CN111669850B - Ptc加热元件和电加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及PTC加热元件和包括这种PTC加热元件的电加热装置。PTC加热元件包括两个绝缘层，该两个绝缘层具有设置在一侧上的导电的涂层；以及布置在两个绝缘层之间的PTC元件，两个绝缘层分别设置在相反设置的主侧面上，相反设置的主侧面具有与绝缘层中的一个绝缘层的涂层导电连接的相应的金属镀层。设置在一个主侧面上的金属镀层仅被分配给用于给PTC元件通电的一个电势。设置在另一个主侧面上的金属镀层仅被分配给用于给PTC元件通电的另一个电势。根据本发明，PTC元件的一个主侧面的金属镀层和PTC元件的另一主侧面的金属镀层形成为使得，通过PTC元件的电流路径相对于PTC元件的厚度被延长。

Description

PTC加热元件和电加热装置

技术领域

本发明涉及PTC加热元件和具有这种PTC加热元件的电加热装置。本发明尤其涉及一种PTC加热元件，该PTC加热元件具有两个绝缘层和布置在所述两个绝缘层之间的PTC元件，所述两个绝缘层具有设置在一侧上的导电的涂层，所述两个绝缘层分别设置在相反设置的主侧面上，所述相反设置的主侧面具有电连接至所述两个绝缘层中的一个绝缘层的所述涂层的相应的金属镀层，其中设置在所述主侧面中的一个主侧面上的所述金属镀层仅被分配给用于对所述PTC元件通电的一个电势，并且设置在所述主侧面中的另一个主侧面上的所述金属镀层仅被分配给用于对所述PTC元件通电的另一个电势。

背景技术

从EP0026457A2中已知这种PTC加热元件。由该现有技术已知的PTC加热元件具有塑料框架，该塑料框架被注塑成型并且具有附接到PTC加热元件的相反的主侧面上的氧化铝板，该氧化铝板设置有一层可延展的焊料，该焊料与PTC元件导电地接触，该焊料设置在框架内部，并在与氧化铝板相对设置的主侧面上具有金属镀层。在现有技术中，电连接迹线突出穿过框架并且被焊接到氧化铝板的可延展焊料上。在PTC元件的两个主侧面上提供的端到端的金属镀层分别被分配不同的极性。然后，电力电流必须在厚度方向上穿透PTC元件以对PTC元件进行加热。

由DE2619312已知一种具有PTC元件的PTC加热元件，在该PTC加热元件的每个主侧面上布置有金属镀层，每个金属镀层与不同的极性相关。这些金属镀层分别以腹板的形式设置在主侧面上，其中设置与不同极性相关的交替腹板。根据DE2619312的发明尤其希望使用在PTC元件的主侧面上的电流来用于局部热生成。另外，现有技术还公开了一种实施方式，其中，在一个主侧面上设置的具有不同极性的多个腹板的网格也设置在相反侧上，但是具有相对于其的横向偏移，使得部分电流流过PTC元件，以在其内部产生热。

上述现有技术留有改进的余地。本发明特别地旨在提供一种用于机动车辆的改进的PTC加热元件。上述类型的PTC加热元件例如在机动车辆中用于加热液体，加热设备或车辆的内部，或者使进入乘客室的空气在其上作为波纹肋加热器而流动。这样的辅助加热器通常布置在车辆的热交换器的下游，并且不包括承载冷却剂的管。通过通常以绝缘方式支撑在框架中的不同极性的接触元件来建立接触。通向PTC元件的导电迹线也以相互电绝缘的方式支撑在由塑料材料匀称地制成的框架中。现有技术中通常已知的这些设计特征也是根据本发明的电加热装置的优选的进一步发展。

发明内容

为了解决该问题，本发明提出了一种PTC加热元件。

在根据本发明的PTC加热元件中，在一个主侧面上设置金属镀层，并且仅将金属镀层分配给一个用于给PTC元件通电的电势，而将另一电势施加到另一个主侧面上，并在该另一个主侧面上设置金属镀层。为了通过电力电流加热PTC元件，则必须使电力电流在厚度方向上流过PTC元件。通常将主侧面理解为PTC元件的最大表面。PTC元件可以是圆形的。在这种情况下，通常设置成彼此平行的平面的圆形表面是主侧面，而不是周向表面。但是，PTC元件优选具有长方体的形状。两个相反布置的成平行平面的主侧面在周向上通常地与沿周向延伸的边缘连接。彼此垂直布置的边缘表面具有相同的厚度，即高度延伸部。该延伸部通常要小得多，通常比主侧面的最小尺寸(宽度或长度)小5倍或更多。

在根据本发明的PTC加热元件中，通过设置在绝缘层上的涂层实现通电。绝缘层可以是塑料膜或陶瓷层。绝缘层也可以形成为混合绝缘层，该混合绝缘层由多个绝缘层形成，例如由至少一个陶瓷板与至少一个膜的组合形成。那里的陶瓷板通常包括涂层。

但是，两个主侧面上的金属镀层设置成彼此偏移。尽管金属镀层可以部分重叠，但是主侧面上的金属镀层至少主要地形成为网状或条形，其中设置在相反的主侧面上的金属镀层在PTC元件的厚度方向上使电流路径相对于PTC元件的厚度延伸穿过PTC元件。因此，在PTC元件的相反设置的主侧面上，通过金属镀层而形成的用于将电力电流引入PTC元件中的引入表面设置成在厚度方向上彼此不精确地相对。设置在相反设置的侧面上的金属镀层优选是相同的，但是每个金属镀层都形成相对于彼此偏移并且通常相对于彼此颠倒。金属镀层通常是梳状的，并且包括在宽度方向上平行延伸的腿部，这些腿部从在长度方向上延伸的共用基部伸出。为了描述本发明，长度方向是指主侧面的两侧中的较长侧，而宽度是指两侧中的较短侧。前面提到的实施例也可以沿宽度方向设置基部，并沿长度方向设置腿部。在一个主侧面上，该基部设置在一定长度的边缘上，并且在相反设置的主侧面上没有等同的基部。替代地，在相反侧的基部设置成沿边缘延伸。在穿过与基部相交的PTC元件的横截面图中，在相反设置的主侧面上的基部相应地沿对角线偏移。

换句话说，主侧面上的金属镀层通常设置成使得，在投影到平行于PTC元件的两个主侧面的平面中的投影平面中，PTC元件的一个主侧面上的金属镀层和PTC元件的另一主侧面上的金属镀层不重叠。

在根据本发明的实施例中，电流路径通过PTC元件并且因此通过基本上与PTC元件成对角的陶瓷体。相对于具有在相反设置的主侧面上的整个表面上设置的金属镀层的传统构造，电流路径被延长。

根据本发明，通过绝缘层的涂层实现金属镀层在PTC元件上的接触。用涂层进行金属化处理的绝缘层优选地胶合在PTC元件上。通过胶合将两个绝缘层粘结到PTC元件上以形成一个单元。尽管绝缘层通常在其内侧上具有全表面涂层，但是该涂层优选形成为对应于PTC元件上的金属镀层的轮廓。在那里形成绝缘层上的涂层，使得涂层仅部分地覆盖金属镀层的在PTC元件的相关主侧面上的轮廓。因此，至少在由PTC元件的尺寸限定的区域内，PTC元件的金属镀层具有比绝缘层的涂层更大的平面延伸部。因为绝缘层和在其上设置的涂层可侧向地延伸超过PTC元件，以建立与电压源的相应电极的连接。在先前提出的、首先是金属镀层和然后是涂层的面积比例的尺寸比中，没有考虑到绝缘层的在PTC元件上突出的这一区段。

通常按照金属镀层的轮廓形成涂层。首先，这意味着在PTC元件的主侧面上的没有设置金属镀层的那些表面区域也没有在绝缘层上与绝缘层相对的涂层。因此，在PTC元件和绝缘层之间产生空隙，既没有金属镀层也没有涂层设置在该空隙中。该空隙填充有导热良好的粘合剂。这导致通过PTC元件的主侧面进入绝缘层中的良好散热，该绝缘层连同其外表面通常形成PTC加热元件的外侧。绝缘层的周向边缘可以各自单独或一起被密封材料包围，以便密封材料围绕PTC元件的周向边缘形成框架或粘合剂珠，并在其中封装PTC加热元件的导电部件。只有与PTC元件电连接的接触凸耳突出超过该边缘。接触凸耳通常突出超过在同一侧面上的边缘。接触凸耳通常连接到端子，该端子由绝缘层上的涂层形成。该边缘可以沿周向包围PTC元件，从而形成在本发明的意义上的密封条带。

涂层优选地仅部分覆盖金属镀层。涂层通常覆盖前面提到的金属镀层的基部，平行于彼此延伸的腿部从基部突出。这些腿部的自由端通常不接触涂层。缺少与腿部的自由端相对的涂层。

涂层与金属镀层之间的电接触通常通过涂层与金属镀层之间的直接导电接触来在那里实现。涂层和金属镀层通常具有一些粗糙峰，该粗糙峰彼此抵靠，彼此部分互锁。这些接触点通常用于涂层和金属镀层之间的电接触。优选地在涂层和金属镀层之间不设置粘合剂层。替代地，优选地仅在空隙中以及在其中PTC元件确实具有金属镀层的那些区域中设置粘合剂层，但是没有涂层设置成与粘合剂层相对，使得由于涂层而没有粘合剂的绝缘层在其他地方具有间隙，该间隙对于PTC元件的期望的散热是不希望的。因此，粘合剂被使用使得，PTC元件与在PTC元件上设置的金属镀层之间以及绝缘层和在绝缘层上设置的涂层之间的所有针孔和空隙均被粘合剂填充，但是涂层和金属镀层直接同时彼此接触。

因此形成PTC元件，该PTC元件可以在PTC元件和绝缘层的外表面之间表现出较小的层厚度，这促进了PTC元件的散热。

为了在绝缘层和PTC元件之间更好的粘合，也可以在涂层和金属镀层之间替代地提供导热良好和/或导电的粘合剂。由于首先是涂层的粗糙峰，然后是金属镀层的粗糙峰直接接触，这种粘合剂可以填充粗糙峰内的剩余空隙，从而PTC元件和绝缘层之间的导热在金属镀层和涂层的区域中得以改善。因为电接触是由粗糙峰引起的，所以粘合剂可以是导热良好但不导电的粘合剂。粘合剂也可以是导电粘合剂。这种粘合剂优选具有呈导电颗粒的形式的导电填充材料。该填充材料应该具有大于20μm，优选不大于10μm，特别优选不大于5μm的最大晶粒尺寸。例如，铜颗粒可以被认为是导电填充材料。

导热粘合剂可以具有导热性好的颗粒，例如具有通常不导电的陶瓷颗粒。通常在绝缘层和PTC元件之间的前述空隙中设置这种导热良好但电绝缘的粘合剂，在该空隙中不设置金属镀层和涂层。优选地，各个空隙完全被导热粘合剂填充。这同样也适用于前面提到的间隙。导热良好的颗粒应该具有至少为20W/(mK)的导热系数。

导热良好的粘合剂的颗粒优选地具有不大于涂层和金属镀层的厚度之和的直径。换句话说，涂层和金属镀层的累积厚度规定了导热性良好的颗粒状粘合剂的最大允许直径。如果间隙中也设置有粘合剂，则最大颗粒尺寸相应地选择为较小的。

根据本发明的一个优选的改进方案，在涂层和金属镀层之间设置有不同的接触装置，而不是在绝缘层和PTC元件之间没有涂层和/或金属镀层的空隙中设置不同的接触装置。接触装置被设计成适合于相应的要求。例如，可以在金属镀层和涂层之间设置一层薄的流体粘合膜，该流体粘合膜主要导热良好，但如果间隙中替代地充满永久性地固定绝缘层和PTC元件之间的结合的粘合剂，则该流体粘合膜不一定必须对粘合表面产生较大的结合力。将特别地关于导热系数选择布置在空隙中的这种粘合剂。粘合剂(本身或作为具有颗粒的悬浮液)应具有3至5W/(mK)的良好导热系数。尽管先前将连接描述为由连接接触凸耳的绝缘层提供的连接，其中这些接触凸耳优选地是金属接触凸耳，但是根据一种替代构造的绝缘层本身也可以形成相应的接触凸耳。以此方式，绝缘层延伸超过绝缘材料的外周边，所述外周边通常沿周向围绕两个绝缘层和PTC元件。仅从绝缘层的基部表面突出的相对较短的窄部段形成接触凸耳，该接触凸耳突出超过边缘侧上的PTC元件，其中边缘由绝缘材料形成例如呈粘合剂珠的形式，粘合剂珠沿周向密封PTC元件，并且通常还在边缘侧围绕并密封绝缘层。

可以理解，接触凸耳以密封的方式穿过密封条带，该密封条带沿周向密封PTC元件。

金属镀层和/或涂层和/或粘合剂优选通过丝网印刷法或溅射法施加。绝缘层或涂层均不在整个表面上应用于PTC元件或绝缘层。绝缘层可以形成为一个或多个部分。绝缘层可以包括陶瓷板或由陶瓷板制成。

考虑到良好的电接触并增加粗糙峰，PTC元件优选在金属镀层的区域中被粗糙化。

根据其第二方面，本发明提出了一种电加热装置，特别是用于机动车辆的电加热装置，该电加热装置具有上述类型的几个PTC加热元件。绝缘层的背离PTC元件的外表面形成用于将热传递到待加热介质的暴露表面。该外表面暴露在壳体中。外表面以及周向密封PTC元件和绝缘层的密封条带可以根据EP3334244A1形成和/或插入电加热装置中并以其中描述的方式电连接。替代地，绝缘层的外表面也可以至少部分地与散热器导热地接触，待加热介质抵靠该散热器流过。这种构造优选用于热风机。然后，由PTC元件发出的热以导热的方式通过绝缘层传递到散热器元件的各个加热肋部。产生的热的对流耗散经由散热器元件在散热器元件处进行。在第一种情况的构造下，发生直接从绝缘层的外表面传到待加热介质的热传递，而在第二种情况的构造下，主要在散热器元件的表面和待加热介质(通常是气体，优选地是空气)之间发生散热。

电加热装置可以是以高压操作的加热装置。在这种情况下，电加热装置的载流元件被密封并且与介质绝缘。密封通常通过密封条带和绝缘层在那里实现。延伸到其上方的接触凸耳又以密封的方式延伸到连接室中，在该连接室中，每个单独的PTC元件都电连接至控制器和/或电源。该连接室通常是电加热装置的一部分，并且可以包括控制部件，通过该控制部件来驱动电加热装置的PTC元件。连接室通常容纳至少一个印刷电路板，以用于电连接多个接触凸耳。印刷电路板也可以仅将PTC元件的多个接触凸耳组合到由不同的PTC加热元件组成的一个或多个加热回路中。

附图说明

通过以下结合附图的描述，本发明的更多细节和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了其上具有金属镀层的PTC元件的俯视图；

图2示出了绝缘层的顶视图，其中在其上设置的金属镀层以虚线示出，而相关的PTC元件的尺寸以点划线示出；

图3示出了放置在图1所示的PTC元件上之后的图2所示的绝缘层；

图4示出了根据图3的俯视图，其中以虚线表示在相反设置的主侧面上设置的金属镀层或涂层；以及

图5示出了根据图3中的图示的沿线V-V截取的截面图。

具体实施方式

图1至图4分别示出了PTC元件2的俯视图。设置在主侧面4上的金属镀层用附图标记6标记。金属镀层6形成为梳状并且沿着PTC元件2的长度侧8作为基部10首尾连接地延伸。彼此平行延伸的腿部12从该基部10突出。基部10在平行的腿部12之间形成半圆形凹部，在半圆形凹部中，腿部14终止于相反设置的主侧面16(参见图5)。在两个主侧面4、16上分别形成金属镀层，使得与PTC元件在厚度方向上的延伸部相比，电流路径从主侧面4上的金属镀层6通过PTC元件2在厚度方向上延伸到设置在另一个主侧面16上的金属镀层。该厚度方向在图5中用附图标记D标记。电流路径用附图标记P标记。在PTC元件2的俯视图中，即在平行于PTC元件2的两个主侧面4、16中的至少一个的平面中的投影中，在一个主侧面4上的金属镀层6和在相反设置的主侧面16上的未用任何附图标记标记的金属镀层之间没有重叠(参见图1)。替代地，两个主侧面4、16上的金属镀层横向于与两个主侧面4、16平行的平面中的投影始终具有相同的最小距离。这出现在图1中，并且出现在可见的主侧面4上示出的金属镀层6与在相反设置的主侧面16上的虚线金属镀层相对的过程中，该虚线金属镀层在图5中用附图标记18表示。

图2示出了图1所示的PTC元件2的俯视图，PTC元件2的外部轮廓被示为虚线。绝缘层20在PTC元件2上突出，并且目前由陶瓷板形成。在绝缘层20的面对PTC元件2的内表面上设置有以虚线表示的导电涂层22。该涂层22形成对应于基部10的基部24，突起26从基部24突出，该突起26像金属镀层6一样通过半圆形轮廓连接至基部24。然而，突起26明显短于金属镀层6的腿部12。在突出超过PTC元件2的纵向区段28中，涂层22在内侧延伸超过PTC元件2以形成电端子30。端子30当前设置在绝缘层20的矩形基部区域内。但是，绝缘层20也可以侧向地延伸到矩形周向表面之外，以形成接触凸耳，其中接触凸耳可以伸出绝缘条带(未示出)以形成接触凸耳。或者，也可以将一件金属的金属片材附接到根据图2的端子30上，例如，金属片材在端子30的区域中围绕绝缘层20或焊接到端子30上。该金属条带的片材也可以延伸超过未示出的密封条带，以形成接触凸耳。

图3示出了在主侧面4上的金属镀层6以及涂层22。只有腿部12的基部显然通过涂层22电连接。

图4示出了在两侧上的金属镀层6、18与在两侧上的涂层的电连接(也参见图5)。两侧的金属镀层6、18的连接是对应的。端子30、34在相同的长度侧上从PTC元件2伸出。在图2中可识别的绝缘层20的在整个周向上围绕PTC元件2的边缘通常被密封到未示出的密封条带中，由于这从EP3334244A1基本上可获知，所以此处未示出。

图5示出了首先在主侧面4上设置在绝缘层20上并且与绝缘层20相对应的涂层22的绝缘层20之间的接触，以及以附图标记36标记的相反设置的绝缘层的接触，该绝缘层36包括涂层。

图5进一步示出了用附图标记38标记的空隙，该空隙位于相应的绝缘层20、36和PTC元件2的相关联的主侧面4、16之间，该空隙用粘合剂40填充。该粘合剂是导热良好的粘合剂，在该粘合剂中添加了导热良好的颗粒(例如由氧化铝制成的颗粒)。空隙38位于既未设置金属镀层6或18，也未设置涂层的地方。

在所示的实施例中，该粘合剂40也分别在腿部12或14的高度处，即在分别在腿部12或14的表面与绝缘层的相对设置的内表面之间形成的间隙中。

涂层22和金属镀层6之间的接触仅在图5的右上角可见，这是通过金属镀层6和涂层22之间的直接金属接触来实现的。现在没有粘合剂设置在该接触表面处。这分别适用于金属镀层6和涂层22在主侧面4上的整个覆盖区域，或金属镀层18和涂层在相反设置的主侧面16上的整个覆盖区域。

可以使用根据本发明的解决方案来制造相对薄的PTC加热元件，该PTC加热元件也可以在高压下操作。根据本发明，电流路径较少与陶瓷基体的几何形状，即PTC元件2本身的几何形状关联，但是仅取决于PTC元件2上的金属镀层的布置。出于该目的，金属镀层6形成以梳子形式形成的腿部12，由此电流路径P相对于PTC元件2的厚度方向D被延长。这也增加了PTC元件内的晶粒的数量，电流流过该晶粒。这减小了PTC元件2的特性曲线形状的电压依赖性。因为PTC元件2的NTC行为也取决于电压。NTC行为随着较高的电阻系数而增加；电压相关性(压敏电阻效应)会随着在PTC元件2的主侧面上设置的相对设置的电极之间的晶粒边界的数量减少而增加。由于电流路径中的晶粒的数量增加，单独的晶粒或晶粒边界处的电压降可以更小，这使得可以施加较低的电阻系数，从而降低了NTC效应。通过使绝缘层直接与PTC元件的主侧面接触，只有少量的热阻抵消了热的发散。由于绝缘层20和PTC元件2的主侧面4之间的所有空隙通常都被粘合剂40填充，粘合剂40优选地具有良好的导热系数，因此这更加正确。此外，绝缘层20、36在边缘侧上保持在密封条带中，优选地保持在密封框架中，将绝缘层20、36的突出边缘包封在其中，该密封条带例如可以由硅树脂制成并且可以通过注塑成型形成。

然后，根据本发明的PTC加热元件可以直接暴露于待加热的流体，其中流体在该PTC加热元件周围流动。

附图标记列表

2PTC元件

4主侧面

6金属镀层

8长度侧

10金属镀层的基部

12腿部

14腿部

16主侧面

18金属镀层

20绝缘层

22涂层

24涂层的基部

26涂层的突起

28纵向区段

30端子

34端子

36绝缘层

38空隙

40粘合剂

D厚度

P电流路径。

Claims (13)

1.一种PTC加热元件，具有两个绝缘层(20；36)和布置在所述两个绝缘层之间的PTC元件(2)，所述两个绝缘层(20；36)具有设置在一侧上的导电的涂层(22)，所述两个绝缘层分别设置在相反设置的主侧面(4；16)上，所述相反设置的主侧面具有电连接至所述两个绝缘层(20；36)中的一个绝缘层的所述涂层(22)的相应的金属镀层，其中设置在所述主侧面(4；16)中的一个主侧面上的所述金属镀层(6；18)仅被分配给用于对所述PTC元件(2)通电的一个电势，并且设置在所述主侧面(16；4)中的另一个主侧面上的所述金属镀层(18；6)仅被分配给用于对所述PTC元件(2)通电的另一个电势，其特征在于：

所述PTC元件(2)的所述一个主侧面(4；16)的所述金属镀层(6；18)和所述PTC元件(2)的所述另一个主侧面(16；4)的所述金属镀层(18；6)形成为彼此偏移以彼此不重叠，由此使得通过所述PTC元件(2)的电流路径(P)相对于所述PTC元件(2)的厚度(D)被延长。

2.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述绝缘层(20；36)被粘附结合到所述PTC元件(2)上。

3.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述涂层(22)仅部分覆盖与所述涂层相关联的所述金属镀层(6；18)。

4.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述绝缘层(20；36)的所述涂层(22)直接导电地接触所述PTC元件(2)的所述金属镀层(6；18)。

5.根据权利要求4所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述涂层(22)和所述金属镀层(6；18)在不插入粘合剂层的情况下彼此抵接。

6.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

在所述绝缘层和所述PTC元件(2)之间在空隙(38)中设有导热粘合剂(40)，所述空隙中没有涂层(22)和/或金属镀层(6；18)，所述导热粘合剂(40)填充所述空隙(38)。

7.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

不同的接触装置设置在所述涂层(22)与所述金属镀层(6；18)之间，而不是设置在位于所述绝缘层和所述PTC元件(2)之间并且没有涂层(22)和/或金属镀层(6；18)的空隙中。

8.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，所述PTC加热元件还包括密封条带，所述密封条带沿周向包封所述PTC元件(2)的端面。

9.根据权利要求8所述的PTC加热元件，其特征在于，所述PTC加热元件还包括两个接触凸耳，所述两个接触凸耳分别由所述绝缘层(20；36)中的一个绝缘层形成并且在所述PTC元件(2)上突出。

10.根据权利要求9所述的PTC加热元件，其特征在于，所述接触凸耳以密封方式穿过所述密封条带。

11.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述PTC元件(2)在所述金属镀层(6；18)的区域中被粗糙化。

12.一种电加热装置，所述电加热装置具有壳体，所述壳体限定入口和出口，并且所述电加热装置具有根据权利要求1的数个PTC加热元件，其中背离所述PTC元件(2)的外表面在所述壳体中作为暴露表面而暴露，以用于将热传递到待加热介质，或者所述外表面至少部分地与散热器元件导热地接触，所述待加热介质抵靠着所述散热器元件流动。

13.根据权利要求12所述的电加热装置，其特征在于，电加热装置是用于机动车辆的电加热装置。

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