WO2007031324A1

WO2007031324A1 - Anordnung und heizelement

Info

Publication number: WO2007031324A1
Application number: PCT/EP2006/008986
Authority: WO
Inventors: Christopher Klatt; Dirk W. Schubert; Benno Schmied; Christoph Gund; Werner Kattge; Achim Gruber
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2008-03-16
Also published as: DE102005044490A1

Abstract

Anordnung, umfassend mindestens eine Lage (1), welche eine Matrix (2) aus funktionalen Fasern umfasst, wobei die Matrix (2) elektrisch leitfähig und/ oder erwärmbar ist und wobei die Matrix (2) über Kontaktleitungen mit einer Stromoder Spannungsquelle verbindbar ist, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine solche Anordnung derart aus zu gestalten und weiter zu bilden, dass diese im Hinblick auf deren thermisches Verhalten an unterschiedliche Anforderungen problemlos anpassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische funktionale Fasern umfasst. Eine gattungsbildende Anordnung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) Mittel (3, 4, 5) zur Schaffung von gegeneinander elektrisch isolierten leitenden Abschnitten (6, 7, 8) umfasst.

Description

Anordnung und Heizelement

Beschreibung Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Anordnungen, umfassend mindestens eine Lage, welche eine Matrix aus funktionalen Fasern umfasst, wobei die Matrix elektrisch leitfähig und/ oder erwärmbar ist und wobei die Matrix über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren Heizelemente, die eine solche Anordnung umfassen.

Stand der Technik

Anordnungen und Heizelemente der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Solche Anordnungen finden unter anderem in Heizelementen im Automotive-Bereich Verwendung. Insbesondere werden Anordnungen dieser Art in Sitzheizungen verwendet. Dabei kann die Matrix mit funktionalen Fasern durchsetzt sein, welche sich bei Einleitung eines Stroms erwärmen und hierdurch nachgeordnete Bauteile wie Sitzbezüge erwärmen können.

Nachteilig bei den gattungsbildenden Anordnungen ist jedoch, dass funktionale Fasern aus bestimmten Materialien einer langen Erwärmungszeit bedürfen und nach einmaliger Erwärmung über einen relativ langen Zeitraum in warmem Zustand verbleiben. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass ein einmalig erwärmtes Element nach Abschalten des Stroms nur in aufwendiger Weise wieder abzukühlen ist. Dies ist dann nachteilig, wenn bestimmte Bereiche rasch aber nur kurzzeitig erwärmt werden sollen. Insoweit sind die gattungsbildenden Anordnungen durch eine große Trägheit in Bezug auf deren thermisches Verhalten gekennzeichnet. Des Weiteren sind die gattungsbildenden Anordnungen nicht geeignet, Bereiche definiert unterschiedlichen thermischen Verhaltens zu generieren.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Anordnungen der eingangs genannten Art derart aus zu gestalten und weiter zu bilden, dass diese im Hinblick auf deren thermisches Verhalten an unterschiedliche Anforderungen problemlos anpassbar sind.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Anordnung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Matrix zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische, funktionale Fasern umfasst.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass eine Matrix, welche zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische Fasern umfasst, in diesen Bereichen schnell erwärmbar und abkühlbar ist. Nichtmetallische Fasern geben gespeicherte Wärme besonders rasch an die Umgebung ab. Des Weiteren sind solche Fasern in einer Dicke herstellbar, die nur geringe Stromstärken zu deren rascher Erwärmung erforderlich machen.

Insoweit ist eine Anordnung realisiert, die im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten problemlos an unterschiedliche Anforderungen anpassbar ist.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Patentanspruch 1 die eingangs genannte Aufgabe gelöst. Patentanspruch 2 löst ebenfalls die genannte Aufgabe. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass Mittel zur Schaffung von gegeneinander elektrisch isolierten leitenden Abschnitten ermöglichen, die Stromstärke in einzelnen Bereichen zu erhöhen und in anderen zu erniedrigen. Hierdurch ist es möglich, in einem oder mehreren definierten Bereichen eine raschere Wärmeentwicklung zu erzielen als in benachbarten. Durch geeignete Anordnung der Mittel kann der Strom auf einem bestimmten Weg geleitet werden, wobei einzelne Abschnitte des Weges stärker und andere weniger stark erwärmt werden können.

Insoweit ist mit Patentanspruch 2 eine Anordnung realisiert, die im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten problemlos an unterschiedliche Anforderungen anpassbar ist.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Patentanspruch 2 die eingangs genannte Aufgabe ebenfalls gelöst.

In besonders vorteilhafter Weise könnten die funktionalen Fasern ausschließlich Kohlenstofffasern umfassen. Des Weiteren könnte die Matrix ausschließlich aus Kohlenstofffasern bestehen. Eine Matrix, die Kohlenstofffasern umfasst, lässt sich besonders leicht entsorgen, da Kohlenstofffasern nicht umweltgefährdend sind. Des Weiteren zeichnen sich Kohlenstofffasern durch ein besonders günstiges Wärmeleitfähigkeitsverhalten aus. Kohlenstofffasern speichern Wärme nur schlecht und geben daher rasch ihre Wärme an die Umgebung ab. Des Weiteren sind sie in einer Dicke herstellbar, die bei geringer Länge der Fasern einen großen elektrischen Widerstand bewirkt.

Die Matrix könnte als karbonisiertes Vlies ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung erlaubt die Realisierung einer Matrix, welche ausschließlich Kohlenstoff umfasst. Der Schritt der Karbonisierung eines Vlieses stellt sicher, dass sämtliche organischen Fremdstoffe durch den Karbonisierungsschritt aus dem Vlies ausgetragen werden. Insoweit ist ein Vlies geschaffen, welches besonders leicht entsorgbar ist, da keinerlei umweltschädigende Stoffe in der Matrix enthalten sind. Das Vlies könnte ausschließlich aus Kohlenstofffasern bestehen.

Die Matrix könnte Fasern mit einer mittleren Faserdicke von 0,5 - 100 μm umfassen. Die funktionalen Fasern könnten eine solche Dicke aufweisen. Fasern einer solchen Dicke zeigen bei allen gängigen Materialien eine ausreichende Stabilität, um die Matrix mit Knickstellen zu versehen, ohne dass diese zerbricht. Die Verarbeitung von Fasern mit einer mittleren Faserdicke von 5 bis 20 μm ist besonders vorteilhaft, da diese durch gängige Verfahren problemlos verarbeitbar sind und ein optimales Biegeverhalten zeigen.

Die Matrix könnte Fasern mit einer Wendelstruktur umfassen. Unter einer Wendelstruktur ist eine Kräuselung zu verstehen. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt die Schaffung einer langen elektrischen Leitung auf engem Raum. Durch die Vorkehrung einer Wendel kann ein besonders großer elektrischer Widerstand geschaffen werden. Darüber hinaus können Wendelstrukturen dazu beitragen, dass sich die Fasern untereinander besser miteinander verschlingen. Solche Fasern verleihen der Matrix vorteilhaft auch eine gewisse Elastizität.

Die Fasern könnten zumindest bereichsweise bindemittelfrei sein. Der Verzicht auf Bindemittel stellt sicher, dass die Fasern an ihren Kontaktstellen besonders gut miteinander leitend verbunden sind.

Die Matrix könnte ein Flächen-Gewicht von 20 bis 300 g/m² aufweisen. Die Wahl dieses Flächengewichtsbereichs schafft eine Matrix mit hinreichender Stabilität, die erforderlich ist, um Anwendungen im Automotive-Bereich, z.B. Sitzheizungen, gerecht zu werden. Des Weiteren zeigt eine solche Matrix eine ausreichende Gebrauchstauglichkeit auf Baustellen. Insoweit könnte eine solche Matrix als Heizelement in Fußbodenheizungen oder Dachbahnträgern Verwendung finden. Dabei könnte die Matrix als einzelne Lage eines Bauteils ausgestaltet sein. Für diese konkreten Anwendungen ist es erforderlich, dass die Matrix problemlos deformierbar und kraftbeaufschlagbar ist, ohne zu zerreißen. Vor diesem Hintergrund könnte die Matrix eine Dicke von bis zu 5 mm aufweisen. Die Wahl dieser Dicke bewirkt eine Stabilität der Matrix, die für die genannten Anwendungen erforderlich ist.

Die Matrix könnte eine Porosität von 30 bis 95% aufweisen. Die Wahl dieses Bereichs der Porosität stellt sicher, dass die Matrix problemlos Wärme an die Umgebung abgeben kann. Durch die Schaffung der Poren ist gewährleistet, dass die Wärme in allen Richtungen von den Fasern an die Atmosphäre und dadurch an umliegende Bauteile abgebbar ist. Vor diesem Hintergrund könnte die Matrix eine mittlere Porengröße von 5 bis 50 μm aufweisen. Diese Porengrößen haben sich als besonders vorteilhaft für die Ausbildung eines Wärmeflusses von der Matrix zu umliegenden Bauteilen ergeben.

Zur Schaffung einer besonders stabilen Matrix könnte diese eine Höchstzugkraft in Längsrichtung von 10 bis 400 N /50 mm aufweisen. Eine Matrix mit dieser Festigkeit ist im Automotive- und Baubereich einsetzbar.

Die Matrix könnte in zueinander orthogonalen Orientierungen denselben elektrischen Widerstand aufweisen. Die Matrix könnte in „Machine-Direction" denselben elektrischen Widerstand aufweisen wie in „Cross-Direction". Ein Vlies wird als Bahn in „Machine Direction" produziert. Eine Matrix, welche in „Machine-Direction" denselben elektrischen Widerstand aufweist, wie in der hierzu orthogonalen „Cross-Direction", zeigt den Vorteil, dass ein Monteur nicht auf eine Vorzugsorientierung achten muss, wenn er die Matrix mit Kontaktleitungen versieht oder diese weiteren Bauteilen zuordnet. Hierdurch ist eine besonders problemlose Fertigung gewährleistet. Die Matrix könnte einen elektrischen Flächenwiderstand von 0,3 bis 5 Ohm / cm² aufweisen. Eine Matrix mit einem solchen Flächenwiderstand kann bei einer angelegten Spannung von 12 V eine Leistungsaufnahme von 50 Watt problemlos realisieren. Dies eignet sie besonders geeignet für die Verwendung in Heizelementen.

Die Matrix könnte mit Knickstellen versehen sein. Diese Ausgestaltung erlaubt ein Falten der Matrix. Hierdurch ist es möglich, eine längliche Matrix an definierten Stellen zu knicken und dieser eine nahezu beliebige geometrische Form zu geben. Somit ist die Matrix in komplex ausgeformten Räumen anordenbar.

Die Matrix könnte mit Ausnehmungen versehen sein. Die Vorkehrung von Ausnehmungen stellt sicher, dass der Strom innerhalb der Matrix längs eines vorgegebenen Weges verläuft. Die Ausnehmungen können bereichsweise als Isolation gegenüber mindestens zwei Matrixabschnitten dienen, welche durch die Ausnehmung voneinander bereichsweise abgetrennt sind. Denkbar ist auch, die Matrix mit Ausnehmungen zu durchsetzen oder zu perforieren, um Bereiche zu schaffen, in denen kein Strom fließen kann und die somit nicht erwärmt werden.

Durch die Ausnehmungen kann erreicht werden, dass die Ausdehnung der Kontakte oder Klemmen minimiert wird. Es ist daher nicht erforderlich einen Kontakt oder eine Klemme über eine komplette Kante der Matrix zu erstrecken, um eine möglichst homogene Stromführung zu bewirken.

Eine geeignete Anordnung von Ausnehmungen erlaubt es, einer Matrix eine definierte Elastizität zu verleihen. Dabei ist denkbar, dass die Matrix in verschiedenen Raumrichtungen dehnbar ist, ohne zu zerreißen. Die Elastizität erlaubt Verwendungen der Matrix in der Dichtungs- und Schwingungstechnik, da sie aufgrund ihrer Elastizität Vibrationen Stand halten kann. Insbesondere ist denkbar, die Matrix in Tragflächen von Flugzeugen einzusetzen, die mit besonders starken Vibrationen beaufschlagt sein können.

Vor diesem Hintergrund könnten die Ausnehmungen Schlitze umfassen, die in die Matrix eingebracht sind. Beispielsweise könnte eine rechteckige oder quadratische Lage einer Matrix mit U-förmigen Schlitzen versehen sein, welche innerhalb der Matrix Streifen oder Bahnen definieren, innerhalb deren der Strom fließen kann. Die Bahnen oder Streifen sind gegeneinander durch die Schlitze bereichsweise elektrisch isoliert. Durch geeignete Anordnung der Schlitze kann auf der Matrix die Weglänge der Stromleitung eingestellt werden.

Die Ausnehmungen könnten kreisförmige oder elliptische Strukturen umfassen. Denkbar sind auch hydrodynamische Strukturen, wie sie bei der Umströmung eines deformierbaren Materials entstehen. So könnten beispielsweise tropfenförmige oder stromlinienförmige Strukturen vorgesehen sein. Die genannten Strukturen haben sich als besonders geeignet erwiesen, um zu verhindern, dass innerhalb des Matrixmaterials Stromdichtespitzen entstehen, die zu unerwünschten heißen Stellen auf der Matrix führen würden.

Die Matrix könnte mit Kreisen, elliptischen oder hydrodynamischen Strukturen durchsetzt sein. Diese Öffnungen könnten etwa 1 bis 50 mm im Durchmesser aufweisen. Solche Ausnehmungen definieren Wege innerhalb der Matrix, in denen der Strom fließen kann. Durch die gezielte Anordnung der Ausnehmungen können Bereiche in der Matrix geschaffen werden, in welchen Wärme erzeugt wird. Des Weiteren werden Bereiche geschaffen, in denen keine Wärme erzeugt wird, nämlich innerhalb der Ausnehmungen.

Die kreisförmigen, elliptischen oder hydrodynamischen Strukturen könnten in den Endbereichen der Schlitze angeordnet sein. Diese konkrete Ausgestaltung stellt sicher, dass in den Endbereichen der Schlitze keine Stromdichten auftreten, die zu heißen Stellen führen. Wenn ein Schlitz zwei leitende streifenförmige Abschnitte voneinander abtrennt, so tritt am punktuellen Ende des Schlitzes eine hohe Stromdichte auf, da der Strom auf dem kürzesten Weg fließt, um den elektrischen Widerstand zu minimieren. Hierbei kann sich am Ende des Schlitzes eine heiße Stelle, ein sogenannter "Hot-Spot" ausbilden. Um dem zu begegnen, können in den Endbereichen der Schlitze kreisförmige, elliptische oder hydrodynamische Ausnehmungen angeordnet sein.

Denkbar ist auch, dass die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte der Matrix eine Mäanderstruktur beschreiben. Eine Mäanderstruktur realisiert eine besonders lange elektrische Leitung innerhalb einer Matrix. Hierdurch kann der elektrische Widerstand erhöht werden. Vor diesem Hintergrund könnten die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte der Matrix eine Spiralstruktur beschreiben. Bei einer solchen Struktur treten keine überhöhten Stromdichteschwankungen auf.

Die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte der Matrix könnten als konzentrische Ringe angeordnet sein. Hierdurch kann eine Matrix geschaffen werden, die kreisförmig ausgebildet ist und beispielsweise vom Äußeren zum Inneren des Kreises einen Temperaturgradienten realisiert.

Die Flächen der leitfähigen Abschnitte der Matrix könnten so gewählt sein, dass deren elektrische Widerstände identisch sind. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass unabhängig von der Flächenausdehnung der leitfähigen Abschnitte die gleiche Wärmemenge erzeugt wird. Insoweit ist eine homogene Wärmeentwicklung über die gesamte Fläche der Matrix realisiert.

Die Matrix könnte von mindestens einer Lage bedeckt sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Matrix vor Beschädigungen und Verschmutzungen bewahrt wird. Die Lage könnte mit der Matrix verklebt sein. Wenn die Matrix als Teil eines Heizelementes in Decken oder Dächern fungiert, könnte zumindest eine Lage als Dachbahnträger ausgebildet sein. Bei Verwendung der Matrix in einer Fußbodenheizung könnte eine Lage als Bodenbelag ausgebildet sein. Die Matrix könnte zwischen mindestens zwei Lagen angeordnet sein. Dies stellt sicher, dass die Matrix vor Verschmutzungen und Beschädigungen geschützt wird. Eine Matrix, die zwischen zwei Lagen angeordnet ist, ist im besonderen Maße gebrauchstauglich, da sie ohne Probleme in Montagehallen oder auf Baustellen verwendet werden kann. Es steht nicht zu befürchten, dass die Struktur der Matrix durch Montageschritte beschädigt wird, da sie komplett eingebettet ist.

Die Lage könnte polymere und/ oder textile Werkstoffe umfassen. Denkbar ist die Verwendung eines Vliesstoffes, da dieser eine gute Wärmedurchlässigkeit zeigt. Ein textiler Werkstoff zeichnet sich durch eine gute Haptik und Hautverträglichkeit aus. Dies ist von Vorteil wenn die Anordnung für medizinische Zwecke verwendet wird. Elastomere zeichnen sich durch besonders hohe Stabilität aus und sind in Bodenbelägen verwendbar. Thermoplasten zeigen eine gute Deformierbarkeit und erlauben die dauerhafte Ausbildung komplexer Geometrien eines Matrix-Lagenverbunds. Die Lagen könnten durch einen Haftvermittler mit der Matrix verbunden sein. Dies stellt eines dauerhafte und feste Verbindung von Matrix und Lage bzw. Lagen sicher.

Die Kontaktleitungen könnten durch Klemmen mit den leitfähigen Abschnitten der Matrix verbunden sein. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die Kontaktleitungen mehrfach verwendbar sind. Eine beschädigte Matrix kann ohne Probleme ausgewechselt werden, indem nämlich die Klemmen von der Matrix gelöst werden und eine neue Matrix eingesetzt wird.

Die Klemmen könnten als längliche Elemente ausgestaltet sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Strom nicht punktuell eingeleitet sondern über die gesamte Länge eines leitfähigen Abschnitts in die Matrix eingebracht wird. Hierdurch wird die Bildung heißer Stellen vermieden. Eine erfindungsgemäße Anordnung könnte in Brennstoffzellen angeordnet sein. Aufgrund ihrer elektrischen und thermischen Eigenschaften ist eine solche Anordnung besonders als Gasdiffusionsschicht geeignet. Die thermischen Eigenschaften bewirken einen optimierbaren Feuchtehaushalt der Gasdiffusionsschicht, die elektrischen eine optimierbare elektrische Leitfähigkeit.

Eine erfindungsgemäße Anordnung könnte in Tragflächen von Flugzeugen angeordnet sein. Durch Erwärmung der Tragflächen können diese von Frost oder Eis befreit werden. Insoweit könnte eine solche Anordnung als besonders leichtes Heizelement fungieren. Darüber hinaus könnte sich eine solche Anordnung eignen, da die verwendete Matrix eine besondere Elastizität aufweisen kann. Durch ihre Elastizität wird die Matrix nicht durch die Vibrationen der Tragflächen beschädigt.

Eine erfindungsgemäße Anordnung könnte auch in Spiegeln oder anderen optischen Elementen angeordnet sein, deren Reflexionsvermögen durch Erwärmung verbessert werden kann. Die Erwärmung könnte Beschläge oder Feuchtigkeitsfilme von den optischen Elementen entfernen.

Erfindungsgemäße Anordnungen können nebeneinander flächig zusammenschaltbar sein, um möglichst große Flächen zu bedecken und zu beheizen. Vor diesem Hintergrund ist auch denkbar, dass mehrere Anordnungen übereinanderliegend zusammenschaltbar sind.

Die eingangs genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Heizelement gelöst, welches eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst.

Um Wiederholungen zu vermeiden, sei in Bezug auf die erfinderische Tätigkeit auf die Ausführungen zu den Anordnungen als solchen verwiesen. Ein solches Heizelement könnte in Fußbodenheizungen angeordnet sein, da eine Fasern umfassende Matrix besonders leicht zugeschnitten werden kann. Diese Eigenschaft eignet ein Heizelement auch für die Anwendung in anderen Baubereichen wie beim Ausbau von Dächern, Schwimmbädern und Innenräumen, dort bevorzugt im Trockenbau.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung, werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Anordnung mit einer Matrix, welche Ausnehmungen aufweist,

Fig. 2 eine Anordnung mit einer Matrix, bei der die Flächen der leitfähigen Abschnitte so gewählt sind, dass deren elektrischen Widerstände identisch sind,

Fig. 3 eine Matrix gemäß Fig. 2, bei welcher die leitfähigen Abschnitte als konzentrische Kreisringe ausgestaltet sind, und

Fig. 4 eine Matrix mit optimierter Anordnung der Ausnehmungen. Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einer Lage 1 , welche eine Matrix 2 aus funktionalen Fasern umfasst. Die Matrix 2 ist elektrisch leitfähig und erwärmbar. die Matrix 2 ist über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar. Die Matrix 2 umfasst bereichsweise nichtmetallische funktionale Fasern. Die Matrix 2 ist mit Ausnehmungen 3, 4 und 5 versehen, die Ausnehmungen 4 sind als längliche Schlitze ausgebildet, welche leitfähige Abschnitte voneinander trennen. Am Ende der länglichen Schlitze 4 sind kreisförmige Ausnehmungen 3 vorgesehen, welche die Bildung von heißen Stellen verhindern. Die Matrix 2 ist des Weiteren mit elliptischen Ausnehmungen 5 versehen, welche Bereiche schaffen, in denen keine Wärme erzeugt wird.

Die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte 6 der Matrix 2 beschreiben eine Mäanderstruktur, die sich in Form einer Schlangenlinie durch die Matrix zieht.

Fig. 2 zeigt eine Matrix 2, welche mit länglichen Schlitzen 4 versehen ist, welche leitfähige Abschnitte 6, 7 und 8 definieren. Die leitfähigen Abschnitte 6, 7 und 8 sind durch die Schlitze 4 voneinander getrennt. Die Flächen der leitfähigen Abschnitte 6, 7 und 8 sind so gewählt, dass deren elektrische Widerstände identisch sind. Die Schlitze 4 sind durchgängig, wobei deren Ecken mit Rundungen und/ oder hydrodynamischen Strukturen versehen sein können.

Der Abschnitt 6 weist eine Breite auf, die etwa 20 - 30 % der Seitenlänge der quadratischen Matrix entspricht. Der Abschnitt 7 weist eine Breite auf, die etwa 10 - 20 % der Seitenlänge der quadratischen Matrix entspricht. Der Abschnitt 8 weist eine Breite auf, die etwa 5 - 10 % der Seitenlänge der quadratischen Matrix entspricht. Die Matrix ist als karbonisiertes Vlies ausgebildet, wobei 1 cm² des Vlieses einen elektrischen Widerstand von 0,72 Ohm aufweist. Die Kantenlänge der Matrix beträgt 12 cm. Der Gesamtwiderstand dieser Anordnung beträgt zwischen 2,5 und 3,5 Ohm, wobei bei einer Spannung von 12 V eine Leistungsaufnahme von etwa 50 Watt erzielt wird.

Die Kontaktleitungen sind durch Klemmen 9 mit den leitfähigen Abschnitten der Matrix verbunden. Die Klemmen 9 sind als längliche Elemente ausgestaltet.

Fig. 3 zeigt eine Matrix 2 mit leitfähigen Abschnitten 6, 7 und 8, welche als konzentrische Kreisringe angeordnet sind. Die leitfähigen Abschnitte 6, 7 und 8 sind durch längliche Klemmen 9 mit den Kontaktleitungen einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden.

Fig. 4 zeigt eine quadratische Matrix der Kantenlänge L, die mit kreisförmigen Ausnehmungen 3 und länglichen Schlitzen versehen ist. Die Schlitze sind parallel zueinander angeordnet und definieren vier Streifen gleicher Breite b. Die Mittelpunkte zweier kreisförmiger Ausnehmungen 3 sind in einem Abstand x von der rechten Kante und in einem Abstand b von der oberen Kante der Matrix angeordnet. Der Mittelpunkt einer weiteren kreisförmigen Ausnehmung 3 ist in einem Abstand x von der linken Kante und in einem Abstand 2b von der oberen Kante der Matrix angeordnet.

Die Kantenlänge L beträgt 12 cm, die Abstände x und b jeweils 3 cm. Wenn der Radius einer kreisförmigen Ausnehmung aus dem Intervall 0,95 bis 1 ,1 cm gewählt wird und x etwa 3,6 bis 4,2 cm beträgt, so wird die Bildung heißer Stellen in den Endbereichen der Schlitze in optimaler Weise unterdrückt. Der Quotient aus dem Betrag der maximalen Stromdichte und der homogenen Stromdichte im Bereich der Klemmen 9 nimmt bei der oben beschriebenen Dimensionierung ein Minimum an.

Die konkreten Zahlenwerte dienen auch zur Ermittlung von relativen Werten und Verhältnissen, so dass problemlos eine Matrix beliebiger Kantenlänge L anhand der konkret genannten Zahlenwerte im Hinblick auf die genannten Abstände und Radien dimensioniert werden kann. Insoweit ist eine Hochskalierung oder Runterskalierung problemlos möglich.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich ausgewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung, umfassend mindestens eine Lage (1), welche eine Matrix (2) aus funktionalen Fasern umfasst, wobei die Matrix (2) elektrisch leitfähig und/ oder erwärmbar ist und wobei die Matrix (2) über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) zumindest bereichsweise ausschließlich nichtmetallische funktionale Fasern umfasst.

2. Anordnung, umfassend mindestens eine Lage (1), welche eine Matrix (2) aus funktionalen Fasern umfasst, wobei die Matrix (2) elektrisch leitfähig und/ oder erwärmbar ist und wobei die Matrix (2) über Kontaktleitungen mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) Mittel (3, 4, 5) zur Schaffung von gegen- einander elektrisch isolierten leitenden Abschnitten (6, 7, 8) umfasst.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Fasern ausschließlich Kohlenstofffasern umfassen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) als zumindest teilweise karbonisiertes Vlies ausgestaltet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) Fasern mit einer mittleren Faserdicke von 0,5 bis

100 μm umfasst.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) Fasern mit einer Wendelstruktur umfasst.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern zumindest bereichsweise bindemittelfrei sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) ein Flächengewicht von 20 bis 300 g/m² aufweist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) eine Dicke von bis zu 5 mm aufweist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) eine Porosität von 30 bis 95 Prozent aufweist.

1 1. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) eine mittlere Porengröße von 5 bis 50 μm aufweist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) eine Höchstzugkraft in Längsrichtung von 10 bis 400 N/50mm aufweist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) in Machine-Direction denselben elektrischen Widerstand aufweist wie in Cross-Direction.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) einen elektrischen Flächenwiderstand von 0,3 bis 100 Ohm / cm² aufweist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) mit Knickstellen versehen ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) mit Ausnehmungen (3, 4, 5) versehen ist, die als Mittel zur Schaffung von leitfähigen Abschnitten fungieren.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (3, 4, 5) Schlitze (4) umfassen.

18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (3, 4, 5) kreisförmige (3), elliptische (5) oder hydrodynamische Strukturen umfassen.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmigen (3), elliptischen (5) oder hydrodynamischen Strukturen in den Endbereichen der Schlitze (4) oder deren Ecken angeordnet sind.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Abschnitte (6, 7, 8) der Matrix (2) eine Mäanderstruktur beschreiben.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Abschnitte (6, 7, 8) der Matrix (2) eine Spiralstruktur beschreiben.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähig zusammenhängenden Abschnitte (6, 7, 8) der Matrix (2) als konzentrische Ringe angeordnet sind.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der leitfähigen Abschnitte (6, 7, 8) der Matrix (2) so gewählt sind, dass deren elektrische Widerstände identisch sind.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Matrix (2) mindestens von einer Lage bedeckt ist.

25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage polymere und/ oder textile Werkstoffe umfasst.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktleitungen durch Klemmen (9) mit den leitfähigen Abschnitten (6, 7, 8) der Matrix (2) verbunden sind.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmen (9) als längliche Elemente ausgestaltet sind.

28. Heizelement umfassend eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 27.