EP4292395A1 - Ptc heizelement, elektrische heizvorrichtung und verwendung eines ptc heizelements - Google Patents

Ptc heizelement, elektrische heizvorrichtung und verwendung eines ptc heizelements

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EP4292395A1
EP4292395A1 EP22709642.7A EP22709642A EP4292395A1 EP 4292395 A1 EP4292395 A1 EP 4292395A1 EP 22709642 A EP22709642 A EP 22709642A EP 4292395 A1 EP4292395 A1 EP 4292395A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ptc
heating element
ptc heating
carrier layer
elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP22709642.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Koini
Michael Krenn
Markus Puff
Stephan Bigl
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the present invention relates to a heating element, in particular a PTC heating element.
  • the present invention further relates to an electrical heating device having the PTC heating element.
  • the present invention also relates to the use of the PTC heating element in a motor vehicle, for example in an electric vehicle.
  • Heating coils that are equipped with PTC ("Positive Temperature Coefficient" - thermistor) heating elements have the advantage that their property as a temperature-dependent resistance automatically limits the power consumption when a certain temperature is reached. This property not only serves as a safety Feature to avoid overloading the heating coil, but also to carry out the control by the self-regulation effect very easily.
  • PTC elements are electrically contacted on two opposite sides by means of a conductor track.
  • the conductor track is carried by a substrate, which decouples the heat generated on the other side.
  • the heat output that can be extracted depends heavily on the thermal path through the layer structure described above. warmth must get from the point of origin (the PTC) via the contact and through the substrate to the decoupling surface.
  • the PTC point of origin
  • thermal and electrical considerations for optimizing the heating element are often subject to opposing arguments, ie state-of-the-art designs are compromise solutions between power density, thermal agility and insulation capacity or robustness and reliability.
  • the fact that the manufacturer of the PTC elements and that of the heating elements is not the same means that the PTC element must meet certain requirements in terms of geometric tolerances, transportability and handling in the assembly process. This means that a certain minimum thickness of the PTC elements cannot be undershot within the scope of reasonable effort.
  • the PTC element itself acts as a heat source when Joule heat is generated by energization. However, this is not generated homogeneously in the material, but depending on the geometry and possible material inhomogeneities, the electric field distribution in the component can cause a temperature gradient. The heat must emanate from hotspots only reach the surface of the elements before they can be transported further. Due to the relatively poor thermal conductivity of the PTC ceramics (usually ⁇ 5 W/mK), this can be very slow and sluggish.
  • the document EP 3101 999 A1 describes a PTC heating element for an electric heating device for a motor vehicle, which is electrically insulated in an improved manner on the outside, with the need for adequate heat transfer from the PTC element to the heat-emitting surface through the electric Insulating layer should be taken into account.
  • An electrical insulating layer is provided for this purpose, which rests on the outside of at least one of the conductor tracks via which the PTC element is energized and has a film and an electrically insulating compound with good thermal conductivity applied thereto.
  • the document US 2017/0223776 A1 describes an electrical heating device with at least one electrical PTC heating element and radiation ribs, which are located on the outer surface of the electrical PTC heating element. The surface on the radiating fins that is not in contact with the PTC electric heating element is not charged. An insulating layer is provided between conductor tracks and the radiation ribs.
  • the document DE 112017 006 124 T5 also describes an electrical heating device with an insulating layer between conductor tracks and the cooling fins.
  • the electric heater has a plurality of PTC elements and heat radiation fins for radiating heat transmitted from the PTC elements, and a resin sheet for insulating the electrode plates and a Compression spring which presses a laminated body in a lamination direction from both sides.
  • the document EP 1182 908 B1 describes a PTC heating device with at least one PTC element and two contact plates which contact the PTC element. A metal foil coated on both sides with adhesive is provided to connect the surface of the PTC element to the contact plates. The contact plates are not insulated.
  • the object of the present invention is to describe a PTC heating element and an electrical heating device which solve the above problems.
  • a PTC heating element is described.
  • the PTC heating element is designed to be integrated into an electrical heating device, for example into a heating register.
  • the PTC heating element is designed for use in a motor vehicle, for example in an electric vehicle (xEV - x Electrical Vehicle).
  • the PTC heating element has at least one PTC element.
  • the PTC heating element preferably has a multiplicity of PTC Elements, for example five, ten or 20 PTC elements.
  • a cavity between two consecutive PTC elements can be filled with a temperature-resistant filling material.
  • the filling material acts as a mechanical protection or barrier against the ingress of moisture and as an additional heat conductor (instead of air).
  • the PTC element is used to generate heat.
  • the PTC element has at least one electrode, in particular two electrodes, for electrical contacting.
  • the electrodes are formed on a surface of the PTC element.
  • the PTC heating element also has at least one additional point of contact.
  • the additional contact is used for the electrical connection of the electrode of the PTC element.
  • the additional contact can have copper, aluminum and/or tungsten, for example.
  • the PTC heating element also has at least one carrier layer.
  • the carrier layer surrounds the PTC elements at least partially, preferably completely.
  • the carrier layer is designed to be electrically insulating.
  • the carrier layer has a high thermal conductivity.
  • the carrier layer is used for mechanical stabilization and electrical insulation of the PTC heating element.
  • the PTC heating element is very compact.
  • the PTC heating element is large and thin.
  • the PTC heating element has an extremely small volume.
  • a thickness of the PTC element is preferably ⁇ 500 gm, preferably ⁇ 250 gm, for example 10 gm to 150 gm or even ⁇ 2 gm 2500mpi.
  • a lateral dimension of the PTC heating element is preferably between 10 mm and 250 mm in both directions (length and width).
  • the PTC heating element is preferably designed to be plane-parallel.
  • the carrier layer is preferably designed to be plane-parallel.
  • the PTC element is preferably also designed to be plane-parallel.
  • the flatness and plane-parallelism of the PTC elements and the carrier layer is important for the performance of the PTC heating element. If the surfaces of the at least one PTC element/the carrier layer are not sufficiently well defined, the gap must be filled with leveling compound or casting compound, which increases the thermal resistance. The more precisely the components are manufactured, the thinner the gap.
  • the at least one PTC element is preferably designed to be very thin and in particular has a thickness ⁇ 250 ⁇ m, with a plane-parallelism being ⁇ 100 ⁇ m.
  • the plane-parallelism of the PTC element is particularly preferably ⁇ 30 ⁇ m.
  • the carrier layer preferably has a plane parallelism of ⁇ 500 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 100 ⁇ m.
  • the composition of the PTC heating element described above allows an extremely compact design, which in turn enables a high degree of integration into an electrical heating device. This ensures a faster and more efficient heating effect (eg in the interior of a vehicle) compared to prior art heating devices. Weight savings, which come about through lower use of materials, enable an increase in the range of xEVs, while the low material consumption contributes to the conservation of resources and a reduction in the ecological footprint.
  • the volume of the PTC heating element and the heat extraction are optimized in such a way that the power density, the thermal response behavior as well as the robustness and reliability compared to the prior art are significantly improved.
  • the electrodes are arranged flat on the surface of the at least one PTC element.
  • the electrodes are formed directly on the surface of the PTC element.
  • the electrodes can be sputtered, electroplated, printed or squeegeed onto the surface of the PTC element.
  • the electrodes are designed with as large an area as possible in order to achieve favorable heat extraction.
  • the electrodes can be designed, for example, in the form of strips, rectangular, comb-like or as an interdigital structure.
  • the electrodes must have a sufficient distance from each other to keep creepage distances free and thus a to avoid electrical flashover. A particularly reliable PTC heating element is thus made available.
  • At least one electrode is arranged on an upper side or an underside of the PTC element.
  • Two electrodes can also be formed on the upper side or the lower side.
  • One electrode each can also be formed on the upper side and on the lower side.
  • the electrodes can be formed on side surfaces, in particular opposite side surfaces, of the PTC element. This separates the thermal and electrical path and enables new designs and assemblies that may be advantageous for certain manufacturers. In addition, production-related material inhomogeneities in the PTC element can be better managed or avoided.
  • the further point of contact is designed to be self-supporting.
  • the carrier layer only stabilizes the other components of the PTC heating element.
  • the carrier layer is not (absolutely) required to stabilize the further contacting.
  • the further point of contact can also be applied to the carrier layer for mechanical stabilization.
  • the additional contact can be sputtered, printed or squeegeed onto the carrier layer.
  • the additional contact is integrated into the carrier layer.
  • the additional point of contact is formed in an inner region of the carrier layer.
  • the further point of contact is arranged ⁇ 50 gm below a surface of the carrier layer.
  • a geometry of the additional contacting is adapted to a geometry of the electrode of the PTC element.
  • the additional contact is designed to be as large and thin as possible. For example, a thickness of
  • the further point of contact is electrically conductively connected to the at least one electrode by means of clamping, sintering, gluing or high-temperature soldering.
  • the carrier layer has a thickness of between 150 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • the carrier layer is therefore very compact and thin in order to optimize the power density of the PTC heating element, but thick enough to ensure the robustness and stability of the PTC heating element.
  • the carrier layer has a ceramic material with high thermal conductivity and good insulation properties.
  • the carrier layer has AlN, Si3N4, Al2O3, or SiC. These materials are ideal for the
  • the carrier layer can have a temperature-resistant plastic.
  • the carrier layer has polyimide or epoxy resin. Due to the low thermal conductivity ( ⁇ 10 W/mK) of plastic, the carrier layer must be sufficiently thin to keep the thermal resistance low and thus achieve a high power density of the PTC heating element.
  • the carrier layer can have a hybrid solution based on a ceramic material and plastic.
  • the carrier layer can have a plastic layer and a ceramic layer.
  • the plastic layer In order to achieve optimal heat extraction, the plastic layer must be made significantly thinner than the ceramic layer.
  • the PTC heating element also has at least one metallic layer on a surface of the carrier layer.
  • the metallic layer is used for further contacting of the PTC heating element, for example for connection to a radiator.
  • the metallic layer can have Cu, Al or W, for example.
  • the metallic layer is very thin.
  • the metallic layer preferably has a thickness of between 1 gm and 100 gm. Because of the small thickness of the metallic layer, the thermal decoupling of the PTC heating element is not negatively influenced.
  • the at least one PTC element has a ceramic material, a metal-ceramic material or an organic-ceramic material.
  • the PTC element has PZT (lead zirconate titanate).
  • a particularly cost-effective PTC heating element can be achieved by using standard materials.
  • the PTC element can be based on bismuth.
  • the PTC element is lead-free.
  • the PTC element can also have a bismuth and lead-free material.
  • a material of the at least one PTC element has a low specific resistance.
  • the specific resistance is ⁇ 5000 W cm, for example 1000 W cm.
  • the PTC element is a low-temperature PTC element. This has the particular advantage that corresponding PTC elements can be made completely from bismuth and lead-free materials.
  • the PTC heating element has a multiplicity of PTC elements.
  • the PTC elements are arranged adjacent to one another or one after the other on the carrier layer.
  • PTC elements are arranged one after the other in a direction along a main longitudinal axis X of the heating element.
  • PTC elements are arranged one after the other in a direction perpendicular to the main longitudinal axis X (ie along a transverse axis Y).
  • a cavity between consecutive PTC elements can be filled with an electrode for electrical contacting of the respective PTC element.
  • the cavities running along the main longitudinal axis X can be filled with electrode material.
  • the electrodes contact opposite side surfaces of the respective PTC element.
  • the PTC elements are contacted here from an end face of the PTC elements.
  • the top and bottom of the PTC element are free of electrodes. This separates the thermal and electrical path and enables new designs and assemblies that may be advantageous for certain manufacturers.
  • production-related material inhomogeneities in the PTC element can be better managed or avoided.
  • the remaining cavities between the PTC elements that are not filled with electrode material can be used, for example, with the above be filled with the filling material described to improve the thermal contact between the PTC elements.
  • the PTC heating element has a multiplicity of further contacts.
  • the additional contacts are formed directly on the carrier layer. In other words, no further component of the PTC heating element is arranged between additional contacting and carrier layer.
  • the respective further point of contact is, for example, in the form of a strip.
  • the additional contacts are preferably in the form of metallization strips of the carrier layer.
  • An additional point of contact preferably extends completely along the main longitudinal direction of the PTC heating element.
  • the additional contacts can be formed alternately above and below the PTC elements (in particular the electrodes). This ensures reliable contacting of the electrodes of the PTC elements.
  • the PTC heating element also has at least one connection element for the electrical connection between the at least one PTC element and the at least one additional contact.
  • the PTC heating element preferably has a large number of connecting elements.
  • the at least one connecting element can be designed in the form of a strip.
  • the respective connecting element preferably extends at least partially along the main longitudinal direction of the PTC heating element.
  • the respective Connection element is formed at least between the respective additional contact and the respective electrode.
  • the respective connecting element is in direct contact with an electrode of at least one PTC element.
  • the connecting element is also in direct contact with at least one, preferably with precisely one, additional contact.
  • the at least one connecting element preferably has a conductive adhesive.
  • an electrical heating device for example a heating register, is described.
  • the electrical heating device has a component with heat-emitting surfaces, such as cooling fins.
  • the electrical heating device also has at least one PTC heating element, preferably the PTC heating element described above. All properties that are disclosed in relation to the PTC heating element are consequently also disclosed in relation to the respective other aspect and vice versa, even if the respective property is not explicitly mentioned in the context of the respective aspect
  • the optimized design of the PTC heating element ensures a high level of integration in the heating device. This enables a quick and efficient heating effect (e.g. in the interior of a vehicle).
  • the use of the PTC heating element described above in a motor vehicle, for example in an electric vehicle, is described.
  • the PTC heating element is designed extremely compact and is therefore suitable for every installation situation. Furthermore, the PTC heating element can ensure optimal heat extraction and thus high power density and reliability.
  • FIG. 1 shows a PTC heating element according to the prior art
  • FIG. 2 shows another PTC heating element after
  • FIG. 3 shows another heating element according to the prior art
  • FIG. 4 shows another PTC heating element after
  • FIG. 5 shows the resistance-temperature behavior of an HV PTC ceramic with two different specific resistances
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of a PTC heating element according to a first exemplary embodiment
  • Figure 7 is a sectional view of a PTC
  • Figure 8 is a sectional view of a PTC
  • FIG. 10 shows a sectional view of a PTC heating element according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 11a is a perspective view of a portion of the PTC heating element according to FIG. 6,
  • Figure 11b is a perspective view of a portion of the PTC heating element according to Figure 10.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration of a PTC heating element 100 according to the prior art.
  • the PTC heating element 100 has a plurality (four in this embodiment) of PTC elements 101 for generating heat.
  • the PTC elements 101 are arranged one after the other in the longitudinal direction of the PTC heating element 100 and are separated from one another by an air gap.
  • Electrical contacts 102 (made of copper, for example) for the electrical connection of the PTC elements 101 are arranged on an upper side and underside of the PTC elements 101 .
  • the PTC heating element 100 also has insulating layers 103 which are arranged on the electrical contacts 102 and electrically insulate the PTC heating element 100 from the outside and in particular from heat spreaders or radiators 104 which are formed on an outer surface of the electrical PTC heating element 100 .
  • FIG. 2 shows a sectional illustration of a further PTC heating element 110 according to the prior art.
  • the PTC elements 111 are in turn arranged between electrical contacts 112 .
  • An insulating layer 113 made of plastic (for example polyimide) is formed on the electrical contacts 112 to electrically insulate the heating element 110 .
  • FIG. 3 shows a sectional illustration of a further PTC heating element 120 according to the prior art.
  • the PTC elements 121 are connected by means of electrical contacts 122 and insulated from the outside by a plastic molding 123 (for example epoxy resin).
  • the PTC elements 121 are completely surrounded by the molding 123.
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of a further PTC heating element 130 according to the prior art.
  • the PTC elements 131 are in direct contact with the radiator 132 in order to achieve optimum heat extraction. There is no electrical isolation.
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of a PTC heating element 1 according to a first exemplary embodiment. That PTC heating element 1 is designed for use in a motor vehicle, for example in an electric vehicle.
  • the PTC heating element 1 is designed to be integrated into an electrical device (for example an electrical heating device) with a radiator or a heat sink (not explicitly shown).
  • the PTC heating element 1 has a plurality of PTC elements 2 (see also FIGS. 9a to 9d).
  • the PTC heating element 1 also has electrodes/electrical contacts 3, further contacts/conductor tracks 4 and a carrier layer/substrate 5.
  • the PTC elements 2 serve as a heat source. In particular, 2 Joule heat is generated by energizing the PTC elements.
  • the heating element 1 has five PTC elements 2 .
  • more than five PTC elements 2, for example eight or ten PTC elements 2, or fewer than five PTC elements 2, for example two PTC elements 2 or one PTC element 2 can also be provided.
  • the number of PTC elements 2 depends, among other things, on the requirements of the PTC heating element 1, its material composition and the installation situation, for example in a motor vehicle.
  • the PTC elements 2 are arranged one after the other or consecutively along a main longitudinal axis X of the PTC heating element 1 . They have a ceramic material, a metal-ceramic material or an organic ceramic material. For example, the PTC elements have a PZT ceramic.
  • An alternative composition based on bismuth is also conceivable. This has the advantage that the PTC elements 2 are lead-free can become. A completely lead and bismuth-free composition of the PTC elements 2 is also conceivable.
  • cavities can occur between the PTC elements 2 perpendicular to the main longitudinal axis X.
  • these cavities are filled with a temperature-resistant and thermally conductive filling material 7, for example silicone or epoxy.
  • the optional filling material 7 acts as mechanical protection or as a barrier against the ingress of moisture and as an additional heat conductor (instead of air).
  • the respective PTC element 2 is very compact.
  • a thickness d or extension perpendicular to the main longitudinal axis X (see also FIG. 9a) of the respective PTC element 2 is between 50 ⁇ m and 250 ⁇ m.
  • the thickness d of the respective PTC element 2 is preferably ⁇ 200 ⁇ m.
  • the respective PTC element 2 can be produced using a standard method (pressing method or multi-layer structure). With alternative production methods, however, even thinner PTC elements 2 (10 ⁇ m to 150 ⁇ m or even ⁇ 2 ⁇ m) are also possible.
  • a lateral extension 1 extension along and transverse to the main longitudinal axis X of the respective PTC element 2 is preferably between 5 mm and 100 mm (FIGS. 9a and 9b).
  • the PTC element 2 has an electrical contact or electrodes 3, as can be seen from FIGS. 9a to 9d.
  • the electrodes 3 are formed flat on a surface 2a, 2b, 2c of the respective PTC element 2.
  • FIG. The electrodes 3 are designed with as large an area as possible in order to achieve favorable heat extraction.
  • the electrodes 3 of opposite polarity must also have a sufficient distance from one another in order to prevent electrical flashovers.
  • one electrode 3 can be formed on a bottom side 2b and on a top side 2a of the PTC element 2 (FIG. 9b).
  • two electrodes 3 can also be formed on the upper side 2a and the underside of the PTC element 2 can be free of electrodes 3 (FIGS. 9a and 9d) or vice versa.
  • the electrodes 3 can make contact, for example, with opposite side faces 2c of the respective PTC element 2, as can be seen in FIG. 9c.
  • the top 2a and the bottom 2b are free of electrodes 3.
  • the thermal and electrical paths are thus separated from one another and new designs and assemblies that can be advantageous for certain manufacturers are made possible.
  • production-related material inhomogeneities in the PTC element 2 can be better managed or avoided.
  • An example for a PTC heating element 1 with correspondingly contacted PTC elements 2 can be found in FIGS. 10 and 11b.
  • the electrodes 3 are as large as possible while maintaining the creepage distances (usually 4 mm for high-voltage heaters).
  • the electrodes 3 at least partially cover the upper side 2a or the lower side 2b of the PTC element. If the electrodes 3 are arranged on the side surfaces 2c, the side surfaces 2c can also be completely covered by the electrodes 3.
  • the electrodes are strip-shaped or rectangular (FIGS. 9a and 9c). A comb-like or an interdigital structure is also possible (FIGS. 9b and 9d). In the case of the interlocking electrode structures, particular care must be taken to ensure that the distance between the electrodes 3 is sufficiently dimensioned in order to avoid electrical flashovers.
  • the electrodes 3 have an electrically conductive material (for example a metal paste).
  • the electrically conductive material is sputtered, printed or squeegeed onto the surface 2a, 2b, 2c of the respective PTC element 2.
  • the electrodes 3 are preferably realized by means of a sputter layer or a metal firing paste.
  • FIG. 5 illustrates normalized characteristic curves (same measuring voltage) which show the resistance-temperature behavior of an HV PTC ceramic at two different specific resistances. Due to the lower resistivity, the drop in resistance is significantly reduced compared to the conventional higher resistivity.
  • the PTC heating element 1 also has the above-mentioned conductor tracks or further contacts 4.
  • the conductor tracks or further contacts 4 extend along the top side 2a and the bottom side 2b of the PTC elements 2 through the PTC heating element 1.
  • the further contacts 4 according to FIG. 6 are formed between the PTC elements 2 (or the electrodes 3) and the carrier layer 5.
  • FIG. The additional contacts 4 are in particular in direct contact with the electrodes 3 of the PTC elements 2.
  • the additional contacts 4 extend along the main longitudinal axis X.
  • the additional contacts 4 emerge from the PTC heating element 1 on a side surface la for the electrical connection of the PTC heating element 1.
  • An electrically conductive connection between the electrodes 3 and the additional contacts 4 can be implemented using a variety of technical solutions.
  • a clamp contact is just as possible as a connection using Sintering techniques (pAg, pCu or TLPS (Transient Liquid Phase Sintering)) or high-temperature soldering.
  • the further contacts 4 can be self-supporting. This means that no further element (for example the carrier layer or the substrate 5) for the mechanical stabilization of the respective additional contact 4 is required.
  • the further contacts 4 can be applied to the carrier layer 5 .
  • the further contacts 4 are sputtered, electroplated, printed or squeegeed onto the carrier layer 5 .
  • the further contacts 4 have, for example, copper, aluminum or tungsten. However, other electrically conductive metals, alloys or other electrically conductive materials are also conceivable for the further contacts 4 .
  • Additional contact 4 is adapted to that of the electrodes 3 of the PTC elements 2 in such a way that there are no excessive field increases or flashovers when the PTC element 2 is in operation.
  • the further point of contact 4 is preferably formed over a large area.
  • the respective further point of contact 4 is designed to be as thin as possible in order to save installation space.
  • a thickness of the further contacts 4 is preferred ⁇ 10 gm. This is possible in particular if the further contacts 4 are applied to the carrier layer 5 by sputtering, printing or squeegeeing, as already mentioned above.
  • the PTC heating element 1 also has the carrier layer 5 that has already been introduced.
  • the carrier layer 5 serves to electrically insulate the PTC heating element 1 from the outside and to mechanically stabilize the PTC heating element 1 .
  • the PTC elements 2 are arranged entirely in an inner region of the carrier layer 5 .
  • the further contacts 4 are also at least partially embedded in the carrier layer 5 .
  • the carrier layer 5 has a very small thickness (expansion perpendicular to the main longitudinal axis X).
  • the thickness of the carrier layer 5 is between 150 gm and 1000 gm.
  • the carrier layer 5 also has a material with high thermal conductivity and good electrical conductivity
  • the carrier layer 5 has a ceramic material, for example AlN, S13N4, Al2O3 or SiC.
  • a ceramic material for example AlN, S13N4, Al2O3 or SiC.
  • the carrier layer 5 can also have a temperature-resistant plastic (eg polyimide or epoxy resin).
  • a temperature-resistant plastic eg polyimide or epoxy resin.
  • the thickness of the carrier layer 5 can be made so thin that the thermal resistance remains small enough.
  • a carrier layer 5 made of plastic must be made significantly thinner than a ceramic carrier layer.
  • the plastic layer must be thin enough to guarantee thermal transport, but thick enough to guarantee electrical insulation and the mechanical stability of the PTC heating element 1 .
  • a carrier layer 5 made of plastic has a thickness of 50 gm.
  • the electrical supply line (electrodes 3, additional contacts 4) can also function as a heat spreader here, in order to make the area that contributes to heat conduction in the carrier layer 5 as large as possible.
  • a carrier layer hybrid solution based on ceramics and plastic is also possible (see later the description of FIG. 8).
  • a metallic layer 6 is also formed on the surface 5a of the carrier layer 5 .
  • the metallic layer 6 completely covers an upper side and an underside of the carrier layer 5 .
  • the metallic layer 6 facilitates the mechanical and thermal contacting of a (metallic) radiator or heat sink (not shown explicitly).
  • the metallic layer 6 is very thin. For example, a thickness of the metallic layer 6 is between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the metallic layer 6 has Cu, Al or W.
  • an overall height H of the PTC heating element 1 is between 500 gm and 2500 gm due to the construction described above.
  • the lateral dimensions L of the PTC heating element 1 are between 10 mm and 250 mm in both directions (lateral dimensions L: length, ie extension along the main longitudinal axis X and width, ie extension transverse to the main longitudinal axis X).
  • the PTC heating element 1 is thus extremely compact, in particular large-area and thin.
  • the volume of the PTC heating element 1 and the heat extraction are optimized in such a way that the power density, the thermal response behavior as well as the robustness and reliability compared to the state of the art technology are significantly improved.
  • PTC heating element 1 Due to the very efficient, thin and powerful design of the PTC heating element 1, there is also the possibility of using low-temperature PTCs. These can be made from completely bismuth and lead free materials.
  • FIG. 7 shows a sectional illustration of a PTC heating element 1 according to a further exemplary embodiment.
  • the further contacts 4 are not formed between the carrier layer 5 and the PTC elements 2. Rather, the further contacts 4 are integrated into the carrier layer 5 .
  • the additional contacts 4 emerge from the carrier layer 5 only on the side surface 1a of the PTC heating element 1 in order to ensure the electrical connection of the PTC heating element 1 .
  • the carrier layer 5 preferably has AlN.
  • Each further point of contact 4 has a tungsten (W) layer.
  • the additional contacts 4 embedded in the carrier layer 5 are preferably implemented by W contacts in an A1N carrier layer 5 .
  • the W layer preferably has a thickness of 5 gm-20 gm.
  • the W layer is preferably implemented in the carrier layer 5 over a large area.
  • the carrier layer 5 has a typical thickness of 150 ⁇ m-1000 ⁇ m.
  • the W layer may be formed symmetrically in a center portion of the base layer 5 or may be offset toward the center portion.
  • the respective further contacting 4 (W layer) is offset from the central area of the carrier layer 5 towards the PTC elements 2 .
  • the W layer is arranged at least 50 ⁇ m below a surface of the carrier layer 5 .
  • the PTC heating element 1 also has feedthroughs/vias 8 .
  • the vias 8 preferably have tungsten.
  • the vias 8 are preferably made of tungsten.
  • the vias 8 can also have or consist of other electrically conductive materials.
  • the vias 8 completely penetrate the carrier layer 5 in a direction perpendicular to the main longitudinal axis X of the PTC heating element 1 .
  • the vias 8 produce an electrically conductive connection between the W layers (additional contacts 4) and the electrodes 3 of the PTC elements 2.
  • FIG. 8 shows a sectional illustration of a PTC heating element 1 according to a further exemplary embodiment.
  • the carrier layer 5 has a hybrid solution based on ceramic and plastic materials.
  • the PTC heating element 1 has a layer of temperature-resistant plastic 9 (e.g. polyimide or epoxy resin) on one side (here the upper side).
  • the PTC heating element 1 has a carrier layer 5 made of ceramic material—as already described in connection with FIG.
  • the plastic 9 can also be formed on the underside and the ceramic carrier material can be formed on the upper side.
  • the ceramic carrier layer 5 is used for mechanical stabilization and insulation of the PTC heating element 1 (in this case insulation of the underside).
  • the plastic layer 9 serves to insulate the PTC heating element 1 (in this case insulation of the upper side). Both layers must be thick enough to ensure electrical insulation but thin enough to ensure thermal transport. In particular, due to the low thermal conductivity ( ⁇ 10 W/mK) of the plastic, the thickness of the plastic layer 9 must be made so thin that the thermal resistance remains small enough, as already described in connection with the exemplary embodiment according to FIG.
  • the plastic layer 9 is in particular thinner than the ceramic layer 5. In this exemplary embodiment, for example, the thickness of the ceramic carrier layer 5 is ten to a hundred times greater than the thickness of the plastic layer 9.
  • the plastic layer 9 has a thickness of between 2 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the thickness of the plastic layer is 30 ⁇ m.
  • the ceramic carrier layer 5 is between 0.5 mm and 1 mm thick in order to ensure the mechanical stability of the PTC heating element 1 .
  • FIG. 11a shows a representation of a PTC heating element 1 according to the above statements.
  • FIG. 11a shows a multiplicity of PTC elements 2, which are arranged one after the other along the main longitudinal axis X of the heating element 1.
  • the PTC elements 2 are each contacted from the top 2a or the bottom 2b via electrodes 3 (see in particular Figures 6a, 9a, 9b and 9d).
  • the electrodes 3 are connected via strip-shaped additional contacts 4 from the upper side 2a or the lower side 2b of the PTC elements 2 .
  • a connecting element 10 for example a conductive adhesive, is formed between the electrodes 3 and the additional contacts 4 , which establishes an electrical and mechanical connection between the additional contacts 4 and the electrodes 3 .
  • a filling material 7 can also be introduced into the cavity between two consecutive PTC elements 2 (not shown explicitly, see FIG. 6).
  • FIGS. 10 and 11b show a PTC heating element 1 according to a further exemplary embodiment.
  • the PTC heating element 1 is designed for use in a motor vehicle, for example in an electric vehicle.
  • the PTC heating element 1 is designed to be integrated into an electrical device (for example an electrical heating device) with a radiator or a heat sink (not explicitly shown).
  • the PTC heating element 1 has electrodes/electrical contacts 3, further contacts 4 and a carrier layer/substrate 5.
  • the carrier layer 5 preferably has a ceramic.
  • the PTC heating element 1 also has connecting elements 10, as will be described in more detail below.
  • the PTC heating element 1 has a plurality of PTC elements 2 .
  • the PTC elements 2 have a smaller extension perpendicular to the main longitudinal axis X of the PTC heating element 1.
  • the PTC 2 elements according to FIGS. 10 and 11a have a shorter length than, for example, the PTC elements 2 according to FIG. 11a.
  • the PTC elements 2 are arranged adjacent to one another or one after the other on the carrier layer 5 .
  • a plurality of PTC elements 2 are consecutive in the direction along the Main longitudinal axis X of the heating element 1 arranged.
  • PTC elements 2 are arranged one after the other in a direction perpendicular to the main longitudinal axis X (ie along a transverse axis Y).
  • Design-related cavities occur between the PTC elements 2, as has already been described in connection with FIG. 6 (see also FIG. 11a).
  • the cavities run parallel and transverse to the main longitudinal axis X (see FIG. 11b).
  • the cavities transverse to the main longitudinal axis X can be filled with a temperature-resistant filling material 7 (not shown explicitly, see in particular FIG. 6).
  • the thermal contact between the PTC elements 2 can thus be improved.
  • the cavities parallel to the main longitudinal axis X are also filled with electrode material.
  • an electrode 3 for electrical contacting of the two PTC elements 2 is formed in the respective cavity running along the main longitudinal axis X between two consecutive PTC elements 2 in the direction perpendicular to the main longitudinal axis X (i.e. along the transverse axis Y).
  • the respective electrode 3 represents a metallization.
  • the respective electrode 3 completely covers the side surface 2c (in particular a short side surface) of the respective PTC element 2 (see also the embodiment according to FIG. 9c). In other words, takes place in the Exemplary embodiment according to FIGS. 10 and 11b, the contacting of the PTC elements 2 from an end face of the PTC elements 2. In contrast to this, in the exemplary embodiments described above (see, for example, FIGS. 6 and 11a), contact is made with the PTC elements 2 from the top 2a and/or the bottom 2b of the PTC elements 2.
  • the respective electrode 3 or metallization fills the cavity between the PTC elements 2 completely.
  • electrodes 3 with opposite polarity are arranged alternately. This means that a first cavity between two PTC elements 2 that follow one another in the direction along the transverse axis Y is filled with an electrode 3 of a first polarity. A second subsequent cavity in the direction along the transverse axis Y is filled with an electrode 3 of the opposite polarity.
  • Two consecutive PTC elements 2 always share an electrode 3 or metallization, ie they are contacted by a common metallization.
  • the PTC heating element 1 also has the above-mentioned further contact 4, in particular a multiplicity of further contacts 4.
  • the further contacts 4 are formed between the PTC elements 2 (in particular the electrodes 3) and the carrier layer 5.
  • the additional contacts 4 are formed in particular at an interface between two PTC elements 2 that follow one another in the direction of the transverse axis Y.
  • the additional contacts 4 cover at least those with electrode material filled cavities, which run along or parallel to the main longitudinal axis X.
  • the further contacts 4 are arranged alternately on the upper side 2a and the lower side 2b of the PTC elements 2 (see also FIG. 11a).
  • the additional contacts 4 formed on the upper side 2a produce an electrical connection to the end-side electrodes 3 of a first polarity.
  • the further contacts 4 formed on the underside 2b produce an electrical connection to the electrodes 3 of the opposite polarity on the face side.
  • the further contacts 4 are designed in the form of strips.
  • the additional contacts 4 extend completely along the main longitudinal axis X.
  • the individual additional contacts 4 are formed parallel to one another along the main longitudinal axis X.
  • the additional contacts 4 can emerge from the PTC heating element 1 on a side surface la (see FIG. 6) for electrical contacting of the heating element 1.
  • the additional contacts 4 represent a metallization of the carrier layer 5.
  • the additional contacts 4 in this exemplary embodiment correspond to metallization strips on a surface 5a of the carrier layer 5.
  • the further contacts 4 are in direct contact with the carrier layer 5.
  • connection elements 10 An electrically conductive connection between the electrodes 3 and the further contacts 4 is realized via the connection elements 10 .
  • the respective connecting element 10 has a conductive adhesive, for example.
  • the connecting elements 10 are formed between the PTC elements 2 (in particular the electrodes 3) and the further contacts 4.
  • the connecting elements 10 are in particular in direct contact with the electrodes 3 (here on the face side) of the PTC elements 2 and the further contacts 4.
  • the connecting elements 10 are designed in the form of strips.
  • the respective connecting element 10 extends at least partially along the main longitudinal axis X.
  • a connecting element 10 is formed at the interface between two PTC elements 2 that follow one another in the direction of the transverse axis Y.
  • the respective connecting element 10 covers at least one cavity which is filled with electrode material and runs parallel to the main longitudinal axis X.
  • the connecting elements 10 can also be made longer, so that they extend over several cavities and thus over more than two PTC elements 2 (not shown explicitly).

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Abstract

Es wird ein PTC Heizelement (1) für eine elektrische Heizvorrichtung beschrieben aufweisend - wenigstens ein PTC Element (2), wobei wenigstens eine Elektrode (3) auf einer Oberfläche (2a, 2b, 2c) des PTC Elements (2) ausgebildet ist zur elektrischen Kontaktierung des PTC Elements (2), - wenigstens eine Weiterkontaktierung (4) zum elektrischen Anschluss der Elektrode (3) des PTC Elements (2), - wenigstens eine Trägerschicht (5), wobei die Trägerschicht (5) elektrisch isolierend ausgebildet ist, wobei eine Dicke (d) des PTC Elements (2) ≤ 500 µm beträgt und wobei eine Bauhöhe (H) des PTC Heizelements (1) zwischen 500 µm und 2500 µm liegt. Ferner werden eine elektrische Heizvorrichtung sowie die Verwendung des PTC Heizelements (1) in einem Kraftfahrzeug beschrieben.

Description

Beschreibung
PTC Heizelement, elektrische Heizvorrichtung und Verwendung eines PTC Heizelements
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere ein PTC Heizelement. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Heizvorrichtung aufweisend das PTC Heizelement. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des PTC Heizelements in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug.
Heizregister, die mit PTC („Positive Temperature Coefficient" - Kaltleiter) Heizelementen ausgestattet sind, haben den Vorteil, dass durch ihre Eigenschaft als temperaturabhängiger Widerstand die Leistungsaufnahme automatisch begrenzt wird, wenn eine gewisse Temperatur erreicht wird. Diese Eigenschaft dient nicht nur als Sicherheits-Feature, um eine Überlastung des Heizregisters zu vermeiden, sondern auch dazu die Ansteuerung durch den Selbstregelungseffekt sehr einfach auszuführen .
Der Einsatz in Elektrofahrzeugen legt nahe, das Register direkt mit der Hochvolt-Batterie zu betreiben (200 -400 V, manchmal auch 800 V). Damit muss die Isolationsfestigkeit dementsprechend ausgelegt werden. Üblicherweise werden PTC Elemente auf zwei gegenüberliegenden Seiten mittels einer Leiterbahn elektrisch kontaktiert. Die Leiterbahn wird durch ein Substrat getragen, welches auf der anderen Seite die entstehende Wärme auskoppelt.
Die auskoppelbare Wärmeleistung hängt stark vom thermischen Pfad durch die oben beschriebene Schichtstruktur ab. Wärme muss vom Entstehungsort (dem PTC) über die Kontaktierung und durch das Substrat zur Auskopplungsfläche gelangen. Hier sind thermische und elektrische Betrachtungen zur Optimierung des Heizelements oft gegenläufigen Argumenten unterworfen, d.h. Designs nach dem Stand der Technik sind Kompromiss-Lösungen zwischen Leistungsdichte, thermischer Agilität und Isolationsvermögen bzw. Robustheit und Zuverlässigkeit.
Zum Beispiel bedingt die Tatsache, dass der Hersteller der PTC Elemente und jener der Heizelemente nicht derselbe ist, dass das PTC Element gewissen Anforderungen an geometrische Toleranzen, Transport- und Handlingfähigkeit im Montage prozess gerecht wird. Damit kann eine gewisse Mindestdicke der PTC Elemente nicht im Rahmen von sinnvollem Aufwand unterschritten werden.
Thermisch optimal wäre es ferner, das PTC Element direkt an den (metallischen) Kühlkörper anzubinden. Da in einem Hochvolt-System (230 V - 800 V) jedoch die elektrische Isolierung gegeben sein muss, ist eine elektrisch nicht- leitende Barriere von Nöten, die die Systemspannung ausreichend vom Radiator entkoppelt. Zusätzlich müssen auch Luft- und Kriechstrecken (i.d.R. 4 mm für Hochvolt-Heizer in Elektrofahrzeugen) zwischen unterschiedlichen Polaritäten eingehalten werden, die nur durch Verwendung von Isolationsmaterialien bewerkstelligt werden können.
Das PTC Element selbst fungiert als Wärmequelle, wenn durch Bestromung Joul'sche Wärme generiert wird. Diese wird jedoch nicht homogen im Material erzeugt, sondern abhängig von der Geometrie und möglichen Materialinhomogenitäten kann die elektrische Feldverteilung im Bauteil einen Temperatur gradienten hervorrufen. Die Wärme muss ausgehend von Hotspots erst die Oberfläche der Elemente erreichen, bevor sie weiter transportiert werden kann. Dies kann aufgrund der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der PTC Keramik (i.d.R. ~ 5 W/mK) sehr langsam und träge von statten gehen.
Das Dokument EP 3101 999 Al beschreibt ein PTC-Heizelement für eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welches in verbesserter Weise an der Außenseite elektrisch isoliert ist, wobei auch der Notwendigkeit einer angemessenen Wärmeübertragung von dem PTC-Element auf die Wärme abgebende Fläche durch die elektrische Isolierschicht Rechnung getragen werden soll. Hierfür wird eine elektrische Isolierschicht bereitgestellt, die an der Außenseite von zumindest einer der Leiterbahnen anliegt, über welche das PTC-Element bestromt wird und eine Folie und eine darauf aufgebrachte elektrisch isolierende Masse mit guter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Das Dokument US 2017/0223776 Al beschreibt eine elektrische Heizvorrichtung mit mindestens einem elektrischen PTC- Heizelement und Strahlungsrippen, welche sich auf der Außenfläche des elektrischen PTC-Heizelements befinden. Die Oberfläche auf den Strahlungsrippen, die nicht in Kontakt mit dem elektrischen PTC-Heizelement ist, ist nicht geladen. Zwischen Leiterbahnen und den Strahlungsrippen ist eine Isolationsschicht vorgesehen.
Auch das Dokument DE 112017 006 124 T5 beschreibt eine elektrische Heizvorrichtung mit Isolationsschicht zwischen Leiterbahnen und den Kühlrippen. Die elektrische Heizvorrichtung weist eine Mehrzahl von PTC-Elementen und Wärmeabstrahlungsrippen zum Abstrahlen von Wärme auf, die ausgehend von den PTC-Elementen übertragen wird, sowie eine Harzplatte zum Isolieren der Elektrodenplatten und eine Druckfeder, welche einen laminierten Körper ausgehend von beiden Seiten in einer Laminierungsrichtung drückt.
Das Dokument EP 1182 908 Bl beschreibt eine PTC- Heizvorrichtung mit wenigstens einem PTC-Element und zwei Kontaktplatten, die das PTC-Element kontaktieren. Zur Verbindung der Oberfläche des PTC-Elements mit den Kontaktplatten ist eine Metallfolie vorgesehen, die beidseitig mit Klebstoff beschichtet ist. Eine Isolation der Kontaktplatten ist nicht vorgesehen.
Unter dem Link https://air-lab.de/Index.html werden Heizelemente mit Direktkontaktierung an Alu-Kühlrippen für eine optimale Wärmeauskopplung beschrieben. Eine elektrische Isolation ist in diesem Fall nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein PTC Heizelement sowie eine elektrische Heizvorrichtung zu beschreiben, welche die oben stehenden Probleme lösen.
Diese Aufgabe wird durch ein PTC Heizelement, eine elektrische Heizvorrichtung sowie die Verwendung des PTC Heizelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein PTC Heizelement beschrieben. Das PTC Heizelement ist dazu ausgebildet in eine elektrische Heizvorrichtung, beispielsweise in ein Heizregister, integriert zu werden. Das PTC Heizelement ist zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug (xEV - x Electrical Vehicle), ausgebildet.
Das PTC Heizelement weist wenigstens ein PTC Element auf. Vorzugsweise weist das PTC Heizelement eine Vielzahl von PTC Elementen, beispielsweise fünf, zehn oder 20 PTC Elemente auf. Ein Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen kann mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial gefüllt sein. Das Füllmaterial fungiert als mechanischer Schutz bzw. Barriere gegen das Eindringen von Feuchte und als zusätzlicher Wärmeleiter (an Stelle von Luft).
Das PTC Element dient zur Wärmeerzeugung. Das PTC Element weist wenigstens eine Elektrode, insbesondere zwei Elektroden, zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Elektroden sind auf einer Oberfläche des PTC Elements ausgebildet.
Das PTC Heizelement weist ferner wenigstens eine Weiterkontaktierung auf. Die Weiterkontaktierung dient zum elektrischen Anschluss der Elektrode des PTC Elements. Die Weiterkontaktierung kann beispielsweise Kupfer, Aluminium und/oder Wolfram aufweisen.
Das PTC Heizelement weist ferner wenigstens eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht umgibt die PTC Elemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Die Trägerschicht ist elektrisch isolierend ausgebildet. Die Trägerschicht weißt eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Trägerschicht dient zur mechanischen Stabilisierung und zur elektrischen Isolierung des PTC Heizelements.
Das PTC Heizelement ist sehr kompakt ausgeführt. Das PTC Heizelement ist großflächig und dünn ausgeführt. Das PTC Heizelement weist ein äußerst geringes Volumen auf. Eine Dicke des PTC Elements ist vorzugsweise < 500 gm, bevorzugt < 250 gm, beispielsweise 10 gm bis 150 gm oder sogar < 2 gm. Eine Bauhöhe des PTC Heizelements liegt zwischen 500 gm und 2500 mpi. Eine laterale Abmessung des PTC Heizelements beträgt in beide Richtungen (Länge und Breite) vorzugsweise zwischen 10 mm und 250 mm.
Bevorzugt ist das PTC Heizelement planparallel ausgebildet. Insbesondere ist die Trägerschicht vorzugsweise planparallel ausgestaltet. Das PTC Element ist bevorzugt ebenfalls planparallel ausgebildet.
Je besser definiert die Oberfläche des Substrates / der Trägerschicht ist, desto dünner und effizienter kann der thermische Übergang (z.B. zu einem Alu-Kühlkörper) ausgeführt werden. Konkret heißt das für das PTC Element (~27 x 13 mm) < 100 pm, ideal: < 30 pm; (A1N od. AlOx)-Trägerschicht: (165 x
35 mm): 500 pm, ideal: < 100 pm.
Die Ebenheit und Planparallelität der PTC Elemente und der Trägerschicht ist wichtig für die Performance des PTC Heizelements. Sind die Oberflächen des wenigstens einen PTC Elements / der Trägerschicht nicht entsprechend gut definiert, ist der Spalt durch Ausgleichs- oder Vergussmasse aufzufüllen, was den thermischen Widerstand erhöht. Je genauer die Komponenten gefertigt sind, desto dünner ist der Spalt.
Bevorzugt ist das wenigstens eine PTC Element sehr dünn ausgebildet und weist insbesondere eine Dicke < 250 pm auf, wobei eine Planparallelität < 100 pm beträgt. Besonders bevorzugt ist die Planparallelität des PTC Elements < 30 pm. Bevorzugt weist die Trägerschicht eine Planparallelität < 500 pm, besonders bevorzugt < 100 pm, auf. Die oben beschriebene Zusammensetzung des PTC Heizelements erlaubt ein extrem kompaktes Design, welches wiederum eine hohe Integration in eine elektrische Heizvorrichtung ermöglicht. Dadurch wird eine schnellere und effizientere Heizwirkung (z.B. im Innenraum eines Fahrzeugs) im Vergleich zu Heizvorrichtungen nach dem Stand der Technik sichergestellt. Gewichtseinsparungen, die durch geringeren Materialeinsatz zustande kommen, ermöglichen eine Vergrößerung der Reichweite von xEVs während der geringe Materialverbrauch zur Ressourcenschonung und Verkleinerung des ökologischen Fußabdrucks beiträgt.
Durch geeignete Kombination von Materialien und/oder Verbindungstechniken werden - zusammen mit der Optimierung der Geometrie auf Heizelement Ebene - das Volumen des PTC Heizelements und die Wärmeauskopplung derart optimiert, dass die Leistungsdichte, das thermische Ansprechverhalten sowie die Robustheit und Zuverlässigkeit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbessert sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden flächig auf der Oberfläche des wenigstens einen PTC Elements angeordnet. Die Elektroden sind unmittelbar auf der Oberfläche des PTC Elements ausgebildet. Die Elektroden können auf die Oberfläche des PTC Elements gesputtert, galvanisiert, gedruckt oder gerakelt sein.
Die Elektroden sind möglichst großflächig ausgebildet, um eine günstige Wärmeauskopplung zu erzielen. Die Elektroden können beispielsweise streifenförmig, rechteckig, kammartig oder als Interdigitalstruktur ausgebildet sein. Die Elektroden müssen einen ausreichenden Abstand zueinander aufweisen, um Kriechstrecken freizuhalten und damit einen elektrischen Überschlag zu vermeiden. Damit wird ein besonders zuverlässiges PTC Heizelement zur Verfügung gestellt .
Beispielsweise ist wenigstens eine Elektrode auf einer Oberseite oder einer Unterseite des PTC Elements angeordnet. Es können auch zwei Elektroden auf der Oberseite oder der Unterseite ausgebildet sein. Es kann auch jeweils eine Elektrode auf der Oberseite und auf der Unterseite ausgebildet sein.
Alternativ dazu können die Elektroden an Seitenflächen, insbesondere gegenüberliegenden Seitenflächen, des PTC Elements ausgebildet sein. Damit werden der thermische und elektrische Pfad voneinander getrennt und neue Designs und Assemblierungen, die für gewisse Hersteller vorteilhaft sein können, werden ermöglicht. Außerdem werden herstellungs bedingte Materialinhomogenitäten im PTC Element besser beherrschbar bzw. umgehbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Weiterkontaktierung selbsttragend ausgebildet. Mit anderen Worten, die Trägerschicht stabilisiert lediglich die übrigen Bauteile des PTC Heizelements. Die Trägerschicht ist zur Stabilisierung der Weiterkontaktierung hingegen nicht (zwingend) erforderlich .
Alternativ dazu kann die Weiterkontaktierung zur mechanischen Stabilisierung aber auch auf die Trägerschicht aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Weiterkontaktierung auf die Trägerschicht gesputtert, gedruckt oder gerakelt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Weiterkontaktierung in die Trägerschicht integriert. Mit anderen Worten, die Weiterkontaktierung ist in einem Innenbereich der Trägerschicht ausgebildet. In diesem Fall ist die Weiterkontaktierung < 50 gm unter einer Oberfläche der Trägerschicht angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Geometrie der Weiterkontaktierung an eine Geometrie der Elektrode des PTC Elements angepasst. Beispielsweise ist die Weiterkontaktierung möglichst großflächig und dünn ausgeführt. Beispielsweise ist eine Dicke der
Weiterkontaktierung < 10 gm. Damit kann die Wärmeauskopplung des PTC Heizelements gesteigert und so die Effizienz erhöht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Weiterkontaktierung mittels Klemmen, Sintern, Kleben oder Hochtemperaturloten mit der wenigstens einer Elektrode elektrisch leitend verbunden. Durch die Verwendung von Standardverbindungs-techniken können die Herstellungskosten reduziert werden und damit ein besonders kostengünstiges PTC Heizelement zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Trägerschicht eine Dicke zwischen 150 pm und 1000 pm auf. Damit ist die Trägerschicht sehr kompakt und dünn ausgeführt, um die Leistungsdichte des PTC Heizelements zu optimieren, jedoch dick genug, um die Robustheit und Stabilität des PTC Heizelements sicherzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Trägerschicht ein keramisches Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guten Isolationseigenschaften auf. Beispielsweise weist die Trägerschicht A1N, S13N4, AI2O3, oder SiC auf. Diese Materialien eignen sich hervorragend dazu die
Wärmeauskopplung zu optimieren und damit die Leistungsdichte und das thermische Ansprechverhalten des PTC Heizelements zu steigern .
Alternativ dazu kann die Trägerschicht einen temperatur beständigen Kunststoff aufweisen. Beispielsweise weist die Trägerschicht Polyimid oder Epoxidharz auf. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit (< 10 W/mK) von Kunststoff muss dabei eine Dicke der Trägerschicht ausreichend dünn ausgeführt sein, um den Wärmewiderstand gering zu halten und damit eine hohe Leistungsdichte des PTC Heizelements zu erzielen .
Alternativ dazu kann die Trägerschicht eine Hybridlösung auf Basis von einem keramischen Material und von Kunststoff aufweisen. Beispielsweise kann die Trägerschicht eine KunststoffSchicht und eine keramische Schicht aufweisen. Zur Erzielung einer optimalen Wärmeauskopplung muss hierbei die KunststoffSchicht deutlich dünner ausgeführt sein, als die keramische Schicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement ferner wenigstens eine metallische Schicht an einer Oberfläche der Trägerschicht auf. Die metallische Schicht dient zur Weiterkontaktierung des PTC Heizelements, beispielsweise zum Anschluss an einen Radiator. Die metallische Schicht kann beispielsweise Cu, Al oder W aufweisen. Die metallische Schicht ist sehr dünn ausgebildet. Vorzugsweise weist die metallische Schicht eine Dicke zwischen 1 gm und 100 gm auf. Aufgrund der geringen Dicke der metallischen Schicht wird die thermische Auskopplung des PTC Heizelements nicht negativ beeinflusst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das wenigstens eine PTC Element ein keramisches Material, ein metallisch-keramisches Material oder ein organisch-keramisches Material auf. Beispielsweise weist das PTC Element PZT (Blei Zirkonat Titanat) auf. Durch die Verwendung von Standardmaterialien kann ein besonders kostengünstiges PTC Heizelement erzielt werden.
Alternativ dazu kann das PTC Element auf Wismut basieren.
Dies hat den Vorteil, dass das PTC Element bleifrei ausgebildet ist. Alternativ dazu kann das PTC Element auch ein Wismut- und bleifreies Material aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Material des wenigstens eine PTC Elements einen geringen spezifischen Widerstand auf. Beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand < 5000 W cm, beispielsweise 1000 W cm. Dadurch kann der PTC Effekt unterhalb des Arbeitspunkts deutlich verringert werden und somit bei jedem Einschaltvorgang der Energieverbrauch/Einschaltstrom deutlich gegenüber konventionelleren HV PTCs reduziert werden. Dies führt nicht nur zu einer geringeren Belastung (geringerer Einschaltstrom) der anderen elektronischen Komponenten sondern führt zu einer weiteren Reichweitenerhöhung von Elektroautos.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das PTC Element ein Niedertemperatur PTC Element. Dies hat den besonderen Vorteil, dass entsprechende PTC Elemente komplett aus Wismut- und Bleifreien Materialien hergestellt werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement eine Vielzahl von PTC Elementen auf. Die PTC Elemente sind benachbart zueinander bzw. aufeinander nachfolgend auf der Trägerschicht angeordnet. Insbesondere sind PTC Elemente in Richtung entlang einer Hauptlängsachse X des Heizelements aufeinander folgend angeordnet. Ferner sind PTC Elemente in einer Richtung senkrecht zur Hauptlängsachse X (also entlang einer Querachse Y) aufeinander folgend angeordnet.
Designbedingt tritt zwischen aufeinander folgenden PTC Elementen ein Hohlraum auf. Ein Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen kann mit einer Elektrode aufgefüllt sein zur elektrischen Kontaktierung des jeweiligen PTC Elements. Insbesondere können die entlang der Hauptlängsachse X verlaufenden Hohlräume mit Elektrodenmaterial gefüllt sein.
Das bedeutet, dass eine Kontaktierung von gegenüberliegenden Seitenflächen des jeweiligen PTC Elements durch die Elektroden erfolgt. Mit anderen Worten, die Kontaktierung der PTC Elemente erfolgt hier von einer Stirnseite der PTC Elemente her. In diesem Fall sind die Oberseite und die Unterseite des PTC Elements frei von Elektroden. Damit werden der thermische und elektrische Pfad voneinander getrennt und neue Designs und Assemblierungen, die für gewisse Hersteller vorteilhaft sein können, werden ermöglicht. Außerdem werden herstellungsbedingte Materialinhomogenitäten im PTC Elementbesser beherrschbar bzw. umgehbar.
Die übrigen Hohlräume zwischen den PTC Elementen, die nicht mit Elektrodenmaterial gefüllt sind (Hohlräume senkrecht zur Hauptlängsrichtung), können beispielsweise mit dem oben beschriebenen Füllmaterial gefüllt sein, zur Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen den PTC Elementen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement eine Vielzahl von Weiterkontaktierungen auf. Die Weiterkontaktierungen sind unmittelbar auf der Trägerschicht ausgebildet. Mit anderen Worten, zwischen Weiterkontaktierung und Trägerschicht ist keine weitere Komponente des PTC Heizelements angeordnet.
Die jeweilige Weiterkontaktierung ist beispielsweise streifenförmig ausgebildet. Vorzugsweise sind die Weiterkontaktierungen als Metallisierungsstreifen der Trägerschicht ausgebildet. Bevorzugt erstreckt sich eine Weiterkontaktierung komplett entlang der Hauptlängsrichtung des PTC Heizelements.
Die Weiterkontaktierungen können alternierend oberhalb und unterhalb der PTC Elemente (insbesondere der Elektroden) ausgebildet sein. Damit ist eine zuverlässige Kontaktierung der Elektroden der PTC Elemente gewährleistet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement ferner wenigstens ein Verbindungselement zur elektrischen Verbindung zwischen dem wenigstens einen PTC Element und der wenigstens einen Weiterkontaktierung auf. Vorzugsweise weist das PTC Heizelement eine Vielzahl von Verbindungselementen auf.
Das wenigstens ein Verbindungselement kann streifenförmig ausgebildet sein. Das jeweilige Verbindungselement erstreckt sich vorzugsweise zumindest anteilig entlang der Hauptlängsrichtung des PTC Heizelements. Das jeweilige Verbindungselement ist wenigstens zwischen der jeweiligen Weiterkontaktierung und der jeweiligen Elektrode ausgebildet. Das jeweilige Verbindungselement steht in unmittelbarem Kontakt mit einer Elektrode wenigstens eines PTC Elements.
Das Verbindungselement steht ferner in unmittelbarem Kontakt mit wenigstens einer, vorzugsweise mit genau einer, Weiterkontaktierung. Vorzugsweise weist das wenigstens eine Verbindungselement einen Leitkleber auf.
Mit dem Verbindungselement kann eine elektrisch leitende und mechanisch feste Verbindung zwischen den Elektroden und der Weiterkontaktierung auf einfache Art gewährleistet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Heizvorrichtung, beispielweise ein Heizregister, beschrieben. Die elektrische Heizvorrichtung weist ein Bauelement mit Wärme abgebenden Flächen, beispielsweise Kühlrippen, auf.
Die elektrische Heizvorrichtung weist ferner wenigstens ein PTC Heizelement, vorzugsweise das oben beschriebene PTC Heizelement, auf. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das PTC Heizelement offenbart sind, sind folglich auch entsprechend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt
Durch die optimierte Ausgestaltung des PTC Heizelements ist eine hohe Integration in der Heizvorrichtung gewährleistet. Dadurch wird eine schnelle und effiziente Heizwirkung (z.B. im Innenraum eines Fahrzeugs) ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung des oben beschriebenen PTC Heizelements in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug, beschrieben. Das PTC Heizelement ist äußerst kompakt ausgestaltet und wird damit jeder Einbausituation gerecht. Ferner kann durch das PTC Heizelement eine optimale Wärmauskopplung und damit eine hohe Leistungsdichte und Zuverlässigkeit sichergestellt werden.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
Figur 1 ein PTC Heizelement nach dem Stand der
Technik
Figur 2 ein weiteres PTC Heizelement nach dem
Stand der Technik
Figur 3 ein weiteres Heizelement nach dem Stand der Technik
Figur 4 ein weiteres PTC Heizelement nach dem
Stand der Technik
Figur 5 das Widerstands-Temperaturverhalten einer HV PTC Keramik bei zwei verschiedenen spezifischen Widerständen
Figur 6 eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 7 eine Schnittdarstellung eines PTC
Heizelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 8 eine Schnittdarstellung eines PTC
Heizelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figuren 9a bis 9d perspektivische Ansichten von PTC
Elementen für ein PTC Heizelement,
Figur 10 eine Schnittansicht eines PTC Heizelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 11a eine perspektivische Ansicht eines Teilbereichs des PTC Heizelements gemäß Figur 6,
Figur 11b eine perspektivische Ansicht eines Teilbereichs des PTC Heizelements gemäß Figur 10.
Die Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 100 gemäß dem Stand der Technik. Das PTC Heizelement 100 weist eine Mehrzahl (in diesem Ausführungsbeispiel vier) PTC Elemente 101 zur Erzeugung von Wärme auf. Die PTC Elemente 101 sind in Längsrichtung des PTC Heizelements 100 aufeinander folgend angeordnet und durch einen Luftspalt voneinander separiert. An einer Oberseite und Unterseite der PTC Elemente 101 sind elektrische Kontakte 102 (beispielsweise aus Kupfer) zum elektrischen Anschluss der PTC Elemente 101 angeordnet.
Das PTC Heizelement 100 weist ferner Isolationsschichten 103 auf, die auf den elektrischen Kontakten 102 angeordnet sind und das PTC Heizelement 100 nach außen hin und insbesondere von Wärmeverteilern bzw. Radiatoren 104, welche an einer Außenfläche des elektrischen PTC-Heizelements 100 ausgebildet sind, elektrisch isolieren.
Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren PTC Heizelements 110 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei sind die PTC Elemente 111 wiederum zwischen elektrischen Kontakten 112 angeordnet. Auf den elektrischen Kontakten 112 ist eine Isolationsschicht 113 aus Kunststoff (beispielsweise Polyimid) zur elektrischen Isolierung des Heizelements 110 ausgebildet .
Die Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren PTC Heizelements 120 gemäß dem Stand der Technik. Die PTC Elemente 121 werden mittels elektrischen Kontakten 122 angebunden und durch ein Kunststoffmolding 123 (beispielsweise Epoxidharz) nach außen hin isoliert. Die PTC Elemente 121 sind komplett von dem Molding 123 umgeben.
Die Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren PTC Heizelements 130 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei stehen die PTC Elemente 131 in direktem Kontakt zum Radiator 132, um eine optimale Wärmeauskopplung zu erzielen. Eine elektrische Isolation ist nicht gegeben.
Die Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das PTC Heizelement 1 ist zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug, ausgebildet. Das PTC Heizelement 1 ist dazu ausgebildet in eine elektrische Vorrichtung (beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung) mit einem Radiator oder einem Kühlkörper integriert zu werden (nicht explizit dargestellt).
Das PTC Heizelement 1 weist eine Mehrzahl von PTC Elementen 2 auf (siehe hierzu auch die Figuren 9a bis 9d). Das PTC Heizelement 1 weist ferner Elektroden/elektrische Kontaktierungen 3, Weiterkontaktierungen/Leiterbahnen 4 sowie eine Trägerschicht/Substrat 5 auf.
Die PTC Elemente 2 dienen als Wärmequelle. Insbesondere wird durch Bestromung der PTC Elemente 2 Joul'sche Wärme generiert. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Heizelement 1 fünf PTC Elemente 2 auf. Selbstverständlich können auch mehr als fünf PTC Elemente 2, beispielsweise acht oder zehn PTC Elemente 2, oder weniger als fünf PTC Elemente 2, beispielsweise zwei PTC Elemente 2 oder ein PTC Element 2 vorgesehen sein. Die Anzahl der PTC Elemente 2 richtet sind unter anderem nach den Anforderungen an das PTC Heizelement 1, dessen Materialzusammensetzung und die Einbausituation, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
Die PTC Elemente 2 sind nacheinander bzw. aufeinanderfolgend entlang einer Hauptlängsachse X des PTC Heizelements 1 angeordnet. Sie weisen ein keramisches Material, ein metallisch-keramisches Material oder ein organisch keramisches Material auf. Beispielsweise weisen die PTC Elemente eine PZT Keramik auf. Auch eine alternative Zusammensetzung auf Wismut Basis ist vorstellbar. Dies hat den Vorteil, dass die PTC Elemente 2 bleifrei ausgebildet werden können. Auch eine komplett Blei- und Wismutfreie Zusammensetzung der PTC Elemente 2 ist vorstellbar.
Zwischen den PTC Elementen 2 können designbedingt Hohlräume senkrecht zu der Hauptlängsachse X auftreten. Diese Hohlräume sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einem temperaturbeständigen und wärmeleitfähigen Füllmaterial 7, zum Beispiel Silikon der Epoxid, aufgefüllt. Das optionale Füllmaterial 7 fungiert als mechanischer Schutz bzw. als Barriere gegen das Eindringen von Feuchte und als zusätzlicher Wärmeleiter (an Stelle von Luft).
Das jeweilige PTC Element 2 ist sehr kompakt ausgeführt. Insbesondere liegt eine Dicke d bzw. Ausdehnung senkrecht zur Hauptlängsachse X (siehe hierzu auch Figur 9a) des jeweiligen PTC Elements 2 zwischen 50 pm und 250 pm. Bevorzugt ist die Dicke d des jeweiligen PTC Elements 2 < 200 pm.
Um eine entsprechende Dicke d zu erzielen, kann das jeweilige PTC Element 2 in einem Standardverfahren (Pressverfahren oder Vielschichtaufbau) hergestellt werden. Mit alternativen Herstellungsmethoden sind aber auch noch dünner ausgeführte PTC Elemente 2 (10 pm bis 150 pm oder sogar < 2 pm) möglich.
So können dünnere PTC Schichten durch ein Aufbringen auf die Trägerschicht 5 mittels Siebdruck erzielt werden, wodurch eine Dicke d des jeweiligen PTC Elements 2 zwischen 10 pm und 150 pm erzielt werden kann. Diese Schichtdicken können durch Aufbringungsverfahren wie SolGel, Inkjet-Printing oder Plasmajet-Verfahren noch weiter verkleinert werden, um eine Dicke d < 2 pm zu erzielen. Eine laterale Ausdehnung 1 (Ausdehnung entlang sowie quer zu der Hauptlängsachse X) des jeweiligen PTC Elements 2 liegt bevorzugt zwischen 5 mm und 100 mm (Figur 9a und 9b).
Zum elektrischen Anschluss des jeweiligen PTC Elements 2 weist das PTC Element 2 eine elektrische Kontaktierung bzw. Elektroden 3 auf, wie den Figuren 9a bis 9d entnommen werden kann. Die Elektroden 3 sind flächig an einer Oberfläche 2a, 2b, 2c des jeweiligen PTC Elements 2 ausgebildet. Die Elektroden 3 sind möglichst großflächig ausgebildet, um eine günstige Wärmeauskopplung zu erzielen. Die Elektroden 3 entgegengesetzter Polarität müssen ferner einen ausreichenden Abstand zueinander aufweisen, um elektrische Überschläge zu verhindern .
Es kann jeweils eine Elektrode 3 an einer Unterseite 2b und an einer Oberseite 2a des PTC Elements 2 ausgebildet sein (Figur 9b). Es können aber auch zwei Elektroden 3 an der Oberseite 2a ausgebildet sein und die Unterseite des PTC Elements 2 kann frei von Elektroden 3 sein (Figuren 9a und 9d) bzw. umgekehrt.
Möglich ist auch eine Kontaktierung von beispielsweise gegenüberliegenden Seitenflächen 2c des jeweiligen PTC Elements 2 durch die Elektroden 3, wie der Figur 9c entnommen werden kann. In diesem Fall sind die Oberseite 2a und die Unterseite 2b frei von Elektroden 3. Damit werden der thermische und elektrische Pfad voneinander getrennt und neue Designs und Assemblierungen, die für gewisse Hersteller vorteilhaft sein können, werden ermöglicht. Außerdem werden herstellungsbedingte Materialinhomogenitäten im PTC Element 2 besser beherrschbar bzw. umgehbar. Ein Ausführungsbeispiel für ein PTC Heizelement 1 mit entsprechend kontaktierten PTC Elementen 2 findet sich in den Figuren 10 und 11b.
Die Elektroden 3 sind möglichst großflächig unter Einhaltung der Kriechstrecken (i.d.R. 4 mm für Hochvoltheizungen) ausgeführt. Die Elektroden 3 bedecken die Oberseite 2a bzw. die Unterseite 2b des PTC Elements zumindest teilweise. Sind die Elektroden 3 an den Seitenflächen 2c angeordnet, so können die Seitenflächen 2c auch vollständig von den Elektroden 3 bedeckt sein. Beispielsweise sind die Elektroden streifenförmig oder rechteckig ausgebildet (Figuren 9a und 9c). Auch eine kammartige- oder eine Interdigitalstruktur ist möglich (Figuren 9b und 9d). Bei den ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen muss insbesondere darauf geachtet werden, dass der Abstand zwischen den Elektroden 3 ausreichend dimensioniert ist, um elektrische Überschläge zu vermeiden.
Die Elektroden 3 weisen ein elektrisch leitfähiges Material (beispielsweise eine Metallpaste) auf. Das elektrisch leitfähige Material ist auf die Oberfläche 2a, 2b, 2c des jeweiligen PTC Elements 2 gesputtert, gedruckt oder gerakelt. Bevorzugt sind die Elektroden 3 mittels einer Sputterschicht, oder einer Metalleinbrandpaste realisiert.
Durch die Verwendung der beschriebenen Elektrodenkonfigura tionen (siehe Figuren 9a bis 9d) werden im Vergleich zum Stand der Technik andere spezifische Widerstände hinsichtlich des PTC Materials benötigt. Dieser zusätzlicher Freiheitsgrad führt dazu, dass bei niedrigeren spezifischen Widerständen der PTC Effekt unterhalb des Arbeitspunkt merklich verringert wird und somit bei jedem Einschaltvorgang der Energieverbrauch bzw. der Einschaltstrom deutlich gegenüber konventionelleren HV (High Voltage - Hochvolt) PTCs reduziert wird. Dies führt zu einer geringeren Belastung (geringerer Einschaltstrom) .
Die Figur 5 illustriert in diesem Zusammenhang normierte Kennlinien (gleiche Messspannung), welche das Widerstand- Temperaturverhalten einer HV PTC Keramik bei zwei verschiedenen spezifischen Widerständen zeigen. Durch den geringeren spezifischen Widerstand ist der Widerstandsabfall im Vergleich zum konventionellen höheren spezifischen Widerstand deutlich verringert.
Um die Elektroden 3 elektrisch zu kontaktieren weist das PTC Heizelement 1 ferner die oben erwähnten Leiterbahnen bzw. Weiterkontaktierungen 4 auf. Die Leiterbahnen bzw. Weiterkontaktierungen 4 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel an der Oberseite 2a und an der Unterseite 2b der PTC Elemente 2 entlang durch das PTC Heizelement 1.
Mit anderen Worten, die Weiterkontaktierungen 4 gemäß Figur 6 sind zwischen den PTC Elementen 2 (bzw. den Elektroden 3) und der Trägerschicht 5 ausgebildet. Die Weiterkontaktierungen 4 sind insbesondere in unmittelbarem Kontakt mit den Elektroden 3 der PTC Elemente 2.
Die Weiterkontaktierungen 4 erstrecken sich entlang der Hauptlängsachse X. Die Weiterkontaktierungen 4 treten an einer Seitenfläche la aus dem PTC Heizelement 1 aus zum elektrischen Anschluss des PTC Heizelements 1.
Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 3 und den Weiterkontaktierungen 4 kann über vielfältige technische Lösungen realisiert werden. So ist eine Klemmkontaktierung ebenso möglich wie eine Verbindung mittels Sintertechniken (pAg, pCu oder TLPS (Transient Liquid Phase Sintering - Sintern einer transienten Flüssigphase)) oder Hochtemperaturloten .
Die Weiterkontaktierungen 4 können selbsttragend ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein weiteres Element (zum Beispiel die Trägerschicht bzw. das Substrat 5) zur mechanischen Stabilisierung der jeweiligen Weiterkontaktierung 4 erforderlich ist. Alternativ dazu können die Weiterkontaktierungen 4 an der Trägerschicht 5 aufgebracht sein. In diesem Fall sind die Weiterkontaktierungen 4 auf die Trägerschicht 5 gesputtert, galvanisiert, gedruckt oder gerakelt. Wie weiter oben erwähnt, stehen die
Weiterkontaktierungen 4 in den beiden genannten Ausführungen in direktem elektrischen und mechanischen Kontakt mit den Elektroden 3, wie aus Figur 6 ersichtlich ist.
Die Weiterkontaktierungen 4 weisen beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Wolfram auf. Aber auch andere elektrisch leitfähige Metalle, Legierungen oder andere elektrisch leitfähigen Materialien sind für die Weiterkontaktierungen 4 vorstellbar. Eine Geometrie der jeweiligen
Weiterkontaktierung 4 ist an jene der Elektroden 3 der PTC Elemente 2 derart angepasst, so dass es zu keinen Feldüberhöhungen oder Überschlägen im Betrieb des PTC Elements 2 kommt.
Vorzugsweise ist die Weiterkontaktierung 4 großflächig ausgebildet. Die jeweilige Weiterkontaktierung 4 ist möglichst dünn ausgeführt, um Bauraum zu sparen. Bevorzugt ist eine Dicke der Weiterkontaktierungen 4 < 10 gm. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Weiterkontaktierungen 4 an der Trägerschicht 5 durch Sputtern, Drucken oder Rakeln aufgebracht sind, wie bereits weiter oben erwähnt wurde.
Das PTC Heizelement 1 weist ferner die bereits eingeführte Trägerschicht 5 auf. Die Trägerschicht 5 dient der elektrischen Isolierung des PTC Heizelements 1 nach außen sowie der mechanischen Stabilisierung des PTC Heizelements 1. Die PTC Elemente 2 sind vollständig in einem Innenbereich der Trägerschicht 5 angeordnet. Auch die Weiterkontaktierungen 4 sind zumindest teilweise in der Trägerschicht 5 eingebettet.
Die Trägerschicht 5 weist eine sehr geringe Dicke (Ausdehnung senkrecht zur Hauptlängsachse X) auf. Beispielsweise liegt die Dicke der Trägerschicht 5 zwischen 150 gm und 1000 gm. Dadurch kann etwaige Wärme durch ohmsche Verluste an der Zuleitung aber auch der Wärmetransfer des Heizelements möglichst effizient nach außen geleitet werden.
Die Trägerschicht 5 weist ferner ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guten elektrischen
Isolationseigenschaften auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Trägerschicht 5 ein keramisches Material, beispielsweise AIN, S13N4, AI2O3 oder SiC auf. Durch Verwendung von besonders gut wärmeleitenden Trägerschichten 5 (z.B. für AIN: bis 200 W/mK) kann auch der Leitungsquerschnitt für die elektrische Kontaktierung verkleinert werden, da Wärme durch die ohmschen Verluste sofort durch die Trägerschicht 5 abgeleitet werden kann.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Trägerschicht 5 auch einen temperaturbeständigen Kunststoff (z.B. Polyimid oder Epoxidharz) aufweisen. In diesem Fall muss aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit (< 10 W/mK) des Kunststoffs die Dicke der Trägerschicht 5 derartig dünn ausgeführt sein, dass der Wärmewiderstand klein genug bleibt.
Mit anderen Worten, eine Trägerschicht 5 aus Kunststoff muss deutlich dünner ausgeführt sein, als eine keramische Trägerschicht. Insbesondere muss die KunststoffSchicht dünn genug sein, um den thermischen Transport zu garantieren, aber dick genug, um die elektrische Isolierung und die mechanische Stabilität des PTC Heizelements 1 zu garantieren. Beispielsweise weist eine Trägerschicht 5 aus Kunststoff eine Dicke von 50 gm auf. Die elektrische Zuleitung (Elektroden 3, Weiterkontaktierungen 4) kann hier auch als Wärmespreizer fungieren, um die Fläche, die in der Trägerschicht 5 zur Wärmeleitung beiträgt, möglichst groß zu gestalten.
Auch eine Trägerschicht-Hybridlösung auf keramischer- und auf Kunststoffbasis ist möglich (siehe dazu später die Beschreibung zu Figur 8).
An der Oberfläche 5a der Trägerschicht 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel ferner eine metallische Schicht 6 ausgebildet. Die metallische Schicht 6 bedeckt eine Oberseite und eine Unterseite der Trägerschicht 5 vollständig. Die metallische Schicht 6 erleichtert die mechanische und thermische Kontaktierung eines (metallischen) Radiators oder Kühlkörpers (nicht explizit dargestellt). Die metallische Schicht 6 ist sehr dünn ausgebildet. Beispielsweise liegt eine Dicke der metallischen Schicht 6 zwischen 1 gm und 100 gm. Die metallische Schicht 6 weist Cu, Al oder W auf.
Insgesamt beträgt eine Bauhöhe H des PTC Heizelements 1 aufgrund der oben beschriebenen Konstruktion zwischen 500 gm und 2500 gm. Die lateralen Abmessungen L des PTC Heizelements 1 betragen zwischen 10 mm und 250 mm in beide Richtungen (Laterale Abmessungen L: Länge, d.h. Ausdehnung entlang der Hauptlängsachse X sowie Breite, d.h. Ausdehnung quer zur Hauptlängsachse X).
Damit ist das PTC Heizelement 1 äußerst kompakt, insbesondere großflächig und dünn, ausgebildet. Durch geeignete Kombination der oben beschriebenen Materialien und Verbindungstechniken wird damit zusammen mit der Optimierung der Geometrie auf Heizelement - Ebene das Volumen des PTC Heizelements 1 und die Wärmeauskopplung derart optimiert, dass die Leistungsdichte, das thermische Ansprechverhalten sowie die Robustheit und Zuverlässigkeit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbessert sind.
Auf Grund des sehr effizienten, dünnen und leistungsfähigen Designs des PTC Heizelements 1 ist ferner die Möglichkeit gegeben, Niedertemperatur - PTCs einsetzen zu können. Diese können aus komplett Wismut - und Bleifreien Materialien hergestellt werden.
Die Figur 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in Figur 6 dargestellten Ausführungs beispiel sind hierbei die Weiterkontaktierungen 4 nicht zwischen der Trägerschicht 5 und den PTC Elementen 2 ausgebildet. Vielmehr sind die Weiterkontaktierungen 4 in die Trägerschicht 5 integriert. Lediglich an der Seitenfläche la des PTC Heizelements 1 treten die Weiterkontaktierungen 4 dabei aus der Trägerschicht 5 aus, um den elektrischen Anschluss des PTC Heizelements 1 sicherzustellen. In dieser Ausführung weist die Trägerschicht 5 bevorzugt A1N auf. Die jeweilige Weiterkontaktierung 4 weist eine Wolfram (W) Schicht auf. Mit anderen Worten, die in die Trägerschicht 5 eingebetteten Weiterkontaktierungen 4 sind vorzugsweise durch W-Kontakte in einer A1N Trägerschicht 5 realisiert. Die W-Schicht weist dabei bevorzugt eine Dicke von 5 gm - 20 gm auf. Die W-Schicht ist vorzugsweise großflächig in der Träger-schicht 5 ausgeführt.
Wie bereits in Zusammenhang mit Figur 6 ausgeführt, weist die Trägerschicht 5 eine typische Dicke von 150 gm - 1000 gm auf. Die W-Schicht kann symmetrisch in einem Mittelbereich der Trägerschicht 5 oder versetzt zum Mittelbereich hin ausgebildet sein. In dem Ausführungsfall gemäß Figur 7 ist die jeweilige Weiterkontaktierung 4 (W-Schicht) vom Mittelbereich der Trägerschicht 5 versetzt zu den PTC Elementen 2 hin ausgebildet. In jedem Fall ist die W-Schicht wenigstens 50 gm unter einer Oberfläche der Trägerschicht 5 angeordnet .
In diesem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement 1 ferner Durchführungen/Vias 8 auf. Die Vias 8 weisen vorzugsweise Wolfram auf. Bevorzugt bestehen die Vias 8 aus Wolfram. Die Vias 8 können aber auch andere elektrisch leitfähigen Materialien aufweisen bzw. aus diesen bestehen.
Die Vias 8 durchdringen die Trägerschicht 5 in einer Richtung senkrecht zur Hauptlängsachse X des PTC Heizelements 1 vollständig. Die Vias 8 stellen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den W-Schichten (Weiterkontaktierungen 4) und den Elektroden 3 der PTC Elemente 2 her. In Bezug auf die Eigenschaften bzw. die weiteren Bestandteile/Merkmale des PTC Heizelements 1 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit Figur 6 verwiesen.
Die Figur 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In dieser Ausführung weist die Trägerschicht 5 eine Hybridlösung auf Basis keramischer- und auf Kunststoffmaterialien auf. Insbesondere weist das PTC Heizelement 1 auf einer Seite (hier die Oberseite) eine Schicht aus temperaturbeständigem Kunststoff 9 (z.B. Polyimid oder Epoxidharz) auf. Auf der gegenüberliegenden Seite (hier Unterseite) weist das PTC Heizelement 1 eine Trägerschicht 5 aus keramischem Material - wie bereits in Zusammenhang mit Figur 6 beschrieben - auf.
Selbstverständlich kann der Kunststoff 9 aber auch an der Unterseite und das keramische Trägermaterial kann an der Oberseite ausgebildet sein.
Die keramische Trägerschicht 5 dient der mechanischen Stabilisierung und der Isolierung des PTC Heizelements 1 (in diesem Fall Isolierung der Unterseite). Die KunststoffSchicht 9 dient zur Isolierung des PTC Heizelements 1 (in diesem Fall Isolierung der Oberseite). Beide Schichten müssen eine ausreichende Dicke aufweisen, um die elektrische Isolierung sicherzustellen aber dünn genüg sein, um den thermischen Transport zu gewährleisten. Insbesondere muss aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit (< 10 W/mK) der Kunststoffs die Dicke der KunststoffSchicht 9 derartig dünn ausgeführt sein, dass der Wärmewiderstand klein genug bleibt, wie bereits in Zusammenhang mit der Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 beschrieben wurde. Die KunststoffSchicht 9 ist insbesondere dünner als die keramische Schicht 5. Beispielsweise ist in diesem Ausführungsbeispiel die Dicke der keramischen Trägerschicht 5 zehnmal bis hundertmal so groß wie die Dicke der KunststoffSchicht 9. Die KunststoffSchicht 9 weist eine Dicke zwischen 2 gm und 50 gm auf. Beispielsweise beträgt die Dicke der KunststoffSchicht 30 pm. Die keramische Trägerschicht 5 weist eine dicke zwischen 0,5 mm und 1 mm auf, um die mechanische Stabilität des PTC Heizelements 1 zu gewährleisten .
In Bezug auf die weiteren Eigenschaften bzw. die weiteren Bestandteile/Merkmale des PTC Heizelements 1 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit Figur 6 verwiesen.
Die Figur 11a zeigt eine Darstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß den obigen Ausführungen. Insbesondere zeigt Figur 11a eine Vielzahl von PTC Elementen 2, welche aufeinander nachfolgend entlang der Hauptlängsachse X des Heizelements 1 angeordnet sind. Die PTC Elemente 2 werden jeweils von der Oberseite 2a bzw. der Unterseite 2b her über Elektroden 3 kontaktiert (siehe hierzu insbesondere die Figuren 6a, 9a, 9b und 9d).
Über streifenförmige Weiterkontaktierungen 4 erfolgt dabei ein Anschluss der Elektroden 3 von der Oberseite 2a bzw. der Unterseite 2b der PTC Elemente 2 her. Zwischen den Elektroden 3 und den Weiterkontaktierungen 4 ist ein Verbindungselement 10, beispielsweise ein Leitkleber, ausgebildet, der eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Weiterkontaktierungen 4 und den Elektroden 3 herstellt. In dem Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen 2 kann ferner ein Füllmaterial 7 eingebracht sein (nicht explizit dargestellt, siehe Figur 6).
Die Figuren 10 und 11b zeigen die Darstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das PTC Heizelement 1 ist - wie bereits oben beschrieben - zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug, ausgebildet. Das PTC Heizelement 1 ist dazu ausgebildet in eine elektrische Vorrichtung (beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung) mit einem Radiator oder einem Kühlkörper integriert zu werden (nicht explizit dargestellt) .
Das PTC Heizelement 1 weist Elektroden / elektrische Kontaktierungen 3, Weiterkontaktierungen 4 sowie eine Trägerschicht / Substrat 5 auf. Die Trägerschicht 5 weist bevorzugt eine Keramik auf. Das PTC Heizelement 1 weist ferner Verbindungselemente 10 auf, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird.
Das PTC Heizelement 1 weist eine Mehrzahl von PTC Elementen 2 auf. Die PTC Elemente 2 weisen im Vergleich zu den obigen Ausführungen (siehe insbesondere auch Figur 11a) eine geringere Ausdehnung senkrecht zur Hauptlängsachse X des PTC Heizelements 1 auf. Mit anderen Worten, die PTC 2 Elemente gemäß der Figuren 10 und 11a haben eine geringere Länge als beispielsweise die PTC Elemente 2 gemäß der Figur 11a.
Die PTC Elemente 2 sind benachbart zueinander bzw. aufeinander nachfolgend auf der Trägerschicht 5 angeordnet. Insbesondere ist eine Mehrzahl von PTC Elementen 2 aufeinander nachfolgend in der Richtung entlang der Hauptlängsachse X des Heizelements 1 angeordnet. Ferner sind PTC Elemente 2 aufeinander nachfolgend in eine Richtung senkrecht zur Hauptlängsachse X (also entlang einer Querachse Y) angeordnet.
Zwischen den PTC Elementen 2 treten designbedingt Hohlräume auf, wie bereits in Zusammenhang mit der Figur 6 beschrieben wurde (siehe hierzu auch Figur 11a). Die Hohlräume verlaufen in diesem Ausführungsbeispiel parallel sowie quer zur Hauptlängsachse X (siehe Figur 11b).
Die Hohlräume quer zur Hauptlängsachse X können, wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial 7 gefüllt sein (nicht explizit dargestellt, siehe insbesondere Figur 6). Damit kann der thermische Kontakt zwischen den PTC Elementen 2 verbessert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 10 und 11b sind die Hohlräume parallel zur Hauptlängsachse X ferner mit Elektrodenmaterial gefüllt. Mit anderen Worten, in dem jeweiligen entlang der Hauptlängsachse X verlaufenden Hohlraum zwischen zwei in der Richtung senkrecht zur Hauptlängsachse X (also entlang der Querachse Y) aufeinanderfolgenden PTC Elementen 2 ist jeweils eine Elektrode 3 zur elektrischen Kontaktierung der beiden PTC Elemente 2 ausgebildet.
Die jeweilige Elektrode 3 stellt eine Metallisierung dar. Die jeweilige Elektrode 3 bedeckt dabei die Seitenfläche 2c (insbesondere eine kurze Seitenfläche) des jeweiligen PTC Elements 2 vollständig (siehe hierzu auch die Ausführung gemäß Figur 9c). Anders ausgedrückt, erfolgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 10 und 11b die Kontaktierung der PTC Elemente 2 von einer Stirnseite der PTC Elemente 2 her. Im Gegensatz hierzu erfolgt bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen (siehe beispielsweise die Figuren 6 und 11a) eine Kontaktierung der PTC Elemente 2 von der Oberseite 2a und/oder der Unterseite 2b der PTC Elemente 2 her.
Die jeweilige Elektrode 3 bzw. Metallisierung füllt den Hohlraum zwischen den PTC Elementen 2 vollständig aus. Dabei sind Elektroden 3 mit entgegengesetzter Polarität alternierend angeordnet. Das bedeutet, dass ein erster Hohlraum zwischen zwei in der Richtung entlang der Querachse Y aufeinanderfolgenden PTC Elementen 2 mit einer Elektrode 3 einer ersten Polarität gefüllt ist. Ein zweiter, in der Richtung entlang der Querachse Y nachfolgender, Hohlraum ist mit einer Elektrode 3 der entgegengesetzten Polarität gefüllt. Zwei aufeinanderfolgende PTC Elemente 2 teilen sich dabei immer eine Elektrode 3 bzw. Metallisierung, sind also durch eine gemeinsame Metallisierung kontaktiert.
Um die Elektroden 3 elektrisch zu kontaktieren weist das PTC Heizelement 1 ferner die oben erwähnte Weiterkontaktierung 4, insbesondere eine Vielzahl von Weiterkontaktierungen 4, auf. Die Weiterkontaktierungen 4 sind zwischen den PTC Elementen 2 (insbesondere den Elektroden 3) und der Trägerschicht 5 ausgebildet .
Daraus ergibt sich, dass die Weiterkontaktierungen 4 insbesondere an einer Schnittstelle zwischen zwei in Richtung der Querachse Y aufeinander folgenden PTC Elementen 2 ausgebildet sind. Anders gesagt, überdecken die Weiterkontaktierungen 4 zumindest die mit Elektrodenmaterial gefüllten Hohlräume, die entlang bzw. parallel zu der Hauptlängsachse X verlaufen.
Die Weiterkontaktierungen 4 sind alternierend an der Oberseite 2a und der Unterseite 2b der PTC Elemente 2 angeordnet (siehe hierzu auch Figur 11a). Die an der Oberseite 2a ausgebildeten Weiterkontaktierungen 4 stellen eine elektrische Verbindung zu den stirnseitigen Elektroden 3 einer ersten Polarität her. Die an der Unterseite 2b ausgebildeten Weiterkontaktierungen 4 stellen eine elektrische Verbindung zu den stirnseitigen Elektroden 3 der entgegengesetzten Polarität her.
Die Weiterkontaktierungen 4 sind streifenförmig ausgebildet. Die Weiterkontaktierungen 4 erstrecken sich vollständig entlang der Hauptlängsachse X. Die einzelnen Weiterkontak tierungen 4 sind entlang der Hauptlängsachse X parallel zueinander ausgebildet.
Die Weiterkontaktierungen 4 können an einer Seitenfläche la aus dem PTC Heizelement 1 austreten (siehe hierzu Figur 6) zur elektrischen Kontaktierung des Heizelements 1. Die Weiterkontaktierungen 4 stellen eine Metallisierung der Trägerschicht 5 dar. Insbesondere entsprechen die Weiterkontaktierungen 4 in diesem Ausführungsbeispiel Metallisierungsstreifen an einer Oberfläche 5a der Trägerschicht 5. Die Weiterkontaktierungen 4 stehen in unmittelbarem Kontakt mit der Trägerschicht 5.
Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 3 und den Weiterkontaktierungen 4 ist über die Verbindungs elemente 10 realisiert. Das jeweilige Verbindungselement 10 weist beispielsweise einen Leitkleber auf. Die Verbindungselemente 10 sind zwischen den PTC Elementen 2 (insbesondere den Elektroden 3) und den Weiterkontaktierungen 4 ausgebildet. Die Verbindungselemente 10 sind insbesondere in unmittelbarem Kontakt mit den (hier stirnseitigen) Elektroden 3 der PTC Elemente 2 und den Weiterkontaktierungen 4. Die Verbindungselemente 10 sind streifenförmig ausgebildet. Das jeweilige Verbindungselement 10 erstreckt sich zumindest teilweise entlang der Hauptlängsachse X.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 10 und 11b ist jeweils ein Verbindungselement 10 an der Schnittstelle zwischen zwei in Richtung der Querachse Y aufeinander folgenden PTC Elementen 2 ausgebildet. Anders gesagt, überdeckt das jeweilige Verbindungselement 10 mindestens einen mit Elektrodenmaterial gefüllten Hohlraum, der parallel zu der Hauptlängsachse X verläuft. Selbstverständlich können die Verbindungselemente 10 aber auch länger ausgebildet sein, so dass sie sich über mehrere Hohlräume und damit über mehr als zwei PTC Elemente 2 hin erstrecken (nicht explizit dargestellt) .
In Bezug auf alle weiteren Merkmale hinsichtlich der PTC Elemente 2, der Trägerschicht 5, der Weiterkontaktierungen 4 und der Elektroden 3, insbesondere auch im Hinblick auf die Zusammensetzung und die Abmessungen der Komponenten, wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden. Bezugszeichenliste
1 PTC Heizelement la Seitenfläche des PTC Heizelements
2 PTC Element
2a Oberseite des PTC Elements
2b Unterseite des PTC Elements
2c Seitenfläche des PTC Elements
3 Elektrode
4 Weiterkontaktierung
5 TrägerSchicht
5a Oberfläche der Trägerschicht
6 Metallische Schicht
7 Füllmaterial
8 Durchführung / Via
9 Kunststoff
10 Verbindungselernent
1 Länge des PTC Elements d Dicke des PTC Elements
H Bauhöhe des PTC Heizelements
L Laterale Abmessung des PTC Heizelements
X Hauptlängsachse des PTC Heizelements
Y Querachse des PTC Heizelements
100 PTC Heizelement
101 PTC Element
102 Elektrischer Kontakt
103 IsolationsSchicht
104 Radiator
110 PTC Heizelement
111 PTC Element 112 Elektrischer Kontakt
113 IsolationsSchicht
120 PTC Heizelement 121 PTC Element
122 Elektrischer Kontakt
123 Molding
130 PTC Heizelement 131 PTC Element
132 Radiator

Claims

Patentansprüche
1. PTC Heizelement (1) für eine elektrische Heizvorrichtung aufweisend
- wenigstens ein PTC Element (2), wobei wenigstens eine Elektrode (3) auf einer Oberfläche (2a, 2b, 2c) des PTC Elements (2) ausgebildet ist zur elektrischen Kontaktierung des PTC Elements (2),
- wenigstens eine Weiterkontaktierung (4) zum elektrischen Anschluss der Elektrode (3) des PTC Elements (2),
- wenigstens eine Trägerschicht (5), wobei die Trägerschicht (5) elektrisch isolierend ausgebildet ist, wobei eine Dicke (d) des PTC Elements (2) < 500 gm beträgt und wobei eine Bauhöhe (H) des PTC Heizelements (1) zwischen 500 gm und 2500 pm liegt.
2. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 1, wobei eine laterale Abmessung (L) des PTC Heizelements (2) in beide Richtungen zwischen 10 mm und 250 mm beträgt.
3. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Elektrode (3) flächig auf der Oberfläche (2a, 2b, 2c) des wenigstens einen PTC Elements (2) ausgebildet ist.
4. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeweils wenigstens eine Elektrode (3) auf einer Oberseite (2a) und/oder einer Unterseite (2b) des PTC Elements (2) ausgebildet ist und/oder wobei Elektroden (3) an Seitenflächen (2c) des PTC Elements (2) ausgebildet sind.
5. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Elektrode (3) streifenförmig, rechteckig, kammartig oder als Interdigitalstruktur ausgebildet ist und/oder wobei die Elektrode (3) auf die Oberfläche (2a, 2b, 2c) des PTC Elements (2) gesputtert, galvanisiert, gedruckt oder gerakelt ist.
6. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Weiterkontaktierung (4) selbsttragend ausgebildet ist oder wobei die Weiterkontaktierung (4) auf die Trägerschicht (5) gesputtert, gedruckt oder gerakelt ist.
7. PTC Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Weiterkontaktierung (4) in die Trägerschicht (5) integriert ist und wobei die Weiterkontaktierung (4) < 50 pm unter einer Oberfläche (5a) der Trägerschicht (5) angeordnet ist.
8. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Geometrie der Weiterkontaktierung (4) an eine Geometrie der Elektrode (3) des PTC Elements (2) angepasst ist.
9. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Weiterkontaktierung (4) < 10 pm ist.
10. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Weiterkontaktierung (4) mittels Klemmen, Kleben, Sintern oder Hochtemperaturloten mit der wenigstens einen Elektrode (3) elektrisch leitend verbunden ist.
11. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (5) ein keramisches Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder einen temperaturbeständigen Kunststoff aufweist.
12. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (5) A1N, S13N4, AI2O3, oder SiC aufweist und/oder wobei die Trägerschicht (5) Polyimid oder Epoxidharz aufweist.
13. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (5) eine Dicke zwischen 150 pm und 1000 pm aufweist.
14. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens eine metallische Schicht (6) an einer Oberfläche (5a) der Trägerschicht (5) zur Weiterkontaktierung des PTC Heizelements (1).
15. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 14, wobei die metallische Schicht (6) eine Dicke zwischen 1 gm und 100 gm aufweist.
16. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) ein keramisches Material, ein metallisch-keramisches Material oder ein organisch-keramisches Material aufweist.
17. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Material des wenigstens einen PTC Elements (2) einen geringen spezifischen Widerstand aufweist.
18. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) ein Wismut- und bleifreies Material aufweist.
19. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) ein Niedertemperatur PTC Element ist.
20. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke (d) des PTC Elements (2) < 250 pm beträgt.
21. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) und / oder die wenigstens eine Trägerschicht (5) planparallel ausgebildet ist.
22. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 21, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) eine Planparallelität von < 100 mpi aufweist und/oder wobei die wenigstens eine Trägerschicht (5) eine Planparallelität von < 500 mpi aufweist.
23. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) zumindest teilweise in der Trägerschicht (5) eingebettet ist.
24. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Vielzahl von PTC Elementen (2), wobei ein Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen (2) mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial (7) gefüllt ist.
25. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Vielzahl von PTC Elementen (2), wobei ein Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen (2) mit einer Elektrode (3) aufgefüllt ist zur elektrischen Kontaktierung des jeweiligen PTC Elements (2).
26. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 25, wobei eine Kontaktierung des jeweiligen PTC Elements (2) von einer Stirnseite des PTC Elements (2) her erfolgt.
27. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Vielzahl von Weiterkontaktierungen (4), wobei die jeweilige Weiterkontaktierung (4) streifenförmig ausgebildet ist.
28. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 27, wobei die Weiterkontaktierungen (4) alternierend an einer Oberseite (2a) und einer Unterseite (2b) der PTC Elemente (2) ausgebildet sind.
29. PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens ein Verbindungselement (10) zur elektrischen Verbindung zwischen dem wenigstens einen PTC Element (2) und der wenigstens einen Weiterkontaktierung (4).
30. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 29, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (10) streifenförmig ausgebildet ist.
31. PTC Heizelement (1) nach Anspruch 29 oder 30, aufweisend eine Vielzahl von Verbindungselementen (10), wobei das jeweilige Verbindungselement (10) wenigstens zwischen der jeweiligen Weiterkontaktierung (4) und der jeweiligen Elektrode (3) des PTC Elements (2) ausgebildet ist.
32. PTC Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (10) einen Leitkleber aufweist.
33. Elektrische Heizvorrichtung aufweisend
- wenigstens ein PTC Heizelement (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
- wenigstens ein Bauelement mit Wärme abgebenden Flächen.
34. Verwendung des PTC Heizelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32 in einem Kraftfahrzeug.
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