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Gebiet der Erfindung
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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.
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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.
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Allgemeiner Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 .
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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.
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Kurzfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht von oben, welche das Heizelement der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Draufsicht von oben auf den Schaltkreis einer selbstregelnden
flexiblen Heizelementkonstruktion mit dualer Wattleistung.
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3 ist
eine Draufsicht von oben auf eine selbstregelnde flexible Heizelementkonstruktion
mit einer konischen und geraden Busschienenanordnung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist ein Polyestergewebe oder -faservlies
10 mit einer Dichte
von etwa 3,39 × 10
–2 kg/m
2 bis 20,34 × 10
–2 kg/m
2 (1 bis 6 Unzen pro Quadratyard) (bevorzugter
etwa 12,54 × 10
–2 kg/m
2 (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/m
2 (13 Pfund pro Bogen (d. h. 306,58 m
2 (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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 1
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Das
thermische Diffusionsvermögen
von fünf
beschichteten Polyestergewebeproben wurde bestimmt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Verfahren und Analyse in der
Z-Richtung
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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.
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Leitfähigkeit
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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.
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Testergebnisse
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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.
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Beispiel 2
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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/cm
3 oder höher und ein thermisches Diffusionsvermögen von
mindestens etwa 0,003 cm
2/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 |
- Hinweis: Das thermische Diffusionsvermögen ist
ein Durchschnitt aus 5 Ablesungen.
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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.
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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.
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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.
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Vokabelliste
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2
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- COMMON
- – GEMEINSAM
- HIGH
- – HOCH
- LOW
- – NIEDRIG