DE69333149T2 - Elektrisches heizkissen und sein herstellungsverfahren - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrisch geheizte flächige Elemente. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein elektrisches Dünnschichtheizelement, das kombiniert mit seiner Einfassung zu einem einstöckigen flächigen Heizelement eine ausgezeichnete Drapierbarkeit und Anschmiegsamkeit an Körperkonturen, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und eine erhöhte Sicherheit vorsieht.
- Heizelemente dieser Art, die bei therapeutischen Heizkissen eingesetzt werden, sind seit einiger Zeit auf diesem Gebiet bekannt. Diese Kissen sind jedoch oft sperrig, bieten unregelmäßige Heizoberflächen und sind potentielle Brand- und Stromschlaggefahren. Im erneut erteilten US-Patent 29, 641 sieht die Erfindung ein Widerstandsdraht-Heizkissen vor, dass in alle Richtungen biegsam ist und allgemein zur Anpassung an die Konturen von Körperteilen geeignet ist. Trotz seiner Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik verwendete das Heizkissen immer noch ein Einzeldrahtelement, das notwendigennreise sperrig ist und die Flexibilität des so erzeugten Heizelements einschränkt. Um außerdem die angemessene Wärmemenge zu erzeugen und ihr zu widerstehen, waren die bei dieser Art von Geräten verwendeten Drähte charakteristischerweise dick und oft mit einer Isolierschicht beschichtet, um Stromschlag- und Kurzschlussgefahren auszuschließen. Oft verursachte der Wechsel von den starreren und steiferen Heizkissen, zum Beispiel wie dem im US-Patent Nr. 2,154,184 beschriebenen, gefährliche Temperaturverzögerungen, da die neuen Heizkissen ihre Zieltemperaturen normalerweise weit überschritten, bevor sie sich zum erwünschten gleichmäßigen Temperaturniveau entspannten. Eine Verformung der Elementkonfiguration während der Verbiegung des Kissens und die ungleichmäßige, zeitweise Eigenschaft der Erwärmung bei Einzeldrahtelementen verursachten diese Probleme. Das US-Patent Nr. 3,889,100 verbesserte das Zieltemperatur-Überschreitungsproblem durch eine strategischere Platzierung der Thermostaten und eine Hin-und-Her-Schlaufung des Heizelements zur Ermöglichung einer genaueren Temperaturmessung, während eine angemessene Flexibilität des Kissens beibehalten wurde. Diese Konstruktion verwendete jedoch immer noch ein Einzeldrahtheizelement, das in einen losen Deckstoff (der oft entflammbar war) eingeschlossen und eingenäht oder heißgenietet war.
- Eine größere Neuerung bei der Konstruktion von Heizkissen war die Schaffung dünner Widerstandselemente, die dünner und flexibler als die zuvor besprochenen Einzeldrahtkonstruktionen waren. US-Patent Nr. 2,795,680 und 4,814,586 offenbaren ein Verfahren zur Schaffung dünner aufgedruckter Widerstände. Diese Widerstände werden durch eine haftende Widerstandsschicht ausgebildet, die aus einem ein leitfähiges Material enthaltenden Epoxidharz-Bindemittel hergestellt wird. Dieses Bindematerial wird auf ein Substrat aufgebracht. Nachdem das Epoxidharz abgebunden hat, entsteht durch die Ablagerung ein aufgedruckter Widerstand. Wie Einzeldrahtheizelemente heizen sie, wenn ein Strom danach durch diese Widerstände geleitet wird. Aufgedruckte Widerstände wurden erfolgreich in flexible flächige Heizelemente integriert. Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 4,149,066 und 4,429,216.
- Außerdem können sowohl aufgedruckte Widerstands-Heizelemente und die vorher erörterten Einzeldraht-Heizelemente mit mehrfachen Elementen in Heizkissen angeordnet werden. Wenn in diesen Konfigurationen die Heizelemente in unterschiedlichen Kombinationen unter Strom gesetzt werden, führt das zu unterschiedlichen Wärmegraden. Siehe US-Patent Nr. 2,122,650. Zusätzlich können die dünnen Schichten parallel unter Strom gesetzt werden, wie das in den US-Patenten Nr. 4,485,297 und 4,452,285 offenbart ist. Im US-Patent Nr. 3,668,367 werden zwei Heizelemente unterschiedlicher Länge an einen Vielstellenschalter angeschlossen, so dass sie in Reihe, parallel oder selektiv einzeln eingeschaltet werden konnten. Die Anordnung sieht jedoch nicht vor, dass unterschiedliche Temperaturen über das gesamte Heizkissen ausgewählt werden konnten. Stattdessen erlaubte die Erfindung, dass unterschiedliche Bereiche des Kissens selektiv beheizt wurden. Daher sahen die Temperaturmöglichkeiten, die aus den mehreren Einstellungen entstanden, keine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Kissen für jede Temperatureinstellung vor. Die gleiche Ungleichmäßigkeit ist das absichtliche Ergebnis beim US-Patent Nr. 4,659,905, das sich auf eine Heizdecke bezieht, die für unter Arthritis leidende Patienten gedacht ist, so dass der "Kopf"- und "Fuß"-Bereich separat eingeschaltet werden kann.
- Viele im Handel erhältliche Heizkissen bestehen heutzutage aus einem Heizelement, das lose in einer Verpackungshülle eingeschlossen ist. Oft ist das Heizelement in einem höchst entflammbaren Material isoliert. Außerdem verringern die dabei entstehenden Lufttaschen den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung vom Kissen auf das Objekt, über das es drapiert ist. Eine Trennung des Heizelements von der Einfassung erhöht die Sperrigkeit des Heizkissens. Daher sind diese Kissen nicht gut drapierbar.
- DE-U-9201376 offenbart ein Heizelement, das in eine äußere Polymer-Deckschicht eingeschweißt ist.
- WO-A-8200935 offenbart ein elektrisches Heizkissen, enthaltend:
ein flexibles Heizelement;
Mittel zum elektrischen Verbinden des Heizelements an eine externe Stromquelle;
zwei äußere organische Polymerbögen, wobei jeder einzelne Bogen auf jeweils einer Seite des Heizelements angeordnet ist, so dass die äußeren Kanten des ersten Bogens in Kontakt mit den äußeren Kanten des zweiten Bogens stehen und
Mittel zum Zusammenschweißen der äußeren Kanten der einzelnen Polymerbögen, um das Heizelement dazwischen hermetisch abzudichten. - Erfindungsgemäß ist ein solches Heizkissen dadurch gekennzeichnet, dass
das flexible Heizelement zwei separate Dünnschichthalbleiterschaltkreise aufweist, die jeweils auf eine elektrisch isolierende Oberfläche aufgedruckt und zwischen separate darüber und darunter liegende organische Polyesterbögen laminiert sind;
jeder Schaltkreis eine Bahn enthält, das Heizkissen ferner ein Thermostat für jede Bahn enthält, jeweils positioniert direkt oberhalb und verbunden mit einer der Bahnen. - Der erfindungsgemäße Gegenstand bietet gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen. Das Heizelement und seine Einfassungen kombinieren sich zur Bildung einer einzelnen, anschmiegsamen, dünnen Einheit, was dazu führt, dass sie sich besser als bisherige Heizkissen an den Körper des Benutzers anschmiegen kann.
- Erfindungsgemäß erübrigt sich die Notwendigkeit eines dicken Einzeldrahtheizelements, das in mehreren Mustern und durch Einnähen oder Heißnieten befestigt werden muss. Bei solchen Vorrichtungen bestand die Gefahr, dass das Heizelement die Schutzabdeckung durchbricht. Außerdem konnte eine Verschiebung des Heizelements innerhalb der Abdeckung zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung und gefährlichen Temperaturflecken führen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Dünnschichtleiter direkt in eine geschäumte Polyvinylchlorid(PVC)-Hülle eingeschlossen, welche beide Gefahren ausschließt. Erstens ist es unmöglich, dass das Heizelement die PVC-Einfassung durchstößt, da es sich dabei nicht um. einen Draht handelt, sondern um ein dünnes flexibles Band aus Halbleitermaterial. Da außerdem die leitfähige Schicht in dauerhafter Weise innerhalb und auf die PVC-Schaumhülle ein- bzw. aufgebracht ist, ist eine Verschiebung des Heizelements innerhalb des Heizkissens unmöglich. Daher ist das beschriebene Einzeleinheitskissen wesentlich sicherer und wirkungsvoller als der Stand der Technik.
- Alternativ dazu kann das Heizelement umformt, vollständig in ein Material wie zum Beispiel Polyurethan, PVC oder ein anderes geeignetes Material durch RIM-Formung, durch Niederdruck-Spritzguss oder Gießen eingekapselt werden. Der Vorgang der Überformung erzeugt ein Heizelement und eine Umfassung, die als eine einzige Einheit mit ausgezeichneter Drapierbarkeit und Anschmiegbarkeit an Körperformen fungiert. Die Auswahl beschwerter Materialien ermöglicht weitere Verbesserungen bei der Drapierung. Die Temperatur ist gleichmäßiger verteilt, was an der Abwesenheit von Lufttaschen und dem direkten Kontakt des Elements mit dem äußeren Abdeckmaterial liegt. Dieser Vorgang schließt auch die entflammbareren Komponenten herkömmlicher Vinylhüllen aus.
- Bekannte Heizkissen haben die intrinsische Eigenschaft des beträchtlichen Überschreitens ihres gleichmäßigen Betriebstemperaturniveaus. Der U. L.-Standard 130 trägt dem Rechnung, indem eine anfängliche Überschreitungstemperatur von 90°C (194°F) und eine folgende gleichmäßige Betriebstemperatur von maximal 80°C (176°F) vorgesehen wird. Bekannte Heizkissen weisen Überschreitungen in einer hohen Heizeinstellung typischeniireise im Bereich von 82,2°C (180°F) auf und werden bei einer maximalen Temperatur von 65,6°C (150°F) betrieben, wobei viele einen Durchschnittswert im Bereich von 62,8°C (145°F) haben. Die Anbringung des Thermostats sieht bei der vorliegenden Erfindung einen direkten Kontakt mit der Heizelementoberfläche vor. Diese Konstruktionseigenschaft ermöglicht es, dass eine wesentlich geringere anfängliche Überschreitungstemperatur von 73,9-76,7°C (165° F bis 170°F), bei Betriebstemperaturen im Bereich von 65,6°C (150°F) typisch ist. Das dünnere Profil sieht eine geringere thermische Masse vor, und die Einheit ist auf Veränderungen der Wärmeübertragung, die an seiner Oberfläche auftreten, inhärent schneller reaktionsfähig. Die Einheit zeigt beträchtlich verbesserte Wärmeprofile im Vergleich zur bekannten Technik, die über die Oberfläche häufig Temperaturgradienten von 16,7°C (30°F) oder mehr aufweist.
- Die Wärme wird durch zwei vollständig isolierte Heizschaltungen geliefert, die dielektrische Isolatoren und strategisch angebrachte Schnitte und Mastix verwenden. Diese Schaltungen können unabhängig oder gemeinsam eingeschaltet werden, um eine niedrige, eine mittlere oder eine hohe Temperatureinstellung zu erzeugen. Jede Schaltung liefert Wärme an die gesamte Oberfläche des flächigen Heizelements.
- Das Heizkissen weist auch andere Sicherheitsmerkmale auf, die in bisherigen Heizvorrichtungen nicht vorhanden waren. Das Stromnetz, welches den Strom für viele im täglichen Leben eingesetzte Produkte liefert, schaltet sich im Allgemeinen erst ab, wenn für den Benutzer eine schon sehr gefährliche Situation entstanden ist. Da die Leiterbahnen eines jedes Heizschaltkreises der vorliegenden Erfindung parallel angeordnet sind, wird das Ausfallen einer einzelnen parallelen leitfähigen Bahn die Einheit nicht außer Betrieb nehmen. Die Heizelemente übernehmen die Rolle paralleler Widerstände. Jede Bahn arbeitet unabhängig von den anderen in dem Element. Wenn die Integrität einer einzelnen Bahn in Frage gestellt ist, fließt der Strom weiter durch die anderen, jedoch wird die Gesamtstromaufnahme der gesamten Einheit verringert. Jede Bahn wirkt dahingehend als eine Strombegrenzungsvorrichtung, dass sie bei einem Eingangsstrom von mehr als 0,65 Ampere in das gesamte Element einen offenen Schaltkreis erzeugt. Die Gesetze paralleler Widerstandselemente sagen für das System eine verringerte Stromaufnahme voraus.
- Außerdem wird das Versagen einer der Bahnen erfindungsgemäß keine gefährlichen Spannungspegel in der gesamten Einheit erzeugen, weil die Einheit eine Schutzschaltung enthält, die konstruktionsgemäß das Problem eines Überstroms aus dem Stromnetz löst. Dieser Schaltkreis, eine schnell schaltende 0,5-Ampere-Sicherung und ein Varistor, ist in den Einschalter auf der Stromzuleitung der Vorrichtung integriert. Die Sicherung ist normalerweise nicht rücksetzbar.
- Das flächige Heizelement der vorliegenden Erfindung hat vielfältige Verwendüngen, einschließlich, jedoch darauf nicht eingeschränkt, therapeutischer nasser und trockener Heizkissen, nasser und trockener Wärmetherapieprodukte für den professionellen Einsatz und den Einsatz beim Sport, therapeutische Klinik-Heizkissen, Fuß- und Bettwärmer, Arthrose-Therapieprodukte, wie zum Beispiel Handschuhe, Umschläge, usw., Sinus-Wärmetherapieprodukte.
- In den begleitenden Zeichnungen zeigt:
-
1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
2 eine geöffnete Ansicht des Heizkissens, das das Heizelement, Thermostate, äußere organische Polymerabdeckungen, die Kabeleinheit und den Schalter zeigt, -
3 eine offene Darstellung des Heizkissens, welche den Thermostatort und die Befestigung der Kabeleinheit zeigt, -
4 und5 den Vielstellenschalter, die Schaltungskonfiguration und Schaltungsschutzvorrichtungen, -
6 die Konfiguration der Thermostate in der Schaltung. -
1 bis3 zeigen das Heizkissen, das allgemein mit10 bezeichnet ist, und die Kabeleinheit14 ,18a und18b , und die Schaltereinheit16 . In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gesamtabmessungen des Heizkissens10 eine Breite von ungefähr 304,8 mm (12 Zoll), eine Länge von 355,8 mm (14 Zoll) und eine Dicke von 3,2 mm (1/8 Zoll). - Das Heizelement
4 ist eine Schichtkonstruktion aus vier unterschiedlichen Komponenten (unten liegendes Mylar(RTM)-Substrat, in der Mitte liegendes wärmevulkanisiertes netzartiges Widerstandsmuster, leitfähiges Band, außen liegende Mylar (RTM)-Bögen), die untrennbar in eine einzige Einheit verschweißt sind. Solche aufgedruckten Dünnschichtwiderstandselemente sind im Handel erhältlich. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet Flexwatt Corporation CHE-109H20 - Element (Flexwatt Corporation, Canton, Massachusetts, USA). Das Flexwatt-Heizelement verwendet zwei parallele Heizschaltkreisbahnen2 , von denen eine einen Widerstand von ungefähr 370 Ohm und die andere von ungefähr 497 Ohm hat. Beide Schaltungen sind so konstruiert, dass sie über die gesamte Oberfläche des Kissens Wärme erzeugen. Die ungefähre Gesamtdicke des aus vier Komponenten zusammengeschweißten Heizelementes4 ist 0,18mm (0,007 Zoll). - Gemäß den
2 ,4 und5 werden die zwei getrennten Heizschaltkreise des abgeschirmten Heizelements4 erfindungsgemäß verwendet, um eine Einstellung "niedrig" ("LOW"), "mittel" ("MEDIUM"), und "hoch" ("HIGH") zu erzielen, die durch einen Vierpositionsschalter16 gesteuert werden. Der erste Heizschaltkreis bzw. der Anschluss "A" (Schalterpositiön "niedrig") ist ein Schaltkreis mit einem Widerstand von 497 Ohm und erzielt unter Freiluftbedingungen eine Temperatur von ungefähr 50-51,7°C (122-125°F). Der zweite Heizschaltkreis oder der Anschluss "B" (Schalterposition "mittel") ist ein Schaltkreis mit einem Widerstand von 370 Ohm und erzielt unter Freiluftbedingungen eine Temperatur von ungefähr 57,2-58,3°C (135-137°F). Die Schalterposition "hoch" verwendet sowohl die Schalterposition "niedrig" als auch die Schalterposition "mittel" parallel zueinander, um eine "hohe" Wärme zu erzielen. Dieser kombinierte Heizschaltkreis erzielt unter Freiluftbedingungen eine Temperatur von ungefähr 66,7-69,4°C (152-157°F). - Bei der ersten Konstruktionsphase, die schematisch in
2 gezeigt ist, werden spannungsentlastende Schlitze20 in das Polyester(Mylar(RTM))-Laminat des Heizelements geschnitten. Eine im Handel erhältliche Stanzmaschine wird zum Präzisionsschneiden der 1,6 mm (1/16 Zoll) mal 12,7 mm (1/2 Zoll) messenden Schlitze in den unbelegten Bereichen des laminierten Elements zwischen Halbleiterbahnen verwendet. Zwei parallele Reihen von sechs Schlitzen (20 ) sind in einem Abstand von ungefähr 38,1 mm (1 ½ Zoll) bzw. 76,2 mm (3 Zoll) von der jeweiligen Kante des Kissens angebracht. Diese Schlitzkonfiguration erhöht die Flexibilität und verringert die Spannungen an den Leiterbahnen des Kissens. Dabei ist in Betracht gezogen, dass andere Schlitzgrößen und -Konfigurationen zur. Erzielung der erwünschten Flexibilität ebenfalls verwendet werden können. - Bei der zweiten Konstruktionsphase, die in den
2 und3 gezeigt ist, wird das mit Polyester (Mylar(RTM)) versiegelte Heizelement4 an den Schalter und die Stromversorgung angeschlossen. Eine ungefähr 645,16 mm2 (1 Quadratzoll) abmessende gestanzte Schnittöffnung wird durch die die Schaltkreise verbindenden leitfähigen Bahnen geschnitten, die entlang den seitlichen Kanten des Elements angeordnet sind und sich mit den Enden der Leiterbahnen überlagern. Schichtdurchstoßende Messingkontakte (Wination Industries, Hong Kong) werden über und unter dem Polyester und das leitfähige Band des Elements V-förmig an den stanzgeschnittenen Kanten angebracht, und die Crimpspitze eines jeden Kontakts für einen 18-AWG-Draht wird mit einem Crimpwerkzeug flach gedrückt. Diese Crimpung durchstößt die Polyesterschicht und das leitfähige Band zur Bildung eines leitfähigen Anschlusses24 . - In der Kabeleinheit enthaltene elektrische Drähte
18b werden an den Anschlüssen des Heizelementes befestigt (festgelötet) und werden unter der Verwendung eines Heißschmelzklebers (3-M, Jetmelt 3789-PG) weiter befestigt, der an den Anschlusspunkten26 flexibel ist und einen hohen Aktivierungspunkt von ungefähr 137,8°C (280°F) hat. Die Kabeleinheit (Wination Industries, Ltd., Hong Kong) ist eine standardmäßige 125-Volt-Einheit, mit einem nicht geerdeten, polarisierten, Zweipol-Anschlussstecker am Leitungsende der Kabeleinheit. Der Stecker14 ist auf das Kabel aufgeformt. Das flexible Kabel ist des Typs SPT-2, 18/2 18a & 18/3 18b mit einer zulässigen Höchststromstärke von 6 Ampere. Die höchste maximal zulässige Stromstärke des Heizelements ist 1,5 Ampere. Die Kabeleinheit ist von der Eintrittsstelle in das Kissen bis zur Steckerspitze ungefähr 1828,8 mm (72 Zoll) lang. - Die Thermostate
12a ,12b in den2 und3 (Modell Canthern V11 70-2-5, Montreal, Quebec, Kanada) sind normalerweise geschlossene Bimetalle mit Schnappaktion mit einer Toleranzeinstellung bei 70°C von ± 5°C. Die Thermostate sind, wie in den3 und6 angegeben, in Reihe geschaltet. Der Thermostat "A" 12a ist am unteren Ende des Heizkissens10 in größter Nähe zur Stromversorgung ungefähr 50,8 mm (2 Zoll) von der Stromversorgung entfernt angeordnet. Der Thermostat "B" 12b ist mittig im Heizkissen ungefähr 152,4 mm (6 Zoll) entfernt von der Stromversorgung angeordnet. Ein standardmäßiges thermisches Fett ist zwischen der Schnittstelle der Thermostaten12a ,12b und dem äußeren Polyesterbogen des Heizelements aufgebracht. Bei den Thermostaten12a ,12b sind direkt über den Heizbahnen positioniert, was die anfängliche Überschreitungstemperatur auf ungefähr 82°C verringert. Nachdem die Thermostaten12a ,12b angebracht wurden, wird eine Lage eines 50,8 mm (2 Zoll) messenden elektrischen Mastixbandes (3-M # 06147) unten auf das Kissen in den Kontaktbereichen26 aufgebracht. Oben wird der Kontaktbereich26 mit einem weiteren Mastixband abgedichtet. Hierdurch werden auch die Anschlüsse24 gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet. Eine Schicht eines elektrischen Bands22 , das 50,8 mm (2 Zoll) breit und 228,6 mm (9 Zoll) lang ist, wird zum Schutz gegen Durchstoßung ebenfalls über die Thermostaten angebracht. - In einer Ausführungsform der Erfindung,
2 und3 , bestehen die äußeren organischen Polymerabdeckungen6 ,8 des Kissens aus zwei Bögen von ungefähr 1,6 mm (1/16 Zoll) dickem geschäumtem Polyvinylchlorid (PVC) (L-91-22, Adchem Corp., Westbury, N. Y., USA). Pro Abdeckung6 ,8 wird ein PVC-Bogen verwendet. Das geschäumte PVC überlappt sich mit dem Mylar-Substrat des Heizelements4 um ungefähr 4,8 mm (3/16 Zoll) bis 6,4 mm (1/4 Zoll) auf allen Seiten. Der PVC-Schaum ist mit einer 0,0508 mm (2 mil) dicken Beschichtung eines Kontaktklebers versehen. Der Kleber ist hochtemperatur- (ungefähr 137,8°C (280° F)) und salzwasserbeständig, wodurch eine erhöhte Sicherheit und Haltbarkeit erreicht wird. Der obere und der untere PVC-Schaumbogen werden durch eine Walzpresse aufgebracht, die einen tangentialen Druck anwendet, während das Heizelement und die Polymerbögen durch die Presse geschickt werden. Der zur Versiegelung des Klebers aufgebrachte Druck ist zwischen ungefähr 6,9 × 104 und 41,3 × 104 Pa (10-60 psi). - Die Kanten des Kissens werden in einer Stanzpresse wärmeversiegelt. Die Schneidkante der Stanzpresse wird auf eine Temperatur zwischen 148,9 und 176,7°C (300-350°F) erwärmt und schneidet und versiegelt die Kanten des Kissens durch ihren Kontakt mit diesem. Die Kontaktzeit wird auf zwischen 0,5 und 5 Sekunden eingestellt, je nach dem spezifischen verwendeten organischen Polymer. Die Kanten des Kissens können auch unter der Verwendung eines Lösungsmittelaussatz- oder Druckversiegelungsverfahrens verschweißt werden.
- Nachdem die äußere Polymerabdeckung
6 ,8 auf die Oberfläche des Elements4 laminiert und die Kanten versiegelt wurden, wird das Heizkissen10 eine einzige Einheit. Das in einer einzigen Einheit vorgesehene Heizkissen10 der vorliegenden Erfindung hat eine erhöhte Flexibilität und Drapierbarkeit, ist weniger entflammbar und sieht eine gleichmäßigere Wärmeverteilung über die gesamte Oberfläche des Kissens als bekannte Heizkissen vor. - In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Heizelement durch eine durchgehende Schicht eines äußeren organischen Polymers durch Formung des Polymers über das Element abgedeckt werden. Eine Form wird unter der Verwendung des Formungsmaterials REN von CIBA-Geigy, einem Verbundwerkstoff, hergestellt. Nachdem die Form hergestellt wurde, wird das Heizelement
4 , an das die Thermostaten12a ,12b und die Kabeleinheit angebracht wurden, in die Form gelegt und diese zugeklemmt. Ein gießfähiges Polyurethan (REN:Co: Thame Nr. TDT-178-34 von CIBA-Geigy) wird dann in die Form gepumpt, um die Einheit vollständig einzukapseln. Das Gießpolyurethan lässt man in der Form über sechs bis acht Stunden wärmevulkanisieren. Die Wärmevulkanisierung wird durch Einschalten des Heizkissens auf die niedrigste Einstellung und dadurch erreicht, dass dem Heizelement erlaubt wird, das gegossene Polyurethan von innerhalb der Einheit selbst zu erwärmen. Die Form wird nach dem Vulkanisieren entklemmt und das fertige überformte, hermetisch versiegelte Heizkissen wird entfernt. Mit hermetisch versiegelt ist eine allgemein luftdichte Versiegelung um das Heizelement10 gemeint. - Gemäß den
4 ,5 und6 ist der Schalter16 ein Einzelpol-Vierpositionsschalter (Wination Industries, Hong Kong), der zum Schalten von Lasten von Leitung zu Leitung verwendet wird. Ein Leiter der Leitung wird durch den Schalter direkt zum gemeinsamen Punkt der Heizschaltkreise des Elementes geführt. Der andere Leiter der Leitung wird in den Pol des Schalters eingespeist. Die Positionen "A" und "B" des Schalters in5 entsprechen dem niedrigeren bzw. höheren Widerstandsheizschaltkreis des Heizelementes. Die Position "COM" des Schalters verbindet den Anschluss "A" und "B" parallel zusammen zur Einstellung für die höchste Wärmeleistung. Die Schalterposition "Aus" trennt beide Seiten der Leitung als ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal. - Eine Neonlampe
32 ,2 und4 , wird zum Anzeigen verwendet, dass das Heizelement4 unter Strom steht. Die Lampenschaltung bietet zum Heizelement4 einen hohen parallelen Widerstand, wodurch sie auf die Leistung des Heizelementes vernachlässigbare Auswirkungen hat. Die Lampenschaltung leitet weniger als ein Viertel Watt Leistung ab. - Gemäß den
4 und5 enthält in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schalter16 zum Schutz gegen Spannungsspitzen eine Schaltkreisschutzvorrichtung, die einen Varistor28 (7 mm MOV Z130-LAZ von CKE, Inc., Lucernemines, Pennsylvania, USA) umfasst, an der Stromversorgung. Der Varistor erhöht die Leitfähigkeit beim Anliegen erhöhter Spannung, wodurch eine Überbrückungsschaltung geschaffen wird, um den Schalter16 und das Heizelement4 zu schützen. Eine schnell schaltende 0,5-Ampere-Sicherung 30 (Bussmann 0,5 Ampere, PCB, Marietta, Georgia, USA) ist in die Schaltung integriert, um zu verhindern, dass ein Strom mit einer Stromstärke von mehr als 0,55 Ampere das Heizelement4 erreicht. Diese Schaltung kann je nach der Auswahl der Primärkomponente als eine Einwegeinheit, eine sich selbst rücksetzende Einheit oder eine durch den Benutzer wartbare Einheit konfiguriert sein. Die bevorzugte Konfiguration ist eine Einweg-, nicht durch den Benutzer wartbare Konstruktion. Dies verhindert die erneute Verwendung einer Vorrichtung, die durch einen übergroßen Strom beschädigt wurde, und ist daher sicherer. Diese Schaltungsschutzvorrichtung kann in einer Vielzahl elektrischer Produkte eingesetzt werden, wo der Schutz des Verbrauchers einen wichtigen Aspekt der Produktkonstruktion darstellt, einschließlich, jedoch hierauf nicht eingeschränkt, Wärmtabletts und -platten, Sitzwärmer und Wärmemassageeinheiten.
Claims (24)
- i. Elektrisches Heizkissen (
10 ) enthaltend: – ein flexibles Heizelement (4 ); – Mittel (18b ) zur elektrischen Verbindung des Heizelements an eine externe Stromquelle; – zwei äußere organische Polymerbögen (6 ,8 ) wobei jeder einzelne Bogen auf jeweils einer Seite des Heizelements angeordnet ist, so daß die äußeren Kanten des ersten Bogens (6 ) in Kontakt mit den äußeren Kanten des zweiten Bogens (8 ) stehen und – Mittel zum Zusammenschweißen der äußeren Kanten der einzelnen Polymerbögen, um das Heizelement (4 ) dazwischen hermetisch abzudichten, dadurch gekennzeichnet, daß – das flexible Heizelement (4 ) zwei separate Dünnschichthalbleiterschaltkreise (2 ) aufweist, die jeweils auf eine elektrisch isolierende Oberfläche aufgedruckt und zwischen separate darüber und darunter liegende organische Polyesterbögen laminiert sind; – jeder Schaltkreis (2 ) eine Bahn enthält, das Heizkissen (10 ) ferner ein Thermostat (12a ,12b ) für jede Bahn enthält, jeweils positioniert direkt oberhalb und verbunden mit einer der Bahnen (2 ). - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 1, bei dem ein thermisch leitendes Fett jeweils zwischen den Thermostaten (12a ,12b ) und einem der Polyesterbögen aufgebracht ist, die die Bahnen überdecken. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 1, bei dem ein erstes Thermostat (12a ) ca. (50,8 mm (2 inches) entfernt von dem Ende (26 ) der Verbindung an eine externe Stromquelle positioniert ist und ein zweites Thermostat (12b ) ca. 152,4 mm (6 inches) entfernt von dem Ende (26 ) und mindestens 101,6 mm (4 inches) entfernt von dem ersten Thermostat (12a ) positioniert ist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 1, bei dem die Thermostate (12a ,12b ) durch eine Lage Mastixband, die jedes der Thermostate überdeckt, um diese jeweils an die äußeren organischen Polymerschichten (6 ,8 ) des Heizelements (4 ) anzuschweißen, in ihrer Position gehalten werden. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 1, bei dem die Schaltkreise (2 ) durch einen Vielstellenschalter (16 ) zueinander parallel geschaltet sind und bei dem jeder der Schaltkreise dazu geeignet ist, einzeln oder in Kombination mit einem anderen unter Spannung gesetzt zu werden und jeweils dazu geeignet ist, einzeln Hitze auf der gesamten Oberfläche des Heizkissens bereitzustellen. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 5, bei dem der Vielstellenschalter (16 ) ferner eine Schaltkreisschutzvorrichtung (28 ) aufweist, die in dem Schaltkreis positioniert ist, der das Heizelement (4 ) mit der externen Stromquelle verbindet, wobei die Schaltkreisschutzvorrichtung (28 ) einen Varistor enthält, der zum Vielstellenschalter (16 ) und zu den Schaltkreisbahnen (2 ) parallel geschaltet ist, um einer Beschädigung des Schalters durch Spannungsspitzen vorzubeugen und eine schnell schaltende Sicherung (30 ) in Reihe geschaltet mit den Schaltkreisbahnen. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 6, bei dem die Sicherung (30 ) so aufgebaut und angeordnet ist, um das Heizelement (4 ) elektrisch von der externen Stromquelle zu trennen, wenn der an dem Schaltkreis angelegte Strom ca. 0,55 A überschreitet. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen flexiblen Heiß-Schmelzkleber, aufgebracht auf den Mitteln (18b ) zum elektrischen Verbinden der Heizelemente an die externe Stromquelle, und um die Mittel zum Anschluß des Heizelements direkt an die laminierten Polyesterbögen des Heizelements (4 ) anzubinden. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 8, bei dem eine Lage aus Mastixband auf dem Heiß-Schmelzkleber und den Mitteln (18b ) zum Verbinden des Heizelements angeordnet ist, um eine Dichtung für die Polyesterbögen des Heizelements (4 ) zu bilden. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Vielzahl von spannungsentlasteten Vertiefungen (2o ) ausgebildet in den laminierten Polyesterbögen des Heizelementes (4 ) und angeordnet zwischen den Schaltkreisen (2 ). - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 20, bei dem jede Vertiefung (20 ) der Vielzahl von spannungsentlasteten Vertiefungen eine Größe von ca. 1,6 mm (1/16 inch) Breite und 12,7 mm (1/2 inch) Länge aufweist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 10, bei dem die Vielzahl von spannungsentlasteten Vertiefungen (20 ) in zwei im wesentlichen parallelen Reihen mit jeweils sechs Vertiefungen ausgeformt sind, wobei sich die Reihen der Vertiefungen jeweils 38,1 mm (1 1/2 inches) und 76,2 mm (3 inches) von den äußeren Rändern des Heizelements (4 ) entfernt an jeder Ecke des Heizelements befinden. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch i, bei dem die äußeren organischen Polymerbögen (6 ,8 ) eine Abdeckung über dem Heizelement (4 ) bilden, wobei die Abdeckung von ausreichender Größe ist, um das Heizelement an allen Seiten zu überdecken und ausreichend dünn um flexibel zu sein, die Abdeckung eine Oberschicht (6 ) und eine Unterschicht (8 ) aus geschäumtem organischen Polymer enthält, jeweils angeschweißt an die äußere Oberfläche des Heizelements (4 ) mit einem Haftklebstoff, die Oberschicht und die Unterschicht jeweils auf die obere und untere Oberfläche des Heizelements drucklaminiert und entlang der äußeren Kanten des Heizkissen (10 ) verschweißt sind. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 13, wobei das Heizkissen eine Größe von ca. 304,8 mm (12 inches) in der Breite, 355,6 mm (14 inches) in der Länge und 3,2 mm (1/8 inch) in der Dicke aufweist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 13, bei dem die Schichten (6 ,8 ) des geschäumten organischen Polymers einen geschlossenen Zellenaufbau aufweisen. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 13, bei dem der geschäumte organische Polymer (6 ,8 ) Polyvinylchlorid enthält. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 13, bei dem der geschäumte organische Polymer (6 ,8 ) Polyethylen enthält. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 13, bei dem der geschäumte organische Polymer (6 ,8 ) Polyurethan enthält. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch i, bei dem die äußeren organischen Polymerbögen (6 ,8 ) eine kontinuierliche Schicht aus einem organischen Polymer die über das Heizelement (4 ) geformt ist, aufweist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 19, bei dem das Heizelement (4 ) in einer vorgeformten Form plaziert ist und bei dem die Abdeckung über das Heizelement (4 ) durch Gießen der Abdeckung über das Heizelement (4 ) in der vorgeformten Form gebildet ist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 19, bei dem die Abdeckung zu einer einheitlichen Dicke von ca. 3,2 mm (1/8 inch) über die gesamte Oberfläche des Heizelements (4 ) gegossen ist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 19, bei dem die Abdeckung Polyurethan aufweist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 19, bei dem die Abdeckung Polyethylen aufweist. - Heizkissen (
10 ) nach Anspruch 19, bei dem die Abdeckung Polyvinylchlorid aufweist.
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