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Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeerzeugendes Element einer elektrischen Heizvorrichtung. Dabei will die vorliegende Erfindung insbesondere ein wärmeerzeugendes Element eines elektrischen Zuheizers eines Kraftfahrzeuges angeben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein wärmeerzeugendes Element mit einem PTC-Element und beidseitig daran anliegenden Leiterbahnen sowie einer elektrischen Isolation, die außenseitig auf die Leiterbahnen aufgebracht ist.
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Ein solches wärmeerzeugendes Element ist aus der
EP 1 916 873 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Ausführungsbeispiel, bei welcher die Leiterbahnen in Form von Kontaktblechen außenseitig mit einer Isolierlage belegt sind, die durch eine Keramikplatte gebildet ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der
EP 1 916 873 A1 wird die Keramikplatte zusammen mit der zugeordneten Leiterbahn in Form eines Kontaktblechs durch Umspritzen mit einem Kunststoffrahmen verbunden.
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EP 1 768 457 A1 bzw.
EP 2 873 296 A1 offenbaren andere Lösungen, bei denen die elektrische Isolation in Form einer mehrlagigen Isolationsschicht auf ein die Leiterbahn ausbildendes Kontaktblech aufgeklebt ist.
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Eine solche Ausgestaltung bietet zwar den Vorteil, dass das Kontaktblech zusammen mit der Isolierung zu einer Einheit gefügt und lediglich diese Einheit gehandhabt und in einen Positionsrahmen eingebaut werden muss. Es ergibt sich allerdings ein mehrschichtiger Aufbau von dem PTC-Element bis zu der die Wärme abgebenden Außenfläche. Jede einzelne Schicht muss von der nach außen abzugebenden Wärme durchsetzt werden. An jeder Schicht kann es zu Leitungsstörungen für die nach außen abzuleitende Wärme kommen. Solche Widerstände verschlechtern den Wirkungsgrad, da das PTC-Element aufgrund seiner selbstregelnden Eigenschaften bei übermäßiger Erwärmung keinen Leistungsstrom aufnimmt. Der Wirkungsgrad des PTC-Elementes wird dadurch verschlechtert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein wärmeerzeugendes Element mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben.
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Zur Lösung des obigen Problems wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Leiterbahn durch ein mit Durchbrechungen versehenes elektrisch leitendes Element auszubilden, das ein ondulierendes Querschnittsprofil aufweist, so dass die Leiterbahn über diskrete, üblicherweise in einem regelmäßigen Raster vorgesehene Stützstellen an dem PTC-Element und der elektrischen Isolation anliegt, die umfänglich von einer adhäsiven Masse umgeben sind.
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Diese Lösung bietet den Vorteil, dass das elektrisch leitende Elemente über diskrete Stützstellen an dem PTC-Element anliegt, so dass eine sichere Einleitung des Leistungsstromes in das PTC-Element gewährleistet wird. Darüber hinaus ergibt sich über das elektrisch leitende Element ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem PTC-Element und der elektrischen Isolation, so dass eine verbesserte Wärmeleitung von dem PTC-Element bis zu der Oberfläche der elektrischen Isolation gegeben ist. Die Leiterbahn ist ferner mit Durchbrechungen versehen, so dass die adhäsive Masse sich unmittelbar zwischen der Oberfläche des PTC-Elementes und der Oberfläche der elektrischen Isolation erstrecken kann, wodurch eine verbessere Adhäsion zwischen den beiden Teilen gegeben ist.
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Darüber hinaus umgibt die adhäsive Masse auch umfänglich einzelne Stützstellen auch umfänglich. Die diskreten Stützstellen sind dementsprechend in einer Draufsicht auf die Kontaktfläche des PTC-Elementes und/oder der elektrischen Isolation jeweils auch umfänglich von der adhäsiven Masse umgeben. In einer Querschnittsansicht durch die Leiterbahn ergibt sich dementsprechend eine vollständige Umhüllung der Leiterbahn mit der adhäsiven Masse, so dass sich ein inniger Verbund zwischen dem elektrisch leitenden Kern und der adhäsiven Masse und damit eine gute Verbindung zwischen sämtlichen Komponenten des wärmeerzeugenden Elementes ergibt.
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Das bevorzugt vollständige Ausfüllen der verbleibenden Freiräume des elektrisch leitenden Elementes mit der adhäsiven Masse bietet den Vorteil, dass die Wärmeleitung auch an Stellen, an denen das elektrisch leitende Element nicht beidseitig an der elektrischen Isolation bzw. dem PTC-Element anliegt, eine gute Wärmeleitung durch die Leiterbahn gegeben ist. Dabei kann die adhäsive Masser selbst mit gut wärmeleitenden Partikeln versehen sein, beispielsweise mit Aluminiumoxidpartikeln.
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Das elektrisch leitende Element kann das PTC-Element randseitig überragen und dort mit einer Kontaktzunge oder einer anderen Anschlussmöglichkeit für den Leistungsstrom versehen sein. So kann beispielsweise auch ein Kabel für den Leistungsstrom unmittelbar an das Drahtgeflecht angeschlossen werden. Das Drahtgeflecht kann eine Auflagefläche für ein oder mehrere PTC-Elemente ausbilden.
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Mit Blick auf die insbesondere interessierende Fallgestaltung eines wärmeerzeugenden Elementes für einen Luftheizer sind üblicherweise mehrere PTC-Element in Längsrichtung eines länglichen wärmeerzeugenden Elementes hintereinander vorgesehen und jeweils mit dem elektrisch leitenden Element kontaktiert. So ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen wärmeerzeugenden Element einen elektrischen Zuheizer für die Lufterwärmung zu bestücken, wie er beispielsweise aus
EP 1 768 457 A1 oder
EP 2 873 296 A1 bekannt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das elektrisch leitende Element durch ein Drahtgewebe, insbesondere ein Drahtgeflecht gebildet. Bei dieser Weiterbildung ist die leitende Bahn, die den Leistungsstrom zu dem PTC-Element führt und mit dem PTC-Element kontaktiert ist.
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Ein Drahtgeflecht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist üblicherweise durch geflochtenes Drahtmaterial gebildet. Dabei wird eine Drahtlitze jeweils alternierend unter bzw. über sich quer zu dieser Drahtlitze erstreckende weitere Litzen gelegt. Die zu der Drahtlitze benachbarte Drahtlitze wird exakt versetzt dazu vorgesehen, so dass sich ein Gewebe mit sich rechtwinklig dazu erstreckenden Drahtlitzen ergibt, die jeweils form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind, um so ein stabiles Gewebe auszubilden. An den Wendepunkten der einzelnen Drahtlitzen, d.h. an den Positionen, wo die Drahtlitze Kontakt mit einer sich quer dazu erstreckenden Drahtlitze hat, ergibt sich üblicherweise die größte Höhe des Geflechtes. Diese höchste Stelle bestimmt die Dicke des Drahtgeflechts. Die Litzen können auch verschweißt sein. Gegenüber festen Kontaktblechen ergeben sich durch das Drahtgeflecht geringere Temperaturen an den Kontaktstellen zur Spannungseinleitung. Das ist von Vorteil, da bei einer Kontaktierung an eine Elektronik geringere Temperaturen auf diese eingeleitet werden. So kann eine elektronische Schaltung zum Steuern des wärmeabgebenden Elements näher an das PTC-Element rücken, als dies im Stand der Technik möglich ist.
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Nach einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung soll der Abstand zwischen dem PTC-Element und der elektrischen Isolation der Dicke des Drahtgeflechts entsprechen. An diesen dicksten Stellen des Drahtgeflechts soll das Drahtgeflecht zwischen der elektrischen Isolation, die bevorzugt als starre Schicht, beispielsweise als Keramikschicht ausgebildet ist, und der Oberfläche des PTC-Elementes anliegen, bevorzugt mit einer gewissen Anpresskraft, die dadurch geschaffen wird, dass Freiräume innerhalb des Drahtgeflechts mit der adhäsiven Masse ausgefüllt werden, wobei beim zu bevorzugenden Aushärten der adhäsiven Masse von außen ein Druck aufgebracht wird. Hierdurch wird das Drahtgeflecht an den Stellen höchster Dicke solide gegen die Oberfläche des PTC-Elementes einerseits und die Innenfläche der elektrischen Isolation andererseits angelegt. An diesen Stellen ergibt sich danach nicht nur eine gute elektrische Kontaktierung, sondern eine unmittelbare Wärmeleitung durch das Material des Drahtgeflechts. Insbesondere beim Einsatz des erfindungsgemäßen wärmeerzeugenden Elements in einem Luftheizer kann die elektrische Isolation auch durch eine elektrisch isolierende Folie gebildet sein.
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Dies Drahtgeflecht kann aus einem metallischen Draht oder einem elektrisch leitenden Draht aus einem anderen Material, beispielsweise Karbon gebildet sein. Es ist ebenso möglich, Drahtlitzen unterschiedlicher Materialien in dem Geflecht oder Gewebe zu verbinden, um einerseits die notwendige Integrität des Drahtgebildes zu gewährleisten, andererseits eine hinreichende Stromleitung und schließlich ein möglichst geringes Gewicht. Von Vorteil ist es die Drähte dünn auszuführen. Die Drähte sollten eine Dicke von 0,15 mm (Mesh 0,3 mm) bis max. 0,3 mm (Mesh 0,6 mm) haben. Durch Stauchen wird eine Reduzierung der Dicke von ca. 30-50% erreicht und die Steifigkeit erhöht. Somit kann eine größere Aperture gewählt werden, wodurch Kosten und Material gespart werden. Somit kann weniger adhäsive Masse eingesetzt werden, was den Wärmetransfer verbessert. Je dünner die Drähte, je geringer ist die Stabilität. Die oben angegebenen Dicken beziehen sich auf einen um etwa 50% gestauchten Draht. Die Stauchung zur Festigkeitserhöhung kann zwischen 30% und 50% liegen. Mittels Druck kann das Drahtgeflecht komprimiert werden. Somit ergibt sich eine höherer Stabilität und eine geringere Verformbarkeit. Die elektrischen und thermischen Übergangswiderstände werden verbessert.
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Es versteht sich, dass sämtliche Freiräume zwischen der elektrischen Isolation und dem PTC-Element durch das elektrisch leitende Element oder die adhäsive Masse ausgefüllt sein sollten. So besteht die Leiterbahn bevorzugt lediglich aus diesen beiden Komponenten.
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Das wärmeerzeugende Element kann in an sich bekannter Weise einen Positionsrahmen umfassen, der mehrere PTC-Elemente in einer vorbestimmten Position hält, wie dies aus
EP 1 768 457 A1 bzw.
EP 2 873 296 A1 bekannt ist. Ein solcher Positionsrahmen kann wie aus diesem Stand der Technik vorbekannt die PTC-Elemente randseitig abdecken und einsiegeln. Ober- bzw. unterseitig kann der Positionsrahmen in an sich bekannter Weise mit einer plattenförmigen elektrischen Isolation, beispielsweise einer Keramikschicht versehen sein. Dazwischen befindet sich das Drahtgeflecht, welches zusammen mit der adhäsiven Masse die Keramikschicht mit dem PTC-Element und gegebenenfalls dem Positionsrahmen verklebt und zu einer Einheit fügt.
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Das wärmeerzeugende Element kann auch eine konkrete Ausgestaltung erfahren, wie sie grundsätzlich aus
EP 1 872 986 A1 bzw.
EP 2 337 425 A1 bekannt ist. Auch bei diesem Stand der Technik ist die Leiterbahn außenseitig mit einer isolierenden Schicht versehen. Eine solche isolierende Schicht an der Außenseite der Leiterbahn ist bei wärmeerzeugenden Elementen, die beispielsweise in einem Elektrofahrzeug mit Hochvolt betrieben werden, zwingend geboten. Aber auch bei elektrischen Heizvorrichtungen in einem Kraftfahrzeug, die beispielsweise mit 12 V betrieben werden, sind elektrische Isolationen von Vorteil, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Hier bietet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit einer guten Wärmeausleitung aufgrund einer geringen Schichtdicke der Leiterbahn bei kostengünstigem und einfachem Aufbau der Leiterbahn.
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Das wärmeerzeugende Element kann auch mit einem EMV-Schutz versehen sein, beispielsweise mit einer elektrischleitenden Folie umhüllt sein. Auch können Randbereiche des wärmeerzeugenden Elementes zur Abdichtung und Einsiegelung umspritzt sein.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Zeichnung. In dieser zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Drahtgeflechts und
- 2 eine Schnittansicht durch Teile eines Ausführungsbeispiels eines wärmeerzeugenden Elementes.
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Die 1 zeigt perspektivisch ein Drahtgeflecht mit einer Vielzahl von Drahtlitzen 2, die miteinander verwoben sind. Die Drahtlitzen 2 erstrecken sich jeweils rechtwinklig zueinander und sind alternierend über- und untereinander hindurchgeführt, so dass sich das Geflecht in üblicher Weise ergibt.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels mit einem nur teilweise dargestellten PTC-Element 4, welches an seiner Oberfläche 6 in üblicher Weise mit einer Metallisierung versehen ist. Gegen diese Oberfläche 6 des PTC-Elementes 4 liegt das Drahtgeflecht 1 an denjenigen Punkten auf, wo sich zwei Litzen 2 kreuzen und aneinander anliegen. Eine entsprechende Anlage ergibt sich auf der gegenüberliegenden Seite für eine mit Bezugszeichen 8 gekennzeichnete elektrische Isolation in Form einer Keramikplatte. Durch die gewebte Ausgestaltung der einzelnenn Drahtlitzen 2 erstrecken diese an ihrem jeweiligen Berührungspunkt mit einer inneren Oberfläche 10 der elektrischen Isolierung 8 bzw. der Oberfläche 6 des PTC-Elementes 4 in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche 6, 10. Hierdurch ergeben sich in Höhenrichtung S zwischen den beiden Oberflächen 6, 10 und der jeweiligen Litze 2 Freiräume, die durch einen die adhäsive Masse ausbildenden Kleber 12 ausgefüllt sind. Auch die als Durchbrechungen vorgesehen in der Regel quadratischen Freiräume 14 zwischen den sich kreuzenden Drahtlitzen 2 sind mit dem Kleber 12 gefüllt (vgl. 1).
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Bei der Herstellung wird üblicherweise das Drahtgeflecht 1 auf die Oberfläche des PTC-Elementes 4 aufgelegt. Danach wird der Kleber 12 auf das Drahtgeflecht 1 aufgebracht. Die plattenförmige elektrische Isolation 8 wird auf den Kleber aufgebracht und in Richtung auf das PTC-Element 4 gedrückt. Hierdurch wird überschüssiges Klebematerial randseitig über das PTC-Element 4 hinaus verdrängt. Diese volumetrische Verdrängung ist beendet, wenn das Drahtgeflecht 1 über die Vielzahl von Stützstellen, die an den Schnittpunkten der Drahtlitzen 2 gebildet ist, jeweils punktuell an dem PTC-Element 4 und der elektrischen Isolation anliegt.
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Dadurch ist bei geringer Schichtdicke eine gute Klebeverbindung geschaffen, da der Kleber zumindest in den durchgängigen Freiräumen des Drahtgeflechts 1 durchgängig ausgebildet ist. Der Kleber durchsetzt das Drahtgeflecht, wodurch sich eine gute mechanische Verbindung ergibt. Auch die elektrische Verbindung ist verbessert, da das Drahtgeflecht eher punktuell, jedoch mit diskreten Stützstellen gegen das PTC-Element 4 aufliegt und in zuverlässiger Weise unmittelbaren metallischen Kontakt zu dem PTC-Element 4 herstellt.
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Die vorliegende Erfindung schafft danach eine Leiterbahn mit geringer Dicke, die zuverlässig gegen das PTC-Element und die elektrische Isolation 8 geklebt ist. Die Klebeverbindung ist dauerfest. Ein Ablösen ist nicht zu befürchten. Aufgrund der guten Kontaktierung kann eine Spannungseinleitung ohne Spannungsabfall sichergestellt werden.
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Darüber hinaus ist die Anzahl an elektrischen und thermischen Übergangswiderständen reduziert, da trotz einer Klebeverbindung die elektrische Isolation 8 bzw. das PCT-Element 4 unmittelbar an dem Drahtgeflecht 1 anliegt. Bei einer üblichen Leiterbahn gebildet aus einem durchgehenden Blech, welches beidseitig mit Kleber beschichtet ist, um einerseits das PTC-Element anzubinden und andererseits die isolierende Schicht, ist ein solcher unmittelbarer Kontakt gerade nicht gegeben. Er wird vielmehr durch die Klebeverbindung verhindert. Da der Kleber bei der erfindungsgemäßen Lösung zumindest in den Freiräumen zwischen dem PTC-Element und der elektrischen Isolation 8 durchgehend ausgebildet ist, ergibt sich auch eine verbesserte Adhäsion zwischen den beiden Bauteilen, so dass sich diese nicht ablösen, wobei das Drahtgeflecht eine zuverlässige Stromeinleitung gewährleistet. Darüber hinaus erfordert die Herstellung des erfindungsgemäßen wärmeerzeugenden Elementes lediglich das einmalige Aufbringen eines Klebers, wohingegen konventionell auf beiden Seiten eines Kontaktblechs und damit zweifach aufgebracht werden musste. Das Drahtgeflecht 1 wirkt femer als eine Armierung und erhöht dementsprechend die Scher- und Abzugsfestigkeit der mechanischen Verbindung zwischen der elektrischen Isolierung 8 und dem PTC-Element 4. Das Drahtgeflecht 4 ist femer in verbesserter Weise geeignet, thermische Dehnungen auszugleichen, ohne dass es zu einer Ablösung der Klebeverbindung kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drahtgeflecht
- 2
- Drahtlitze
- 4
- PTC-Element
- 6
- Oberfläche des PTC-Elementes
- 8
- elektrische Isolation
- 10
- Oberfläche der elektrischen Isolation
- 12
- Kleber
- 14
- Freiräume
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1916873 A1 [0003, 0004]
- EP 1768457 A1 [0005, 0013, 0019]
- EP 2873296 A1 [0005, 0013, 0019]
- EP 1872986 A1 [0020]
- EP 2337425 A1 [0020]
