Elektrisches Heizelement

Abstract

 Das elektrische Heizelement ist eine Maschenware und weist im Zuge der Herstellung eingearbeitete Stromzufuhr- und Widerstandsdrähte auf. Das Heizelement ist dehnbar, biegsam und schmiegsam und lässt sich z.B. als Autositzheizung oder in beheizbaren Kleidungsstücken verwenden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement, insbesondere ein flächenhaftes elektrisches Heizelement, wie es beispielsweise für Sitzheizungen in Fahrzeugen, in Heizkissen, Heizdecken, heizbaren Kleidungsstücken usw. einsetzbar ist.

[0002] Derartige biegsame und meist auch schmiegsame Heizelemente sind bereits bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einer flachen Hülle aus Textilmaterial oder Kunststoff, in der sich ein meist zickzack- oder mäanderförmig eingelegter elektrischer Heizdraht befindet, der auch als dünnes, flaches Band ausgestaltet sein kann.

[0003] Diese bekannten Heizelemente haben, obschon sie biegsam sind, den Nachteil, dass sie sich an unebene oder gar geknickte Unterlagen schlecht anpassen. Sie sind nicht dehnbar. Legt man sie um den Knick der Unterlage, so besteht die Gefahr, dass der Heizdraht bricht. Sie sind meist zu dick für eine nicht auftragende Unterlage, z.B. in Autositzen, und sind relativ teuer in der Herstellung. Ausserdem kann die elektrische Heizleistung nicht von Fall zu Fall geändert werden.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekanntem flächenhaften Heizelemente zu überwinden und ein neuartiges, universell verwendbares und einfach herzustellendes elektrisches Heizelement zu schaffen und Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

[0005] Diese Aufgabe wird durch das elektrische Heizelement gelöst, wie es im ersten unabhängigen Patentanspruch definiert ist, wobei besondere Ausgestaltungen Gegenstand abhängiger Ansprüche sind. Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung des neuen Heizelements im zweiten unabhängigen Patentanspruch niedergelegt.

[0006] Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, die wärmeabgebenden Drähte einer elektrischen Widerstands-Heizvorrichtung in eine biegsame und dehnbare sowie drapierbare Maschenware zu integrieren.

[0007] Die Herstellung von Maschenwaren durch Stricken oder Wirken ist bekannt und wird hier nicht erneut beschrieben. Die Einarbeitung der Stromzufuhrdrähte und der Widerstandsdrähte kann insbesondere auf Flachstrickmaschinen auf die verschiedenste Art und Weise erfolgen; in der nun folgenden näheren Beschreibung von Beispielen und Ausführungsformen soll, wenn nichts anderes erforderlich ist, kein Unterschied zwischen Stromzuführungs- und Widerstandsdrähten gemacht werden.

[0008] Die Grundstruktur des erfindungsgemässen Heizelementes ist derart, dass mindestens zwei Widerstandsdrähte im wesentlichen parallel zueinander liegen und mit mindestens zwei Stromzufuhrdrähten elektrischen Kontakt haben, wobei natürlich die Widerstandsdrähte und die Stromzufuhrdrähte unter sich keinen Kontakt haben dürfen.

[0009] Die Drähte können bei der Herstellung der Maschenware als Schuss- oder Kettfäden oder beides eingelegt werden. Weiter kommt die Einarbeitung als Ersatz des Maschengarnes oder als Mitlauf des Maschengarnes in Betracht. Der eine Draht kann, wenn es sich um die Verbindung senkrecht zur Strickrichtung, d.h. von übereinanderliegenden Maschen handelt, in Intarsientechnik eingearbeitet werden. Auch kann der Draht als leicht verzwirnter Bestandteil eines Maschengarnes vorliegen.

[0010] Die Konstruktion der Maschenware des Heizelements kann ganz beliebig sein, z.B. rechts-rechts, rechts-links, links-links, Doppelmaschen usw. Auch kann mit umgehängten Maschen gearbeitet werden, um eine Verstärkung zu erzielen; dies ist insbesondere für die Stromzufuhrdrähte interessant.

[0011] Die bekannten Maschentechniken gestatten es, eine beliebige Form der Heizfläche zu erzielen. Es sind selbst nahezu halbkreisförmig angeordnete Stromzufuhrdrähte möglich. Durch Abstufungen des Abstandes der Stromzufuhrdrähte und/oder durch veränderte Dichte der Wiederstandsdrähte bzw. Wahl unterschiedlich dicker Drähte sind über die Fläche die unterschiedlichsten Heizleistungen möglich.

[0012] Die erforderliche Kontaktsicherheit zwischen Stromzufuhrund Widerstandsdrähten ist durch die feste Maschenbindung des textilen Flächengebildes durchaus und sicher gegeben, wie Versuche gezeigt haben. Dabei ist es günstig, das erfindungsgemässe Heizelement gegen Korrosion und Feuchtigkeit zu schützen, und zwar mindestens an den Kreuzungsstellen, d.h. Verbindungsstellen der Stromzufuhr- und Widerstandsdrähte, wo zudem die Gefahr der Bildung von Lokalelementen besteht. Zu diesem Zweck können die Drähte mit einem korrosionsfesten, aber elektrisch leitfähigen Ueberzug versehen werden, beispielsweise aus einem Polymer, das mit Graphit, EC-Russ oder Germanium leitfähig gemacht ist, oder aus einem selbst leitfähigen Amid-Imid-Polymer. Bevorzugt wird jedoch das fertige Heizelement mindestens im Bereich der genannten Kreuzungsstellen korrosionsfest und feuchtigkeitsresistent imprägniert, etwa mit einer Dispersion von Silikonharzen oder Polytetrafluorethylen, die dann getrocknet wird. In manchen Fällen ist es noch besser, ein Silikonprepolymer einzusetzen, die aufgebrachte Lösung bzw. Dispersion zu trocknen und anschliessend thermisch und/oder katalytisch zu vernetzen. Derartige Schutzsubstanzen sind dem Fachmann bekannt.

[0013] Das Material der Drähte kann im Rahmen des zu erreichenden Zweckes beliebig gewählt werden. Als Stromzufuhrdrähte kommen solche aus Kupfer, gegebenenfalls auch versilbert, und als Widerstandsdrähte solche aus den bekannten Nickel-Chrom-Legierungen in Betracht.

[0014] Das erfindungsgemässe Heizelement kann als flaches Gebilde oder aber auch dreidimensional, z.B. als vorgeformter Autositzbezug, hergestellt werden. Es eignet sich zudem für die passende Einlage in Kleidungsstücke, z.B. Motorradfahreranzüge, und kann gleich in der gewünschten Form erzeugt werden.

[0015] Neben den oben beschriebenen "netzartigen" Maschenwaren sind alle anderen bekannten Bindungen in Verbindung mit einem Heizleiter bzw. mit Stromzufuhrdrähten anwendbar, auch in Kombination mit Kett- und/oder Schussverstärkung, und sind problemlos produzierbar. Dabei kann es sich, wie es ebenfalls oben bereits erwähnt ist, um eine flächige (zweidimensionale) oder dreidimensionale Struktur handeln. Solche dreidimensionale Strukturen und deren Herstellung sind in der Schweizer Patentanmeldung Nr. 2149/92 vom 8. Juli 1992 der Anmelderin beschrieben, und die Beschreibung dieser Patentanmeldung soll einen Teil der vorliegenden Beschreibung bilden.

[0016] Die Heizleiter können aus einem Widerstandsdraht oder sonstigen leitenden Materialien bestehen und auch beschichtet oder ummantelt sein. Die Heizleiter müssen auch nicht "wellenförmig" verlaufen (vgl. weiter unten, Fig. 1). Eine Verbindung des Heizdrahtes zum Kontaktleiter, d.h. Stromzufuhrdraht, nach jeder Tour ist nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann die Heizleistung durch Einarbeiten verschieden starker Widerstandsdrähte, duch variablen Abstand der Drähte und durch individuelle Verbindung mit dem Kontaktleiter nahezu beliebig variiert werden.

[0017] Der z.B. in Drahtstärke oder Breite und Material beliebig dimensionierbare Kontaktleiter muss nicht zwingend senkrecht bzw. waagerecht zur Strickrichtung verlaufen, sondern kann der vorgegebenen Idealform angepasst werden und demnach schräg oder in Form einer Kurve verlaufen, wie oben schon erwähnt wurde.

[0018] Sofern dreidimensionale Heizelemente gewünscht werden, muss das Heizelement nicht erst zweidimensional hergestellt und dann verformt werden, sondern kann als mehrdimensionale Struktur mit gegebenenfalls variabler Heizleistung konstruiert werden. Somit bleibt die Heizleistung auch punktuell exakt reproduzierbar, da eine Flächenveränderung in die Raumform durch nachträgliches Verformen entfällt.

[0019] Das erfindungsgemässe Heizelement wird in der gewünschten Form, also nicht in Meterware hergestellt. Dadurch entfällt die teure Weiterverarbeitung durch Zuschnitt und Näherei.

[0020] Die Heizleistung ist variabel konstruierbar durch Reihendichte des Widerstandsdrahtes, entsprechende Dimensionierung der Drähte, Reihenbreite entsprechend Kontaktleiterverlauf und natürlich auch der Bindungsvariante. Es ist demnach nicht wie bisher nötig, zur Realisierung der gewünschten Heizleistung einen oder mehrere Widerstandsdrähte zu unterbrechen. Die Erfindung sieht dagegen bei einer Ausführungsform vor, dass das Heizelement zwei oder mehrere Bereiche mit Heizdrähten aufweist, die einseitig oder gar nicht mittels Stromzufuhrdrähten verbunden sind; dadurch wird es möglich, auf einfachste Weise durch Serien- oder Parallelverbindung der Stromzufuhrdrähte die Heizleistung eventuellen Sonderwünschen anzupassen.

[0021] Da das erfindungsgemässe Heizelement in der gewünschten dreidimensionalen Form auf der Web-Strick-Maschine hergestellt werden kann und daher nach der Herstellung nicht thermisch verformt werden muss, ist es möglich, in den Arbeitsgarnen ausser Kunststoffasern jede andere beliebige Faser einzusetzen. Es lassen sich also alle technischen Fasern einschliesslich ummantelten Fasern auch in Kombination miteinander verarbeiten.

[0022] Das erfindungsgemässe Heizelement kann durch Plasmabehandlung und auch durch klassische Behandlung, eventuell bereits der Fasern, korrosionsfest und schwerentflammbar ausgerüstet werden.

[0023] Die erfindungsgemässen Heizelemente können auf Textilmaschinen, vorzugsweise auf rechnergesteuerten Flachstrickmaschinen, hergestellt werden. Neben der flächigen und dreidimensionalen Struktur ist auch eine sogenannte "zweieinhalbdimensionale" Konstruktion mit Polfaden bzw. Abstandsstruktur produzierbar.

[0024] In der Zeichnung sind zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes einzelne Möglichkeiten der Einführung von Stromzufuhr- und Widerstandsdrähten in einer Figur schematisch zusammengefasst.

[0025] Die Maschenware 10 des Heizelementes ist aus einem Garn 12 gestrickt, das in der Regel aus einer geeigneten Kunstfaser als Monofilament oder Stapelfasergarn, auch als Mikrofasergarn besteht, z.B. Polyester, Polyurethan, Polyamid, oder hochtemperaturfesten Fasern wie Nomex. Selbstverständlich muss das Material des Garnes 12 so gewählt werden, dass es die gewünschte Temperatur des Heizelementes aushält.

[0026] Die links in der Figur gezeichnete Stromzufuhr mit dem Draht 14, der ein dünner Kupferdraht oder eine Litze sein kann, ist in Intarsientechnik eingearbeitet. Als rechte Stromzufuhrdrähte sind zwei Kettfäden 16 gezeigt. Die oberen Heizdrähte 18 sind eingelegte Schussfäden, während die unteren Heizdrähte 20 beim Stricken mitlaufende Drähte sind.

[0027] Selbstverständlich tritt eine Dehnbarkeitsminderung des Heizelementes in der betreffenden Richtung ein, wenn Kettoder Schussdrähte 16 bzw. 18 verwendet werden. Hochdehnbare erfindungsgemässe Heizelemente werden demnach bevorzugt mit Intersiendrähten 14 und vermaschten Heizdrähten 20 erzeugt.

[0028] Die Stromzufuhrdrähte können auch mit der set-up-Linie eingearbeitet werden. Durch das anschliessende beliebige Gestrick mit Heizdrähten wird der Strom über die abschliessende set-up-Linie wieder abgeleitet. Man erhält also ein Heizelement mit "waagerechten" Stromzufuhr- und "senkrechten" Widerstandsdrähten.

[0029] Als zusätzliche Möglichkeit der Stricktechnik seien noch Fank und Umhängen erwähnt, und als weitere Anwendungsmöglichkeit der Aufbau von Werkzeugheizungen, Behälterheizungen, Rohrheizungen usw.

Ansprüche

1. Elektrisches Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer textilen Maschenware mit mindestens zwei leitfähigen, voneinander getrennten Stromzufuhrdrähten und von einem zu einem anderen Stromzufuhrdraht verlaufenden Wiederstandsdrähten besteht, dass die Stromzufuhrdrähte nach der Intarsientechnik in mindestens eine Reihe jeweils übereinanderliegender, sich umschlingender Maschen und die Widerstandsdrähte in waagerechte Maschenreihen mit mindestens je einer nichtleitenden Maschenreihe Abstand eingearbeitet sind, und dass eine feste, kontaktgebende Maschenbindung zwischen Stromzufuhr- und Widerstandsdrähten besteht.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsdrähte und/oder die Stromzufuhrdrähte mit einem korrosions- und feuchtigkeitsfestem Ueberzug versehen sind.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsdrähte mit Maschengarn mitlaufend eingearbeitet sind.

4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsdraht mit Maschengarn verzwirnt ist.

5. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzufuhrdrähte als zusätzlich eingestrickte Kett- oder Schussfäden vorliegen.

6. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsdrähte als zusätzlich eingestrickte Kett- oder Schussfäden vorliegen.

7. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzufuhr- und Wiederstandsdrähte in eine dreidimensionale Webmaschenware eingearbeitet sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelementes nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine textile Maschenware herstellt und zusätzlich in Richtung der Maschenreihen Widerstandsdrähte oder Stromzufuhrdrähte und in Richtung der Maschenschlingen Stromzufuhrdrähte bzw. Widerstandsdrähte einarbeitet, und dass man die genannten Drähte und/oder die erhaltene textile Maschenware mindestens an den Kreuzungsstellen der Stromzufuhr- und Widerstandsdrähte korrosionsfest bzw. feuchtigkeitsresistent beschichtet bzw. imprägniert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Widerstandsdrähte mit einem korrosionsfesten, jedoch elektrisch leitfähigen Ueberzug versehen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte elektrische Heizelement mit einer wasserabweisenden, wärmefesten Imprägnierung durch Behandeln mit einer Dispersion oder Lösung eines Silikonharzes oder Fluorcarbonharzes und nachfolgendes Trocknen versehen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein vernetzbares Silikonprepolymer verwendet und beim oder nach dem Trocknen vernetzt wird.

Zeichnung