CN110617620A - 用于加热流体的ptc加热模块 - Google Patents

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Abstract

一种用于加热流体的PTC加热模块，包括两个接触电极(3、4)。具有一定厚度(7)的PTC热敏电阻元件(6)位于接触电极(3、4)之间，并具有距离厚度(7)彼此相对的两个主表面(8、9)。至少一个主表面被分成接触区域(10)和其余区域(11)，使得在接触电极(3、4)之间形成间隙和/或爬电距离(13)，该间隙和/或爬电距离大于PTC热敏电阻元件(6)的厚度(7)。

Description

用于加热流体的PTC加热模块
技术领域
本发明涉及一种PTC加热模块以及用于加热流体的加热设备。
背景技术
为了给车辆中的乘客提供舒适的空气温度，在现代车辆中使用电加热设备来加热供应到车辆客舱中的新鲜空气。在具有传统内燃机的车辆的情况下，在冷启动阶段期间使用这种电加热设备或辅助加热器，其中在该冷启动阶段，由内燃机产生的余热不足以将新鲜空气加热到期望温度。在混合动力车辆或全电动车辆中，即使在启动阶段之后，车辆部件的余热也不足以确保车辆客舱中的期望的空气温度。
这种电加热设备能够设计为空气侧或冷却剂侧辅助加热器。在空气侧辅助加热器的情况下，进入的新鲜空气流过辅助加热器，并在进入客舱之前被加热到期望的温度。当将电能转换成热时，空气侧辅助加热器实现了高效率。相对的，冷却剂侧辅助加热器集成在车辆的冷却剂回路中并加热冷却剂，然后冷却剂通过流体管道。进入的新鲜空气通过在流体管道周围流动被加热。
为了加热供应的新鲜空气或冷却剂，电加热设备配备有至少一个PTC加热模块，该PTC加热模块可以具有壳体。壳体内部可以有至少两个接触电极，其中至少一个PTC热敏电阻元件布置在两个接触电极之间。PTC热敏电阻元件具有限定的厚度和给定的表面。该表面具有两个相对的主表面，接触电极布置在主表面上。两个主表面一起包括了PTC热敏电阻元件的大部分的表面。向两个接触电极提供工作电压，使得在两个主表面之间产生电流。
PTC热敏电阻元件用作加热电阻器以将电能转换成热能。PTC热敏电阻元件是与温度相关的电阻器，其具有正温度系数(PTC＝正温度系数)，提供了PTC热敏电阻元件的电阻和温度之间的非线性关系。如果超过了极限温度，则PTC热敏电阻元件的电阻随着温度的升高而非线性地增加。
在接触电极之间提供了间隙和/或爬电距离。间隙距离是接触电极之间的最短距离，并且爬电距离是沿PTC热敏电阻元件表面的接触电极之间的最短距离。为了避免接触电极之间的短路，间隙距离和/或爬电距离必须选择为使得在给定的工作电压下抑制电压中断。
由于接触电极在整个表面上接触主表面，因此间隙和/或爬电距离基本上对应于PTC热敏电阻元件的厚度。因此，应根据工作电压选择PTC热敏电阻元件的厚度。因此，较高的工作电压需要较厚的PTC热敏电阻元件。
由于PTC热敏电阻元件具有低导热率，因此与较薄的PTC热敏电阻元件相比，厚的PTC热敏电阻元件不能在其表面上充分地散发所产生的热能。这导致较厚的PTC热敏电阻元件的加热增加，从而增加了电阻。随着PTC热敏电阻元件厚度的增加，加热功率降低，加热功率能够通过PTC热敏电阻元件的表面消散，以加热流体。
发明内容
本发明基于限定PTC加热模块以及在预定工作电压下提供更高加热功率的加热设备的任务。
根据本发明，通过独立权利要求的主题解决了该问题。有利的实施例是从属权利要求的主题。
本发明基于一般概念，即至少一个接触电极仅部分地接触PTC热敏电阻元件的主表面。
用于加热流体的创新的PTC加热模块包括具有第一主表面和第二主表面的至少一个PTC热敏电阻元件，第一主表面和第二主表面相对彼此隔开一定距离，该距离为PTC热敏电阻元件的厚度。第一主表面能够平行于第二主表面对齐。
由于PTC热敏电阻元件的温度和电阻之间的非线性关系，当外部边界条件改变时，加热功率是自调节的，使得PTC热敏电阻元件的温度基本上保持在特定的温度范围内。当流体的流速不足以吸收所需的热量时，这也可以防止PTC热敏电阻元件过热。
至少第一主表面被分成接触区域和其余区域，所述接触区域具有导电涂层。第二主表面具有带导电涂层的接触区域。该接触区域可以包括第二主表面的整个表面。导电涂层可以是银或铝涂层。PTC热敏电阻元件的没有导电涂层的表面区域以及其余区域是电绝缘的。为此，可以设想PTC热敏电阻元件完全或部分地由陶瓷材料制成。
第一接触电极与第一主表面的接触区域接触，并且第二接触电极与第二主表面的接触区域接触。在这种情况下，接触意味着相应的接触电极导电地接触相应的接触区域。为此，接触电极可以机械夹持地、刚性地和/或粘合地附接到接触区域。
根据本发明，形成第一接触电极和第二接触电极之间的间隙和/或爬电距离，该间隙和/或爬电距离大于PTC热敏电阻元件的厚度。间隙和/或爬电距离是沿PTC热敏电阻元件表面的接触电极之间的最短直线连接。由于本发明的PTC加热模块的至少一个接触电极没有完全覆盖PTC热敏电阻元件，因此间隙和/或爬电距离包括PTC热敏电阻元件的厚度以及沿第一主表面的其余区域的距离。给定预定的工作电压，能够使用厚度小于所需的间隙和/或爬电距离的PTC热敏电阻元件。这减少了PTC热敏电阻元件由于其低导热性而导致的过热，并且提高了能够通过表面消散以加热流体的可实现的加热性能。
另一优点是即使在大约800V左右的高工作电压下，也能够使用较薄的PTC热敏电阻元件来实现整个PTC加热模块的紧凑结构。此外，通过使用较薄的PTC热敏电阻元件能够降低材料成本。此外，根据本发明的PTC加热模块能够容易且低成本地集成到现有的电加热器中。此外，可以在高压范围(超过60V)和低压范围内在车辆中使用。
PTC加热模块可以包括壳体，该壳体可以具有良好的导热性，使得由PTC热敏电阻元件提供的加热功率能够传递给流体。因此，壳体由导电的金属材料制成可以是合适的。为了避免触摸壳体造成的人身伤害，壳体应无电位。为此，能够在接触电极上设置至少一个电绝缘绝缘层。绝缘层可以布置在接触电极和壳体之间。对于绝缘层，必须选择具有良好导热性的材料。还能够规定PTC加热模块的壳体由电绝缘材料制成，使得所需的绝缘层由壳体本身形成。当导热率等于或高于PTC热敏电阻元件的导热率时，给出了良好的导热性。绝缘层可以由陶瓷材料制成。
在根据本发明的解决方案的有利改进中，第二主表面被分成接触区域和其余区域。由于第一主表面以及第二主表面包括其余区域，因此在预定的工作电压下能够进一步减小PTC热敏电阻元件的厚度。由此进一步提高了PTC热敏电阻元件的可实现的加热性能。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，第一接触电极和第二接触电极之间的间隙和/或爬电距离是PTC热敏电阻元件的厚度的至少1.5倍。这是在尽可能大的接触区域和尽可能薄的PTC热敏电阻元件之间的技术上有利的折衷。
根据本发明的解决方案的另一有利实施例包括至少两个PTC热敏电阻元件，所述PTC热敏电阻元件在壳体中相对彼此以一定距离布置。第一接触电极导电地连接PTC热敏电阻元件的第一主表面的相应接触区域，并且第二接触电极导电地连接PTC热敏电阻元件的第二主表面的相应接触区域。与使用较大的PTC热敏电阻元件相比，使用几个PTC热敏电阻元件具有避免由于弱导热性导致的过度加热的优点。因此，能够向更大的表面提供所需的加热功率。由于表面增大，能够将更多的流体加热到所需温度。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，至少一个主表面的接触区域具有矩形形状，并且该主表面的相应的其余区域是U形的。与该主表面相对的主表面可以具有相同形状的接触区域和其余区域。还能够设定，两个相对的主表面的接触区域和其余区域的布置相对于PTC热敏电阻元件的对称轴是镜像的。因为能够容易且低成本地制造所需的接触电极，所以U形的其余区域和矩形接触区域是有利的。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，至少一个主表面的接触区域具有T形形状，并且该主表面的相应的其余区域是U形的。与该主表面相对的主表面可以具有相同形状的接触区域和其余区域。还能够设定，两个相对的主表面的接触区域和其余区域的布置相对于PTC热敏电阻元件的对称轴是镜像的。因为接触更均匀地分布在相应的主表面上，从而在工作期间在PTC热敏电阻元件内产生均匀的温度分布，所以U形其余区域和T形接触区域是有利的。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，至少一个主表面的接触区域具有矩形形状，并且该主表面的相应的其余区域是L形的。与该主表面相对的主表面可以具有相同形状的接触区域和其余区域。还能够设定，两个相对的主表面的接触区域和其余区域的布置相对于PTC热敏电阻元件的对称轴是镜像的。因为能够容易且低成本地制造所需的接触电极，所以L形其余区域和矩形接触区域是有利的。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，至少一个主表面的接触区域具有矩形形状，并且该主表面的相应的其余区域是矩形的。与该主表面相对的主表面可以具有相同形状的接触区域和其余区域。还能够设定，两个相对的主表面的接触区域和其余区域的布置相对于PTC热敏电阻元件的对称轴是对称的。因为能够容易且低成本地制造所需的接触电极，所以矩形其余区域和矩形接触区域是有利的。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，至少一个主表面的接触区域具有矩形形状，并且相应的其余区域包括两个矩形形状的子区域，该子区域通过接触区域彼此分开。与该主表面相对的主表面可以具有相同形状的接触区域和其余区域。还能够设定，两个相对的主表面的接触区域和其余区域的布置可以围绕穿过PTC热敏电阻元件的两个主表面的形心的轴线转动。另外，两个相对的主表面的接触区域和其余区域的布置相对于PTC热敏电阻元件的对称轴可以是镜像的。因为能够容易且低成本地制造所需的接触电极，所以两个矩形其余区域和矩形接触区域是有利的。为此，接触电极沿纵向延伸可具有基本上矩形的横截面。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，接触电极在其整个表面上接触相应的接触区域，以便实现PTC热敏电阻元件内流动电流的均匀分布，从而确保PTC热敏电阻元件尽可能均匀地加热。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，一个接触电极的没有与接触区域接触的一部分与相应的主表面相距一定距离，以便增加第一接触电极和第二接触电极之间的间隙和/或爬电距离。
此外，本发明涉及一种用于加热流体的加热设备，其包括几个本发明的PTC加热模块。PTC加热模块彼此间隔开地布置。因此，在给定的流体流速下能够实现充分和均匀的温度变化。加热设备可以包括壳体，PTC加热模块可以集成在壳体中，使得加热设备的壳体内和PTC加热模块的壳体内的所有导电部件都是防尘和防水密封的。加热器能够设计成提供至少3kW的加热功率。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，至少一个PTC加热模块布置成使得一个PTC热敏电阻元件的主表面基本上平行于流体的流动方向延伸。由此，流体沿PTC热敏电阻元件表面的最大部分流动，从而产生到流体的最佳热传递。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，加热设备连接到电压源并且为一个PTC加热模块的接触电极提供工作电压。该电压源可以是车辆的电池，并且工作电压能够高达800V或更高。
在根据本发明的解决方案的另一有利实施例中，加热设备集成在车辆中作为空气侧和/或冷却剂侧辅助加热器。可以设定，加热设备的空气侧设计至少符合防护等级IP54，并且在冷却剂侧设计的情况下，至少符合防护等级IP6K9K。作为空气侧加热器，加热的空气也能够用于加热车辆的电池。空气侧加热器可以集成在车辆的空调设备中。作为冷却剂侧加热器，来自车辆部件的余热可以另外用于加热新鲜空气。此外，加热设备可以通信地连接到车辆的控制设备。
本发明的其他重要特征和优点可以从从属权利要求、附图以及参考附图的相关描述中得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，上述特征和下面将说明的特征不仅能够用于相应陈述的组合中，而且能够在不同的组合中使用或单独使用。
附图说明
附图示出了本发明的优选示例性实施例，并且在下面的描述中更详细地解释了本发明的优选示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
在每种情况下示意性地图示的附图中，
图1是根据本发明的PTC加热模块的横截面，
图2是布置在图1的PTC加热模块内的部件的立体图，
图3是具有T形接触区域的PTC热敏电阻元件的立体图，
图4是具有L形其余区域的PTC热敏电阻元件的立体图，
图5是具有不同划分的主表面的PTC热敏电阻元件的立体图，
图6是另一PTC热敏电阻元件的立体图。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的PTC加热模块1具有壳体2，壳体2具有矩形横截面。第一导电接触电极3和第二导电接触电极4在壳体2中彼此间隔开地布置。如果壳体2由导电材料构成，则在相应的接触电极3、4和壳体2之间设置绝缘层5。绝缘层5防止接触电极3、4和壳体2之间的导电连接。如图1所示，绝缘层5可设置在外壳2的部分表面上。还可以想到在壳体2的内表面上完全设置绝缘层5。
如图1所示，长方体PTC热敏电阻元件6布置在第一接触电极3和第二接触电极4之间，并具有矩形横截面。PTC热敏电阻元件6具有第一主表面8和第二主表面9，第一主表面8和第二主表面9相对彼此隔开一定距离，该距离为PTC热敏电阻元件6的厚度7。第一主表面8基本上平行于第二主表面9对齐。两个主表面8、9一起包括PTC热敏电阻元件6的大部分表面。
第一主表面8被分成具有导电涂层12的接触区域10和其余区域11。第一接触电极3与第一主表面8的接触区域10接触并与其电连接。第二主表面9被分成具有导电涂层12a的接触区域10a和其余区域11a。第二接触电极4与第二主表面9的接触区域10a接触并与其电连接。没有导电涂层的表面区域以及其余区域11和11a是电绝缘的。
如果向接触电极3和4提供工作电压，则会产生沿电流流动方向19流过PTC热敏电阻元件6的电流。接触区域10和10a以及相应的接触电极3和4布置成使得在PTC热敏电阻元件6内部电流流动的最短路径基本上对应于PTC热敏电阻元件6的厚度7。
壳体2内的自由区域填充有具有一定介电强度的空气。给定第一接触电极3和第二接触电极4之间的预定工作电压，需要足够的间隙和/或爬电距离13以避免接触电极3和4之间的短路。间隙和/或爬电距离13包括PTC热敏电阻元件6的厚度7，并且还包括沿相应的其余区域11和/或11a的最短路径。因此，间隙和/或爬电距离13大于PTC热敏电阻元件6的厚度7。使用较薄的PTC热敏电阻元件6减少了由于PTC热敏电阻元件6的材料的低导热性导致的不希望的过热，并且增加了能够通过表面消散以加热流体的可实现的加热性能。
未示出的电加热器具有至少一个PTC加热模块1，其被定向成使得电流流动方向19基本上横向于流体流动方向14。因此，第一主区域8和第二主区域9基本上平行于流体流动方向14对齐。PTC加热模块1的这种对齐具有的优点是，由于最大化了流体和壳体2之间的接触时间，因此实现了到流体的最大可能的热传递。
图2示出了彼此间隔开的两个PTC热敏电阻元件6的立体图。第一主表面8位于共同平面中，并且第二主表面9位于另一共同平面中。在该附图和以下附图中的虚线表示隐藏的边缘。
PTC热敏电阻元件6是长方体形状的并且具有正面15和侧面16，两个相邻的PTC热敏电阻元件6的正面15彼此面对。接触电极3和4分别具有纵向条17和几个横向条18，纵向条17布置在侧面16上。在图2中看不到第一主表面8的接触区域。第一接触电极3的横向条18在其整个表面上接触这些接触区域并与它们进行导电连接。第二接触电极4的横向条18在其整个表面上接触第二主表面9的未示出的接触区域并与它们进行导电连接。这导致PTC热敏电阻元件6的并联连接。
图3示出了具有第一表面8的PTC热敏电阻元件6，第一表面8具有T形接触区域10和U形其余区域11。第二表面9具有T形接触区域10a和U形其余区域11a。相对的主表面8、9的接触区域和其余区域的布置是镜像的。
图4示出了具有第一表面8的PTC热敏电阻元件6，第一表面8具有矩形接触区域10和L形其余区域11。第二表面9具有矩形接触区域10a和L形其余区域11a。相对的主表面8、9的接触区域和其余区域的布置是镜像的。
图5示出了具有第一表面8的PTC热敏电阻元件6，第一表面8具有矩形接触区域10和U形其余区域11。第二表面9具有矩形接触区域10a和矩形其余区域11a。相对的主表面8、9的接触区域和其余区域的布置是镜像的。接触区域10和接触区域10a的纵向延伸方向基本上彼此垂直。
图6示出了具有第一表面8的PTC热敏电阻元件6，第一表面8具有矩形接触区域10和其余区域11，该其余区域11具有由接触区域10分开的两个矩形子区域。第二表面9具有矩形接触区域10a和其余区域11a，该其余区域11a具有由接触区域10a分开的两个矩形子区域。接触区域10和接触区域10a的纵向延伸方向基本上彼此垂直。

Claims (15)

1.一种用于加热流体的PTC加热模块，包括：
-至少一个第一导电接触电极(3)和第二导电接触电极(4)，所述第一导电接触电极(3)和第二导电接触电极(4)彼此间隔开布置，
-至少一个绝缘层(5)，其附接到接触电极(3、4)，
-至少一个PTC热敏电阻元件(6)，其具有一定厚度(7)，
-PTC热敏电阻元件(6)具有相对彼此隔开一定距离的第一主表面(8)和第二主表面(9)，该距离为PTC热敏电阻元件(6)的厚度(7)，
-至少所述第一主表面(8)被分成接触区域(10)和其余区域(11)，所述接触区域(10)具有导电涂层(12)，
-所述第二主表面(8)具有带导电涂层(12a)的接触区域(10a)，
-所述第一接触电极(3)与第一主表面(8)的接触区域(10)接触，并且所述第二接触电极(4)与第二主表面(8)的接触区域(10a)接触，
-所述第一接触电极(3)和第二接触电极(4)之间的间隙和/或爬电距离(13)大于PTC热敏电阻元件(6)的厚度(7)。
2.根据权利要求1所述的PTC加热模块，
其中，第二主表面(9)被分成接触区域(10a)和其余区域(11a)。
3.根据权利要求1或2所述的PTC加热模块，
其中，第一接触电极(3)和第二接触电极(4)之间的间隙和/或爬电距离(13)至少是PTC热敏电阻元件(6)的厚度(7)的1.5倍。
4.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，还包括
-彼此以一定距离布置的至少两个PTC热敏电阻元件(6)，
-第一接触电极(3)导电地连接PTC热敏电阻元件(6)的第一主表面(8)的相应接触区域(10)，并且第二接触电极(4)导电地连接PTC热敏电阻元件(6)的第二主表面(9)的相应接触区域(10a)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，至少一个主表面(8、9)的接触区域(10、10a)具有矩形形状，并且所述主表面(8、9)的相应的其余区域(11、11a)是U形的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，至少一个主表面(8、9)的接触区域(10、10a)具有T形形状，并且所述主表面(8、9)的相应的其余区域(11、11a)是U形的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，至少一个主表面(8、9)的接触区域(10、10a)具有矩形形状，并且所述主表面(8、9)的相应的其余区域(11、11a)是L形的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，至少一个主表面(8、9)的接触区域(10、10a)具有矩形形状，并且所述主表面(8、9)的相应的其余区域(11、11a)是矩形的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，至少一个主表面(8、9)的接触区域(10、10a)具有矩形形状，并且相应的其余区域(11、11a)包括通过接触区域(10、10a)彼此分开的两个矩形的子区域。
10.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，接触电极(3、4)在其整个表面上接触相应的接触区域(10、10a)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的PTC加热模块，
其中，一个接触电极(3、4)的没有与接触区域(10,10a)接触的部分与相应的主表面(8、9)相距一定距离。
12.一种加热流体的加热设备，包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的几个PTC加热模块(1)，
-所述PTC加热模块(1)彼此间隔开地布置。
13.根据权利要求13所述的加热设备，
其中，至少一个PTC加热模块(1)布置成使得一个PTC热敏电阻元件(6)的主表面(8、9)基本上平行于流体的流动方向延伸。
14.根据权利要求13或14所述的加热设备，
其中，加热设备连接到电压源，并向一个PTC加热模块(1)的接触电极(3、4)提供工作电压。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的加热设备，
其中，所述加热设备集成在车辆中作为空气侧和/或冷却剂侧辅助加热器。
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