung der bevorzugten Konstruktion der Erfindung kann der Fachmann auf dem Gebiet mit Hilfe der Beschreibung leicht andere Modifikationen entwickeln und diese anderen Modifikationen gelten als innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegend.
Vokabelliste
2

COMMON: – GEMEINSAM
HIGH: – HOCH
LOW: – NIEDRIG

Claims

Selbstregulierende flexible Heizelementkonstruktion (30) zum Erzeugen von Wärme bei Anschluss an eine elektrische Stromquelle, umfassend: ein flexibles Gewebesubstrat (10); eine Schicht (12) aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten; und eine Schicht (14) aus leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Gewebesubstrat (10) eine Rohdichte von etwa 0,6 g/cm³ oder höher und ein thermisches Diffusionsvermögen von etwa 0,003 cm²/s oder höher aufweist.
Heizelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14) aus leitfähigem Material auf die Schicht (12) aus Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einem ineinandergreifenden Muster aufgetragen ist und/oder die Schicht (12) aus Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf die Schicht (14) aus leitfähigem Material in einem ineinandergreifenden Muster aufgetragen ist, und dadurch dass das Heizelement ferner eine Deckschicht aus einem laminierten oder gehefteten sekundären atmungsaktiven Gewebe oder Faservlies aufweisend natürliche oder synthetische Fasern umfasst, welche das Heizelement bedeckt, wobei die Deckschicht eine verkapselnde Beschichtung ist, bei welcher es sich um eine flammhemmende Beschichtung handeln kann, welche über das Heizelement aufgetragen ist, wobei das Heizelement in eine Konstruktion eines Sitzes für ein Auto integriert ist.
Heizelement (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30) ein Mehrfachbus-Design aufweist, welches hohe und niedrige Stromeinstellungen bereitstellt, umfassend mindestens einen gemeinsamen Einstellungsbus, einen Niedrigeinstellungsbus und einen Hocheinstellungsbus, in welchem Strom entweder vom gemeinsamen Einstellungsbus zum Hocheinstellungsbus oder vom gemeinsamen Einstellungsbus zum Niedrigeinstellungsbus fließt.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Gewebe oder Faservlies (10) ist.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14) aus leitfähigem Material auf die Schicht (12) aus Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einem ineinandergreifenden Muster aufgetragen ist.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) aus Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf die Schicht (14) aus leitfähigem Material in einem ineinandergreifenden Muster aufgetragen ist.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Gewebes (10) 3,39 × 10^–2 kg/m² bis 20,34 × 10^–2 kg/m² (1 bis 6 Unzen pro Quadratyard) ist.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Material ein Polyolefinharz umfasst.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus PTC-Material ein Gewicht von 1,035 × 10^–2 kg/m² bis 2,959 × 10^–2 kg/m² (7 bis 20 Pfund pro Bogen) aufweist.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten einen Oberflächenwiderstand von 2 bis 10 Kilo-Ohm, wie gemessen durch 1 cm voneinander entfernt eingestellte Multimetersonden, aufweist.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten einen Oberflächenwiderstand von 3 bis 8 Kilo-Ohm, wie gemessen durch 1 cm voneinander entfernt eingestellte Multimetersonden, aufweist.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material aus einer Mischung aus einem Polymerharz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vinylen, Polyestern, Acrylen und einem leitfähigen Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberpigment, einem silberbeschichteten Kupferpigment oder plattierten Kupferpigmenten formuliert ist.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material aus einer Mischung aus solvatisierenden Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus organischen Lösemitteln und wasserbasierten Lösemitteln und einem leitfähigen Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberpigment, einem silberbeschichteten Kupferpigment oder plattierten Kupferpigmenten formuliert ist.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material aus leitfähigen Drähten befestigt innerhalb der Konstruktion durch leitfähige Leime konstruiert ist.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (12) und zweite (14) Schicht durch Siebdruck, Aufsprühen, Abziehen, Rollendruck oder jegliches Druckverfahren, welches zum Bereitstellen einer regelmäßigen Beschichtung in der Lage ist, auf das Substrat aufgetragen wird.
Heizelement (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner mehrere Busschienen (16, 18) in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Material und einer elektrischen Stromquelle umfasst.
Heizelement (30) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschienen (16, 18) eine Breitenabmessung und eine Längenabmessung aufweisen, und wobei sich die Breite über mindestens einen Teil ihrer Länge verringert.
Heizelement (30) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschienen (16, 18) eine Breitenabmessung und eine Längenabmessung aufweisen, und wobei die Breite über mindestens einen Teil ihrer Länge konstant bleibt.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschienen (16, 18) eine Breitenabmessung und eine Längenabmessung und mindestens eine Aussparung an einer vorbestimmten Stelle entlang ihrer Länge aufweisen.
Heizelement (30) nach Anspruch 16 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschienen (16, 18) eine Breitenabmessung und eine Längenabmessung aufweisen, und wobei die Breitenabmessung schrittweise über mindestens einen Teil ihrer Länge zunimmt.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Busse über das Heizelement hinweg variiert.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Deckschicht aus einem laminierten oder gehefteten sekundären atmungsaktiven Gewebe oder Faservlies aufweisend natürliche oder synthetische Fasern umfasst, welche das Heizelement bedeckt.
Heizelement (30) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht eine verkapselnde Beschichtung ist, bei welcher es sich um eine flammhemmende Beschichtung handeln kann, welche über das Heizelement aufgetragen ist.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30) in eine Konstruktion eines Sitzes für ein Auto integriert ist.
Heizelement (30) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30) ein Mehrfachbus-Design aufweist, welches hohe und niedrige Stromeinstellungen bereitstellt, umfassend mindestens einen gemeinsamen Einstellungsbus, einen Niedrigeinstellungsbus und einen Hocheinstellungsbus, in welchem Strom entweder vom gemeinsamen Einstellungsbus zum Hocheinstellungsbus oder vom gemeinsamen Einstellungsbus zum Niedrigeinstellungsbus fließt.