VORRICHTUNG ZUR ERWÄRMUNG EINER OBERFLÄCHE
[0002] Bekannt sind Erwärmungsgeräte wie Heizmatten und dergleichen, die Heizdrähte, Heizspiralen und geeignete Drahtgeflechte aufweisen. Durch das Anlegen eines elektrischen Stromes erwärmen sich diese Elemente aufgrund ihres elektrischen Widerstands. Unterschiedliche Erwärmungen innerhalb eines Bereichs lassen sich dabei durch eine unterschiedliche Elementdichte erreichen. Mittels Wärmesensoren und Regelungselementen kann eine gewünschte Temperatur eingestellt werden.
[0003] Nachteilig an derartigen Vorrichtungen ist, dass nach Anlegen des Stroms sämtliche Bereiche der Oberfläche entsprechend des herrschenden elektrischen Widerstands erwärmt werden. Ist nur ein Teil der Fläche entsprechend der Belegung der Fläche zu erwärmen, ist dieses nicht oder nur durch aufwendige Regelung möglich. Dieses trifft auch auf das Einstellen der Temperatur zu.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein adaptives Erwärmen einer Oberfläche hinsichtlich Temperatur und bestimmter unter Umständen wechselnder Bereiche ermöglicht.
[0005] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Mehrschichtheizelement im Verbundaufbau als druckabhängiger elektrischer Widerstand vorgesehen ist.
[0006] Auf diese Weise lassen sich Oberflächen entsprechend ihrer Belegung erwärmen. Im unbelasteten Zustand ist der elektrische Widerstand der Vorrichtung hoch, so dass nur ein sehr geringer elektrischer Strom fließt, der keine oder nur eine sehr geringe Erwärmung erzeugt. Wird die Fläche mit einem Druck beaufschlagt, sinkt der elektrische Widerstand der Vorrichtung deutlich ab, so dass ein nennens-
werter Strom durch die Vorrichtung fließen kann und sich die Fläche im belasteten Bereich erwärmt. Es wird somit ein hohes Maß an Adaptivität erreicht, nämlich kein Energieverbrauch bei Unbelastung, hohe Energieeinsparung durch das ausschließliche Erwärmen von belasteten Zonen, unbelastete Zonen werden nicht erwärmt und nahezu kein Regel ungsaufwand.
[0007] Derartige Vorrichtungen lassen sich als Sitzheizungen in Pkws, Flugzeugen, Veranstaltungszentren wie beispielsweise Stadien, Kirchen, als Einwegheizungen für Operationstische in Form von Meterrollware oder zur Wärmebilderzeugung, um mit Wärmebildkameras aufgenommen zu werden, beispielsweise zur Darstellung von Druckbildern und in der Orthopädie beispielsweise zur Aufnahme von Fußabdrücken zur Erstellung von orthopädischen Einlagen.
[0008] Eine Lehre der Erfindung sieht vor, dass eine Außenschicht des Mehrschichtelements aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Dieses stellt eine einfache Möglichkeit dar, eine flächige Stromversorgung zu gewährleisten. Diese Schicht besteht aus einem leitenden Material, vorzugsweise aus Metall, um eine widerstandsgeringe Stromzuleitung zu ermöglichen.
[0009] Des weiteren sieht die Erfindung vor, dass im Inneren des Mehrschichtelements ein elektrisch leitendes Material angeordnet ist, welches seine Leitfähigkeit druckabhängig ändert. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff. Dieser Kunststoff ist in einer besonders bevorzugten Ausführung mit einem elektrisch leitfähigen Material dotiert. Dabei kann die Druckabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Kunststoffes von dem Grad der Dotierung abhängen. Der Widerstand derartig aufgebauter Materialien ist besonders gut durch Druckbeaufschlagung änderbar. Vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem Kunststoff um einen Schaumstoff, der gleichzeitig polsternde Eigenschaften aufweist.
[0010] Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Mehrschichtelement aus drei Schichten besteht. Hierbei handelt es sich um die äußeren Zuleitungsschichten und die zwischen ihnen angeordnete durch Druck widerstandsänderbare Schicht. Ein derartiger Aufbau stellt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
[0011] Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem leitfähigen Dotierungsmaterial um Kohlenstoff handelt. Kohlenstoff-dotierte Kunststoffe sind handelsüblich und somit kostengünstig erhältlich.
[0012] Des weiteren sieht die Erfindung vor, dass die Dotierung derart ausgeführt ist, dass sich der e- lektrische Widerstand proportional zum lokal aufgebrachten Druck ändert. Auch ist es wünschenswert, wenn die Dotierung so eingestellt wird, dass bereits bei hinreichend geringen Spannungen ausreichende Ströme zur Erwärmung fließen können, so dass auf Spannungsschutzmaßnahmen verzichtet werden kann.
[0013] Weiterhin sieht eine Lehre der Erfindung vor, dass die Außenschicht aus diskreten Leiterbahnen aufgebaut ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Leiterbahnen auf den gegenüberliegenden Außenschichten versetzt zueinander angeordnet sind, wodurch Kreuzungsbereiche zwischen den gegenüberliegenden Leiterbahnen durch den Kunststoff hindurch entstehen. Besonders vorteilhaft sind sie dabei rechtwinklig angeordnet. Hierdurch entstehen vorteilhafter Weise einzelne Wärmeelemente, die insgesamt eine Erwärmungsmatrix bilden. Durch die diskreten Leiterbahnen lassen sich die einzelnen Wärmeelementen direkt ansteuern, wodurch ein konkreter Stromzufluss zur gezielten Erwärmung stromsparend möglich ist.
[0014] Es kann vorgesehen sein, dass die Außenschicht ein Widerstandsmaterial mit Temperatur abhängigem Widerstand aufweist. Insbesondere kann das Widerstandsmaterial einen positiven Temperaturgradienten aufweisen. Dadurch kann in einfacher Weise eine Strombegrenzung und dadurch eine Temperaturregelung realisiert werden. Indem der elektrische Widerstand des Widerstandsmaterials bei einer Erwärmung, z.B. durch den hindurch fließenden Strom, ansteigt, wird der Gesamtwiderstand der Vorrichtung erhöht, so dass bei konstanter angelegter Spannung der Strom durch die Vorrichtung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird. Der vorbestimmte Wert ergibt sich aus dem Gesamtwiderstand der Vorrichtung bei der gewünschten Maximaltemperatur und der angelegten Spannung. Somit kann eine Temperaturregelung auf die gewünschte Maximaltemperatur zur Verfügung gestellt werden.
[0015] Es kann vorgesehen sein, dass das Widerstandsmaterial mit dem druckabhängigen elektrischen Widerstand thermisch gekoppelt ist, um abhängig von der Temperatur des druckabhängigen elektrischen Widerstandes seinen Widerstand zu ändern. Die thermische Kopplung dient dazu, den elektrischen Widerstand des Widerstandsmaterials von der Temperatur des druckabhängigen elektrischen Widerstandes abhängig zu machen.
[0016] Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des druckabhängigen elektrischen Widerstandes das Temperatur abhängige Widerstandsmaterial vorgesehen ist.
[0017] Vorteilhaft ist es dabei gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung, wenn Leiterbahnen in eine Oberfläche eingearbeitet sind. Dabei kann eine Seite der Leiterbahnen teilweise oder vollständig eingearbeitet sein. Eine Ausführungsform stellt hierbei die Möglichkeit dar, die Leiterbahnen in einen Stoff bzw. Polster einzuweben. Derartige Polster lassen sich beispielsweise in Kraftfahrzeugen einsetzen, wodurch die Heizelemente direkt in die Kraftfahrzeugsitze eingearbeitet werden können.
[0018] Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ein abdichtender Schutzüberzug vorgesehen ist. Damit wird die Vorrichtung hermetisch verschlossen und somit gegen Umwelteinflüsse in Form von Feuchtigkeit oder dergleichen abgedichtet. Hierfür kann eine dünne Schützhülle vorgesehen sein.
[0019] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschriebenen. Dabei zeigen schematisch:
[0020] Fig. 1 einen Schaltplan eines ersten Wärmeelements; und
[0021 ] Fig. 2 einen druckbeaufschlagten Bereich eines zweiten Wärmeelements.
[0022] In Fig. 1 ist durch einen Schaltplan eine erfindungsgemäße erste Vorrichtung schematisch dargestellt. Ein homogenes Heizelement 1 besteht dabei aus einem leitenden Verbundstoff, auch als Sandwich bezeichnet, der aus einer Matte aus kohlenstoff-dotiertem Schaumstoff besteht, die an den Oberflächen 2,3 mit einer Metallfolie 4 beschichtet ist, die dazu dient, die Stromversorgung der einzelnen Abschnitte zu gewährleisten. Über die Zuleitungen wird eine Spannung 7 angelegt, bei der es sich um eine Gleich- oder Wechselspannung handeln kann. Der sich einstellende Strom kann über einen Vorwiderstand 5 nach Bedarf variiert werden, so dass eine maximale Stromstärke einstellbar ist, durch die das Heizelement 1 erwärmt wird. Des weiteren kann ein Messgerät 6 vorgesehen sein, welches den fließenden Strom i in seiner Stärke misst. Hiermit lassen sich der beaufschlagte Druck bzw. die aufgebrachte Kraft ermitteln, wodurch sich Belegt-Zustände beispielsweise von Sitzen in Autos für die Airbag- auslösung bestimmen lassen.
[0023] Fig. 2 zeigt schematisch, dass durch einen ausgeübten Druck p auf die Oberfläche 2 des Heizelements 1 der elektrische Widerstand des Heizelements 1 sinkt, da die Leitfähigkeit innerhalb des Bereichs der Kompression durch Verdichtung der Dotierungskonzentration ansteigt. Dadurch kann zwischen den Oberflächen 2,3 ein Strom fließen, der die Kompressionszone 8 lokal erwärmt. In den unkomprimierten Bereichen bleibt die Dotierung und damit auch der Widerstand konstant, wodurch ein Stromfluss unterbleibt und somit keine Erwärmung entsteht.
[0024] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine der Metallfolien 41 auf den Oberflächen 2,3 des Heizelementes 1' mit einem PTC-Widerstandsmaterial ausgebildet, d.h. mit einem Material mit Temperatur abhängigem Widerstand, das einen positiven Temperaturgradienten aufweist. Z.B. enthält das Widerstandsmaterial eine Legierung aus Kupfer und Aluminium. Jedes andere Material mit einem positiven Temperaturgradienten kann verwendet werden, das auf das Heizelement 1 in geeigneter Weise als Schicht oder Folie aufgebracht werden kann.
[0025] Dadurch kann in einfacher Weise eine Strombegrenzung und dadurch eine Temperaturregelung realisiert werden. Das PTC-Widerstandsmaterial ist thermisch mit dem Heizelement 1' gekoppelt, so dass der elektrische Widerstand des PTC-Widerstandsmaterials bei einer Erwärmung durch das Heizelement 1 ' ansteigt. Auf diese Weise ändert das PTC-Widerstandsmaterial seinen Widerstand abhängig von der Temperatur des druckabhängigen elektrischen Widerstandes lokal begrenzt in dem Bereich, in welchem der Druck ausgeübt wird. Dadurch erhöht sich bei zunehmender Temperatur der Gesamtwiderstand der Vorrichtung, so dass bei konstanter angelegter Spannung der Strom durch die Vorrichtung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird. Aus dem Produkt der Spannung und dem Gesamtwiderstand des Heizelementes und der Metallfolien bei einer Maxim alte mperatur ergibt sich die gesamte Heizleistung. Die Maximaltemperatur kann durch die Wahl des PTC-Widerstandsmaterials eingestellt werden. Somit kann eine Temperaturregelung zur Verfügung gestellt werden, die die Heiztemperatur auf die gewünschte Maximaltemperatur regelt. Bei dieser Ausführungsform kann auf den Vorwiderstand 5 verzichtet werden, da die Strombegrenzung durch das PTC-Widerstandsmaterial übernommen wird.
[0026] Des Weiteren lässt sich die Vorrichtung als druckabhängiges Messelement verwenden. Der durch die Druckbeaufschlagung fließende Strom wird dafür gemessen und lässt direkte Rückschlüsse auf den herrschenden Druck zu. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit zur der Verwendung im Kfz-Bereich als Belegungssensor für Kraftfahrzeuge. Auf können Funktionen im Fahrzeug durch die Druckermittlung angesteuert werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Sitzpositionsermittlung zur gezielten Auslösung eines Airbags in Abhängigkeit von der Sitzposition. Auch kann die Fahrzeugfederung durch Ermitteln der Veränderung der Druckverläufe am Sitz auf sich ändernde Straßenbedingungen angepasst werden.