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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen einer
Komponente eines Fahrzeuginnenraumklimas, zu der ein Heizelement
und eine Einrichtung zur Einspeisung des Stroms in das Heizelement
gehören.
Die Erfindung ist vor allem für die
Anwendung in Verbindung mit der Heizung von elektrisch beheizbaren
Sitzen für
Fahrzeuginsassen gedacht.
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STAND DER TECHNIK
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Elektrisch
beheizbare Sitze werden in den Fahrzeugen von heute zur Erhöhung des
Komforts und der Sicherheit verwendet. Der Fahrersitz sowie die
anderen Sitze im Fahrzeug können
so angeordnet werden, dass sie von speziellen Heizelementen in Form
eines oder mehrerer elektrisch leitender Heizdrähte, die in Form von einer
oder mehreren Schleifen in dem jeweiligen Sitz angeordnet sind,
beheizt werden. Ein solcher Heizdraht wird in der Regel bereits
bei der Herstellung in den Sitz und in die Rückenlehne des jeweiligen Sitzes
eingebaut. Ferner ist der Heizdraht mit einer Einrichtung zur Einspeisung des
Stroms verbunden. So kann der Heizdraht bis zu einer geeigneten
Temperatur erwärmt
werden.
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Es
besteht der Wunsch, dass der entsprechende Sitz auf seiner Oberfläche eine
genau angepasste Temperatur aufweist, d. h. auf der Oberfläche, mit
der die Fahrzeuginsassen in Kontakt kommen. Zu diesem Zweck kann
die Temperatur des Heizdrahtes mithilfe eines Temperaturfühlers, der
sich in unmittelbarer Nähe
zum Heizelement befindet und der an eine zentrale Steuereinheit
angeschlossen ist, eingestellt werden. Mithilfe des Temperaturfühlers und
der Steuereinheit kann die bestehende Temperatur festgestellt werden.
Zur Steuereinheit gehören
ferner Stromkreise, die beispielsweise auf Transistortechnologie
oder Relaistechnologie basieren, um Strom in den Heizdraht einzuspeisen.
Daher ist die zentrale Steuereinheit so eingestellt, dass sie eine
bestimmte Strommenge in den Heizdraht einspeist, bis eine bestimmte
gewünschte
Temperatur erreicht ist. Die Einstellung dieses gewünschten
Wertes kann beispielsweise mittels stationärer Widerstände oder mittels eines einstellbaren
Potenziometers vorgenommen werden, das von dem Fahrzeuginsassen
selbst eingestellt wird.
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Bei
Anwendung der oben beschriebenen Regulierungsmethode wird Strom über den
Heizdraht eingespeist, bis die zentrale Steuereinheit anzeigt, dass
der gewünschte
Wert erreicht ist. Dann wird die Stromzufuhr unterbrochen. Das führt dazu,
dass sich der Heizdraht allmählich
abkühlt.
Wenn der Heizdraht so weit abgekühlt
ist, dass seine Temperatur wieder unter den gewünschten Wert fällt, wird
die Stromzufuhr zum Heizdraht wieder aufgenommen. Auf diese Weise
wird die Temperaturregulierung fortgesetzt, solange das System eingeschaltet
ist.
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Entsprechend
dem Stand der Technik besteht der vorgenannte Heizdraht aus einem
Drahtbündel
mit einer relativ großen
Anzahl von Drähten (beispielsweise
15–150
Stück),
den so genannten Litzen. Diese Litzen bestehen aus dünnen elektrisch leitenden
Drähten,
die miteinander verflochten oder auf eine solche Weise zu Bündeln zusammengefasst sind,
dass sie zusammen den vollständigen
Heizdraht bilden. Jede dieser Litzen kann einen Durchmesser in einer
Größenordnung
von etwa 0,05 mm haben. Das jeweilige Ende des Heizdrahts – d. h.
das jeweilige Ende jeder dieser Litzen – wird dann mit der oben genannten
Steuereinheit verbunden, wodurch die Stromzufuhr über den
Heizdraht möglich
wird.
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Zwar
ermöglicht
dieser bisher bekannte Heizdraht in der Regel eine zuverlässige Heizung und
Temperaturregulierung beispielsweise bei einem Fahrzeugsitz, doch
sind damit bestimmte Nachteile verbunden. Ein solcher Nachteil besteht
darin, dass die verschiedenen Litzen mit der Zeit verschleißen können, was
sogar so weit gehen kann, dass eine oder mehrere Litzen abreißen können, was
schließlich
zu einer Unterbrechung in der fraglichen Litze führt. Sind mehrere Litzen im
Wesentlichen an der gleichen Stelle des Heizdrahts unterbrochen,
führt dies
dazu, dass der gesamte elektrisch leitende Querschnitt des Heizdrahtes
dort verringert wird, was wiederum zu einem lokalen Anstieg des
Widerstands im Heizdraht an der Stelle, an der sich die Unterbrechung
befindet, führt.
Eine Erhöhung
des Widerstands wiederum führt
zu einem erhöhten
Spannungsabfall an der Unterbrechungsstelle, da der durch den Heizdraht
fließende
Strom konstant gehalten wird.
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Die
vorstehend geschilderte Situation führt daher zu einer höheren Temperatur
an der Unterbrechungsstelle. Wenn eine große Zahl Litzen zerrissen wurden,
ergibt sich an der Unterbrechungsstelle eine deutlich erhöhte Temperatur.
Dieses Problem, die so genannte überhitzte
Stelle, entspricht einem lokalen Temperaturanstieg im Sitz, der
von der Person, die auf diesem Sitz sitzt, als unangenehm empfunden wird
und außerdem
den Sitz beschädigen
kann.
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Das
Problem kann teilweise dadurch behoben werden, dass ein Heizdraht
in Form von mehreren parallelen, einzelnen parallel zu einander
verlaufenden Leitern im jeweiligen Sitz angeordnet wird. Die Enden
all dieser parallel verlaufenden Leiter werden dann mit zwei quer
verlaufenden Leitern verbunden, die wiederum an die Steuereinheit
angeschlossen werden. Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht
darin, dass zwischen den verschiedenen Leitern eine große Zahl
von Kontaktstellen von Nöten ist,
was einen aufwändigen
und komplizierten Herstellungsprozess erfordert.
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Das
Patent
DE 18 91 074 betrifft
einen Heizdraht, der eine Reihe von Litzen umfasst, die jeweils mit
einer oxidierten Isolierschicht überzogen
sind.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Hauptzweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Vorrichtung für
die Beiheizung eines Fahrzeugsitzes zu schaffen, durch die die Gefahr
des vorstehend genannten Problems der überhitzen Stelle ausgeschaltet
werden kann. Das wird mit einer Vorrichtung erreicht, deren Merkmale
aus dem beiliegenden Patentanspruch 1 ersichtlich sind.
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Die
Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Heizen einer Komponente
eines Fahrzeuginnenraumklimas, zu der ein Heizelement und eine Einrichtung
zur Einspeisung des Stroms in das Heizelement gehören, wobei
das Heizelement als Heizdraht ausgeführt ist, der seinerseits aus
einer Anzahl zusammengehaltener Litzen besteht, von denen eine bestimmte
Anzahl mit einer gesonderten elektrischen Isolierung versehen ist.
Ferner sind die isolierten Litzen elektrisch parallel miteinander
verbunden und mit ihren entsprechenden Enden an die Einrichtung zur
Einspeisung des Stroms angeschlossen. Die elektrische isolierung
besteht ferner aus einer elektrisch isolierenden Lackschicht.
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Durch
die Erfindung wird ein wesentlicher Vorteil dahingehend erzielt,
dass die Gefahr des vorstehend genannten Problems der überhitzen
Stelle ausgeschaltet werden kann, da alle isolierten Litzen elektrisch
parallel miteinander verbunden sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht das Heizelement aus einem Heizdraht, der seinerseits
aus einer relativ großen
Anzahl von Litzen, beispielsweise in einer Größenordnung von 15–150 Litzen,
besteht. Ein Vorteil besteht dabei darin, dass damit die notwendigen
Voraussetzungen für
eine lange Lebensdauer des kompletten Heizelements geschaffen werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind aus den beiliegenden Patentansprüchen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend
wird die Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und
den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 den
Stromlaufplan darstellt, in dem eine Vorrichtung entsprechend der
vorliegenden Erfindung gezeigt wird,
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2 den
grundsätzlichen
Aufbau eines Heizdrahts entsprechend der Erfindung zeigt,
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3 im
Wesentlichen zeigt, wie ein Heizdraht entsprechend der Erfindung
elektrisch angeschlossen wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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1 zeigt
einen Stromlaufplan für
eine Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
ist beabsichtigt, die Erfindung in Verbindung mit elektrisch beheizbaren
Sitzen in Fahrzeugen anzuwenden. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf den Einsatz in Verbindung mit Fahrzeugen beschränkt. Die
Figur zeigt das Prinzip einer Steuereinheit 1, deren interne
Komponenten und Anschlüsse
in gestrichelter Linie dargestellt sind. In der Figur werden nicht
alle Komponenten gezeigt, die zur Steuereinheit 1 gehören, sondern lediglich
die Teile, die für
das Verstehen der Erfindung notwendig sind.
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Die
Steuereinheit 1 dient zur Einspeisung eines bestimmten
Stroms I über
ein Heizelement 2. Dieses Heizelement 2 besteht
entsprechend der nachstehenden detaillierten Beschreibung aus einer Anzahl
elektrischer Leiter, die zusammen mit ihrem elektrischen Widerstand
einen Heizdraht bilden, der die Form einer Schlaufe hat. Entsprechend
der Ausführungsform
befindet sich der Heizdraht 2 in einem Fahrzeugsitz, vorzugsweise
in dessen Sitz 3 (der in 1 durch
eine gestrichelte Linie dargestellt ist) und ist vorzugsweise in
einer im Wesentlichen im Zickzack verlaufenden Schlaufe, alternativ
auch in S-Form oder auch in einer anderen Form angeordnet, die sich über einen
größeren Teil
von Sitz 3 erstreckt. Der Heizdraht 2 kann ferner
auch in der Rückenlehne
des Fahrzeugsitzes montiert werden (in 1 nicht
gezeigt).
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Obwohl 1 nur
einen einzigen Heizdraht 2 zeigt, ist es doch möglich, verschiedene
solche Drähte
an die Steuereinheit 1 anzuschließen, beispielsweise in Form
von separaten Heizdrähten
für den
Sitzteil des Sitzes 3 und für die Rückenlehne des Sitzes. Wenn
mehr als ein Heizdraht verwendet wird, können diese parallel oder alternativ
auch in Serie an die Steuereinheit angeschlossen werden.
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Entsprechend
der Darstellung in 1 wird der Heizdraht 2 an
die Steuereinheit 1 über
zwei Anschlüsse 4 bzw. 5 angeschlossen,
wobei der zuletzt genannte Anschluss 5 auch über einen
Anschluss am Chassis des Fahrzeugs geerdet wird. Im Zusammenhang
mit dem Heizdraht 2 wird ein Sensor in Form eines Temperaturfühlers 6 angeordnet,
der elektrisch über
den vorstehend erwähnten
geerdeten Anschluss 5 und einen weiteren Anschluss 7 an
die Steuereinheit 1 angeschlossen wird. Der Temperaturfühler 6 besteht
vorzugsweise aus einem Thermistor des Typs NTC (Negativer Temperaturkoeffizient), der
einen temperaturabhängigen
Widerstand besitzt, der der Temperatur T entspricht, die in Verbindung mit
dem Heizdraht 2 anliegt. Der Temperaturfühler 6 kann
direkt am Heizdraht 2 oder in der Nähe von Heizdraht 2 angebracht
werden, beispielsweise zwischen zwei der Leitungen, die die Schlaufe
bilden, in der der Heizdraht 2 angeordnet ist. Die konkrete
Anordnung von Temperaturfühler 6 kann
daher im Rahmen der Erfindung unterschiedlich sein.
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Ferner
wird eine Stromquelle 8 über einen weiteren Anschluss 9 an
die Steuereinheit 1 angeschlossen. Die Stromquelle 8 besteht
vorzugsweise aus der Starterbatterie des Fahrzeugs.
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Zum
System gehört
ferner ein Ein-/Ausschalter 10, der vorzugsweise in das
Zündschloss
des Fahrzeugs (nicht gezeigt) integriert ist. Der Schalter 10 ist
an einen weiteren Anschluss 11 von Steuereinheit 1 angeschlossen.
Die Steuereinheit 1 ist in einer bekannten Art und Weise
so angeordnet, dass sie aktiviert wird, wenn der Schalter 11 geschlossen
wird und damit die Erwärmung
des Heizelements 2 erfolgen kann.
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Die
Steuereinheit 1 umfasst einen logischen Teil 12,
der vorzugsweise computergestützt
ist, jedoch auch aus bekannten elektronischen Schaltkreisen bestehen
kann. Der logische Teil 12 ist über die Anschlüsse 5, 7 bzw. 11 mit
dem Heizdraht 2, dem Temperaturfühler 6 und dem Schalter 10 verbunden. Der
logische Teil 12 ist so eingestellt, dass er einen Temperaturwert
T erkennen kann, der dem Signal entspricht, das vom Temperaturfühler 6 gegeben wird.
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Zur
Steuereinheit 1 gehört
ferner eine Schaltvorrichfung 13, die mit dem logischen
Teil 12 verbunden ist, der den Strom I in den Heizdraht 2 in
Abhängigkeit
von den Signalen vom logischen Teil 12 einspeist. Der logische
Teil 12 ist ferner über
einen weiteren Anschluss 15 an eine Regeleinheit 14 angeschlossen.
Mithilfe der Regeleinheit 14 kann beispielsweise die auf
dem Sitz 3 sitzende Person die gewünschte Sitztemperatur einstellen,
die dann einem berechneten Wert einer gewünschten Solltemperatur TB im logischen Teil 12 entspricht,
nach der der Heizdraht 2 geregelt wird.
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Der
logische Teil 12 ist so eingestellt, dass er Werte der
lokalen Temperatur T des Temperaturfühlers 6 ermittelt,
die einem Widerstandswert des Temperaturfühlers 6 entsprechen,
der wiederum der gegenwärtigen
Temperatur T entspricht. Wenn die gegenwärtige Temperatur T unter den
gewünschten Sollwert
TB fällt,
der der gewünschten
Temperatur an der Oberfläche
des Sitzes 3 entspricht, steuert der logische Teil 12 die
Schaltvorrichtung 13 so, dass sie Strom in den Heizdraht 2 einspeist.
Wenn der gewünschte
Wert TB erreicht ist, unterbricht der logische Teil 12 die
Stromzuführung
zum Heizelement 2 über die
Schaltvorrichtung 13.
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Nun
wird die Hauptfunktion der Erfindung im Wesentlichen unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben, in der im Prinzip der Aufbau eines
Heizdrahtes 2 gemäß der Erfindung
dargestellt ist Aufgrund des in Zusammenhang mit Heizdrähten einer bisher
bekannten Art auftretenden oben genannten Problems der überhitzten
Stelle besteht ein Grundprinzip der vorliegenden Erfindung darin,
dass der Heizdraht 2 aus einer bestimmten Anzahl, beispielsweise
15–150,
relativ dünnen
Drähten,
so genannten Litzen 16, aufgebaut ist, von denen eine wesentliche Anzahl
einzeln durch eine dünne
isolierende Schicht 17 elektrisch isoliert ist. Die Erfindung
beschränkt sich
jedoch nicht auf die oben genannte Anzahl, sondern es kann in Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung und in Abhängigkeit von den Anforderungen
an die Lebensdauer, Leistung und Funktion auch Abweichungen nach
oben und unten geben. Bei der Auslegung eines Heizelements und der
Wahl der Komponenten, die in das System eingeschlossen sind, spielt
unter anderem die festgelegte Leistung, die das Heizelement erbringen
soll, eine Rolle. Die konkrete Wahl der Leistung wiederum stellt
ein Maß für den entsprechenden
Gesamtquerschnitt von Heizdraht 2 dar (wo ein bestimmter
spezifischer elektrischer Widerstand des Heizdrahtes angenommen wird).
Die Erfindung geht weiter von dem Grundsatz aus, dass anstatt einer
relativ kleinen Anzahl von dicken Litzen eine relativ große Anzahl
von dünnen
Litzen zusammen den Heizdraht 2 bilden. Das wiederum führt zu Vorteilen
in Form einer langen Lebensdauer des Heizdrahts 2. Eine
relativ große
Anzahl dünner
Litzen 16 schafft außerdem
die notwendige Voraussetzung dafür,
dass sie in einen Sitz eingenäht werden
können,
ohne dass Fehler auftreten, beispielsweise, dass Nadeln die Litzen
beim Nähprozess
treffen und beschädigen
können.
Somit kann festgestellt werden, dass die spezifische Anzahl der Litzen 16 bei
der jeweiligen Anwendung entsprechend den festgelegten Anforderungen
beispielsweise an die Lebensdauer des Heizelements gewählt wird.
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Die
Litzen 16 sind in bereits bekannter Art und Weise elektrisch
leitend und bestehen für
diesen Zweck aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer,
rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Metall oder einer
Metalllegierung mit guter Leitfähigkeit.
Die isolierenden Schichten werden vorzugsweise aus einer abdeckenden
Emailschicht oder einem anderen elektrisch isolierenden Material
hergestellt.
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Wie
aus 2 hervorgeht, werden die Litzen 16 mit
ihren isolierenden Schichten 17 gebündelt oder miteinander verknüpft und
bilden damit den vollständigen
Heizdraht 2. In der Figur wird der Heizdraht 2 im
Schnitt dargestellt, wobei eine Litze 16 mit ihrer isolierenden
Schicht 17 über
den ansonsten abgeschnittenen Teil des Heizdrahtes 2 hinausragt.
Die gebündelten
Litzen 16 sind in geeigneter Form mit einer Schutzhülle 18 ummantelt,
was jedoch prinzipiell nicht notwendig ist.
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Das
vorstehend genannte Problem der überhitzten
Stelle kann beseitigt werden, wenn die entsprechende Litze 16 mit
der elektrisch isolierenden Schicht 17 versehen wird. Da
dann die einzelnen Litzen 16 elektrisch nicht miteinander
in Kontakt stehen, fließt
ein im Wesentlichen gleicher Strom durch jede Litze 16,
wenn Strom in den Heizdraht 2 eingespeist wird. Sollte
eine Unterbrechung beispielsweise bei einzelnen Litzen eintreten,
dann würde
das nicht bewirken, dass der Widerstand des Heizdrahtes 2 lokal ansteigt,
da die Litzen, die unterbrochen sind, nicht mit den Litzen in Kontakt
stehen, die stromführend sind.
Aus diesem Grund erfolgt kein lokaler Temperaturanstieg entlang
des Heizdrahtes 2.
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Der
Zweck der Erfindung ist auch aus 3 ersichtlich,
die schematisch ein mögliches
Beispiel mit fünf
isolierten Litzen 16 zeigt, die elektrisch als zueinander
parallel geschaltet angesehen werden können. Die Endpunkte aller Litzen 16 werden
dann über
die Anschlüsse 4 bzw. 5 an
die Steuereinheit 1 angeschlossen (siehe 1),
wenn die Steuereinheit 1 zur Einspeisung von Strom mittels
dieser Litzen 16 vorgesehen ist. Wenn ein solcher Parallelanschluss
verwendet wird, fließt
ein bestimmter Strom während
der Stromeinspeisung durch die jeweilige Litze 16. Wenn
beispielsweise eine der Litzen unterbrochen wird, fließt auch
weiterhin ein gleich großer Strom
durch die vier Litzen, die unversehrt sind. Somit tritt im Heizdraht 2 an
der Unterbrechungsstelle kein lokal erhöhter Widerstand auf, wodurch
wiederum die Gefahr der überhitzten
Stelle beseitigt ist.
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Wie
aus 2 werter hervorgeht, sind alle Litzen 16 im
Heizdraht 2 mit einer isolierenden Schicht 17 versehen.
Die Erfindung beschränkt
sich allerdings nicht auf diese Ausführungsform, sondern kann auch
so umgesetzt werden, dass zumindest eine bestimmte Mindestzahl von
Litzen isoliert wird. Diese Mindestzahl wird in geeigneter Weise
in Abhängigkeit
davon gewählt,
wie viele nicht isolierte Litzen zum Problem der überhitzten
Stelle führen
können
(d. h. bei Unterbrechung von einer oder mehreren der nicht isolierten
Litzen).
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Entsprechend
der Erfindung können
die Positionen der Litzen, die dann im Heizdraht 2 nicht
isoliert sind, im Hinblick auf die Gefahr der überhitzten Stelle gewählt werden.
Wenn beispielsweise einige Litzen erfahrungsgemäß größere Gefahr laufen als andere,
unterbrochen zu werden, sollte darauf geachtet werden, dass zumindest
die Litzen, von denen angenommen wird, dass sie am wenigsten durch eine
Unterbrechung gefährdet
sind, mit einer Isolierung versehen werden. Wenn dann beispielsweise fünf von zwanzig
Litzen reißen
sollten und der Heizdraht 2 so aufgebaut ist, dass die
abgerissenen Litzen nicht isoliert und die verbleibenden fünfzehn Litzen
isoliert sind, tritt das Problem der überhitzten Stelle nicht auf,
da weitere Litzen, die möglicherweise abgerissen
werden, isoliert sind.
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Die
Erfindung kann alternativ so realisiert werden, dass die Erhitzung
des Heizelements durch einen Thermostaten gesteuert wird. Dann werden folglich
die vorstehend genannte Steuereinheit, der Temperaturfühler usw.
nicht benötigt.