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Aus
der Druckschrift
DE
8309023 U1 ist ein flexibles Heizelement in Bandform bekannt,
das aus elektrisch leitfähigen Körnchen aus PTC-Material
und einem organisch isolierenden Kunststoff als Bindemittel besteht.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Heizmodul anzugeben,
das flexibel ist und bei dem PTC-Heizelemente mit definierten Abmessungen Verwendung
finden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Heizmodul gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Des
Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von
Heizmodulen nach Anspruch 34 gelöst.
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Das
flexible Heizmodul umfasst einen elektrisch nicht leitenden Positionierrahmen.
Der Positionierrahmen weist mehrere Kavitäten auf. Die
Kavitäten dienen vorzugsweise zur Aufnahme von PTC-Heizelementen.
Die PTC-Heizelemente sind in den Kavitäten mittels wenigstens
eines flächigen elektrischen Leiters befestigt. Der flächige
elektrische Leiter ist wenigstens einseitig auf dem Positionierrahmen
aufgebracht. Der elektrische Leiter dichtet jede einzelne Kavität
des Positionierrahmens somit vollständig nach außen
ab. Die in den Kavitäten angeordneten PTC-Heizelemente
sind somit gegenüber Umwelt- und Schadstoffeinflüssen
geschützt. Bei einer Taupunktsunterschreitung werden die PTC-Heizelemente
somit vor Korrosion der Keramik und der Metallisierung geschützt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Leiter
auf einer planen Fläche des Positionierrahmen aufgeklebt.
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Die
Kavitäten weisen in einer bevorzugten Ausführungsform
die Form eines Rechteckes auf. Die PTC-Heizelemente sind in dieser
Ausführungsform bevorzugt als Quader ausgebildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform können die Kavitäten
auch die Form einer kreisförmigen Öffnung aufweisen.
Die Heizelemente weisen dementsprechend die Form einer runden Scheibe
auf.
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Der
Umfang der rechteckigen PTC-Heizelemente beziehungsweise der Durchmesser
der runden PTC-Heizelemente ist vorzugsweise etwas kleiner als der
Umfang der rechteckigen Kavitäten beziehungsweise der Durchmesser
der kreisförmigen Kavitäten in dem Positionierrahmen.
Damit ist zwischen den PTC-Heizelementen und dem Rand der Kavitäten
ein Freiraum vorhanden. Durch diesen lateralen Freiraum weist das
Heizmodul einen spannungsreduzierten Aufbau auf. Die PTC-Heizelemente
sind somit nicht in die Kavitäten des Positionierrahmens
in lateraler Richtung eingeklemmt. Die PTC-Heizelemente sind somit,
bei größtmöglicher Flexibilität
des Heizmoduls, geringeren mechanische Spannungen innerhalb der
Kavitäten ausgesetzt. Für den Fall, dass das Heizmodul
mechanisch oder temperaturbedingt verbogen wird, ist weiterhin gewährleistet,
dass die PTC-Heizelemente von den flächigen elektrischen
Leitern gehalten werden. Bei einer festen Verbindung zwischen dem
flächigen elektrischen Leiter und den PTC-Heizelementen
entstehen beim Verbiegen oder Verdrehen des Heizmoduls Spannungen, die
an den Verbindungsstellen zu Rissen führen könnten.
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Bei
der Herstellung der PTC-Heizelemente durch die Sinterung ergibt
sich eine Normalverteilung (Gauß-Kurve) für den
elektrischen Widerstand der PTC-Heizelemente. Die Breite dieser
Kurve (6 Sigma) wird in Widerstandsklassen aufgeteilt. Aus diesen
Widerstandsklassen werden PTC-Heizelemente ausgewählt,
mit denen die Kavitäten des Positionierrahmens bestückt
werden. Durch die Anzahl der Widerstandsklassen der PTC-Heizelemente
ergibt sich eine Minimalbestückung, die der Anzahl der
gefüllten Kavitäten des Heizmoduls entspricht.
Bei der Herstellung der PTC-Heizelemente wird üblicherweise eine
Widerstandstoleranz von in etwa +/–40% erreicht. Für
die Heizmodule sind derart große Toleranzwerte jedoch nicht
ausreichend. Um die geforderten Toleranzanforderungen hinsichtlich
der Widerstandswerte für Heizmodule von in etwa +/–10% (bzw.
+/–25%) zu erreichen, wird das Heizmodul definiert mit
ausgesuchten PTC-Heizelementen bestückt. Im Falle der Minimalbestückung
wird aus jeder Widerstandsklasse ein PTC-Heizelemente ausgewählt.
Bei einer höheren Anzahl gefüllter Kavitäten werden
die PTC-Heizelemente gemäß der Normalverteilung
ausgewählt. In dieser Ausführungsvariante werden
also PTC-Heizelemente, die eine geringere Abweichung von ihrem Sollwert
aufweisen in größerer Anzahl in dem Heizmodul
verwendet, als PTC-Heizelemente, die eine größere
Abweichung von ihrem Sollwert aufweisen. Somit weist der Widerstandswert
des Heizmoduls eine geringere Abweichung gegenüber einem
vorgegebenen Sollwert auf, als die Abweichung der einzelnen PTC-Heizelemente von
ihrem Sollwert.
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Vorzugsweise
werden PTC-Heizelemente ausgewählt, die einen Widerstandswert
aufweisen, der sowohl größer als auch kleiner als
der Sollwert ist. Durch die Bestückung des Heizmoduls mit PTC-Heizelementen,
die eine große Widerstandstoleranz aufweisen, wird für
das Heizmodul eine Widerstandstoleranz erreicht, die kleiner ist
als die Widerstandstoleranz der einzelnen PTC-Heizelemente.
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Der
Positionierrahmen ist vorzugsweise aus einem flexiblem und temperaturbeständigen
Material gebildet. Hierfür eignet sich vorzugsweise Silikon oder
andere temperaturbeständige, flexible, elektrisch isolierende
Kunststoffe, die für einen Temperaturbereich von ca. –50°C
bis 200°C geeignet sind.
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Der
Positionierrahmen weist vorzugsweise auf der Oberseite und der Unterseite
einen Bereich mit planer Oberfläche auf.
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Der
Positionierrahmen weist einen aufgeklebten flächigen elektrischen
Leiter auf, der die Kavitäten vollständig abdeckt,
so dass die in den Kavitäten befindlichen PTC-Heizelemente
vorzugsweise vollständig nach außen abgedichtet
sind.
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Die
Dicke des Positionierrahmens im Bereich der Kavitäten entspricht
vorzugsweise der Dicke der in den Kavitäten des Positionierrahmens
befindlichen PTC-Heizelemente.
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Die
Dicke des Positionierrahmens weist vorzugsweise die Höhe
der PTC-Heizelemente auf. Dadurch weist das Heizmodul auf der Ober-
und Unterseite eine annähernd flache Oberfläche
auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist das Heizmodul einen
auf dem Positionierrahmen aufgeklebten flächigen elektrischen
Leiter auf, der den Positionierrahmen bis auf einen schmalen Randbereich
bedeckt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei diesem
flächigen elektrischen Leiter um eine Folie. Die Folie
besteht vorzugsweise aus Metall oder weist auf der zu den Kavitäten
weisenden Seite eine metallische Oberfläche auf, die elektrisch leitfähig
ist. Die Folie weist eine gute Leitfähigkeit für Strom
und Temperatur auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei diesem
flächigen elektrischen Leiter auch um ein dünnes
Blech in Streifenform handeln.
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Der
Positionierrahmen weist vorzugsweise beidseitig im Randbereich einen
in Längsrichtung verlaufenden schmalen Führungssteg
auf. Der Führungssteg ist vorzugsweise so ausgebildet,
dass seine Höhe in etwa der Dicke des auf dem Positionierrahmen
befestigten flächigen elektrischen Leiters entspricht.
Die Gesamthöhe des Positionierrahmens ergibt sich dann
aus der Dicke der PTC-Heizelemente und zweimal der Dicke der flächigen
elektrischen Leiter, die auf dem Positionierrahmen aufgebracht sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Positionierrahmen
im Bereich der planen Flächen temperaturbeständig
mit dem flächigen Leiter verbunden. Der flächige
Leiter ist vorzugsweise nur mit dem Positionierrahmen verklebt,
so dass die PTC-Heizelemente nur durch eine Klemmung mittels der
beidseitig aufgebrachten flächigen Leiter gehalten und
kontaktiert werden.
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Die
PTC-Heizelemente weisen vorzugsweise auf zwei Seiten vollflächige
elektrische Kontakte auf. Die PTC-Heizelemente sind durch die Verklebung
der flächigen elektrischen Leiter mit dem Positionierrahmen
allseitig nach außen hin abgedeckt und vollständig
abgedichtet.
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Vorzugsweise
ist das PTC-Heizelement in der Kavität des Positionierrahmens
zwischen den beiden flächigen elektrischen Leitern eingeklemmt. Die
auf der Ober- und Unterseite des Positionierrahmens aufgeklebten
flächigen elektrischen Leiter ermöglichen so eine
spannungsfreie mechanische Befestigung der PTC-Heizelemente in den
Kavitäten des Positionierrahmens. Durch die flexible Kontaktierung
können beim Biegen des Heizmoduls Risse vermieden werden.
Bei flexiblen Heizmodulen mit Lötverbindungen, die zur
Befestigung der PTC-Heizelemente dienen, können Risse auftreten.
Durch die Klemmung zwischen den flächigen elektrischen
Leitern ist somit eine sichere Kontaktierung bei größtmöglicher
Flexibilität der Heizmodule gegeben.
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In
einer weiteren Ausführungsform, bei der ein geringerer
Wert auf die Lebensdauer des Heizmoduls gelegt wird, kann das PTC-Heizelement
auch mittels einer Klebeverbindung mit dem flächigen elektrischen
Leiter verbunden sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die Verbindung auch über
eine Lötverbindung erfolgen. Es ist auch möglich,
dass das PTC-Heizelement zwischen den flächigen elektrischen
Leitern auf dem Positionierrahmen mit einer Kombination von Klemm-, Löt-
und/oder Klebeverbindungen befestigt beziehungsweise kontaktiert
wird.
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Die
PTC-Heizelemente sind beidseitig mit dem auf dem Positionierrahmen
aufgeklebten flächigen elektrischen Leiter elektrisch kontaktiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die elektrische Kontaktierung
beidseitig über die gesamte Oberfläche der PTC-Heizelemente.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der flächige
elektrische Leiter an einem Ende einen elektrischen Anschlusskontakt
auf. Der Anschlusskontakt ist in einer bevorzugten Ausführungsform
als Teil des elektrischen Leiters ausgeformt. Der Anschlusskontakt
bildet somit das erste Ende des flächigen elektrischen
Leiters. In einer weiteren Ausführungsform kann der Anschlusskontakt
als Anschlussfahne oder Steckkontakt ausgebildet sein. Der Anschlusskontakt
dient bevorzugt zur Versorgung des Heizmoduls mit Strom.
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Bei
Herstellung eines flexiblen Heizmoduls werden in die Kavitäten
eines Positionierrahmens mehrere PTC-Heizelemente eingebracht. Diese
werden anschließend mittels beidseitig auf dem Positionierrahmen
aufgebrachten flächigen Leitern befestigt.
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Der
flächige elektrische Leiter wird anschließend
vorzugsweise auf den Positionierrahmen aufgeklebt.
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Die
Befestigung der PTC-Heizelemente in den Kavitäten des Positionierrahmens
erfolgt vorzugsweise durch eine Klemmung zwischen den beiden aufgebrachten
flächigen elektrischen Leitern. In einer weiteren Ausführungsform
kann die Befestigung auch durch eine Löt- oder Klebeverbindung
erfolgen. Es ist auch möglich, eine Kombination von Klemm-,
Löt- oder Klebeverbindungen zu verwenden.
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Zur
Bestückung des Heizmoduls mit PTC-Heizelementen wird vor
der Bestückung der Widerstand jedes einzelnen PTC- Heizelements
gemessen. Die gemessenen Widerstände werden anhand der
Messergebnisse in Widerstandsklassen eingeteilt.
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Die
Anzahl der Widerstandsklassen ergibt somit eine Minimalbestückung
von PTC-Heizelementen in dem Positionierrahmen. Durch eine definierte Bestückung
des Heizmoduls mit PTC-Heizelementen mit bekannten Widerstandswerten
lässt sich ein Heizmodul herstellen das eine geringere
Widerstandstoleranz aufweist, als die Widerstandstoleranz der verwendeten
PTC-Heizelemente. Somit können alle PTC-Heizelemente, die
einen Widerstandswert aufweisen, der innerhalb der Toleranzgrenzen
liegt, für die Bestückung der Heizmodule verwendet
werden.
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Durch
die vorangegangene Einteilung der PTC-Heizelemente in Widerstandsklassen
und der daraus erfolgten Bestückung der Heizmodule mit PTC-Heizelementen
weisen die Heizmodule eine geringere Toleranz auf, als die verwendeten
PTC-Heizelemente untereinander. Bei einer Minimalbestückung
wird aus jeder Widerstandsklasse ein PTC-Heizelement zur Bestückung
ausgewählt. Durch die Parallelschaltung der PTC-Heizelemente ergibt
sich für den Gesamtwiderstand somit ein Mittelwert, der über
eine größere Anzahl von Heizmodulen betrachtet
innerhalb geringerer Toleranzgrenzen liegt, als die Widerstandswerte
der einzelnen PTC-Heizelmente. Werden mehr Kavitäten mit PTC-Heizelmenten
bestückt, als für eine Minimalbestückung
notwendig sind, so werden die PTC-Heizelemente gemäß der
Gaußverteilung der Widerstandsklassen ausgewählt.
Somit liegt die mittlere Abweichung der Widerstandswerte, der PTC-Heizelemente
eines Heizmoduls, gegenüber einem vorgegebenen Sollwert über
der Abweichung des Heizmoduls von dem Sollwert des Heizmoduls.
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Das
beschriebene Heizmodul hat insbesondere den Vorteil, dass durch
eine Klemmverbindung eine flexible Kontaktierung der PTC-Heizelemente
in dem Positionierrahmen erfolgt. Durch die Klemmverbindung ist
eine flexible elektrische Kontaktierung möglich, die Spannungsrisse
vermeidet, die zu einer reduzierten Lebensdauer führen
würden. Die Kontaktierung durch eine Klemmverbindung gewährleistet einen
thermomechanischen Spannungsausgleich.
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Bei
speziellen Anwendungen, in denen geringere Lebensdaueranforderungen
ausreichen, können anstelle der Klemmkontaktierung auch
Klebe- oder Lötverbindungen verwendet werden, ebenso sind
Kombinationen aus Löt-, Klebeverbindung und Klemmkontaktierung
möglich.
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Die
beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren
und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne
Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch
verzerrt dargestellt sein.
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Elemente
die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen,
sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
eine schematische Explosionszeichnung des Heizmoduls in dreidimensionaler
Darstellung.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht des Positionierrahmens von Vorne.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht des Positionierrahmens von oben.
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4 zeigt
eine schematische Ansicht des Positionierrahmens von der Seite.
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5 zeigt
eine schematische Ansicht der Befestigung des PTC-Heizelemente in
dem Positionierrahmen.
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In 1 ist
eine dreidimensionale Explosionszeichnung des Heizmoduls dargestellt.
Der Positionierrahmen 1 des Heizmoduls weist mehrere Kavitäten 2 auf,
die, vorzugsweise gleichmäßig, über die gesamte
Länge des Positionierrahmens 1 verteilt angeordnet
sind. Die Kavitäten 2 dienen zur Aufnahme von
mehreren PTC-Heizelementen 3. Vorzugsweise weisen die Kavitäten 2 eine
rechteckige Form auf. Die PTC-Heizelemente 3 weisen vorzugsweise
ebenfalls eine rechteckige Form auf. In einer nicht dargestellten
weiteren Ausführungsform, können die PTC-Heizelemente
auch eine runde Form aufweisen, wobei die Kavitäten in
dieser Ausführungsform, angepasst an die PTC-Heizelemente,
ebenfalls eine runde Form aufweisen.
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Der
Umfang der PTC-Heizelemente ist vorzugsweise etwas geringer, als
der Umfang der Kavität. Die PTC-Heizelmente 3 weisen
somit keinen Kontakt zum Randbereich der Kavitäten 2 auf,
so dass die PTC-Heizelemente 3 innerhalb der Kavität 2 in
lateraler Richtung beweglich sind. Auf dem Positionierrahmen 1 sind
beidseitig flächige elektrische Leiter 4 aufgebracht.
Die flächigen elektrischen Leiter 4 werden vorzugsweise über
eine Verklebung auf den planen Flächen des Positionierrahmens 1 aufgebracht.
Der Positionierrahmen 1 weist beidseitig einen schmalen
Steg 5 auf, der zur Führung des flächigen
elektrischen Leiters 4 dient. Die Breite des flächigen
elektrischen Leiters 4 entspricht in etwa der Breite der
freien planen Fläche des Positionierrahmens 1 zwischen
den beidseitig angeordneten Stegen 5. Die Höhe
H2 des Stegs 5 entspricht in etwa der Dicke D2 des aufgebrachten
flächigen elektrischen Leiter 4.
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In 2 ist
eine Frontansicht des Positionierrahmens 1 dargestellt.
Der Positionierrahmen 1 weist beidseitig am Rand einen
schmalen Steg 5 auf. Die Dicke D1 des Positionierrahmens 1 entspricht
in etwa der Höhe H1 der in den Kavitäten 2 des
Positionierrahmens 1 angeordneten PTC-Heizelemente 3. Die
Gesamthöhe des Positionierrahmens 1 entspricht
in etwa der Höhe H1 der PTC-Heizelemente 3 plus
zweimal in etwa der Dicke D2 der aufgebrachten flächigen
elektrischen Leiter 4. Die Höhe H2 des Stegs 5 sollte
vorzugsweise so hoch sein, dass eine Isolierung des flächigen
elektrischen Leiters 4 zu den Seiten hin gewährleistet
ist, und die Höhe gleichzeitig für die Führung
des flächigen elektrischen Leiters 4 ausreicht.
Vorzugsweise ist die Höhe der Stege 5 möglichst
gering gehalten, damit das Heizmodul von Luft umströmt
werden kann, die sich an dem Heizmodul erwärmt.
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In 3 ist
der Positionierrahmen 1 in einer Ansicht von oben dargestellt.
Die Kavitäten 2 sind über die gesamte
Länge des Positionierrahmens 1 gleichmäßig
verteilt angeordnet. Der Positionierrahmen weist beidseitig am Rand
einen schmalen Steg 5 auf. Die Länge des Positionierrahmens 1,
beziehungsweise die Anzahl der Kavitäten 2, ergibt
sich aus der Anzahl der PTC-Heizelemente in den Kavitäten 2,
beziehungsweise der erforderlichen Minimalbestückung des
Heizmoduls. Die PTC-Heizelemente weisen eine Normalverteilung für
den elektrischen Widerstand auf. Die Breite dieser Kurve wird in
Widerstandsklassen eingeteilt. Die Größe der Minimalbestückung
des Positionierrahmens 1, beziehungsweise die Anzahl der
gefüllten Kavitäten 2, entspricht der
Anzahl der Widerstandsklassen.
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In 4 ist
der Positionierrahmen 1 von der Seite dargestellt. Die
Kavitäten 2 sind über die gesamte Länge
des Positionierrahmens 1 gleichmäßig verteilt
angeordnet.
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In 5 ist
eine schematische Darstellung des Heizmoduls im Querschnitt dargestellt.
Die Dicke D1 des Positionierrahmens 1 entspricht vorzugsweise
in etwa der Höhe H1 des PTC-Heizelements 3 in der
Kavität 2. Auf dem Positionierrahmen 1 ist
ein flächiger elektrischer Leiter 4 aufgebracht
der eine Dicke D2 aufweist. Die Höhe H2 des Stegs 5,
der seitlich an dem Positionierrahmen 1 angeordnet ist,
entspricht in etwa der Dicke D2 des flächigen elektrischen
Leiters 4.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte
Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben
werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Es ist prinzipiell möglich, andere definierte Formen von
PTC-Heizelementen und entsprechende Formen der Kavitäten
zu verwenden. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch
dargestellten Elemente beschränkt.
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Die
Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren
ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen
beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen
Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig
miteinander kombiniert werden.
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- 1
- Positionierrahmen
- 2
- Kavität
- 3
- PTC-Heizelement
- 4
- flächiger
elektrischer Leiter
- 5
- Steg
- D1
- Dicke
des Positionierrahmens (1)
- H1
- Höhe
der PTC-Heizelemente (3)
- D2
- Dicke
des flächigen elektrischen Leiters (4)
- H2
- Höhe
des Stegs (6)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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