DE202024105566U1 - Flexible electric surface heating element - Google Patents
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Abstract
Formflexibles elektrisches Flächenheizelement mit geringer Wärmekapazität und beliebiger Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, dass ein dünnes leitfähiges textiles Substrat, insbesondere ein ausgangsseitig vollflächig metallisiertes Polyestervlies, auf der Basis eines auf den Einsatzfall bezogenen und berechneten Heizbahnverlaufes strukturiert und zwischen zwei elektrisch isolierenden Kunststofffolien einlaminiert ist, wobei die Gesamtdicke des Laminats im Bereich von im wesentlichen ≤ 150 µm liegt, derart, dass haptisch und technologisch textilähnliche Eigenschaften gegeben sind.Flexible electrical surface heating element with low heat capacity and any desired expansion, characterized in that a thin conductive textile substrate, in particular a polyester fleece with full-surface metallization on the output side, is structured on the basis of a heating track course related to and calculated for the application and is laminated between two electrically insulating plastic films, the total thickness of the laminate being in the range of essentially ≤ 150 µm, such that haptic and technological textile-like properties are provided.
Description
Die Erfindung betrifft ein formflexibles elektrisches Flächenheizelement mit geringer Wärmekapazität und beliebiger Ausdehnung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a flexible electric surface heating element with low heat capacity and arbitrary expansion according to the preamble of claim 1.
Aus der
Durch das Aufbrechen und Wiederverfestigen sollen die relativ spröden Karbonkohlenstofffasern flexibel und dehnungselastisch werden. Hierdurch soll insgesamt eine Weichheit der Heizflächen mit entsprechender Haptik geschaffen werden.By breaking up and re-solidifying, the relatively brittle carbon fibers should become flexible and stretch-elastic. This should create an overall softness of the heating surfaces with a corresponding feel.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines flexiblen textilen elektrisch leitfähigen Flächenelementes gemäß der
Bei diesem Verfahren wird auf ein Gewebe, welches zuvor durch einen Kalanderprozess geglättet wurde, eine elektrisch leitfähige Struktur, beispielsweise zum Aufbringen elektrisch resistiver Heizstrukturen, gedruckt. Das Bedrucken erfolgt vorteilhafterweise in einem Rotations-Siebdruckverfahren. Danach wird auf die textile Trägerschicht eine vernetzbare wässrige Polymerdispersion, enthaltend elektrisch leitfähige Partikel aufgebracht. Im Anschluss erfolgt ein Aushärten der Polymerdispersion zur Erzeugung der elektrisch leitfähigen Schicht.In this process, an electrically conductive structure, for example for applying electrically resistive heating structures, is printed on a fabric that has previously been smoothed using a calendering process. Printing is advantageously carried out using a rotary screen printing process. A crosslinkable aqueous polymer dispersion containing electrically conductive particles is then applied to the textile carrier layer. The polymer dispersion is then cured to produce the electrically conductive layer.
Das Glätten der Hauptfläche der textilen Trägerschicht kann durch Aufbringen eines thermoplastischen Polymers unter Erwärmung erfolgen. Diesbezüglich kommt ein Kalander zum Einsatz. Die textile Trägerschicht kann beispielsweise ein Gelege, Gewirk, Gewebe oder ein Vlies umfassen oder daraus bestehen.The main surface of the textile carrier layer can be smoothed by applying a thermoplastic polymer while heating it. A calender is used for this purpose. The textile carrier layer can, for example, comprise or consist of a scrim, knitted fabric, woven fabric or nonwoven.
Die
Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Trägerelement in eine Schäumvorrichtung platziert. Darüber hinaus erfolgt das Anordnen eines Heizelementes in der Schäumvorrichtung derart, dass das Heizelement zwischen der Sichtseite des fertigen Innenverkleidungsteils und dem Trägerelement positioniert wird. Im Anschluss erfolgt ein Hinterschäumen des Trägerelementes mit Schaummaterial, wobei das Heizelement in das Schaummaterial eingebettet wird und das Heizelement nach dem Hinterschäumen zur Sichtseite des Innenverkleidungsteils hin durch eine darüber liegende Schicht aus Schaummaterial bedeckt ist.In this process, a carrier element is first placed in a foaming device. In addition, a heating element is arranged in the foaming device in such a way that the heating element is positioned between the visible side of the finished interior trim part and the carrier element. The carrier element is then back-foamed with foam material, whereby the heating element is embedded in the foam material and, after back-foaming, the heating element is covered by a layer of foam material on the visible side of the interior trim part.
Aus der
Allen vorbekannten Lösungen des hier geschilderten Standes der Technik ist gemeinsam eine sehr aufwändige Verfahrensführung mit mehreren Prozessschritten.All previously known solutions of the state of the art described here have in common a very complex procedure with several process steps.
Beim Einsatz von leitfähigen Karbonkohlenfaserstoffvliesen müssen diese Fasermaterialien zunächst aufgebrochen werden, um eine gewisse Elastizität zu erreichen, damit letztendlich eine entsprechende textile Heizfläche über eine angenehme Haptik verfügt.When using conductive carbon fiber fleeces, these fiber materials must first be broken down in order to achieve a certain elasticity so that a corresponding textile heating surface ultimately has a pleasant feel.
Das Bedrucken einer textilen Trägerschicht mit einer Polymerdispersion, enthaltend elektrisch leitfähige Partikel, erfordert zum Erzeugen einer stabilen elektrisch leitfähigen Schicht den Schritt des Aushärtens der Polymerdispersion. Um bei diesem Verfahren gewünschte textile Eigenschaften zu erhalten, muss wenigstens eine der Hauptflächen der textilen Trägerschicht vor dem Aufbringen der vernetzbaren Polymerdispersion aufwändig geglättet werden.Printing a textile carrier layer with a polymer dispersion containing electrically conductive particles requires the step of curing the polymer dispersion to produce a stable electrically conductive layer. In order to obtain the desired textile properties in this process, at least one of the main surfaces of the textile carrier layer must be laboriously smoothed before the crosslinkable polymer dispersion is applied.
Bei dem Verfahren mittels Schäumvorrichtung ist zwar das eigentliche Heizelement in das Schaummaterial eingebettet und haptisch nicht mehr fühl- oder spürbar, jedoch ist es dem Schaummaterial eigen, nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch isolierend zu sein. Ein schnelles gewünschtes Aufheizen einer diesbezüglich ausgestatteten Oberfläche eines Fahrzeuginnenteils wird dadurch erschwert oder gar unmöglich.In the process using a foaming device, the actual heating element is embedded in the foam material and can no longer be felt or sensed, but the foam material is not only electrically but also thermally insulating. This makes it difficult or even impossible to quickly heat up a surface of a vehicle interior part that is equipped with this feature.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes formflexibles elektrisches Flächenheizelement mit geringer Wärmekapazität und in beliebiger Ausdehnung zu schaffen, welches ohne aufwändige oder zusätzliche Behandlungsschritte fühlbar textile Eigenschaften erhält.From the above, it is therefore the object of the invention to create a further developed flexible electric surface heating element with low heat capacity and in any desired extension, which without complex or additional treatment steps to obtain noticeable textile properties.
Das zu schaffende Flächenheizelement soll darüber hinaus mit klassischen textiltechnologischen Schritten weiter verarbeitbar, insbesondere vernähbar sein. Die eigentliche Heizleiterstruktur soll bei einer Berührung nicht fühlbar und damit nicht als störend zu empfinden sein. Ein bekanntes Gewebe mit elektrisch leitfähigen Fäden oder die Ausbildung eines Heizelementes durch Bestickung mittels leitfähiger Fäden soll nicht zur Anwendung kommen.The surface heating element to be created should also be able to be further processed using classic textile technology steps, in particular it should be able to be sewn. The actual heating conductor structure should not be noticeable when touched and should therefore not be perceived as disturbing. A known fabric with electrically conductive threads or the formation of a heating element by embroidery using conductive threads should not be used.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Aus- und Weiterbildungen sowie spezielle Anwendungen des erfindungsgemäßen Flächenheizelementes umfassen.The object of the invention is achieved by the teaching according to the combination of features according to claim 1, wherein the subclaims comprise at least expedient embodiments and further developments as well as special applications of the surface heating element according to the invention.
Dem Grundsatz der Erfindung folgend, wird zunächst von einem, ausgangsseitig vollflächig metallisierten, sehr dünnen textilen Substrat, insbesondere einem Polyestervlies ausgegangen.Following the principle of the invention, the starting point is a very thin textile substrate, in particular a polyester fleece, which is completely metallized on the output side.
Dieses leitfähige Substrat, z. B. Polyestervlies, welches bevorzugt mit einer Kupferbeschichtung versehen ist, wird anhand eines berechneten, auf den Einsatzfall bezogenen Heizbahnverlaufes strukturiert.This conductive substrate, e.g. polyester fleece, which is preferably provided with a copper coating, is structured based on a calculated heating track path related to the application.
Diese Strukturierung kann durch ein Cuttersystem, beispielsweise auf Laser- oder Wasserstrahlbasis oder aber mittels digitalem elektrochemischen Ätzen vorgenommen werden.This structuring can be done by a cutter system, for example based on a laser or water jet, or by means of digital electrochemical etching.
Hinsichtlich des Vorganges des Konfigurierens einer Heizbahnstruktur sei z. B. auf die Lehre der
Die strukturierte Heizbahn wird dann zwischen zwei elektrisch isolierenden Kunststofffolien einlaminiert, wobei die Gesamtdicke des Laminats im Bereich ≤ 150 µm liegt derart, dass haptisch und technologisch textilähnliche Eigenschaften gegeben sind.The structured heating track is then laminated between two electrically insulating plastic films, whereby the total thickness of the laminate is in the range ≤ 150 µm such that haptic and technological textile-like properties are provided.
Mindestens eine der eingesetzten Kunststofffolien weist thermoplastische Eigenschaften auf.At least one of the plastic films used has thermoplastic properties.
Das erhaltene Laminat ist textiltechnologisch verarbeitbar, insbesondere vernähbar.The resulting laminate can be processed using textile technology, in particular it can be sewn.
Dadurch, dass sehr flache, jedoch auch sehr breite Leiterbahnen erzeugbar sind, führt auch das Durchstechen bei einem Nähvorgang nicht zu einer unerwünschten Unterbrechung der Leitfähigkeit.Because very flat but also very wide conductor tracks can be created, piercing during a sewing process does not lead to an undesirable interruption of the conductivity.
Spezielle großflächigere Kontaktierungsflächen, welche mehrere ansonsten parallel geschaltete Leiterbahnen verbinden, dienen der Aufnahme von Anschlussdrähten oder dergleichen Kontaktierungsmitteln zur Stromzufuhr.Special larger contact surfaces, which connect several conductor tracks that would otherwise be connected in parallel, serve to accommodate connecting wires or similar contacting devices for power supply.
Die äußerst dünne Ausbildung des Laminats mit den integrierten, ebenfalls sehr dünnen strukturierten Heizbahnen weist eine sehr geringe Wärmekapazität auf, so dass innerhalb kurzer Zeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eine Erwärmung auf einen Bereich im Wesentlichen von 30 bis 40°C möglich wird.The extremely thin design of the laminate with the integrated, also very thin structured heating tracks has a very low heat capacity, so that heating to a range of essentially 30 to 40°C is possible within a short time, depending on the ambient temperature.
Das erfindungsgemäße formflexible elektrische Flächenheizelement kann unmittelbar unter einem Oberstoff angebracht werden und ist durch diesen Oberstoff hindurch nicht fühlbar. Dies ganz im Gegensatz zu gestickten oder durch dickenmäßiges Auftragen erzeugten Leiterbahnen auf Trägerstrukturen.The flexible electrical surface heating element according to the invention can be installed directly under an outer fabric and cannot be felt through this outer fabric. This is in contrast to embroidered conductor tracks or conductor tracks created by applying them in a thick layer to support structures.
Wenn konstruktiv oder anwendungsseitig nötig, kann das erfindungsgemäße Flächenheizelement hinterspritzt und damit formstabilisiert werden, so dass sich eine Vielzahl von Anwendungsbereichen erschließt.If necessary for structural or application reasons, the surface heating element according to the invention can be back-injected and thus dimensionally stabilized, opening up a wide range of application areas.
Durch die eingesetzten Kunststofffolien des Laminats ergibt sich eine wasserabweisende Oberfläche, so dass der Einsatz der Heizung auch im Outdoor-Bereich oder in solchen Bereichen erfolgen kann, bei denen es zur Einwirkung von Feuchtigkeit kommt.The plastic films used in the laminate create a water-repellent surface, so that the heater can also be used outdoors or in areas where moisture is present.
Die eingesetzten Kunststofffolien weisen thermoplastische Eigenschaften auf. Dies ist ein Vorteil bei dem Prozess eines Recyclings.The plastic films used have thermoplastic properties. This is an advantage in the recycling process.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist das eingesetzte Polyestervlies mit einer sehr dünnen Kupferschicht versehen. Diese, sehr dünne, etwa 1 µm starke Kupferschicht schmilzt lokal bei thermischer bzw. stromseitiger Überlastung auf. Hierdurch kann es zu einem Sicherheitsabschalten eines entsprechend bestromten Flächenheizelementes kommen. Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäßen Laminat unmittelbar unter einem Oberstoff angeordnet und zum Beispiel mit diesem durch Verkleben, Vernähen oder dergleichen Technologien verbunden werden.In a special embodiment of the invention, the polyester fleece used is provided with a very thin copper layer. This very thin, approximately 1 µm thick copper layer melts locally in the event of thermal or current overload. This can lead to a safety shutdown of a correspondingly powered surface heating element. As already mentioned, the laminate according to the invention can be arranged directly under an outer fabric and connected to it, for example, by gluing, sewing or similar technologies.
Mindestens eine der Kunststofffolien kann durchsichtig oder transluzent ausgebildet werden.At least one of the plastic films can be transparent or translucent.
Insofern können die Heizbahnverläufe eine Dekorstruktur bilden, beispielsweise eine Buchstaben- oder Zeichenfolge, ein Firmenlogo oder ähnliches darstellen. In this respect, the heating track courses can form a decorative structure, for example a letter or character sequence, a company logo or similar.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, innerhalb des Laminates zusätzliche elektrische oder elektronische Komponenten einzubetten oder oberhalb des Laminates anzuordnen.It is also possible to install additional electrical or electronic embed mechanical components or arrange them above the laminate.
Dies kann beispielsweise ein Taster, eine lichtemittierende Diode oder ein sonstiges elektronisches Mittel sein.This can be, for example, a button, a light-emitting diode or another electronic device.
Um eine Wärmeabstrahlung in definierter Richtung zu erzeugen, besteht die Möglichkeit, unterhalb des Laminats eine Isolierschicht oder eine, die Wärmestrahlung reflektierende Schicht anzuordnen.In order to generate heat radiation in a defined direction, it is possible to arrange an insulating layer or a layer that reflects the heat radiation underneath the laminate.
Unterschiedliche Schmelzpunkte der eingesetzten Kunststofffolien erweisen sich als vorteilhaft bei Recycling entsprechender Flächenheizungen.Different melting points of the plastic films used prove to be advantageous when recycling corresponding surface heating systems.
Das extrem dünne Laminat passt sich unterschiedlichen Trägerstrukturen ohne weiteres an und fühlt sich bei einer Berührung wie klassisches Textilmaterial an.The extremely thin laminate adapts easily to different support structures and feels like classic textile material to the touch.
Aufgrund der geringen Wärmekapazität des erfindungsgemäßen Flächenheizelementes besitzt dieses nach dem Abschalten und dem Beenden einer elektrischen Stromzufuhr über eine sehr geringe Nachheizzeit.Due to the low heat capacity of the surface heating element according to the invention, it has a very short post-heating time after switching off and terminating the electrical power supply.
Die besonderen Eigenschaften des erfindungsgemäßen formflexiblen elektrischen Flächenheizelementes führen dazu, das selbiges als Bestandteil einer zu beheizenden Oberfläche in einem Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug eingesetzt werden kann. Hierbei kann es sich zum Beispiel um die Innenseite eines Fahrzeugdaches, um weitere Innenverkleidungsteile, welche beheizt werden sollen, um eine Türinnenverkleidung, aber letztendlich auch um eine klassische Sitzheizung handeln.The special properties of the flexible electrical surface heating element according to the invention mean that it can be used as part of a surface to be heated in a land, water or air vehicle. This can be, for example, the inside of a vehicle roof, other interior trim parts that are to be heated, an interior door trim, but ultimately also a classic seat heater.
Dem entsprechenden Innenverkleidungsteil wird dann durch eine geeignete Wahl eines Dekorschichtmaterials das gewünschte Erscheinungsbild verliehen. Als Dekorschichtmaterialien kommen alle denkbaren Materialien wie Leder, also Natur- oder Kunstleder, Stoff, Folien oder andere flächige Materialien in Betracht.The corresponding interior trim part is then given the desired appearance by choosing a suitable decorative layer material. All conceivable materials such as leather, i.e. natural or artificial leather, fabric, foils or other flat materials can be considered as decorative layer materials.
Das erfindungsgemäße Flächenheizelement kann ebenso als Bestandteil einer zu beheizenden Oberfläche von Outdoor-Sportgeräten oder Outdoor-Mobiliar eingesetzt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, das Flächenheizelement für zu beheizende medizinische Applikatoren, insbesondere zur Schmerzbehandlung durch Wärmeeinwirkung einzusetzen. Auch findet das Flächenheizelement Anwendung im Bereich zu enteisender Gerätschaften.The surface heating element according to the invention can also be used as a component of a surface to be heated on outdoor sports equipment or outdoor furniture. It is also possible to use the surface heating element for medical applicators to be heated, in particular for pain treatment through the application of heat. The surface heating element is also used in the area of equipment to be defrosted.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der elektrisch leitfähigen Eigenschaften das Flächenheizelement als Bestandteil von Rotoren für Windkraftanlagen nutzbar ist. Insofern können derartige Rotoren mit dem erfindungsgemäßen Flächenheizelement beschichtet werden. Ein Vereisen der Rotoren kann hierdurch unterbunden und gleichzeitig ein Ableiten statischer elektrischer Entladungen realisiert werden.A further advantage of the invention is that, due to its electrically conductive properties, the surface heating element can be used as a component of rotors for wind turbines. In this respect, such rotors can be coated with the surface heating element according to the invention. This prevents the rotors from icing up and at the same time dissipates static electrical discharges.
Eine weitere, beispielhafte Anwendung besteht in der Nutzung als Bestandteil von Auflagen für Kleinkinder, beispielsweise aber auch als Einsatzelement zum Beheizen von Kindersicherheitssitzen.Another example application is its use as a component of cushions for small children, but also, for example, as an insert element for heating child safety seats.
Aus praktischen Untersuchungen hat es sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Flächenheizelement ohne Schäden geknickt oder auch um spitze Winkel geführt werden kann.Practical tests have shown that the surface heating element according to the invention can be bent or guided around acute angles without damage.
Das eingesetzte metallisierte Polyestervlies besitzt einen definierten Flächenwiderstand, so dass je nach vorgesehener Heizleistung und genutzter elektrischer Kleinspannung eine einfache Konfiguration der flächigen Ausdehnungen der Leiterbahnen ermittelt werden kann. Dabei ist es von Vorteil, von Leiterbahnbreiten im Bereich von im Wesentlichen 5 bis 10 mm auszugehen und die Isolationsabstände zwischen den einzelnen Leiterbahnen zu minimieren, beispielsweise auf einen Abstand von ≤ 1 mm. Derartig breite Leiterbahnen mit geringem Abstand untereinander verbessern nochmals das positive haptische Empfinden bei der Berührung der Oberfläche eines entsprechenden Flächenheizleiters bzw. eines damit versehenen Gegenstandes.The metallized polyester fleece used has a defined surface resistance, so that a simple configuration of the surface dimensions of the conductor tracks can be determined depending on the intended heating power and the low electrical voltage used. It is advantageous to assume conductor track widths in the range of essentially 5 to 10 mm and to minimize the insulation distances between the individual conductor tracks, for example to a distance of ≤ 1 mm. Such wide conductor tracks with a small distance between them further improve the positive haptic sensation when touching the surface of a corresponding surface heating conductor or an object equipped with one.
Als textile Substrate können auch metallisierte, vernickelte Gewebe oder versilberte und anschließend verkupferte Gewebe eingesetzt werden.Metallized, nickel-plated fabrics or silver-plated and then copper-plated fabrics can also be used as textile substrates.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 199 11 519 A1 [0009]DE 199 11 519 A1 [0009]
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Legal Events
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