Die vorliegende Erfindung betrifft ein flächiges Heizelement, insbesondere zur Beheizung von benutzerberührten Flächen eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs, mit mindestens einer Heizzone, in der mindestens ein elektrischer Leiterstrang zum Heizen angeordnet ist, mit mindestens einem weiteren Leiterstrang zum Einspeisen von elektrischer Energie in den mindestens einen Leiterstrang zum Heizen der Heizzone, mit einem Kontaktierungsbereich, in dem der Leiterstrang zum Einspeisen von elektrischer Energie mit dem mindestens einen Leiterstrang zum Heizen der Heizzone elektrisch leitend verbunden ist.

Bekannt sind flächige Heizelemente mit zwei oder mehr Kontaktleitern, die miteinander durch mehrere Heizleiter elektrisch leitend verbunden sind. Diese Heizleiter und/oder Kontaktleiter können bspw. aus Kupfer oder aus einem anderen geeigneten Leitermaterial mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit bestehen und können ggf. durch eine äußere Isolierung abgeschirmt und/oder verstärkt sein. Leiter, die zumindest teilweise aus Kupfer bestehen, sind jedoch nur begrenzt mechanisch belastbar, so dass nach länger dauernder Benutzung Störungen durch Materialermüdungen und/oder -brüchen auftreten können. Dies liegt in erster Linie an der nur ungenügenden Biege-Wechsel-Belastbarkeit des Kupfermaterials. Bei derartigen Heizelementen kann es zum Bruch von Kontakt- und/oder Heizleitern kommen. In diesem Fall entsteht an der Bruchstelle eine Unterbrechung der elektrischen Versorgung. Das Heizelement ist dann zumindest in den nicht mehr stromdurchflossenen Bereichen nicht mehr funktionsfähig.

Aus DE 41 01 290 ist bekannt, eine Vielzahl von Heizleitern mit einer Vielzahl von Kontaktleitern zu kontaktieren, um so Redundanz für den Fall des Ausfalls einzelner Leiter zu schaffen. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen die dort beschriebenen Heizelemente immer noch nicht ausreichend robust und sicher sind.

Es ist bekannt, Leiter aus Kupfer zu versilbern, um sie gegen Korrosion zu schützen. Ist das Silber jedoch nicht porendicht aufgetragen, kann das Kupfer trotzdem angegriffen werden. Außerdem diffundiert das Silber mit der Zeit in das Kupfer. Dadurch bildet sich eine Grenzschicht aus einer Ag-Cu-Legierung, die sehr spröde ist. Brüche dieser Grenzschicht bilden Anfangsrisse, die den Leiter ebenfalls gefährden.

Um diesem Problem abzuhelfen, können sog. Manteldrähte verwendet werden, bei denen elektrische Leiter mit einem Stahlkern versehen sind, die einen Kupfermantel aufweisen. Ein Manteldraht aus einem Mantel aus Platin und einem Kern aus einem edelmetallhaltigen Werkstoff ist aus DE 38 32 342 C1 bekannt. Der Kern kann auf Kriterien wie Flexibilität, Reiß- und Zugfestigkeit und Biege-Wechsel-Festigkeit abgestimmt werden, während der Mantel hinsichtlich der gewünschten elektrischen Eigenschaften optimiert werden kann.

Ein Manteldraht mit einem Kern aus rostfreiem Stahldraht und einem Mantel aus Kupfer ist aus DE 196 38 372 A1 bekannt. Ein Manteldraht, bei dem der Mantel aus Stahl und der Kern aus Kupfer oder wahlweise umgekehrt bestehen kann, ist schließlich in DE 102 06 336 A1 beschrieben.

Ein bedeutender Nachteil dieser bekannten Materialkombinationen besteht in den relativ hohen Kosten und der nur begrenzten Korrosionsbeständigkeit der Manteldrähte. Die Kupferumhüllung leitet zwar den elektrischen Strom für die meisten Anwendungsfälle ausreichend gut, doch ist sie für manche Einsatzzwecke nicht ausreichend gegen Korrosion beständig.

Aus JP 2001-217058 ist ein Heizleiter bekannt, bei dem eine Vielzahl von Kohlenstoff-Fasern von einem Schrumpfschlauch ummantelt sind. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht sehr bruchfest.

Nachfolgend sind wesentliche Begriffe dieser Schrift erläutert:

Ein Strang ist ein längliches Gebilde, dessen Längenabmessungen die Abmessungen seines Querschnittes bei weitem übertreffen. Vorzugsweise weisen die beiden Dimensionen des Querschnittes in etwa ähnliche Abmessungen auf. Vorzugsweise ist das Gebilde biegeelastisch, aber in einem festen Aggregatszustand.

Unter filamentartig wird hier verstanden, dass das so bezeichnete Objekt aus einer kurzen oder langen Faser oder aus einem Monophil- oder Multifilamentfaden gebildet ist.

Ein Leiterstrang ist ein Strang, in dem sich ein, mehrere oder viele filamentartige elektrische Leiter erstrecken, vorzugsweise im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Stranges. Ein Leiterstrang kann selbst aus einer Vielzahl von Leitersträngen aufgebaut sein.

Eine Mantelschicht ist eine Schicht, die direkt oder indirekt einen Strang zumindest teilweise umhüllt, jedoch nicht zwangsweise die äußerste den Strang umhüllende Schicht.

Ein Kunststoff ist jedes synthetische, in der Natur nicht auftretende Material, insbesondere Polymere und daraus abgeleitete Substanzen wie Carbonfasern.

Temperaturbeständig bedeutet, dass das betreffende Material bei Temperaturänderungen des Alltags seine Form und seine Festigkeit allenfalls unwesentlich ändert, chemisch stabil bleibt und den gleichen Aggregatszustand wie bei Standardumgebungsbedingungen beibehält.

Chemisch inaktiv bedeutet inert, d. h. auch bei Einwirkung korrosiver Substanzen verändert sich das so bezeichnete Objekt nicht, zumindest nicht bei solchen Substanzen wie Schweiß, Kohlensäure oder Fruchtsäuren.

Unter Metallisieren wird das Versehen mit einer metallischen Beschichtung verstanden, z. B. durch Galvanisieren oder Sputtern.

Ein Sitzspiegel ist ein großflächiger, mittiger Bereich einer Stützfläche eines Sitzes, die zur Abstützung des Gesäßes eines Benutzers bestimmt ist.

Sitzlehne ist ein großflächiger, mittlerer Bereich einer Stützfläche eines Sitzes, die zur Abstützung eines Rückens eines Benutzers bestimmt ist.

Sitzwangen sind meist vom Sitzspiegel abgesetzte und meist etwas erhöhte längsseitige Abschnitte der Stützfläche, die zur seitlichen Abstützung eines Benutzers insbesondere bei Kurvenfahrten bestimmt sind. Unter diesem Begriff werden hier sowohl die Wangen neben dem Sitzspiegel zur Abstützung der Oberschenkel, als auch die Wangen an der Lehne zur Abstützung der Schultern eines Benutzers bezeichnet.

Unter andersartig wird verstanden, dass zwei Objekte zumindest bzgl. einer für die technische Funktionserfüllung relevanten und/oder grundlegenden Eigenschaft voneinander verschieden sind. Insbesondere sind alle Merkmale elektrischer Leiterstränge gemeint, die die Belastbarkeit, Lebensdauer, Materialauswahl, Materialkombinationen, Querschnittsformen-Aufbau und -Abmessungen, ihre Einbindung und Kontaktierung in das Heizelement grundsätzlich betreffen.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizelement herzustellen, das ausreichend dauerbelastbar, korrosionsbeständig und kostengünstig herzustellen ist.

Der Gegenstand von Anspruch 1 bezieht sich dabei einen Grundtyp eines Heizelementes, der von Anspruch 2 auf eine vorteilhafte Ausgestaltung mit elektrisch beheizbaren Textilien und der von Anspruch 3 auf ein Heizelement mit auf einem Träger als Grundfläche verlegten Heizlitzen.

Der Gegenstand von Anspruch 4 ist besonders gegen Ausfälle einzelner Leiter geschützt. Der Gegenstand von Anspruch 5 weist eine zusätzliche Sicherung durch eine alternative Ausgestaltung eines Zusatzleiters auf.

Ein Heizelement gemäß Anspruch 6 beschreibt eine zweckmäßige Kontaktierungsform zwischen Zusatzleiter und Heiztextil/Heizleitern, die mit den Merkmalen von Anspruch 7 zusätzlich ausfallsicher und belastbar wird.

Ein Heizelement gemäß Anspruch 8 weist einerseits ausreichend Kontaktflächen an einer Vielzahl von Einspeisungspunkten zwischen Leitersträngen zum Heizen und solchen zum Einspeisen von Strom auf, andererseits bildet die Aufnahme eines Zusatzleiters in diesem Bereich ein Netzwerk, das bei Bruch einzelner Leiter leicht Strom zwischen den Netzmaschen umleiten kann.

Bei einem Heizelement gemäß Anspruch 9 ist es überflüssig, den Zusatzleiter über eine Versorgungsleitung zu kontaktieren, wodurch die Montage des Heizelementes deutlich vereinfacht wird.

Ein Heizelement nach Anspruch 10, 11 oder 12 weist besonders robuste Leiterstränge auf.

Ein Heizelement nach Anspruch 13, 18 und 20 weist eine Vielzahl sehr dünner Einzelleiter auf, die zusammen eine große Oberfläche und einen niedrigen Widerstand besitzen, obwohl ein großer Teil des Querschnitts des Stranges aus einem nicht leitenden (Kunst-)Stoff besteht.

Ein Heizelement nach Anspruch 14 zeichnet sich durch hohe Belastbarkeit bei niedrigen Materialkosten aus. Die Eigenschaften der Ansprüche 15, 16 und 17 machen die Leiterstränge des Heizelementes zusätzlich korrosionsbeständig.

Ein Heizelement nach Anspruch 19 ermöglicht zusätzliche Sicherheitsfunktionen und eine einfache Montage des Heizelementes.

Ein Heizelement nach Anspruch 21 weist Leiterstränge auf, die trotz einer Vielzahl von Einzelsträngen kompakt aufgebaut sind und einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand haben.

Ein Heizelement nach Anspruch 22 weist für die jeweiligen elektrischen Funktionen optimierte Leiter auf.

Ein Heizelement nach Anspruch 23 ist einfach zu montieren, da sich die Leiterstränge zum Einspeisen von elektrischer Energie und/oder zum Heizen und oder die Leiterstränge des Zusatzleiters einfach z. B. als Bandmaterial oder Endlosware vorkonfektionieren lassen und z. B. nur noch aufgebügelt werden brauchen.

Ein Heizelement nach Anspruch 24 hat den Vorteil, dass an einer Grenze zwischen einem Sitzspiegel und einer Sitzwange keine aufwendigen Schutzmaßnahmen für das Durchführen von Heizleitern über den Grenzbereich (den sogenannten Grabenübergang) getroffen werden brauchen. Selbst wenn ein Leiterstrang zum Heizen bei der weiteren Verarbeitung des Heizelementes hier von einer Nähnadel getroffen werden sollte, so ist z. B. durch den Zusatzleiter oder die Materialwahl des Leiterstranges die Stromversorgung der Sitzwange sichergestellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen flächigen Heizelements erläutert. Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf ein flächiges Heizelement

2 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bruchstelle einer als Litze ausgebildeten Elektrode gemäß dem Detail A aus 1

3 eine vergrößerte Draufsicht auf ein Detail eines Kontaktierungsbereichs

4 einen vergrößerten Querschnitt durch einen elektrischen Leiter

5 eine vergrößerte Ansicht eines Gesamtbündels eines Leiterstrangs

6 eine Alternative zur Ausführungsform von 1

1 zeigt ein elektrisches Heizelement 20 mit einem flächigen Träger 8, mit einem Paar Elektroden 30, welche beabstandet und in etwa parallel zueinander daran angeordnet und in Kontaktbereichen 200 über eine Vielzahl von Heizleitern 40 miteinander verbunden sind. Die Heizleiter 40 sind in etwa parallel zueinander am Träger 8 angeordnet und elektrisch parallel geschaltet. Die Elektroden 30 ihrerseits sind über elektrische Verbindungsleitungen 50 mit einer Stromquelle 70 verbunden. Die Heizleiter 40 sind gebildet aus Leitersträngen 1 zum Heizen des Heizelementes, vorzugsweise aus carbonisierten Kunststoff-Fäden. Die Elektroden 30 sind gebildet aus Leitersträngen 2 zum Einspeisen von elektrischer Energie in das Heizelement 20, vorzugsweise aus Litzen aus Kupfer.

Im Betrieb strömt Strom aus der Stromquelle über eine Verbindungsleitung 6 und die eine Elektrode 30 in die Vielzahl von Heizleitern 40. Deren Erwärmung beheizt die Heizzone 100. Von dort fließt der Strom dann über die andere Elektrode 30 und die Verbindungsleitung 6 wieder zur Stromquelle zurück. Die Stromstärke des Heizstromes beträgt dabei beispielsweise zwischen 4 und 5 A bei einer Betriebsspannung von 12 V.

In 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Kreuzungsbereiches einer Elektrode 30 mit Heizleitern 40 dargestellt. Gezeigt ist ein Bruch von Leitersträngen 2 der Elektrode 30. Der in 2 dargestellte Elektrodenbruch führt zu einem Teilausfall des elektrisch abgetrennten Teils des flächigen Heizelements 20.

Um solche Situationen zu vermeiden, verbindet ein Zusatzleiter 3 bei der Ausführungsform in 1 die Endabschnitte 36, 37 einer Elektrode 30 elektrisch miteinander und ist ansonsten von der Elektrode 30 beabstandet, um nicht den gleichen Belastungen unterworfen zu sein.

3 zeigt eine Ausführungsform des Heizelementes, bei der der Zusatzleiter 3 alternativ parallel der Leiterstränge 2 der Elektroden 30 innerhalb des Kontaktierungsbereiches 200 verläuft. Der Zusatzleiter 3 ist hier um Größenordnungen robuster als die Leiterstränge 2 zum Einspeisen von elektrischer Energie. Falls alle Leiterstränge 2 versagen sollten, bleibt der Zusatzleiter 3 wegen seiner höheren mechanischen Belastbarkeit noch intakt. In den Zusatzleiter 3 wird dann der Strom von den Leitersträngen 2 vor der Bruchstelle über eine Vielzahl von Einspeisungspunkten 33 in dazwischen gebildete Überbrückungsstrecken 42 eingespeist, die aus kurzen Abschnitten der Heizleiter 40 gebildet sind. Von dort fließt der Strom in den Zusatzleiter 3. Nach Überqueren der Bruchstelle verteilt sich der Strom dann wieder auf die hinter der Bruchstelle liegenden Überbrückungsstrecken 42 und die durch den Bruch abgetrennten Teile der Leiterstränge 2.

Der Zusatzleiter 3 kann bei einer solchen Ausführungsform mit dem bisherigen Herstellungsverfahren für die Kontakt-Elektroden 30 in diese integriert werden. Dazu werden eine oder mehrere der bisherigen Leiterstränge 2 – vorzugsweise unisolierte Litzen – der Kontakt-Elektrode 30 bei ihrer Herstellung durch die Leiterstränge 3a der Zusatzleiter 3 ersetzt.

Eine mäanderförmige Anordnung der einzelnen Leiterstränge 3a des Zusatzleiters trägt zur Erhöhung der Belastbarkeit des Zusatzleiters bei Zugspannung in seiner Längsrichtung bei.

Als zusätzlichen Schutz weisen vorzugsweise sowohl die Elektroden 30 als auch die Heizleiter 40 und die Zusatzleiter 3 Leiterstränge 1, 2, 3a mit Kunststoffkern und Gold-Silber-Beschichtung oder Nickeldrähte auf. Dabei sind die Heizleiter zur entsprechenden Erhöhung ihres Widerstandes mit einer dünneren Edelmetallbeschichtung ausgestattet als die Elektrodenleiter.

4 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiterstranges 10, der einen Kern aus Kunststoff und eine Umhüllung aus einem Edelmetall aufweist.

Der elektrische Leiter 10 umfasst einen filamentartigen Innenstrang 12 aus einem elastischen, reißfesten und temperaturbeständigen Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyamid, der sehr bruchfest, reißfest und temperaturbeständig ist. Der fadenförmige Kern 12 ist mit einer Umhüllung 14 aus Nickel, Gold, Silber oder einer Gold-Silber-Legierung umhüllt, die insbesondere auf galvanischem Weg aufgebracht sein kann. Die Umhüllung 14 ist sehr duktil und damit über eine lange Betriebsdauer sehr biegewechselbeständig. Der Kern 12 ist sehr reißfest und biegewechselbelastbar, so dass der elektrische Leiter 10 ideale mechanische Eigenschaften und sehr gute elektrische Eigenschaften, bspw. für den Einsatz als elektrischer Heizleiter o. dgl. aufweist.

Der Kerndurchmesser kann zwischen ca. 0,01 mm und ca. 1 mm betragen, während ein sinnvoller Durchmesser für die Ummantelung 14 bei ca. 0,02 bis 3 mm liegen kann. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Innenstrang 12 und Mantelschicht 14 Querschnittsflächen in einem Verhältnis zwischen 1:4 und 10:1 aufweisen, vorzugsweise dass Innenstrang 12 und Mantelschicht 14 ungefähr gleich große Querschnittsflächen aufweisen.

Je nach Bedarf kann die Querschnittsfläche des Kerns 12 größer oder kleiner als die des Mantels 14 sein. Bei einem Leiter 10, der besonders starker mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist, kann es bspw. sinnvoll sein, den Kerndurchmesser größer zu wählen, um einen Bruch oder eine Verletzung des Leiters 10 bzw. des metallischen Mantels 14 zuverlässig auszuschließen.

Mehrere Einzelstränge 16 in Form von elektrischen Leitersträngen 10 entsprechend 4 können in vorteilhafter Weise, wie in 5 gezeigt, zu einem Strangbündel 17 bzw. zu einem Zwirn verdreht werden. So können bspw. 30 bis 50 Einzelstränge 16 zu einem Faden verzwirnt werden, von denen wiederum mehrere zu einem elektrischen Gesamtbündel 19 verzwirnt werden können. So kann ein Leiterstrang mit einer Vielzahl von Einzelsträngen gebildet werden, der sich problemlos vernähen lässt. Wird der Leiterstrang von einer Nähnadel durchstoßen, so werden nur einzelne der Filamente verletzt, ohne dass dies die Gesamtfunktion oder die elektrischen oder mechanischen Eigenschaften des Gesamtbündels des Leiterstranges nennenswert beeinflusst. Die Fixierung durch einen Nähfaden kann zudem nicht zu einem mechanischen Bruch führen, da der Faden sehr bruchfest ist.

Ggf. kann um die Ummantelung 14 eine zusätzliche Isolationsschicht oder Kleberschicht (nicht dargestellt) angeordnet sein, die vorzugsweise aus Kunststoff besteht.

Der elektrische Leiterstrang 10 bzw. das Gesamtbündel 19, das aus einer Vielzahl von verzwirnten elektrischen Leitersträngen 10 besteht, eignet sich zur Bildung von elektrischen Heizelementen, insbesondere zum Einbau in Fahrzeugsitzen oder in Lenkrädern. Er kann dabei als Elektrode und/oder als Heizleiter vorgesehen sein.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Zusatzleiter 3 in die Elektrode 3 integriert und vorzugsweise zumindest zwischen den Endabschnitten 36, 37 von der Kontakt-Elektrode 3 isoliert und/oder beabstandet ist.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Zusatzleiter 3 als elektrisch leitfähiges Band gestaltet ist und die Leiterstränge 2 zum Einspeisen von elektrischer Energie darauf fixiert sind. Dieses Band kann z. B. ein Geflecht aus elektrischen Leitersträngen, eine Metallfolie, ein metallisiertes Vlies (z. B. verkupfert, verzinnt), ein Gewirke und/oder ein Gestrick sein. Es sollte einen Flächenwiderstand von unter 5 m &OHgr;/☐ aufweisen. Die Leiterstränge 2 können bspw. aufgenäht oder eingenäht sein.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Endabschnitte wenigstens einer Kontakt-Elektrode 3 durch einen elektrischen Zusatzleiter 3 miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

6 zeigt ein Heizelement 20 mit einem Träger 8, an dem ein Heizleiter 40 die Heizzone 100 im Wesentlichen vollständig überstreichend angeordnet ist. Der Heizleiter 40 ist gebildet aus einem Leiterstrang 1, vorzugsweise aus einem Gesamtbündel 17 von Einzelsträngen. An jedem seiner beiden Enden ist der Heizleiter 40 in einer Kontaktzone 200 mit jeweils einer Verbindungsleitung 50 elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise gecrimpt. Die Verbindungsleitung 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit den Leitersträngen 2 zur Einspeisung elektrischer Energie und der Verbindungsleitung 6 identisch. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Strom über eine Verbindungsleitung 50 in das eine Ende des Heizleiters 40 eingespeist. Er durchströmt den Heizleiter 40 dann über seine gesamte Länge und beheizt dabei die Heizzone 100. Dann wird er über das andere Ende des Heizleiters 40 an der Kontaktzone 200 über die Verbindungsleitung 50 wieder zurück zur Stromquelle geführt.