DE102004058721A1

DE102004058721A1 - A method for heating flexible surfaces uniformly has pressure dependent resistance PTC heating elements which reduce the heating when compressed

Info

Publication number: DE102004058721A1
Application number: DE102004058721A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Hammerer
Original assignee: IQ-MOBIL GmbH; IQ Mobil GmbH
Current assignee: IQ-MOBIL GmbH; IQ Mobil GmbH
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2005-07-28
Also published as: WO2005055661A3; WO2005055661A2

Abstract

The PTC heating unit (1) has metal foil sheets (4) connected to a suitable electrical supply. The application of a local pressure (p) compresses a section of the heater resistor (8), increasing the resistance and reducing the heating effect.

Description

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.Known are warming devices such as heating mats and the like, the heating wires, Heating spirals and appropriate wire mesh have. By creating of an electric current these elements due to their electrical resistance. different warming Within a range can be characterized by a different Reach element density. By means of heat sensors and control elements can be a desired Temperature can be adjusted.

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.adversely In such devices is that after application of the current all Areas of the surface be heated according to the prevailing electrical resistance. Is only part of the area according to the occupation of the area to warm, this is not possible or only by complicated regulation. This also applies to the setting of the temperature.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein adaptives Erwärmen einer Oberfläche hinsichtlich Temperatur und bestimmter unter Umständen wechselnder Bereiche ermöglicht.Of the Invention has for its object to provide a device the adaptive heating a surface in terms of temperature and certain possibly changing Areas allows.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Mehrschichtheizelement im Verbundaufbau als druckabhängiger elektrischer Widerstand vorgesehen ist.The Task is solved by that a multilayer heating element in the composite structure as a pressure-dependent electrical Resistance is provided.

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 Regelungsaufwand.On This way, surfaces can be adjusted accordingly to warm their occupancy. In the unloaded state, the electrical resistance of the device high, so that only a very small electric current flows, the no or very little warming generated. Will the area with pressurized, the electrical resistance of the device decreases significantly, leaving a considerable current through the device flow can and get the area heated in the loaded area. It will thus be a high level adaptivity achieved, namely no Energy consumption at unloading, high energy saving by the exclusive Heating of contaminated zones, unloaded zones are not heated and almost no regulatory effort.

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.such Devices can be used as seat heaters in passenger cars, aircraft, Event centers such as stadiums, churches, as disposable heaters for operating tables in the form of meter rolls or for thermal imaging, with thermal imaging cameras to be included, for example, to display printed images and in orthopedics For example, to record footprints for creating orthopedic Insoles.

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.A Teaching of the invention provides that an outer layer of the multilayer element consists of an electrically conductive material. This represents one easy way a flat To ensure power supply. This layer is made of a conductive material, preferably Made of metal, to allow a low-resistance power supply.

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.Of Further, the invention provides that in the interior of the multi-layer element an electrically conductive material is arranged, which is its conductivity changes depending on pressure. These Layer is preferably made of a plastic. This plastic is in a particularly preferred embodiment with an electric conductive Material doped. In this case, the pressure dependence of the electrical conductivity of the plastic depend on the degree of doping. The resistance is so constructed materials is particularly good changeable by pressurization. Advantageously, the plastic is one Foam that also has cushioning properties.

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.A Further teaching of the invention provides that the multilayer element consists of three layers. These are the outer lead layers and the pressure-resistance changeable elements arranged between them Layer. Such a construction provides a simple and inexpensive Structure of a device according to the invention.

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.A Another teaching of the invention provides that it is in the conductive dopant to Carbon acts. Carbon-doped plastics are commercially available and thus inexpensive available.

Des weiteren sieht die Erfindung vor, dass die Dotierung derart ausgeführt ist, dass sich der elektrische 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.Of Further, the invention provides that the doping is carried out in such a way, that the electrical resistance is proportional to the locally applied Pressure changes. Also, it is desirable if the doping is adjusted so that already at sufficient low voltages sufficient currents can flow for heating, so on voltage protection measures can be waived.

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.Furthermore, a teaching of the invention provides that the outer layer is constructed of discrete conductor tracks. It is advantageous if the strip conductors are arranged offset to one another on the opposite outer layers, whereby crossing areas between the opposite conductor tracks through the plastic arise. Particularly advantageous they are doing right arranged at an angle. As a result, individual heat elements advantageously form, which together form a heating matrix. Due to the discrete conductor tracks, the individual heating elements can be controlled directly, whereby a concrete power supply for targeted heating is possible to save energy.

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.It it can be provided that the outer layer is a resistance material with temperature dependent Has resistance. In particular, the resistance material can have a have positive temperature gradient. This can be done in a simple way realized a current limit and thereby a temperature control become. By the electrical resistance of the resistance material in a warming, e.g. through the current flowing through, increases, the total resistance of the device is increased, so that at constant applied voltage, the current through the device is limited to a predetermined value. The predetermined value results from the total resistance of the device at the desired Maximum temperature and the applied voltage. Thus, a temperature control to the desired Maximum temperature available be put.

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.It can be provided that the resistance material with the pressure-dependent electrical Resistor is thermally coupled to a temperature dependent on the temperature pressure-dependent electrical Resistance to change his resistance. The thermal coupling serves to the electrical resistance of the resistance material from the temperature of the pressure-dependent electrical resistance dependent close.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des druckabhängigen elektrischen Widerstandes das Temperatur abhängige Widerstandsmaterial vorgesehen ist.It can also be provided that on two opposite surfaces of the pressure-dependent electrical resistance provided the temperature-dependent resistance material is.

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.Advantageous it is according to one further teaching of the invention, when conductor tracks incorporated into a surface are. In this case, one side of the conductor tracks partially or completely incorporated be. An embodiment hereby offers the possibility to weave the conductor tracks in a fabric or upholstery. such Pads can be used in motor vehicles, for example, whereby the heating elements incorporated directly into the motor vehicle seats can be.

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.A Another teaching of the invention provides that a sealing protective cover is provided. Thus, the device is hermetically sealed and thus against environmental influences sealed in the form of moisture or the like. For this one can thin protective cover provided be.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschriebenen. Dabei zeigen schematisch:following the invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings further described. Here are shown schematically:

1 einen Schaltplan eines ersten Wärmeelements; und 1 a circuit diagram of a first heating element; and

2 einen druckbeaufschlagten Bereich eines zweiten Wärmeelements. 2 a pressurized area of a second heating element.

In 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 Airbagauslösung bestimmen lassen.In 1 is a schematic diagram of a first device according to the invention shown schematically. A homogeneous heating element 1 consists of a conductive composite, also referred to as a sandwich, which consists of a mat of carbon-doped foam, which on the surfaces 2 . 3 with a metal foil 4 coated, which serves to ensure the power supply of the individual sections. About the leads is a voltage 7 applied, which may be a DC or AC voltage. The self-adjusting current can be via a series resistor 5 be varied as needed, so that a maximum amperage is adjustable, by which the heating element 1 is heated. Furthermore, a measuring device 6 be provided, which measures the flowing current i in its strength. Hereby, the applied pressure or the applied force can be determined, whereby occupancy conditions, for example, of seats in cars can be determined for the airbag deployment.

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. 2 schematically shows that by an applied pressure p on the surface 2 of the heating element 1 the electrical resistance of the heating element 1 decreases because the conductivity increases within the range of compression by densification of the doping concentration. This allows between the surfaces 2 . 3 a current flowing to the compression zone 8th locally heated. In the uncompressed areas, the doping and thus the resistance remains constant, whereby a current flow is omitted and thus no heating occurs.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine der Metallfolien 4' 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.According to a further embodiment, at least one of the metal foils 4 ' on the surfaces 2 . 3 of the heating element 1' formed with a PTC resistor material, ie with a material having a temperature-dependent resistor, which has a positive temperature gradient. For example, the resistance material contains an alloy of copper and aluminum. Any other material with a positive temperature gradient can be used on the heating element 1 can be applied in a suitable manner as a layer or film.

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 Maximaltemperatur 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.As a result, a current limit and thereby a temperature control can be realized in a simple manner. The PTC resistor material is thermal with the heater 1' coupled, so that the electrical resistance of the PTC resistor material when heated by the heating element 1' increases. In this way, the PTC resistance material changes its resistance locally depending on the temperature of the pressure-dependent electrical resistance in the region in which the pressure is exerted. As a result, as the temperature increases, the total resistance of the device increases, so that the current through the device is limited to a predetermined value with a constant applied voltage. From the product of the voltage and the total resistance of the heating element and the metal foils at a maximum temperature results in the entire heating power. The maximum temperature can be adjusted by selecting the PTC resistor material. Thus, a temperature control can be provided, which controls the heating temperature to the desired maximum temperature. In this embodiment, the bias resistor 5 be dispensed with, since the current limit is taken over by the PTC resistor material.

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.Of Let others the device use as a pressure-dependent measuring element. The current flowing through the pressurization is measured therefor and lets direct conclusions on the prevailing pressure too. The device according to the invention is suitable thus for use in the automotive sector as occupancy sensor for motor vehicles. On can Functions in the vehicle are controlled by the pressure determination. This is, for example, the seat position determination for targeted triggering of an airbag depending from the sitting position. Also, the vehicle suspension by determining the change the pressure gradients changing at the seat road conditions be adjusted.

Claims

Characterized in heating a surface by a multi-layer heating element in the composite structure as a pressure-dependent electrical resistance.

Device according to claim 1, characterized in that that inside the multilayer heating element is an electrically conductive Material is arranged, which changes its conductivity dependent on pressure.

Device according to Claim 1 or 2, characterized that it is the pressure dependent electrically conductive Material is a plastic.

Device according to claim 3, characterized in that that the plastic is doped with an electrically conductive material.

Device according to claim 4, characterized in that that the pressure dependence the electrical conductivity of the plastic depends on the degree of doping.

Apparatus according to claim 3 or 4, characterized that it is the conductive Doping material is carbon.

Device according to one of claims 4 to 6, characterized that the doping carried out in such a way is that warming up changes proportionally to the locally applied pressure.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized that an outer layer of the Multi-layer heating element made of an electrically conductive material consists.

Device according to claim 8, characterized in that that is the electrically conductive material of the outer layer is a metal layer.

Device according to claim 8, characterized in that that the outer layer is constructed of discrete tracks.

Device according to claim 10, characterized in that that the tracks on the opposite outer layers offset from each other, thereby crossing areas between the opposite one Tracks are formed through the plastic.

Device according to claim 11, characterized in that that the conductor tracks are arranged at right angles to each other.

Device according to claim 11 or 12, characterized in that that each crossing area is an individual heating element represents.

Device according to claim 13, characterized in that that the heating elements a heating matrix represent.

Device according to one of claims 8 to 14, characterized that the conductor tracks are incorporated into a surface.

Device according to claim 15, characterized in that that it is at the surface is a seat cushion.

Apparatus according to claim 16, characterized ge indicates that the seat cushion is the reference of a motor vehicle.

Device according to one of claims 8 to 16, characterized that the outer layer is a Resistor material having temperature-dependent resistance.

Device according to claim 18, characterized in that that the resistance material has a positive temperature gradient having.

Device according to claim 18 or 19, characterized that the resistance material with the pressure-dependent electrical resistance thermally is coupled to dependent from the temperature of the pressure-dependent electrical resistance to change its resistance.

Device according to one of claims 18 to 20, characterized that on two opposite surfaces the pressure-dependent electrical Resistance the resistance material is provided.

Device according to one of claims 1 to 21, characterized that a sealing protective cover is provided.

Device according to one of claims 1 to 22, characterized that the multi-layer heating element consists of three layers.

Use of a device according to one of claims 1 to 23 as a measuring element.

Use of a device according to one of claims 1 to 23 as a control.

Use of a device according to one of claims 1 to 23 as a control of a vehicle function representing Component.

Use of a device according to one of claims 1 to 23 as disposable heaters for operating tables.

Use of a device according to one of claims 1 to 23 for thermal imaging.