EP2602567B1 - Elektrische Heizvorrichtung - Google Patents

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EP2602567B1
EP2602567B1 EP11290564.1A EP11290564A EP2602567B1 EP 2602567 B1 EP2602567 B1 EP 2602567B1 EP 11290564 A EP11290564 A EP 11290564A EP 2602567 B1 EP2602567 B1 EP 2602567B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separator
separator element
ptc heating
contact layer
heating element
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11290564.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2602567A1 (de
Inventor
Marc Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr France Rouffach SAS
Original Assignee
Mahle Behr France Rouffach SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle Behr France Rouffach SAS filed Critical Mahle Behr France Rouffach SAS
Priority to EP11290564.1A priority Critical patent/EP2602567B1/de
Publication of EP2602567A1 publication Critical patent/EP2602567A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2602567B1 publication Critical patent/EP2602567B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/0072—Special adaptations
    • F24H1/009—Special adaptations for vehicle systems

Definitions

  • the present invention relates to an electric heater according to the preamble of claim 1.
  • a high voltage PTC ie, a positive temperature coefficient (PTC) electrical device with an operating voltage greater than 60V DC
  • PTC positive temperature coefficient
  • the active parts i.e., poles HV + and HV-
  • the conductive parts e.g., corrugated fin or heat sink.
  • These conductive parts are potential-free or connected to the vehicle ground by means of an equipotential bonding conductor.
  • the isolation of the HV components is expensive.
  • the EP 1 318 694 B1 discloses an electric heater having a layered structure of a plurality of PTC heating elements and a plurality of radiator elements, wherein each PTC heating element is contacted by two electrode sheets for power supply, each thermally conductively connected to one of the radiator elements, and comprising at least one electrical insulation ,
  • This electric heater comprises an insulation provided as an electric insulating layer between a plus electrode plate and the radiator member disposed adjacent thereto, and the radiator member is adjacent to the insulation.
  • the EP 2 211 589 A1 discloses a heat exchanger with PTC heating elements, which are inserted into tubes.
  • the separator element is attached using a seal and / or an adhesive to the contact layer and / or the PTC heating element.
  • a main surface is to be understood as meaning a surface of an element which is greatest in relation to another surface of this element.
  • a minor surface of an element is meant a surface of this element that is smaller than another surface of that element.
  • the major surface may be perpendicular to a minor surface. It is advantageous if the separator, glued or sealed, the active parts isolated and thereby forms one or two creepage distances. One of them is an inner creepage that is sealed or insulated and / or another of which is an outer creepage that is not sealed.
  • the present invention is based on the recognition that by using the separator element a lateral sealing or electrical very reliable insulation can be ensured.
  • the separator a tightness, which is achieved for example by means of seal or adhesive, ensure between the contact layers.
  • leakage currents between live elements of the heater can be largely prevented or at least significantly reduced.
  • the heater has good thermal properties and a small space requirement and there is a cost advantage, since compared to a conventional design fewer components are needed.
  • Such a seal also allows a short creepage distance, along for example a ceramic, between the contact layers.
  • the standards such as EN60664-1 specify a minimum creepage distance of 2.0 mm at 400V and pollution degree 1. If no impermeability along the ceramic was guaranteed, the minimum creepage distance would be up to 4 mm at pollution degree 3.
  • the separator extends the creepage path laterally.
  • the separator element has a minimum creepage distance on an outer surface of the separator element, in particular of approximately 2.0 mm, and a recess.
  • a recess may be a depression in the body of the separator element.
  • Such a depression or recess in the separator element has the advantage that the surface of the separator element can be significantly increased, so that leakage currents on the surface of the separator element have to take a longer path and thus a greater resistance is opposed to these leakage currents ,
  • the recess may have a rectangular cross-section.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage that the surface of the separator element becomes particularly large, so that creepage currents can be suppressed or reduced particularly well in this way.
  • the separator element can be made entirely of an electrically insulating material and / or optionally an equipotential bonding conductor or a conductive part is integrated in the separator.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage of a particularly poorly conductive structure or surface of the separator element, so that leakage currents on the surface of the separator element can be kept particularly low and leakage currents through the separator element can be reliably prevented.
  • An embodiment of the present invention is also favorable, in which the separator element has at least one arcuate cross section on a side opposite the PTC heating element and / or has an at least partially semicircular cross section. Also by such a form of the heater, the largest possible surface of the separator element can be realized, so that the smallest possible leakage currents occur.
  • another separator element can also be provided on the side of the PTC heating element opposite the separator element be arranged, which has an electrically insulating material on a surface of the further separator element, wherein the further separator element at least partially covers a side surface of the PTC heating element opposite the secondary surface and at least partially covers a further secondary surface of the contact layer, wherein the further Separator element is formed to allow electrical isolation of the PTC heating element.
  • the further separator element may have a recess, in particular wherein the recess has a rectangular cross-section.
  • the further separator element consists entirely of an electrically insulating material, and / or an equipotential bonding conductor or a conductive part is integrated in the further separator, since in turn a very good insulating property of this separator element can be ensured ,
  • the further separator element may have at least one arcuate cross section on a side opposite the PTC heating element and / or have an at least partially semicircular cross section.
  • Such an embodiment of the present invention also offers the advantage that particularly low leakage currents occur, so that a high insulating capability of such a separator element is ensured.
  • the electric heater has a further rib and a further contact layer.
  • the further contact position is arranged between a further main surface of the PTC heating element opposite the main surface of the PTC heating element and the further rib, and wherein the separator element and / or the further separator element is arranged to form a secondary surface of the further one At least partially cover contact position, in particular wherein the further separator element is connected to the separator element or formed integrally with the separator element.
  • a contact protection element may be provided, which is arranged such that the at least one rib, the at least one contact layer, the PTC heating element and / or the at least one separator element a touch protected by a person are arranged, in particular wherein the contact protection element is designed as a housing or as a partial housing, in which the at least one rib, the at least one contact layer, the PTC heating element and / or the at least one separator element are arranged.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an electric heater 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the heating device 100 comprises a PTC heating element 110 which has, for example, a ceramic body or jacket. Furthermore, the heating device 100 has a first contact layer 120, which is arranged on a main surface of the PTC heating element 110 (in particular the jacket of the PTC heating element).
  • the contact layer 120 may be configured, for example, as a contact plate.
  • a rib 130 is arranged, which may be formed as a corrugated fin.
  • a heat flow from the PTC heating element 110 via the contact layer 120 to the rib 130 can take place, so that the heat provided by the PTC heating element 110 can also be distributed as optimally as possible.
  • a further contact layer 140 is arranged, which is designed to also dissipate heat from the PTC heating element 110 to a further rib 150.
  • the further rib 150 is arranged on a side of the further contact layer 140 opposite the PTC heating element 110.
  • a supply of electrical energy to the PTC heating element 110 can now take place via the rib (s) 130 or 150 and the contact layers 120 and 140, wherein the two ribs 130 and 150 can be acted upon with a different potential.
  • a separator element 160 is provided, the side (ie to a Mauober Diagram) to the PTC heating element 110, the contact layer 120 and the further contact layer 140 is applied. This means that the separator element 160 has a Area covered in which components are arranged close to each other, which have different electrical potentials during operation of the heater.
  • the separator element 160 which advantageously consists entirely of a material which is electrically insulating or insulating, this insulation protection can now be ensured. In this way it can be ensured that the greatest possible protection against electrical hazards is realized by the separator element 160. At least, however, the surface of the separator element 160 should be electrically insulating, so that when a contact of the separator element 160 by a person receives this no electric shock. The separator then does not need to be made entirely of insulating material. It may be conceivable that an equipotential bonding conductor such as 190 (or a conductive part) is integrated in the separator element 160.
  • the potential equalization part 190 is connected to neither PTC heating element nor contact layers 120, since these parts are at the high-voltage potential. In the event of a leakage current between active parts (110, 120) and equipotential bonding element 190 (eg the part is flooded in salt water), the insulation monitor detects this leakage current from the vehicle and switches off the power supply in order to protect the persons.
  • the separator element In order to ensure the best possible electrical insulation between live parts of the heater, and the separator element should be designed so that it has the best possible insulation properties. For this purpose, it is advantageous if a leakage current 165 along a certain distance on a surface of the separator element 160 can be kept as low as possible. This can be achieved by making the surface of the separator element 160 between the rib 130 and the further rib 150 as large as possible. Such a configuration of the surface of the separator element 160 which is as large as possible can be achieved by the provision of at least one recess 163, which advantageously has a rectangular cross-section in order to achieve the largest possible area of the recess.
  • one end of the separator element 160 which is opposite to the PTC heating element 110, in Cross-section at least partially arcuate and / or at least partially semicircular. Also in this way the largest possible surface of the separator element 160 is achieved.
  • an electrically insulating gasket or adhesive layer may also be provided between the separator element 160 and the PTC heating element 160, which may be in or Fig. 1 not shown. As a result, leakage currents can also be avoided, which possibly flow along the side edge of the PTC heating element 110 between the contact layers 120 and 140.
  • the geometry of the recess or the end of the separator element 160 can also be designed differently, but it should be noted that the creepage distance (165, lateral) should meet the minimum creepage distance, which are specified by the standards.
  • the rounding at the side edges offers particular advantages because of their flow efficiency.
  • a further separator element 170 may also be arranged on a side of the PTC heating element 110 opposite to the separator element 160, which likewise has a secondary surface of the PTC heating element 110, and secondary surfaces of the contact layer (s) 120 or 140, at least partially covering.
  • This further separator element 170 may be designed in accordance with the separator element 160, for example likewise having a (preferably rectangular) recess and / or an at least arcuate or semicircular cross section at an end opposite the PTC heating element 110.
  • the separator element 160 and the further separator element 170 for example, form a single part, wherein the entire separator should cover the ceramics 110 tightly.
  • a housing 180 can also be provided as insulation or contact protection, in which the PTC heating element 110, the contact layer 120, the rib 130, the further contact layer 140, the further rib 150, the separator element 160 and / or the further separator element 170 are arranged. Additionally or alternatively, an (optional) connection be provided for a potential equalization part, the leakage currents to a ground terminal such as a vehicle ground terminal derived when the electric heater is installed, for example, in a vehicle.
  • an HV-PTC unit is provided with a separator between active parts, which does not require isolation of the corrugated fin.
  • the HV-PTC is provided with a functional insulation between the HV + and HV- connections.
  • the corrugated rib which rests with the HV contact plate is under HV potential. Protection against electric shock is ensured by air and surrounding parts.
  • a conductive part can serve in the vicinity of the active parts for equipotential bonding.
  • the invention simplifies the electrical insulation concept of a heating device.
  • the advantage of the invention according to the embodiment presented here can be seen in particular in that it is now possible to provide protection against an electric shock outside the heating unit (ie the PTC "stone” or the PTC ceramic as a heating element, a contact plate, and a corrugated fin). At the same time, a functional insulation can be ensured.
  • the functional insulation consists of a separator that separates HV + and HV-. Two creepage distances are considered, a first creepage distance along the PTC ceramic and a second creepage distance along the separator.
  • the HV PTC is designed so that on the one hand the functional insulation of the PTC element is ensured by a separator in order to form suitable clearances and creepage distances between the connections HV + and HV-. Furthermore, a seal between contact plate and separator by means of seal or adhesive, allows a smaller creepage distance along the PTC ceramic than would otherwise be possible in the prior art. Because the corrugated rib under HV potential insulation should protect the user from contact. This protection can be part of the PTC or the HVAC. In addition (depending on the insulation measures) a potential equalization section can be used to divert leakage currents to the vehicle ground. This equipotential bonding element may be inside or outside the insulation (ie the housing).
  • PTC ceramic Since there is no insulation between PTC ceramic and heat sink (e.g., corrugated fin), there are advantages in terms of cost because fewer components are required, better thermal properties are achieved, and less space is required to provide the heater.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Bei einem Hochvolt-PTC (d.h. einem elektrischen Bauelement mit positivem Temperatur-Koeffizienten (PTC) mit einer Betriebsspannung von mehr als 60 VDC), gibt es zwei grundsätzliche Unterschiede zu einem Niedrigvolt-PTC wie beispielsweise einem 13 V - PTC. Zum einen muss die Funktionsisolierung (d.h. die Isolierung zwischen HV+ und HV-; HV = high voltage = Hochspannung, wobei HV+ die positive Hochspannung und HV- die negative Hochspannung bezeichnet) auf die höhere Spannung angepasst werden. Zum anderen müssen die unter HV-Spannung liegenden Teile geschützt werden, um den Schutz gegen einen elektrischen Schlag gewährleisten zu können.
  • Im Stand der Technik werden die Aktivteile (d.h. die Pole HV+ und HV-) von den leitenden Teilen (z.B. Wellrippe oder Wärmeableiter) isoliert. Diese leitenden Teile sind potenzialfrei oder mittels eines Potenzialausgleichsleiters zur Fahrzeugmasse gelegt. Dabei ist jedoch die Isolierung der HV-Bauteile aufwändig.
  • Die EP 1 318 694 B1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung mit einem geschichteten Aufbau aus einer Mehrzahl an PTC-Heizelementen und einer Mehrzahl an Radiatorelementen, wobei jedes PTC-Heizelement von zwei Elektrodenblechen zur Stromzuführung kontaktiert wird, die jeweils wärmeleitend mit einem der Radiatorelemente verbunden sind, und wenigstens eine elektrische Isolierung umfassen. Diese elektrische Heizvorrichtung umfasst eine Isolierung, die als elektrische Isolierschicht zwischen einem Plus-Elektrodenblech und dem zu diesem benachbart angeordneten Radiatorelement vorgesehen ist und wobei das Radiatorelement an die Isolierung angrenzt.
  • Die EP 2 211 589 A1 offenbart einen Wärmeübertrager mit PTC-Heizelementen, die in Rohre eingeschoben sind.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrische Heizvorrichtung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Heizvorrichtung unter anderem mit folgenden Merkmalen:
    • einem PTC-Heizelement, insbesondere das einen Mantel aus einem Keramik-Material aufweist;
    • zumindest einer Rippe zur Abfuhr von Wärme des PTC-Heizelementes;
    • einer Kontaktlage, die thermisch und/oder elektrisch gekoppelt zwischen dem PTC-Heizelement und der zumindest einen Rippe angeordnet ist, wobei die Kontaktlage ausgebildet ist, um Wärme von einer Hauptoberfläche des PTC-Heizelements an die Rippe zu übertragen; und
    • zumindest einem Separator-Element, das ein elektrisch isolierendes Material an einer Oberfläche des Separator-Elements aufweist, wobei das Separator-Element eine Nebenoberfläche des PTC-Heizelementes zumindest teilweise abdeckt und/oder eine Nebenoberfläche der Kontaktlage zumindest teilweise abdeckt, wobei das Separator-Element ausgebildet ist, um eine elektrische Isolation des PTC-Heizelementes zu ermöglichen.
  • Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn das Separator-Element unter Verwendung einer Dichtung und/oder einem Klebemittel an der Kontaktlage und/oder dem PTC-Heizelement befestigt ist.
  • Unter einer Hauptoberfläche ist dabei eine Oberfläche eines Elementes zu verstehen, die gegenüber einer anderen Oberfläche dieses Elementes größter ist.
  • Unter einer Nebenoberfläche eines Elementes ist eine Oberfläche dieses Elementes zu verstehen, die kleiner als eine andere Oberfläche dieses Elementes ist. Insbesondere kann die Hauptoberfläche zu einer Nebenoberfläche senkrecht ausgerichtet sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Separator, geklebt oder abgedichtet, die aktiven Teile isoliert und dabei eine oder auch zwei Kriechstrecken bildet. Eine davon ist eine innere Kriechstrecke, die abgedichtet oder isoliert ist und/oder eine andere davon ist eine außen liegende Kriechstrecke, die nicht abgedichtet ist.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung des Separator-Elementes eine seitliche Abdichtung bzw. elektrische sehr zuverlässige Isolation sichergestellt werden kann. Dabei kann der Separator eine Dichtheit, die beispielsweise mittels Dichtung oder mittels Klebstoff erreicht wird, zwischen den Kontaktlagen gewährleisten. Hierdurch können Kriechströme zwischen spannungsführenden Elementen der Heizvorrichtung weitgehend verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden. Vorteilhafterweise weist dabei die Heizvorrichtung gute thermische Eigenschaften und einen geringen Bauraum-Bedarf auf und es entsteht ein Kostenvorteil, da gegenüber einer herkömmlichen Bauform weniger Bauteile benötigt werden. Eine solche Abdichtung ermöglicht ferner auch eine kurze Kriechstrecke, entlang beispielsweise einer Keramik, zwischen den Kontaktlagen.
  • Die Normen wie EN60664-1 geben eine Mindestkriechstrecke von 2.0 mm bei 400V und Verschmutzungsgrad 1 vor. Wäre keine Dichtheit entlang der Keramik gewährleistet, würde die Mindestkriechstrecke bis 4 mm bei Verschmutzungsgrad 3 betragen. Der Separator verlängert die Kriechstrecke seitlich.
  • Erfindungsgemäß weist das Separator-Element eine Mindestkriechstrecke auf einer äußeren Oberfläche des Separator-Elementes, insbesondere von etwa 2,0 mm, und eine Ausnehmung auf.
  • Eine Ausnehmung kann dabei eine Vertiefung im Körper des Separator-Elementes sein. Eine solche Vertiefung oder Ausnehmung in dem Separator-Element bietet den Vorteil, dass die Oberfläche des Separator-Elementes deutlich vergrößert werden kann, so dass Kriechströme an der Oberfläche des Separator-Elementes einen längeren Weg nehmen müssen und somit diesen Kriechströmen ein größerer Widerstand entgegengesetzt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Ausnehmung einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Oberfläche des Separator-Elementes besonders groß wird, so dass hierdurch Kriechströme besonders gut unterdrückt oder reduziert werden können.
  • Auch kann das Separator-Element vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und/oder wobei optional ein Potenzialausgleichsleiter oder ein leitfähiges Teil im Separator integriert wird. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders schlecht leitenden Struktur oder Oberfläche des Separator-Elementes, so dass Kriechströme auf der Oberfläche des Separator-Elementes besonders gering gehalten wehrden können und auch Kriechströme durch das Separator-Element zuverlässig verhindert werden können.
  • Günstig ist auch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Separator-Element an einer dem PTC-Heizelement gegenüberliegenden Seite zumindest einen bogenförmigen Querschnitt aufweist und/oder einen zumindest teilweise halbkreisförmigen Querschnitt aufweist. Auch durch eine solche Form der Heizvorrichtung lässt sich eine möglichst große Oberfläche des Separator-Elementes realisieren, so dass möglichst geringe Kriechströme auftreten.
  • Um eine noch bessere Isolierung zwischen spannungsführenden Teilen der Heizvorrichtung zu erhalten, kann auch an der dem Separator-Element gegenüberliegenden Seite des PTC-Heizelementes ein weiteres Separator-Element angeordnet sein, das ein elektrisch isolierendes Material an einer Oberfläche des weiteren Separator-Elements aufweist, wobei das weitere Separator-Element eine der Nebenoberfläche gegenüberliegende weitere Nebenoberfläche des PTC-Heizelementes zumindest teilweise abdeckt und eine weitere Nebenoberfläche der Kontaktlage zumindest teilweise abdeckt, wobei das weitere Separator-Element ausgebildet ist, um eine elektrische Isolation des PTC-Heizelementes zu ermöglichen.
  • Zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche des Separator-Elementes kann das weitere Separator-Element eine Ausnehmung aufweisen, insbesondere wobei die Ausnehmung einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
  • Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das weitere Separator-Element vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, und/oder wobei ein Potenzialausgleichsleiter oder ein leitfähiges Teil im weiteren Separator integriert wird, da hierdurch wiederum eine sehr gute Isolationseigenschaft dieses Separator-Elementes sichergestellt werden kann.
  • Weiterhin kann gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das weitere Separator-Element an einer dem PTC-Heizelement gegenüberliegenden Seite zumindest einen bogenförmigen Querschnitt aufweisen und/oder einen zumindest teilweise halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Auch eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass besonders geringe Kriechströme auftreten, sodass eine hohe Isolationsfähigkeit eines solchen Separator-Elementes sichergestellt ist.
  • Erfindungsgemäß ist es weiterhin, wenn die elektrische Heizvorrichtung eine weitere Rippe und eine weitere Kontaktlage aufweist. Dabei ist die weitere Kontaktlage zwischen einer der Hauptoberfläche des PTC-Heizelementes gegenüberliegenden weiteren Hauptoberfläche des PTC-Heizelementes und der weiteren Rippe angeordnet und wobei das Separator-Element und/oder das weitere Separator-Element derart angeordnet ist, um eine Nebenoberfläche der weiteren Kontaktlage zumindest teilweise abzudecken, insbesondere wobei das weitere Separator-Element mit dem Separator-Element verbunden oder mit dem Separator-Element einstückig ausgebildet ist. Hierdurch kann bei Vorhandensein von weiteren Komponenten der elektrischen Heizvorrichtung sehr zuverlässig eine Isolation zwischen den einzelnen spannungsführenden Teilen der Heizvorrichtung sichergestellt werden.
  • Um eine sichere elektrische Heizvorrichtung zu schaffen, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Berührungsschutzelement vorgesehen sein, das derart angeordnet ist, dass die zumindest eine Rippe, die zumindest eine Kontaktlage, das PTC-Heizelement und/oder das zumindest eine Separator-Element vor einer Berührung durch eine Person geschützt angeordnet sind, insbesondere wobei das Berührungsschutzelement als ein Gehäuse oder als Teilgehäuse ausgebildet ist, in dem die zumindest eine Rippe, die zumindest eine Kontaktlage, das PTC-Heizelement und/oder das zumindest eine Separator-Element angeordnet sind.
  • Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Heizvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Heizvorrichtung 100 umfasst ein PTC-Heizelement 110, welches beispielsweise einen Keramikkörper oder -mantel aufweist. Weiterhin weist die Heizvorrichtung 100 eine erste Kontaktlage 120 auf, die auf einer Hauptoberfläche des PTC-Heizelementes 110 (insbesondere dem Mantel des PTC-Heizelementes) angeordnet ist. Die Kontaktlage 120 kann beispielsweise als ein Kontaktblech ausgestaltet sein. Auf einer dem PTC-Heizelement 110 gegenüberliegenden Seite der Kontaktlage 120 ist eine Rippe 130 angeordnet, die als Wellrippe ausgebildet sein kann. Hierbei kann ein Wärmefluss von dem PTC-Heizelement 110 über die Kontaktlage 120 zur Rippe 130 erfolgen, so dass die vom PTC-Heizelement 110 bereitgestellte Wärme auch möglichst optimal weiterverteilt werden kann. Auf einer der Kontaktlage 120 gegenüberliegenden Seite des PTC-Heizelementes 110 an einer weiteren Hauptoberfläche desselben ist eine weitere Kontaktlage 140 angeordnet, die ausgebildet ist, um Wärme von dem PTC-Heizelement 110 auch an eine weitere Rippe 150 abzuführen. Hierzu ist die weitere Rippe 150 an einer dem PTC-Heizelement 110 gegenüberliegenden Seite der weiteren Kontaktlage 140 angeordnet.
  • Eine Versorgung des PTC-Heizelementes 110 mit elektrischer Energie kann nun über die Rippe(n) 130 bzw. 150 sowie die Kontaktlagen 120 und 140 erfolgen, wobei die beiden Rippen 130 und 150 mit einem unterschiedlichen Potential beaufschlagt werden können. Um nun jedoch eine möglichst sichere elektrische Heizvorrichtung 100 zu schaffen, von der keine elektrische Gefahr bei Berührung von Komponente derselben ausgeht, und die auch eine ausreichende Isolation zwischen den spannungsführenden Teilen aufweist, wird ein Separator-Element 160 vorgesehen, das seitlich (d.h. an eine Nebenoberfläche) an das PTC-Heizelement 110, die Kontaktlage 120 und die weitere Kontaktlage 140 aufgebracht wird. Dies bedeutet, dass das Separator-Element 160 einen Bereich abdeckt, in dem Komponenten nahe beieinander angeordnet sind, die im Betrieb der Heizvorrichtung unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen. Durch das Separator-Element 160, das vorteilhafterweise vollständig aus einem Material besteht, welches elektrisch isolationsfähig oder isolierend ist, kann nun dieser Isolationsschutz sichergestellt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein möglichst großer Schutz gegen elektrische Gefahren durch das Separator-Element 160 realisiert wird. Zumindest sollte aber die Oberfläche des Separator-Elementes 160 elektrisch isolierend sein, damit bei einer Berührung des Separator-Elementes 160 durch eine Person diese keinen elektrischen Schlag erhält. Der Separator braucht dann nicht vollständig aus isolierendem Material zu bestehen. Es könnte vorstellbar sein, das eine ein Potenzialausgleichsleiter wie 190 (oder ein leitfähiges Teil) im Separator-Element 160 integriert wird. Das Potenzialausgleichsteil 190 ist dabei weder mit PTC-Heizelement noch mit Kontaktlagen 120 verbunden, da diese Teile an dem Hochvolt-Potenzial liegen. Im Falle eines Leckstroms zwischen Aktivteile (110, 120) und Potenzialausgleichsteil 190 (z.B. das Teil ist in Salzwasser überflutet), detektiert der Isolationswächter vom Fahrzeug diesen Leckstrom und schaltet die Stromversorgung ab, um die Personen zu schützen.
  • Um nun auch eine möglichst optimale elektrische Isolation zwischen spannungsführenden Teilen der Heizvorrichtung sicherzustellen, sollte auch das Separator-Element so ausgebildet sein, dass es möglichst gute Isolationseigenschaften aufweist. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn ein Kriechstrom 165 entlang einer bestimmten Strecke auf einer Oberfläche des Separator-Elementes 160 möglichst gering gehalten werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche des Separator-Elementes 160 zwischen der Rippe 130 und der weiteren Rippe 150 möglichst groß ausgestaltet wird. Eine solche möglichst große Ausgestaltung der Oberfläche des Separator-Elementes 160 kann durch das Vorsehen von zumindest einer Ausnehmung 163 erreicht werden, die vorteilhafterweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, um eine möglichst große Fläche der Ausnehmung zu erreichen. Weiterhin kann auch ein Ende des Separator-Elementes 160, das dem PTC-Heizelement 110 gegenüberliegt, im Querschnitt zumindest teilweise bogenförmig und/oder zumindest teilweise halbkreisförmig sein. Auch auf diese Weise wird eine möglichst große Oberfläche des Separator-Elementes 160 erreicht. Zusätzlich kann auch eine elektrisch isolierende Dichtung oder eine Klebeschicht zwischen dem Separator-Element 160 und dem PTC-Heizelement 160 vorgesehen werden, die in oder Fig. 1 nicht dargestellt ist. Hierdurch lassen sich auch Kriechströme vermeiden, die möglicherweise zwischen den Kontaktlagen 120 und 140 am Seitenrand des PTC-Heizelementes 110 entlangströmen. Die Geometrie der Ausnehmung oder des Endes des Separator-Elementes 160 kann aber auch anders ausgestaltet werden, wobei jedoch beachtet werden sollte, dass die Kriechstrecke (165, seitlich) die Mindestkriechstrecke, die von den Normen vorgegeben sind, erfüllen soll. Die Abrundung an den Seitenkanten bietet jedoch wegen ihrer Strömungsgünstigkeit besondere Vorteile.
  • Zusätzlich kann auch ein weiteres Separator-Element 170 auf einer dem Separator-Element 160 gegenüberliegenden Seite des PTC-Heizelementes 110 angeordnet sein, welches ebenfalls eine Nebenfläche des PTC-Heizelementes 110, und Nebenflächen des/der Kontaktlage(n) 120 bzw. 140 zumindest teilweise abdeckt. Diese weitere Separator-Element 170 kann entsprechend dem Separator-Element 160 ausgestaltet sein, beispielsweise ebenfalls eine (vorzugsweise rechteckförmige) Ausnehmung und/oder einen zumindest bogen- oder halbkreisförmigen Querschnitt an einem dem PTC-Heizelement 110 gegenüberliegenden Ende aufweisen. Das Separator-Element 160 und das weitere Separator-Element 170 bilden beispielsweise ein einziges Teil, wobei der gesamte Separator die Keramiken 110 dicht ummanteln sollte.
  • Zur weiteren Verbesserung des Schutzes für einen Bediener der elektrischen Heizvorrichtung 100 kann auch ein Gehäuse 180 als Isolierung oder Berührungsschutz vorgesehen sein, in welchem das PTC-Heizelement 110, die Kontaktlage 120, die Rippe 130, die weitere Kontaktlage 140, die weitere Rippe 150, das Separator-Element 160 und/oder das weitere Separator-Element 170 angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein (optionaler) Anschluss für einen Potentialausgleichsteil vorgesehen sein, der Leckströme zu einem Masseanschluss wie beispielsweise einem Fahrzeugmasseanschluss ableitet, wenn die elektrische Heizvorrichtung beispielsweise in einem Fahrzeug verbaut ist.
  • Zusammenfassend ist anzumerken, dass durch den hier vorgeschlagenen Ansatz eine HV-PTC- Einheit mit einem Separator zwischen Aktivteilen geschaffen wird, die ohne Isolierung der Wellrippe auskommt. Dabei ist die HV-PTC mit einer Funktionsisolierung zwischen den Anschlüssen HV+ und HV- versehen. Die Wellrippe, die mit dem HV-Kontaktblech anliegt ist unter HV-Potential. Der Schutz gegen elektrischen Schlag wird durch Luft und umgebende Teile gewährleistet. Zusätzlich kann ein leitendes Teil in der Nähe von den Aktivteilen zum Potentialausgleich dienen.
  • Die Erfindung vereinfacht das elektrische Isolierungskonzept einer Heizvorrichtung. Der Vorteil der Erfindung gemäß dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel kann insbesondere darin gesehen werden, dass es nun ermöglicht wird, einen Schutz gegen einen elektrischen Schlag außerhalb der Wärmeeinheit (d.h. den PTC-"Stein" oder die PTC-Keramik als Heizelement, ein Kontaktblech, und eine Wellrippe) zu gewährleisten. Zugleich kann auch eine Funktionsisolierung gewährleistet werden.
  • Die Funktionsisolierung besteht aus einem Separator, der HV+ und HV- trennt. Es werden zwei Kriechstrecken berücksichtigt, einer ersten Kriechstrecke entlang der PTC-Keramik und einer zweiten Kriechstrecke entlang des Separators.
  • Der HV-PTC wird so konstruiert, dass einerseits die Funktionsisolierung des PTC-Elementes durch einen Separator gewährleistet wird, um geeignete Luft- und Kriechstrecken zwischen den Anschlüssen HV+ und HV- zu bilden. Ferner wird eine Abdichtung zwischen Kontaktblech und Separator mittels Dichtung oder Klebstoff, ermöglicht eine kleinere Kriechstrecke entlang der PTC-keramik als es im Stand der Technik sonst möglich wäre. Da die Wellrippe unter HV-Potenzial ist, sollte eine Isolierung den Nutzer gegen Berührung schützen. Dieser Schutz kann Bestandteil vom PTC oder vom HVAC sein. Zusätzlich (je nach Isolierungsmaßnahmen) kann ein Potenzialausgleichsteil eingesetzt werden, um Leckströme zur Fahrzeugmasse ableiten zu können. Dieses Potenzialausgleichsteil kann sich innerhalb oder außerhalb der Isolierung (d.h. dem Gehäuse) befinden.
  • Da es keine Isolierung zwischen PTC-Keramik und Wärmeableiter (z.B. Wellrippe) gibt, entstehen Vorteile in Bezug auf Kosten, da weniger Bauteile erforderlich sind, es werden bessere thermische Eigenschaften erreicht und es wird weniger Bauraum zur Bereitstellung der Heizvorrichtung benötigt.
  • Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Heizvorrichtung
    110
    PTC-Heizelement
    120
    Kontaktlage
    130
    Rippe, Wellrippe
    140
    weitere Kontaktlage
    150
    weitere Rippe
    160
    Separator-Element
    163
    Ausnehmung
    165
    Kriechströme
    170
    weiteres Separator-Element
    180
    Gehäuse, Isolierung, Beruhrungsschutz
    190
    Anschluss für optionales Potentialausgleichsteil

Claims (11)

  1. Elektrische Heizvorrichtung (100) mit folgenden Merkmalen:
    - einem PTC-Heizelement (110), insbesondere das einen Mantel aus einem Keramik-Material aufweist;
    - zumindest einer Rippe (130) zur Abfuhr von Wärme des PTC-Heizelementes (110);
    - einer Kontaktlage, (120), die auf einer Hauptoberfläche des PTC-Heizelementes (110) angeordnet ist und thermisch und/oder elektrisch gekoppelt zwischen dem PTC-Heizelement (110) und der zumindest einen Rippe (130) angeordnet ist, wobei die Kontaktlage (120) ausgebildet ist, um Wärme von dieser Hauptoberfläche des PTC-Heizelements (110) an die Rippe (130) zu übertragen;
    - mit einer weiteren Rippe (150), die an einer dem PTC-Heizelement (110) gegenüberliegenden Seite einer weiteren Kontaktlage (140) angeordnet ist, wobei die weitere Kontaktlage (140) auf einer der Kontaktlage (120) gegenüberliegenden Seite des PTC-Heizelements (110) an einer weiteren Hauptoberfläche desselben angeordnet ist;
    - zumindest einem Separator-Element (160), das ein elektrisch isolierendes Material an einer Oberfläche des Separator-Elements (160) aufweist, wobei das Separator-Element (160) eine Nebenoberfläche des PTC-Heizelementes zumindest teilweise abdeckt und/oder eine Nebenoberfläche der Kontaktlage (120) zumindest teilweise abdeckt, wobei das Separator-Element (160) ausgebildet ist, um eine elektrische Isolation des PTC-Heizelementes (110) zu ermöglichen,
    wobei
    das Separator-Element (160) eine Mindestkriechstrecke auf einer äußeren Oberfläche des Separator-Elementes (160), insbesondere von etwa von 2,0 mm, und eine Ausnehmung (163) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (163) Im Separator-Element zwischen der Rippe (130) und der weiteren Rippe (150) aber entfernt von der Kontaktlage angeordnet ist.
  2. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separator-Element (160) unter Verwendung einer Dichtung und/oder einem Klebemittel an der Kontaktlage (120) und/oder an dem PTC-Heizelement (110) befestigbar ist
  3. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separator-Element (160) vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und/oder dass ein Potenzialausgleichsleiter (190) oder ein leifähiges Teil im Separator (160) integriert wird.
  4. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separator-Element (160) an einer dem PTC-Heizelement (110) gegenüberliegenden Seite zumindest einen bogenförmigen Querschnitt aufweist und/oder einen zumindest teilweise halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.
  5. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Separator-Element (160) gegenüberliegenden Seite des PTC-Heizelementes (110) ein weiteres Separator-Element (170) angeordnet ist, das ein elektrisch isolierendes Material an einer Oberfläche des weiteren Separator-Elements (170) aufweist, wobei das weitere Separator-Element (170) eine der Nebenoberfläche gegenüberliegende weitere Nebenoberfläche des PTC-Heizelementes (110) zumindest teilweise abdeckt und/oder eine weitere Nebenoberfläche der Kontaktlage (120) zumindest teilweise abdeckt, wobei das weitere Separator-Element (170) ausgebildet ist, um eine elektrische Isolation des PTC-Heizelementes (110) zu ermöglichen.
  6. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Separator-Element (170) mit dem Separator-Element (160) verbunden oder mit dem Separator-Element (160) einstückig ausgebildet ist.
  7. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Separator-Element (170) eine Ausnehmung aufweist, insbesondere wobei die Ausnehmung einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
  8. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Separator-Element (170) vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und/oder wobei ein Potenzialausgleichsleiter (190) oder ein leifähiges Teil im weiteren Separator (170) integriert ist.
  9. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Separator-Element (170) an einer dem PTC-Heizelement (110) gegenüberliegenden Seite zumindest einen bogenförmigen Querschnitt aufweist und/oder einen zumindest teilweise halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.
  10. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Rippe (150) und eine weitere Kontaktlage (140) vorgesehen sind, wobei die weitere Kontaktlage (140) thermisch und/oder elektrisch gekoppelt zwischen einer der Hauptoberfläche des PTC-Heizelementes (110) gegenüberliegenden weiteren Hauptoberfläche des PTC-Heizelementes (110) und der weiteren Rippe (150) angeordnet ist und wobei das Separator-Element (160) und/oder das weitere Separator-Element (170) derart angeordnet ist, um eine Nebenoberfläche der weiteren Kontaktlage (140) zumindest teilweise abzudecken.
  11. Elektrische Heizvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet, durch ein Berührugsschutzelement (180), das derart angeordnet ist, dass die zumindest eine Rippe (130), die zumindest eine Kontaktlage (120), das PTC-Heizelement (110) und/oder das zumindest eine Separator-Element (160) von einer Berührung durch eine Person geschützt angeordnet sind, insbesondere wobei das Berührungsschutzelement (180) als ein Gehäuse ausgebildet ist, in dem die zumindest eine Rippe (130), die zumindest eine Kontaktlage (120), das PTC-Heizelement (110) und/oder das zumindest eine Separator-Element (160) angeordnet sind.
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