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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wärmeerzeugenden Elementes und ein wärmeerzeugendes Element als solches.
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Dabei will die vorliegende Erfindung insbesondere ein wärmeerzeugendes Element für eine elektrische Heizvorrichtung in einem Kraftfahrzeug angeben, speziell eine elektrische Heizvorrichtung, wie sie beispielsweise in
EP 1 768 459 A1 bzw.
EP 2 637 475 A1 beschrieben ist.
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Aus der
EP 1 768 459 A1 ist eine elektrische Heizvorrichtung zur Lufterwärmung bekannt, bei welcher die wärmeabgebenden Flächen durch Wellrippenlagen gebildet sind, die beidseitig an einem wärmeerzeugenden Element anliegen. Bei
EP 1 872 986 A1 ragen Heizrippen in eine Zirkulationskammer herein, welche von einem zu erwärmenden Fluid durchströmt ist. Die Heizrippen bilden eine U-förmige Tasche aus, in welche ein wärmeerzeugendes Element eingelegt ist.
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Bei sämtlichen vorbekannten elektrischen Heizvorrichtungen, die auch Ausführungsbeispiele zusammen mit dem erfindungsgemäßen wärmeerzeugenden Element der vorliegenden Erfindung sein können, besteht das Problem einer guten elektrischen Isolierung der stromführenden Bahnen und des PTC-Elementes einerseits bei optimaler Wärmeauskopplung der durch das PTC-Element erzeugten Wärme.
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Üblicherweise wird ein wärmeerzeugendes Element außenseitig mit einer Isolierlage oder Folie umgeben. Frühere Vorschläge verwenden eine Kapton- bzw. Polyimid-Folie, die außenseitig um die Stromleiterbahnen geschlagen ist. Diese Stromleiterbahnen werden üblicherweise aus Blechen gebildet, die aus Aluminium oder Kupfer bestehen können. Hier besteht das Problem, dass eventuelle scharfe Kanten der Stromleiterbahnen die isolierende Folie durchstoßen und damit die Isolierung unwirksam machen können. Die vorliegende Anmelderin hat vorgeschlagen, eine zweischichtige Isolierung außen gegen eine Stromleiterbahn anzulegen, wobei die zweischichtige Isolierung aus einer Keramikschicht und einer Isolierfolie bestehen kann. Bei einem jüngeren Vorschlag gemäß
EP 3 101 999 A1 wird die Isolierschicht durch eine äußere Folie und eine dadurch aufgebrachte elektrisch isolierende Masse mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet. Diese Isolierschicht ist nach einem Ausführungsbeispiel der vorerwähnten europäischen Patentanmeldung U-förmig um die Stromleiterbahnen und das dazwischen vorgesehene PTC-Element geschlagen. Kontaktzungen überragen die elektrische Isolierschicht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten wärmeerzeugenden Elementes anzugeben. Bei diesem Verfahren sollen die thermischen Übergangswiderstände zwischen dem die Wärme erzeugenden PTC-Element und der Außenseite des isolierten wärmeerzeugenden Elementes verringert werden. Dabei geht es bei der vorliegenden Erfindung um eine kostengünstige Herstellung bei möglichst guter Skalierbarkeit. Auch soll sichergestellt werden, dass beim Betrieb des wärmeerzeugenden Elementes eine gute EMV-Schirmung sowie ein hinreichender Feuchteschutz einzelner Komponenten des wärmeerzeugenden Elementes gegeben ist.
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Mit Blick darauf schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines wärmeerzeugenden Elementes vor, bei dem eine abschirmende Folie zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierschicht belegt wird. Auf die elektrische Isolierschicht werden zwei Leiterbahnen aufgelegt, von denen zumindest eine Leiterbahn mit einem PTC-Element verbunden wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zunächst die abschirmende Folie auf eine Ebene gelegt und auf die Innenfläche der abschirmenden Folie die elektrische Isolierschicht gelegt werden. Auf diese Isolierschicht können sodann die Leiterbahnen mit einem Seitenabstand relativ zueinander gelegt werden. Danach oder zusammen mit einer der Leiterbahnen kann das PTC-Element auf den Schichtaufbau aufgebracht werden.
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Ebenso gut ist es möglich, zunächst die elektrische Isolierschicht mit den Leiterbahnen, gegebenenfalls auch dem PTC-Element vorzubereiten, insbesondere die Leiterbahnen mit der inneren Oberfläche der elektrischen Isolierschicht zu verkleben. Danach kann die so vorbereitete elektrische Isolierschicht auf die Innenseite der abschirmenden Folie aufgelegt werden.
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Als elektrische Leiterbahn kann auch ein Drahtgewebe verwendet werden. Dieses Drahtgewebe kann auf das PTC-Element oder die elektrische Isolierschicht aufgelegt werden. In dem letztgenannten Fall wird nach dem Auflegen das Drahtgewebe in eine auf die Innenseite der elektrischen Isolierschicht kommende elektrisch isolierende Masse eingedrückt, die auf einer Folie aufgebracht ist, wobei die Folie an dem fertigen Produkt die Außenseite der elektrischen Isolierung bildet. Das Eindrücken des Drahtgewebes erfolgt dabei vor dem Aushärten der elektrisch isolierenden Masse, allerdings nur soweit, dass das Drahtgewebe noch Kontaktflächen zu dem PTC-Element freilässt. Das Drahtgewebe kann auch auf eine isolierende Folie, die auf der Außenseite mit einer abschirmenden Folie versehen und als Hybridfolie ausgebildet sein kann, aufgelegt werden. Bei dieser Alternative wird danach ein gut wärmeleitender, elektrisch isolierender Kleber auf das Drahtgewebe aufgebracht. Danach wird das PTC-Element mit dem Drahtgewebe kontaktiert. Dies kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Faltens geschehen. Der gefaltete Aufbau wird von außen zusammengepresst, sodass beim Aushärten der Kleber eine gute elektrische Kontaktierung zu dem PTC-Element geschaffen wird. Weiter alternativ kann das Drahtgewebe und das PTC-Element mittels Klebstoff auf eine elektrisch isolierende Lage, beispielsweise eine keramische Schicht aufgebracht sein und durch den Klebstoff eine elektrische Isolierung zwischen dem Drahtgewebe und der Außenfläche einer nach dem Falten hergestellten Schichtung gebildet sein, mit welcher die elektrisch leitende Folie zur EMV-Schirmung verbunden wird.
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Ebenfalls am Ende der Vorbereitung eines Schichtaufbaus bestehend aus den beiden Folien und den Leiterbahnen, gegebenenfalls zusammen mit einer Leiterbahn und dem PTC-Element, liegen die verschiedenen Komponenten des wärmeerzeugenden Elementes in Schichten übereinander, soweit es die Leiterbahnen betrifft nebeneinander.
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Derart vorbereitet wird die abschirmende Folie zusammen mit der elektrischen Isolierschicht so gefaltet, dass eine Schichtung bestehend aus dem PTC-Element und den beidseitig daran anliegenden Stromleiterbahnen gebildet ist. Dabei wird die abschirmende Folie und die elektrische Isolierschicht mitgenommen. Dementsprechend befindet sich die besagte Schichtung üblicherweise zunächst in einer U-förmig gebogenen elektrischen Isolierschicht und in einer entsprechend gebogenen abschirmenden Folie.
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Abschließend wird zur Ausbildung einer umfänglichen Umhüllung ein freies Ende der abschirmenden Folie gegen ein die Schichtung umgebendes Teilstück der abschirmenden Folie angelegt und damit verbunden. Damit ist eine umfängliche Umhüllung für die Schichtung geschaffen, die auch die elektrische Isolierschicht umschließt.
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Die abschirmende Folie hat dabei üblicherweise einen Überlappungsbereich, in dem die abschirmende Folie zweilagig vorgesehen ist. In diesem Überlappungsbereich findet üblicherweise das Verbinden der beiden Lagen der abschirmenden Folie statt. Die Verbindung ist beispielsweise eine Klebeverbindung oder eine Schweißverbindung. Bevorzugt werden insbesondere stoffschlüssige Verbindungen im Überlappungsbereich, um das Innere des wärmeerzeugenden Elementes gegenüber der Umgebung abzudichten, so dass keine Feuchtigkeit und Verschmutzung in das Innere hineingelangen kann.
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Die Abdichtung der wärmeerzeugenden Lage kann über Kunststoffteile erfolgen. Die Kunststoffteile wirken als Stopfen, welche das wärmeerzeugende Element endseitig abschließen. Die Kunststoffteile haben dabei an gegenüberliegenden Seitenflächen in der Regel Ausnehmungen zum Einlegen der jeweiligen Leiterbahnen. An der Anschlussseite überragen die Leiterbahnen das Kunststoffteil und bilden Kontaktzungen für den elektrischen Anschluss des wärmeerzeugenden Elementes aus. An der Anschlussseite überragt die elektrische Isolierschicht in Längserstreckung des wärmeerzeugenden Elementes die abschirmende Folie. Bei einem in ein Anschlussgehäuse eingesteckten wärmeerzeugenden Element erstreckt sich die elektrische Isolierschicht, insbesondere in Form einer klebenden elektrischen Isolierschicht bis in das Anschlussgehäuse, um das wärmeerzeugende Element mit dem Anschlussgehäuse zu verkleben. Das Anschlussgehäuse kann Teil eines Steuergehäuses sein oder dieses ausbilden, wobei das Steuergehäuse eine Steuerung für das oder die wärmeerzeugenden Elemente in sich aufnimmt.
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An der gegenüberliegenden Seite ist das Kunststoffteil länger als die Leiterbahnen. Auch an diesem anderen Ende überdeckt die elektrische Isolierschicht das Kunststoffteil. Die elektrische Isolierschicht ist aber kürzer als die abschirmende Folie. Die elektrische Isolierschicht überragt die Enden der Leiterbahnen und ist mit dem Kunststoffteil verklebt, sodass sich eine elektrische Einsiegelung der Leiterbahnen an diesem Ende ergibt. Die abschirmende Folie ist über das Ende des Kunststoffteils hinaus verlängert. Die freien Enden der Folie werden miteinander verbunden, um an diesem Ende des wärmeerzeugenden Elementes einen umfänglichen EMV-Schutz zu schaffen. Die Verbindung kann beispielsweise durch Kleben und/oder Falten erfolgen.
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Wenngleich zuvor die endseitigen Stopfen als aus einem Kunststoffmaterial beschrieben worden sind ist es möglich, diese Stopfen auch aus einer Keramik oder einem anderen elektrisch isolierenden Material herzustellen. Während an der Anschlussseite die Ausnehmungen an den Oberflächen des Stopfens zur Aufnahme der Leiterbahnen durchlaufen, enden diese Aufnahmen an dem Stopfen der gegenüberliegenden Seite üblicherweise in Längsrichtung des Stopfens vor dessen eigentlichem Ende, sodass die elektrische Isolierschicht auf vier ebene Umfangsflächen des Stopfens aufgeklebt werden können.
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Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung sind die Leiterbahnen bevorzugt mit der elektrischen Isolierschicht verklebt. So bleiben die Leiterbahnen beim ersten Falten zum Ausbilden der Schichtung am Ort. Zur Vereinfachung der Herstellung ist ferner das PTC-Element mit der zugeordneten Leiterbahn verklebt. Diese Einheit aus Leiterbahn und PTC-Element kann vor dem Auflegen der entsprechenden Leiterbahn mit dem PTC-Element auf die elektrische Isolierschicht vorbereitet sein. So wird die Einheit aus PTC-Element und zugeordneter Leiterbahn auf die elektrische Isolierschicht aufgebracht und damit verklebt.
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Auch die elektrische Isolierschicht ist bevorzugt mit der abschirmenden Folie verklebt. So wird der geschichtete Aufbau nach dem Auflegen sämtlicher Komponenten bereits zu einer Einheit gefügt. Diese Einheit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren üblicherweise mehrfach gefaltet, um die Schichtung in einer umfänglich geschlossenen Umhüllung aufzunehmen.
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Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine umschlossene und durch eine Abschirmfolie gebildete Umhüllung gebildet wird, ist ein wärmeerzeugendes Element geschaffen, welches in guter Weise auch der EMV-Problematik Rechnung trägt. Das Aufkleben ist ferner großindustriell gut und sicher zu beherrschen, so dass sich das wärmeerzeugende Element einfach und gut skalierbar herstellen lässt. Durch das Verkleben sind die einzelnen Bestandteile des wärmeerzeugenden Elementes bereits in einem früheren Fertigungsstadium zu einer Einheit verklebt. Die Komponenten können daher einfach und zuverlässig gehandhabt werden. Durch die umschlossene Umhüllung ist ein guter Schutz der Komponenten im Inneren der Umhüllung vor Feuchtigkeit und Verschmutzung gegeben.
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Die abschirmende Folie ist bevorzugt eine Aluminiumfolie, die einseitig mit einer Klebeschicht versehen sein kann, um die elektrische Isolierschicht einfach mit der abschirmenden Folie zu verbinden. Die abschirmende Folie hat dabei eine Abmessung, die größer als die die Isolierschicht ausbildende ist. Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind Weiterbildungen, insbesondere bei einer Querschnittsbetrachtung des wärmeerzeugenden Elementes bzw. der Vorerzeugnisse zu diesem, beschrieben. So überragt das freie Ende der abschirmenden Folie in Querrichtung die elektrische Isolierschicht und kann nach dem zweiten Falten zum Einschluss der Schichtung mit der bevorzugt auf der Innenfläche der abschirmenden Folie aufgebrachten Klebeverbindung außen gegen denjenigen Teilabschnitt der abschirmenden Folie angelegt werden, gegen den innenseitig die Isolierschicht angeklebt ist. Dadurch wird auf einfache Weise die umfänglich geschlossene Umhüllung ausgeformt.
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Bevorzugt wird beim ersten Falten der abschirmenden Folie zur Ausbildung einer Schichtung auch die elektrische Isolierschicht gefaltet. Die elektrische Isolierschicht wird dabei in etwa mittig zwischen den beiden Leiterbahnen gefaltet. Dort befindet sich ein Verbindungsabschnitt der elektrischen Isolierschicht, der sich zwischen denjenigen Bereichen der Isolierschicht erstreckt, der unter den jeweiligen Leiterbahnen liegt. Bei dieser bevorzugten Weiterbildung wird davon ausgegangen, dass ein einheitlicher Streifen der elektrischen Isolierschicht zur Herstellung des wärmeerzeugenden Elementes verwendet wird.
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Bevorzugt wird beim Falten zur Ausbildung der Schichtung die abschirmende Folie an zwei verschiedenen Stellen um jeweils etwa 90° gefaltet, und zwar zwischen den beiden Leiterbahnen, so dass die abschirmende Folie, bevorzugt die abschirmende Folie und die elektrische Isolierschicht, einen Höhenabstand überbrücken, der der Dicke der beiden Stromleiterbahnen und des PTC-Elementes entspricht. Durch das Falten um jeweils 90° wird die abschirmende Folie, gegebenenfalls die abschirmende Folie und die elektrische Isolierschicht, zu einem Rechteckprofil umbogen, welches zunächst einseitig offen, nach dem zweiten Falten zum Einschluss der Schichtung indes umfänglich geschlossen ist. Hierdurch ergeben sich parallel zueinander erstreckende Hauptseitenflächen, die den Hauptseitenflächen der Leiterbahnen bzw. des PTC-Elementes entsprechen und sich gut zur Auskopplung der durch das PTC-Element erzeugten Wärme eignen. An diesen Hauptseitenflächen kann beispielsweise ein Radiatorelement zur Erwärmung von Luft angelegt werden.
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Der Überstand der abschirmenden Folie relativ zu der elektrischen Isolierschicht ist vorzugsweise so gewählt, dass das beim anschließenden Falten gefaltete freie Ende der abschirmenden Folie nicht mit einer elektrischen Isolierschicht belegt ist. So wird hierdurch ein erhöhter Abstand und damit eine vergrößerte Luft- und Kriechstrecke innerhalb des wärmeerzeugenden Elementes gebildet.
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Eine solche Luft- und Kriechstrecke wird u. a. gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zwangsläufig dadurch eingestellt, dass die Leiterbahnen jeweils mit Abstand zu den Enden der elektrischen Isolierschicht auf die elektrische Isolierschicht aufgelegt werden. Auch diese Angabe bezieht sich auf eine Querschnittsansicht der einzelnen Komponenten des wärmeerzeugenden Elementes, vorliegend des geschichteten Aufbaus vor dem Falten desselben. Denn üblicherweise bildet die elektrische Isolierschicht den Rand einer Lage nach Fertigstellen des wärmeerzeugenden Elementes aus. Der Abstand zu den Enden der elektrischen Isolierschicht führt dementsprechend zu einem randseitigen Abstand des PTC-Elementes bzw. den Leiterbahnen zu einer Seitenwand, die durch das Falten gebildet ist. In entsprechender Weise wird auch der Seitenabstand zwischen den benachbarten Leiterbahnen gewählt. Dieser Seitenabstand entspricht dem Höhenabstand der durch die elektrische Isolierschicht gebildeten Lagen des wärmeerzeugenden Elementes nach dessen Fertigstellung.
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Bevorzugt wird die elektrische Isolierschicht derart mit Abstand zu den Enden der abschirmenden Folie aufgebracht, dass die elektrische Isolierschicht sich nicht an einer Innenwand der abschirmenden Folie befindet, die den Höhenabstand zwischen den Leiterbahnen mit dem PTC-Element überbrückt. Mit anderen Worten befindet sich ganz überwiegend an einer Seitenwand der umfänglich geschlossenen Umhüllung kein Material der elektrischen Isolierschicht, wodurch die Luft- und Kriechstrecke erhöht ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner ein wärmeabgebendes Element einer elektrischen Heizvorrichtung der eingangs genannten Art angegeben. Das wärmeerzeugende Element hat eine äußere Umhüllung, die durch die abschirmende Folie ausgebildet wird. Die äußere Umhüllung ist dabei üblicherweise so ausgebildet, dass der von der äußeren Umhüllung umgebene Innenraum gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Dieser Innenraum nimmt ein PTC-Element in sich auf, das zwischen zwei Leiterbahnen vorgesehen ist. Die Leiterbahnen liegen dabei unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierschicht gegen die Innenfläche der abschirmenden Folie an und sind über diese elektrische Isolierschicht isoliert abgestützt. Bevorzugt erstreckt sich die Isolierschicht U-förmig, wobei einander gegenüberliegende Schenkel der elektrischen Isolierschicht über einen Verbindungssteg miteinander verbunden sind, der sich in Höhenrichtung erstreckt. Dabei sind sämtliche Komponenten des wärmeerzeugenden Elementes miteinander verklebt, so auch gegenüberliegende Enden der abschirmenden Folie in ihrem Überlappungsbereich.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines geschichteten Aufbaus zur Herstellung eines wärmeerzeugenden Elementes;
- 2 eine Querschnittsansicht eines aus dem geschichteten Aufbau nach 1 hergestellten Zwischenerzeugnisses; und
- 3 eine Querschnittsansicht des wärmeerzeugenden Elementes nach Fertigstellung.
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Die 1 zeigt einen geschichteten Aufbau 2, der eine auf einer Innenfläche 4 mit einer Klebeschicht 6 versehene Aluminiumfolie 8 als Ausführungsbeispiel einer abschirmenden Folie im Sinn der vorliegenden Erfindung umfasst. Auf die Klebeschicht 6 ist eine elektrische Isolierschicht 10 in Form einer Hybridfolie aufgeklebt, die als Trägermaterial eine Folie mit hoher Durchschlagsfestigkeit aufweist, die gegen die Aluminiumfolie 8 anliegt und auf deren Innenseite eine isolierende Masse aufgebracht, vorzugsweise aufgerakelt, ist.
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Auf eine Innenfläche 12 der elektrischen Isolierschicht 10 sind mit einem vorbestimmten Seitenabstand relativ zueinander zwei Leiterbahnen 14 aufgeklebt. Die Leiterbahnen 14 sind an ihrer der elektrischen Isolierschicht 10 gegenüberliegenden Hauptseitenfläche 16 mit einer Klebeschicht versehen. Auf diese Klebeschicht der Leiterbahn 14.2 ist ein mit Bezugszeichen 18 gekennzeichnetes PTC-Element aufgeklebt.
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Durch den Seitenabstand zwischen den benachbarten Leiterbahnen 14 wird zwischen diesen ein Verbindungsabschnitt der elektrischen Isolierschicht 10 gebildet. Mit Bezugszeichen 22 ist ein freies Ende der Aluminiumfolie 8 gekennzeichnet, welches in der Querschnittsansicht die elektrische Isolierschicht 10 randseitig überragt.
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Der in 1 gezeigte geschichtete Aufbau 2 wird in einem ersten Verfahrensschritt gefaltet, um das in 2 gezeigte Zwischenerzeugnis zu erhalten. Bei diesem ersten Falten wird die Leiterbahn 14.1 auf eine freie Hauptseitenfläche 24 des PTC-Elementes 18 aufgeklebt. Aufgrund der Klebeverbindung wird hierbei die elektrische Isolierschicht 10 und die Aluminiumfolie 8 mitgenommen. Als Ergebnis zeigt sich eine U-förmige Umhüllung einer Schichtung 26 bestehend aus den beiden Leiterbahnen 14 und dem PTC-Element 18 durch die elektrische Isolierschicht 10. Die U-förmige Umhüllung durch die elektrische Isolierschicht 10 endet an einer Faltlinie 28, um welche das freie Ende 22 der Aluminiumfolie 8 in einem weiteren Faltschritt gefaltet wird, um das in 3 gezeigte wärmeabgebende Element 30 zu erhalten. Dabei wird die Länge des freien Endes 22 zur Ausbildung einer Seitenwand 32 und eines Überlappungsbereiches 34 verwendet, wobei der Überlappungsbereich 34 an einer Hauptseitenfläche 36 des wärmeerzeugenden Elementes 18 liegt. In dem Überlappungsbereich 34 wird die Innenfläche 4 des freien Endes 22 mit ihrer Klebeschicht 6 gegen die Außenfläche des anderen Endes der Aluminiumfolie 8 gelegt und damit verklebt. Hierdurch wird der Innenraum des wärmeerzeugenden Elementes 30 gegenüber der Umgebung versiegelt. Eine entsprechende Versiegelung ergibt sich auch an den stirnseitigen Enden eines länglichen wärmeerzeugenden Elementes 30, welches in 3 in der Schnittansicht gezeigt ist. Hierzu kann beispielsweise die Aluminiumfolie 8 an den Stirnseiten dichtend verklebt sein, gegebenenfalls unter Einschluss von Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung, die nach außen geführt sind.
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Die elektrische Isolierschicht besteht vorliegend aus einer Folie und einer darauf aufgebrachten elektrisch isolierenden Masse mit guter Wärmeleitfähigkeit.
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Die elektrisch isolierende Masse ist vorzugsweise eine pastöse Masse, die vorzugsweise schon vernetzt und damit abgebunden ist, so dass diese nicht mehr fließfähig im eigentlichen Sinne ist. Die Masse kann aber gewisse Ausgleichsbewegungen vollziehen, um beispielsweise an Positionen innerhalb der isolierenden Schicht mit einer punktuellen Druckbeaufschlagung auszuweichen, dabei den punktuellen Druck aufzunehmen und zu vergleichmäßigen, ohne dass die isolierende Wirkung durch die elektrische Isolierschicht verloren geht. Eine gut wärmeleitfähige Masse hat bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 3 W/(m*K), besonders bevorzugt von zumindest 5 W/(m*K). Die elektrisch isolierende Masse kann auf die Folie mit einer Technologie aufgebracht werden, die bei der Herstellung von Klebebändern zum Einsatz kommt und bei welcher die Folie über Walzen durch ein Bad bestehend aus der elektrisch isolierenden Masse hindurchgeleitet wird. Dazu kann die elektrisch isolierende Masse mit einem Lösungsmittel versetzt sein, wodurch die Viskosität der elektrisch isolierenden Masse herabgesetzt wird bzw. das Benetzen der Folie verbessert werden kann. Als elektrisch isolierende Masse kommt dabei üblicherweise eine Kunststoffmasse zum Einsatz, die nach dem Beschichten der Folie ganz oder teilweise abbindet bzw. aushärtet. Vorzugsweise wird ein vemetzender Kunststoff eingesetzt, wobei nach dem Beschichten der Folie dieser auch durch Zugabe von Wärme und/oder Beaufschlagen mit einer Bestrahlung beschleunigt aushärten kann. Die zur Herstellung der isolierenden Schicht vorgesehene Vorrichtung hat dazu üblicherweise eine Heiz- oder Bestrahlungsstrecke, welche die mit der Masse beschichtete Folie durchläuft.
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Neben dem zuvor erwähnten Beschichten der Folie aus einem System aus Walzen und in einem Schmelzbad der elektrisch isolierenden Masse kann diese auch durch Drucken oder Besprühen auf die Folie aufgebracht werden, wobei im Falle des Druckens ein Rakeln zu bevorzugen ist.
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Die Masse umfasst vorzugsweise als Flüssigphase üblicherweise eine Silikonmasse. Bevorzugt ist die Flüssigphase durch ein additionsvemetzendes 2-Komponenten-Silikon gebildet, das bei Raumtemperatur aushärtet und unter Wärme forciert aushärtet. Die Masse hat eine Viskosität bei 25° C von zwischen 100 und 200 Pa s. Mit Blick auf eine gute Fließfähigkeit wird dem 2-Kompontenen-Silikon üblicherweise Benzin oder Tuluol als Verdünner beigemischt, um bei 25° C eine Viskosität in einem Bereich von zwischen 4 und 15, vorzugsweise von zwischen 5 und 8 Pa s zu erhalten. Im vemetzten Zustand sollte der die Flüssigphase ausbildende Bestandteil der Masse eine Härte Shore A von etwa 10-40 haben. Dieser Flüssigphase ist üblicherweise ein die Wärmeleitfähigkeit erhöhender jedoch elektrisch isolierender Feststoff beigemischt.
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Die Masse wird vorzugsweise so ausgewählt, dass gute Benetzungseigenschaften zu den Partikeln mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Dabei können die Partikel zusätzlich mit einem Adhäsionsmittel behandelt sein, bevor die Partikel in die pastöse Masse gegeben werden, um diese gleichmäßig hierin zu dispergieren. Die Masse kann beispielsweise eine Silikonmasse sein oder zumindest überwiegend Silikonmasse umfassen.
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Mit Blick auf die elektrischen Isoliereigenschaften der isolierenden Schicht wird dieser Füllstoffanteil in der Regel durch elektrisch isolierende Partikel mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet, wobei Partikel aus Aluminiumoxid zu bevorzugen sind, speziell Gas- oder Wasser verdüste Partikel, die sich aufgrund ihrer Morphologie relativ dicht innerhalb der Flüssigphase packen lassen und die Fließeigenschaften der gefüllten isolierenden Masse nicht so sehr verschlechtern wie Partikel anderer Morphologie. Der Füllstoffanteil der Partikel mit guter Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Flüssigphase liegt bei zumindest 50 Vol.-%, besonders bevorzugt bei zwischen 85 Vol.-% und 95 Vol.-%. Ein solcher Volumenanteil an Füllstoff innerhalb der Masse verbessert die Wärmeleitfähigkeit aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit der Partikel, behindert aber nicht das Fließen der pastösen Masse und damit das schmelzflüssige Auftragen der Masse auf die Folie.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die Isolierschicht aus der Folie und der elektrisch isolierenden Masse, wobei die elektrisch isolierende Masse selbst mehrere Phasen, nämlich beispielsweise den Füllstoffanteil und die Flüssigphase haben kann. Die Weiterbildung bringt mit sich, dass die Gestaltung der Isolierschicht allein aus der Folie und der elektrisch isolierenden Masse gebildet ist, wobei die Folie auf der der Masse abgewandten Seite zusätzlich noch selbstklebend ausgebildet sein und dementsprechend mit einer Klebeschicht versehen sein kann. Diese Klebeschicht ist üblicherweise auf der vorgefertigten Isolierschicht vorgesehen. Sie wird auf die Folie einseitig aufgetragen, nachdem oder bevor die elektrisch isolierende Masse auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Folie aufgetragen worden ist.
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Aufgrund der selbstregelnden Eigenschaften von PTC-Elementen sollte die Schichtdicke beschränkt sein. So wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorliegende Erfindung vorgeschlagen, die elektrisch isolierende Schicht mit einer Dicke von nicht mehr als 250 µm auszubilden.
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Die isolierende Schicht hat eine Schichtdicke von zwischen 100 und 300 µm, bevorzugt von zwischen 150 µm und 250 µm. Durch diese Dickenabmessungen ergibt sich eine hinreichende elektrische Sicherheit, d. h. zuverlässige außenseitige Isolierung des PTC-Elementes durch die elektrische Isolierlage bei einer hinreichenden absoluten Wärmeableitung durch die elektrische Isolierschicht, die mit Blick auf die selbstregelnden Eigenschaften des PTC-Elementes für einen wirkungsvollen Betrieb desselben günstig ist. Praktische Versuche haben gezeigt, dass insbesondere mit einer mit elektrisch isolierenden Füllstoffpartikeln gefüllte Masse insbesondere aufgebracht auf eine Polyimid-Schicht zum einen bei einer Schichtdicke von 250 µm der isolierenden Schicht insgesamt eine spezifische elektrische Durchschlagsfestigkeit von 20 kV/mm, einen spezifischen Durchgangswiderstand von 1,9*1015 Ohm/cm und eine Kriechstromfestigkeit von CTI>600 erreicht werden kann. Dabei ist die elektrische Isolierschicht vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40°C bis 260°C temperaturbeständig.
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Die vorliegende Erfindung bedient sich mithin bevorzugt einer elektrischen Isolierschicht, die eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit hat, so dass das PTC-Element mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann, die ferner sich leicht als Meterware vorbereiten und herstellen und damit gut verarbeiten lässt und des Weiteren eine hohe Temperaturbeständigkeit hat. Da die Folie als Träger für die isolierende Masse innerhalb der elektrischen Isolierschicht dient, die elektrische Isolierung und die gute Wärmeleitfähigkeit indes vor allem durch die isolierende Masse bewirkt wird, kann diese auch auf beiden Seiten einer dünner gewählten Folie vorgesehen sein. In einem solchen Fall muss lediglich auf eine gute Wärmebeständigkeit der Folie innerhalb der elektrisch isolierenden Schicht geachtet werden. Des Weiteren sind mechanische Eigenschaften wie gute Reißfestigkeit und dergleichen gewünscht. Je dünner die Folie innerhalb der elektrischen Isolierschicht gewählt wird, desto weniger muss auf eine gute Wärmeleitfähigkeit der Folie selbst geachtet werden.
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Die Flüssigphase der elektrisch isolierenden Masse, d. h. die Flüssigphase der Suspension, die eventuell Partikel guter Wärmeleitfähigkeit in sich aufnimmt, ist aus einer kalthärtenden 2-Komponentenmasse gebildet. Vorzugsweise besteht die Flüssigphase allein aus einer solchen 2-Komponentenmasse. Eine solche kalthärtende Masse härtet üblicherweise bei einer Erwärmung von nicht mehr als 80 °C in wenigen Minuten, d. h. in 2 bis 8 Minuten aus. Höhere Temperaturen müssen nicht aufgewandt werden, um ein Aushärten der Masse zu erreichen.
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Die Leiterbahn kann aus Aluminium oder Kupfer gebildet sein. Das PTC-Element hat üblicherweise an seinen Hauptseitenflächen 16 eine Metallisierung, die auf das Halbleiterelement aufgedampft oder gesputtert ist und der besseren Einleitung des Stroms und der Wärmeauskopplung dient.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- geschichteter Aufbau
- 4
- Innenfläche
- 6
- Klebeschicht
- 8
- Aluminiumfolie
- 10
- elektrische Isolierschicht
- 12
- Innenfläche
- 14
- Leiterbahnen
- 16
- Hauptseitenfläche
- 18
- PTC-Element
- 20
- Verbindungsabschnitt
- 22
- freies Ende
- 24
- Hauptseitenfläche
- 26
- Schichtung
- 28
- Faltlinie
- 30
- wärmeerzeugendes Element
- 32
- Seitenwand
- 34
- Überlappungsbereich
- 36
- Hauptseitenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1768459 A1 [0002, 0003]
- EP 2637475 A1 [0002]
- EP 1872986 A1 [0003]
- EP 3101999 A1 [0005]
