Physiologische und technische Optimierung beheizbarer Textilien für Bekleidung
(IGF-AiF 17708 BG)

Abstract

Für Heiztextilien müssen elektrotechnische Konstruktionsparameter wie Heizleistung, -dauer, -temperatur, -fläche und ‑position an den Wärmehaushalt, die Thermoregulation und das  Komfortempfinden des Menschen exakt adaptiert werden. Dies ist nicht nur für die thermoregulatorische Wirksamkeit sondern auch für die Akkubetriebsdauer entscheidend. Um den Einfluss der elektrotechnischen Konstruktionsparameter auf die bekleidungs-physiologischen Anforderungen zu ermitteln, wurden Untersuchungen zum Komfort beheizbarer Bekleidung durchgeführt. Im Ergebnis der Zusammenarbeit wurden umfassende Grundlagen für die Herstellung von beheizbaren Textilien erarbeitet sowie elektrotechnische und bekleidungstechnische Konstruktionsempfehlungen formuliert.

Aufgabenstellung
   
Trotz eines großen Marktpotenzials setzen sich Heiztextilien am Markt nicht genügend durch. Grund hierfür sind vor allem technische Probleme, eine ungünstige Systemauslegung, Nutzungseinschränkungen durch geringe Akkubetriebsdauer oder Probleme der Haltbarkeit beim Waschen. Dies führt oft dazu, dass Heiztextilien auf den Markt kommen und nach kurzer Zeit wieder verschwinden, weil ihre Funktion nicht überzeugt. Des Weiteren beeinflussen Klima und thermisches Umfeld die Leistungsfähigkeit und Gesundheit des Menschen. Die Anpassung des Menschen an sein thermisches Umfeld ist wesentlich für sein Wohlbefinden und Komfort.
Für wirksame Heiztextilien bedarf es einer intelligenten Kombination von Textilien und Elektronik. Neben dem bekleidungsphysiologischen und thermischen Tragekomfort ist die Leistungsfähigkeit der elektrotechnischen Komponenten von ausschlaggebender Bedeutung. Entsprechende Kenndaten sind zum Komfort beheizbarer Bekleidung und zum Komfort-empfinden des Menschen zu ermitteln sowie Untersuchungen zu wärmetechnischen Anforderungen an beheizbare Textilien, die Identifizierung geeigneter Energiequellen, Steuer- und Bediensysteme, Regelgrößen und Sensorposition sowie die Qualifizierung von Entwurfsverfahren durchzuführen.

Lösungsweg

Ausgehend von einer Marktrecherche wurden vorhandene Produktqualitäten, die Umsetzung propagierter Eigenschaften und die Akzeptanz textiler Heizsysteme erfasst und analysiert.  Zielstellung war die Konzipierung notwendiger Optimierungsmöglichkeiten. In den sich anschließenden Arbeitsstufen wurden

  • aktiv wärmende textile Heizmodule mit definiert variierten Konstruktionsparametern (Material, Heizleistung, Temperaturbereich) hergestellt,
  • neue Verfahren zur Einbindung von Heizfäden bei gewebten textilen Heizflächen
  • mit den stromtragenden bzw. stromzuführenden Elektroden getestet (Abb. 1) sowie
  • Untersuchungen zur  Verbesserung in der Kontaktierung durchgeführt.
     
Dreherkontaktierung Elektrode -> Heizfaden
Abb. 1: Dreherkontaktierung Elektrode -> Heizfaden (Bildmitte, ca. 80fach vergrößert)

Gleichlaufend erfolgten bekleidungsphysiologische Untersuchungen hinsichtlich der

  • Charakterisierung der materialspezifischen thermophysiologischen Eigenschaften der beheizbaren Textilien mit objektiven Messmethoden der Bekleidungsphysiologie sowie
  • die Bestimmung der hautsensorischen Eigenschaften ausgewählter beheizbarer Textilien.

Bei den folgenden wärmetechnischen Untersuchungen wurden thermographische und elektrisch-energetische Messungen an beheizbaren Textilien durchgeführt. Damit wurden die Auswirkungen von geregelten und ungeregelten Heizflächen im Hinblick auf den zeitlichen Verlauf der Aufwärmkurven und der Gesamtheizzeit  ermittelt.

Für die Konstruktion bzw. Auslegung der Heizleistung wurden manuelle als auch rechnergestützte Verfahren getestet. In relativ kurzer Zeit ist mit beiden verfügbaren Verfahren die Ausgabe von konkreten Konstruktions- und Fertigungsangaben sowie der Abgleich von Ergebnissen möglich. Gleichzeitig können Simulationen durchgeführt werden, die u. a. ein schnelles Reagieren auf Kundenanfragen ermöglichen. Auf dieser Basis wurden Muster-Heizflächen konzipiert und hergestellt, die zum einen für Tests mit der mobilen Heizungssteuerung eingesetzt und zum anderen für die Integration in Demonstratoren genutzt wurden.

Anwendungen

Im Ergebnis wurden umfassende Grundlagen für die Herstellung von beheizbaren Textilien erarbeitet. Sie sind die Basis für den Aufbau und die Gestaltung optimaler beheizbarer Bekleidungssysteme wie sie in kalten Umgebungstemperaturen bspw. bei Persönlicher Schutzausrüstung (PSA) in Kühl- und Tiefkühlhäusern, beim Militär sowie im Winter-, Jagd- oder Motorradsport oder im Outdoorbereich und nicht zuletzt bei entsprechenden Freizeit- und sportlichen Aktivitäten benötigt werden.
Mit dem im gleichen Zuge entwickelten mobilen Heizsystem ist der modulare Betrieb bzw. die Versorgung aller für beheizbare Bekleidung relevanten Körperstellen wie z. B. für Hals-, Schulter-, Brust-, Rücken-, Nierenbereich einschließlich Handschuhe oder Fußbekleidung möglich. Intelligente Steuermodule, die auf jeder Heizfläche mit gutem Wärmekontakt angebracht sind, regeln und überwachen sich selbst und werden über ein Bussystem von der Zentraleinheit versorgt und überlagernd gesteuert (Abb. 2).
 

Peripheriemodul mit eigener Intelligenz (auf jeder Heizfläche), Versorgung und Steuerung über Bussystem, angeordnet auf einer gestickten Heizfläche
Abb. 2: Peripheriemodul mit eigener Intelligenz (auf jeder Heizfläche), Versorgung und Steuerung über Bussystem, angeordnet auf einer gestickten Heizfläche
Designbeispiel des Parametermoduls
Abb. 3: Designbeispiel des Parametermoduls

Zentrales Komfortelement des mobilen Heizsystems ist das Parametermodul (Abb. 3), womit die umfassende Einstellung der relevanten Systemgrößen bis hin zur Möglichkeit der Personalisierung erfolgt.
Durch den innovativen und modularen Ansatz des mobilen Heizsystems bieten sich neben hohem Grundkomfort umfangreiche Optionen, Erweiterungs- und Anwendungsmöglichkeiten mit einer breiten und nachhaltigen Nutzbarkeit und Perspektive.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Ferry Siegl


 
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