DE102009035636A1

DE102009035636A1 - Heizmodul und Verfahren zur Herstellung des Heizmoduls

Info

Publication number: DE102009035636A1
Application number: DE200910035636
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Ihle; Werner Kahr; Verena Fischer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-03
Also published as: WO2011012502A1

Abstract

Es wird ein Heizmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls angegeben. Das Heizmodul umfasst ein Basisrohr mit einer Außenfläche, auf der ein erster Metallring, ein Keramikring und ein zweiter Metallring angeordnet sind. Der Keramikring weist ein Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf. Der zweite Metallring ist auf einem elektrisch isolierenden Ring angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizmodul und ein Verfahren zur Herstellung des Heizmoduls.
Medien oder Bauteile können mittels eines thermischen Kontakts mit Materialien, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands haben (PTC-Materialien), beheizt werden. Solche PTC-Materialien können bisher als Scheiben oder Rechteckelemente ausgeformt werden. Steht das Medium nicht in direktem Kontakt zu dem PTC-Material, sondern befindet sich in einem Behälter oder Gehäuse, können reduzierte Kontaktflächen zwischen den PTC-Materialien und den Gehäusen vorhanden sein, wenn die Gehäuse oder Behälter gekrümmte Oberflächen haben. Eine kleine Kontaktfläche zwischen dem PTC-Material und dem Gehäuse hat einen geringen Wirkungsgrad aufgrund des ungünstigen Oberflächen-Volumenverhältnisses zur Folge. Bislang können beispielsweise runde Rohre, die von Fluiden durchströmt werden oder in denen Bauteile vorhanden sind, nur mit geringem Wirkungsgrad mittels PTC-Materialien beheizt werden. Dies bewirkt längere Aufheizzeiten und höhere Heizleistungen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Heizmodul bereitzustellen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Heizmodul gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Heizmoduls und ein Verfahren zur Herstellung dieses Heizmoduls sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Heizmodul bereitgestellt, das ein Basisrohr aufweisend eine Außenfläche und eine Stirnseite umfasst, wobei die Stirnseite auf der Außenfläche des Basisrohrs einen umlaufenden Vorsprung bildet. Weiterhin umfasst das Heizmodul einen ersten Metallring mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des Basisrohrs mit der ersten Stirnseite dem Vorsprung zugewandt angeordnet ist, und einen Keramikring mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der formschlüssig auf der Außenfläche des Basisrohrs angeordnet ist, wobei die erste Stirnseite des Keramikrings die zweite Stirnseite des ersten Metallrings kontaktiert. Der Keramikring enthält eine Keramik, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands hat. Das Heizmodul umfasst außerdem einen zweiten Metallring mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des Basisrohrs angeordnet ist, wobei die erste Stirnseite des zweiten Metallrings die zweite Stirnseite des Keramikrings kontaktiert. Dabei ist zwischen dem zweiten Metallring und der Außenfläche des Basisrohrs ein elektrisch isolierender Ring angeordnet, der so ausgeformt ist, dass er die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings zumindest teilweise bedeckt und den zweiten Metallring von dem Basisrohr vollständig isoliert.
Mit dieser Anordnung wird eine stirnseitige Kontaktierung des Keramikrings ermöglicht unter gleichzeitiger Verhinderung eines Kurzschlusses aufgrund der Anordnung des elektrisch isolierenden Rings zwischen dem zweiten Metallring und der Außenfläche des Basisrohrs.
Die Stirnseite des Basisrohrs, die einen umlaufenden Vorsprung bildet, kann flanschartig ausgebildet sein. Damit stellt sie für auf dem Basisrohr angeordnete Elemente, wie beispielsweise dem ersten und zweiten Metallring und dem Keramikring, einen Grenzwall dar, über den diese Elemente nicht hinwegrutschen können.
Die Kontaktierung zwischen der zweiten Stirnseite des ersten Metallrings und der ersten Stirnseite des Keramikrings kann vollflächig sein oder nur zwischen Teilbereichen der jeweiligen Stirnseiten vorhanden sein. Das Gleiche gilt für die Kontaktierung zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings und der ersten Stirnseite des zweiten Metallrings.
Durch die Ausformung des elektrisch isolierenden Rings ist der zweite Metallring auf dem elektrisch isolierenden Ring fixiert, da ein Verrutschen des zweiten Metallrings durch die Kontaktierung seiner ersten Stirnseite mit dem Keramikring und seiner zweiten Stirnseite mit dem elektrisch isolierenden Ring verhindert wird. Gleichzeitig wird die elektrische Isolation zwischen dem zweiten Metallring und dem Basisrohr realisiert.
Der elektrisch isolierende Ring kann ein Material aufweisen, das eine hohe Temperaturstabilität aufweist. Beispielsweise können Kunststoffe ausgewählt werden, die weiterhin mit Glasfasern gefüllt sein können. Beispiele für Kunststoffe sind Polyphenylensulfid (PPS) oder Polytetrafluorethylen (PTFE).
Damit wird ein Heizmodul, das beispielsweise als Durchlauferhitzer oder als Verbindungselement in einem Heizsystem verwendet werden kann, bereitgestellt, das effizient ein Medium, das durch das Basisrohr geleitet wird, oder ein Bauteil, das in dem Basisrohr angeordnet ist, erhitzt. Durch Anlegen einer Spannung an den Keramikring erwärmt sich dieser aufgrund seines positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, und kann diese Wärme an das Basisrohr abgeben. Dabei weist der Keramikring ein selbstregulierendes Verhalten auf. Erreicht die Temperatur in dem Keramikring einen kritischen Wert, steigt auch der Widerstand in dem Keramikring, so dass weniger Strom durch den Keramikring fließt. Damit wird ein weiteres Aufheizen des Keramikrings verhindert, womit keine zusätzliche elektronische Regelung der Heizleistung bereitgestellt werden muss. Mit diesem Heizmodul kann das durch das Basisrohr geleitete Medium oder ein in dem Basisrohr angeordnetes Bauteil mittelbar durch den Keramikring erhitzt werden.
Durch die Verwendung eines formschlüssig an die Außenfläche des Basisrohrs angeordneten Keramikrings wird es möglich, den Wirkungsgrad des Heizmoduls im Vergleich zu herkömmlichen Heizmodulen zu verbessern, da das Basisrohr unabhängig von der Form seiner Außenfläche großflächig mit dem Keramikring in thermischem Kontakt steht und somit ein günstiges Oberflächen-Volumenverhältnis vorliegt.
Weiterhin besteht kein direkter Kontakt zwischen dem von dem Basisrohr geleiteten, zu beheizenden Medium oder dem in dem Basisrohr angeordnetem Bauteil und dem Keramikring. Damit kann vermieden werden, dass der Keramikring durch ein zu beheizendes Medium korrosiv angegriffen oder durch das Medium gelöst wird, und/oder dass das Material des Keramikrings das zu erhitzende Medium oder das zu erhitzende Bauteil kontaminiert.
Das Basisrohr kann ein Material aufweisen, das Metalle oder Metalllegierungen umfasst. Beispielsweise kann das Basisrohr als Material Kupfer, Aluminium oder Messing aufweisen Weiterhin kann das Basisrohr ein thermisch gut leitfähiges Material aufweisen.
Das Material des Basisrohrs kann weiterhin elektrisch isolierende Materialien umfassen, die wärmeleitfähig sind. Das können beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid sein. Somit wird ein elektrisch isolierendes Basisrohr, das kein elektrisches Potential aufweist, bereitgestellt. So können beispielsweise auch metallische Bauteile innerhalb des Basisrohrs beheizt werden.
Die Größe des Basisrohrs und seines umlaufenden Vorsprungs kann je nach Anwendung ausgestaltet sein. Das Basisrohr kann eine Wanddicke aufweisen, die aus einem Bereich ausgewählt ist, der 0,1 mm bis 1 mm umfasst. Der Durchmesser des Basisrohrs kann in Abhängigkeit der Größe des zu beheizenden Bauteils zwischen 0,5 mm und 50 mm betragen. Das Basisrohr kann eine Länge aufweisen, die aus einem Bereich ausgewählt ist, der 5 mm bis 200 mm umfasst. Bei einer Länge von über 30 mm können auch mehrere Keramikringe hintereinander angeordnet werden. Wird nur ein Keramikring verwendet, kann dieser eine Länge aufweisen, die aus dem Bereich 5 mm bis 30 mm ausgewählt ist.
Das Basisrohr des Heizmoduls kann weiterhin eine Außenfläche aufweisen, die zumindest in Teilbereichen eine Krümmung umfasst. Es können also zylindrische Basisrohre eingesetzt werden, Basisrohre mit ovalem Durchschnitt oder weitere beliebig geformte Basisrohre, die symmetrisch oder unsymmetrisch ausgeformt sein können und deren Krümmung auch durch einen Knick unterbrochen sein kann.
Die erste und zweite Stirnseite des Keramikrings können mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet sein. Diese elektrisch leitfähigen Schichten können als Elektroden dienen. Sie können weiterhin ein Metall, beispielsweise Aluminium, aufweisen oder eine Schichtenfolge umfassen. Beispiele für die Materialien einer Schichtenfolge ist Chrom-Nickel oder Chrom-Nickel-Silber.
Der Keramikring kann eine Länge aufweisen, die aus dem Bereich 2 mm bis 20 mm ausgewählt ist. Längen, die größer als 20 mm sind, sind ebenso realisierbar. Weiterhin kann der Keramikring eine Wanddicke aufweisen, die aus dem Bereich 0,5 mm bis 2,5 mm ausgewählt ist. Der Durchmesser des Keramikrings ist an den Durchmesser des Basisrohrs angepasst und kann zwischen 1 mm und 50 mm betragen.
Die zweite Stirnseite des Keramikrings kann eine Aussparung aufweisen, so dass kein Kontakt zwischen der Außenfläche des Basisrohrs und der zweiten Stirnseite des Keramikrings vorhanden ist. In der Aussparung der zweiten Stirnseite des Keramikrings kann ein Randbereich des elektrisch isolierenden Rings vorhanden sein. Damit ist der Randbereich des elektrisch isolierenden Rings zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings und der Außenfläche des Basisrohrs vorhanden und eine elektrische Isolierung der mit elektrisch leitfähigen Schicht beschichteten zweiten Stirnseite des Keramikrings und der Außenfläche des Basisrohrs realisiert.
Weiterhin kann zwischen dem Vorsprung des Basisrohrs und der ersten Stirnseite des ersten Metallrings auf der Außenfläche des Basisrohrs ein wellenförmiger Ring angeordnet sein, der federnd ausgeformt ist. Bei dem wellenförmigen Ring kann es sich beispielsweise um eine Wellfederscheibe handeln. Der wellenförmige Ring kann ein Material umfassen, das aus Metallen oder Metalllegierungen ausgewählt ist.
Das Material des ersten und zweiten Metallrings kann aus Metallen und Metalllegierungen, beispielsweise Messing, ausgewählt sein.
Weiterhin kann in dem Basisrohr zumindest eine Aussparung vorhanden sein und der elektrisch isolierende Ring zumindest einen Vorsatz aufweisen, der in die Aussparung des Basisrohrs versenkt ist. Bei der Aussparung in dem Basisrohr kann es sich um ein Loch oder um eine Vertiefung in der Außenfläche handeln. Damit kann der Vorsatz des elektrisch isolierenden Rings entweder durch das Basisrohr hindurchragen oder in die Wand des Basisrohrs hineinragen. Durch den in der Aussparung versenkten Vorsatz des elektrisch isolierenden Rings wird die Anordnung des ersten und zweiten Metallrings und des Keramikrings zwischen dem Vorsprung des Basisrohrs und dem elektrisch isolierenden Rings fixiert und der Keramikring gegen den ersten und den zweiten Metallring gepresst. Durch die Anordnung des wellenförmigen Rings zwischen dem Vorsprung und dem ersten Metallring wird der Druck zwischen den Metallringen und dem Keramikring noch erhöht, so dass ein guter elektrischer Kontakt ermöglicht wird, ohne weitere Verbindungselemente, wie beispielsweise eine Klebverbindung einsetzen zu müssen.
Es wird also eine dauerhafte Klemmkontaktierung bereitgestellt, durch die mechanische Schädigungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen der Materialien vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Basisrohr auf seiner Außenfläche auf der von dem Vorsprung abgewandten Seite des elektrisch isolierenden Rings Ausbuchtungen aufweisen. Damit kann der elektrisch isolierende Ring auf dem Basisrohr fixiert werden und somit die Fixierung und die Klemmkontaktierung des ersten und zweiten Metallrings und des Keramikrings zwischen dem Vorsprung und dem elektrisch isolierenden Rings realisiert werden.
Der Keramikring und das Basisrohr können in thermischem Kontakt miteinander stehen. Weiterhin kann zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring eine thermisch leitfähige Paste angeordnet sein. In beiden Fällen ist ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring gewährleistet, so dass der Wärmeübergang zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring optimiert wird. Der Wärmeübergang wird weiterhin durch die angepasste Form des Keramikrings an das Basisrohr verbessert, da ein großflächiger thermischer Kontakt zwischen dem Keramikring und dem Basisrohr vorhanden ist.
Die Verbindung zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring kann formschlüssig und elastisch sein. Um eine elastische Verbindung zwischen Basisrohr und Keramikring zu erhalten, wird die thermisch leitfähige Paste zwischen dem Basisrohr und dem Keramikring angeordnet. Für die thermisch leitfähige Paste kann ein Material gewählt werden, das in Polymere eingelagerte Partikel umfasst. Die Partikel können beispielsweise thermisch leitfähige Metallpartikel, Graphitpartikel oder Aluminiumoxidpartikel umfassen. Diese Partikel sorgen für eine gute Wärmeleitfähigkeit der zwischen dem Keramikring und dem Basisrohr angeordneten Paste.
Eine elastische Verbindung zwischen dem Keramikring und dem Basisrohr gleicht mögliche Volumenänderungen des Basisrohrs und/oder des Keramikrings aus, die während der Temperaturveränderung bei dem Heizvorgang auftreten können, so dass mechanische Spannungen zwischen Basisrohr und Keramikring und/oder Spannungsrisse des Basisrohrs oder des Keramikrings vermieden werden.
Der erste und zweite Metallring kann elektrische Kontaktelemente zur Erzeugung eines Stromflusses aufweisen. Ein Kontaktelement umfasst dabei jeweils eine an dem ersten und zweiten Metallring angebrachte Anschlussvorrichtung, beispielsweise eine Anschlussfahne, die an einen externen elektrischen Kontakt angeschlossen werden kann. Damit kann an die mit Metall beschichteten Stirnseiten des Keramikrings über den ersten und zweiten Metallring und die jeweiligen Anschlussvorrichtungen des ersten und zweiten Metallrings eine Spannung angelegt werden.
Die Anschlussvorrichtungen können so ausgeformt sein, dass handelsübliche Stecker, wie beispielsweise Flachstecker oder Crimpstecker angeschlossen werden können.
Die Dicke und Länge des Keramikrings kann in Abhängigkeit der angelegten Spannung ausgewählt werden. Somit kann in Abhängigkeit Ausmaße des Keramikrings und damit in Abhängigkeit des Abstands der elektrisch leitfähigen Beschichtungen an den Stirnseiten des Keramikrings, die die Elektroden darstellen, der ohmsche Widerstand in dem Keramikring eingestellt werden. Der Widerstand ist weiterhin durch die die Zusammensetzung des Materials des Keramikrings bestimmbar.
Weiterhin kann das Heizmodul ein Kunststoffspritzgehäuse aufweisen, das das Heizmodul thermisch isoliert. Das Basisrohr kann an seinen Enden Bereiche aufweisen, die zum Anschluss an ein Leitungssystem für ein zu leitendes und zu beheizendes Medium geeignet sind.
Der Keramikring des Heizmoduls kann ein keramisches Material enthalten, das die Struktur Ba_1-x-yM_xD_yTi_1-a-bN_aMn_bO₃ aufweist. Die Struktur umfasst eine Perowskit-Struktur. Dabei umfasst x den Bereich 0 bis 0,5, y den Bereich 0 bis 0,01, a den Bereich 0 bis 0,01, b den Bereich 0 bis 0,01, M umfasst ein zweiwertiges Kation, D einen drei- oder vierwertigen Donor und N ein fünf- oder sechswertiges Kation. M kann beispielsweise Calcium, Strontium oder Blei sein, D kann beispielsweise Yttrium oder Lanthan sein, Beispiele für N sind Niob oder Antimon. Der Keramikring kann metallische Verunreinigungen umfassen, die mit einem Gehalt von weniger als 10 ppm vorhanden sind. Der Gehalt an metallischen Verunreinigungen ist so gering, dass die PTC-Eigenschaften des Keramikrings nicht beeinflusst werden.
Dieses Material kann eine Curietemperatur aufweisen, die einen Bereich von –30°C bis 340°C umfasst. Das Material des Keramikrings kann weiterhin einen Widerstand bei 25°C aufweisen, der in einem Bereich von 3 Ωcm bis 30 Ωcm liegt.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls mit den oben genannten Eigenschaften bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte

A) Bereitstellen eines Basisrohrs mit einer Außenfläche,
B) Spritzgiessen oder Pressen eines Keramikrings, der eine Form aufweist, die an die Außenfläche des Basisrohrs angepasst ist,
C) Sintern des Keramikrings,
D) Anordnen eines ersten Metallrings, des Keramikrings und eines zweiten Metallrings auf der Außenfläche des Basisrohrs, und
E) Einfügen und Fixieren eines elektrisch isolierenden Rings zwischen der Außenfläche des Basisrohrs und dem zweiten Metallring.

Dabei wird im Verfahrensschritt B) der Keramikring unter Berücksichtigung der Schwindung des Keramikrings an die Außenfläche des Rohrs angepasst. Je nach Zusammensetzung des Materials für den Keramikring kann während des Sinterns im Verfahrensschritt C) eine Schwindung des Volumens des Keramikrings auftreten. Somit wird im Verfahrensschritt B) ein Keramikring spritzgegossen oder gepresst, der vor dem Sintern eine Form aufweist, die für das Basisrohr, an das der Keramikring angepasst wird, zu groß ist und nach dem Sintern an das Basisrohr angepasst ist.
Damit ist eine große thermische Kontaktfläche zwischen Basisrohr und Keramikring gewährleistet.
Weiterhin wird im Verfahrensschritt B) für die Herstellung des Keramikrings ein keramisches Ausgangsmaterial bereitgestellt, das ein keramisches Füllmaterial der Struktur Ba_1-x-yM_xD_yTi_1-a-bN_aMn_bO₃ und eine Matrix aufweist.
Um das keramische Ausgangsmaterial mit weniger als 10 ppm metallischen Verunreinigungen herzustellen, kann es mit Werkzeugen hergestellt werden, die eine harte Beschichtung aufweisen, um einen Abrieb zu vermeiden. Eine harte Beschichtung kann beispielsweise aus Wolframcarbid bestehen. Alle Oberflächen der Werkzeuge, die mit dem keramischen Material in Berührung kommen, können mit der harten Beschichtung beschichtet sein.
Auf diese Weise kann ein keramisches Füllmaterial, das durch Sintern in ein keramisches PTC-Material überführt werden kann, mit einer Matrix vermischt und zu einem Granulat verarbeitet werden. Dieses Granulat kann zur Weiterverarbeitung zu dem Keramikring spritzgegossen werden.
Die Matrix, in die das keramische Füllmaterial eingelagert ist und die einen geringeren Schmelzpunkt aufweist, als das keramische Material, kann dabei einen Anteil von weniger als 20 Massen% gegenüber dem keramischen Material aufweisen. Die Matrix kann ein Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Wachs, Harze, Thermoplaste und wasserlösliche Polymere umfasst. Weitere Zusätze, wie Antioxidantien oder Weichmacher können ebenfalls vorhanden sein.
Der Verfahrensschritt B) kann die Schritte

B1) Bereitstellen des keramischen Ausgangsmaterials,
B2) Spritzgiessen oder Pressen des Ausgangsmaterials in eine Form, und
B3) Entfernen der Matrix

Während des Sinterns im Verfahrensschritt C) wird das keramische Ausgangsmaterial in das Material des Keramikrings, das einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, überführt.
Im Verfahrensschritt D) kann weiterhin zwischen dem Anordnen des ersten Metallrings und dem Anordnen des Keramikrings ein wellenförmiger Ring, der federnd ausgeformt ist, angeordnet werden.
In dem Verfahrensschritt E) wird der elektrisch isolierende Ring auf dem Basisrohr entweder dadurch fixiert, dass in dem Basisrohr zumindest eine Aussparung vorhanden ist und der elektrisch isolierende Ring zumindest einen Vorsatz aufweist, der beim Einfügen des elektrisch isolierenden Rings in die Aussparung einrastet oder dadurch, dass nach dem Einfügen des elektrisch isolierenden Rings das Basisrohr von innen mit nach außen stehenden Ausbuchtungen versehen wird, die ein Verrutschen des elektrisch isolierenden Rings verhindern.
Anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele sollen die beschriebenen Gegenstände noch näher erläutert werden:
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts des Heizmoduls,
2a zeigt eine schematische dreidimensionale Vorderansicht einer Ausführungsform des Heizmoduls,
2b zeigt eine schematische dreidimensionale Rückansicht einer Ausführungsform des Heizmoduls,
3 zeigt eine schematische dreidimensionale Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform des Heizmoduls,
Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts des Heizmoduls. Das Heizmodul umfasst das Basisrohr 10, dessen eine Stirnseite einen Vorsprung 10a bildet. Zwischen dem Vorsprung 10a und einem ersten Metallring 20 ist ein wellenförmiger Ring 70 angeordnet, der federnd ausgeformt ist. Der erste Metallring 20 kontaktiert mit seiner ersten Stirnseite den wellenförmigen Ring 70 und mit seiner zweiten Stirnseite die erste Stirnseite des Keramikrings 40, der formschlüssig auf der Außenfläche des Basisrohrs 10 angeordnet ist. Die zweite Stirnseite des Keramikrings 40 kontaktiert die erste Stirnseite eines zweiten Metallrings 30. Sowohl der erste Metallring 20 als auch der zweite Metallring 30 weisen Kontaktelemente 50 auf, an die jeweils Stecker angeschlossen werden können (hier nicht gezeigt) und somit extern an die Metallringe Spannung angelegt werden kann.
Das Keramikrohr 40 hat auf beiden Stirnseiten elektrisch leitfähige Beschichtungen (nicht gezeigt), die als Elektroden dienen.
An die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings 30 grenzt der elektrisch isolierende Ring 60, der auch zwischen dem zweiten Metallring 30 und der Außenfläche des Basisrohrs 10 sowie zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings 40, die eine Aussparung aufweist, und der Außenfläche des Basisrohrs 10 vorhanden ist. Damit ist eine elektrische Isolation des zweiten Metallrings 30 und der zweiten Stirnseite des Keramikrings 40 gegenüber dem Basisrohr 10 gewährleistet. Gleichzeitig bedeckt der elektrisch isolierende Ring 60 die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings 30, so dass der zweite Metallring 30 an dem Keramikring 40 fixiert ist.
Der elektrisch isolierende Ring 60 hat zumindest einen Vorsatz 60a, der in eine Aussparung, hier als Loch gezeigt, des Basisrohrs 10 versenkt ist. Alternativ könnte das Basisrohr 10 auch eine Vertiefung aufweisen, in die der Vorsatz 60a versenkt ist, so dass er nicht in das Innere des Basisrohrs 10 ragt (hier nicht gezeigt).
Der Keramikring 40 umfasst eine Keramik mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und enthält ein Material mit der Struktur Ba_1-x-yM_xD_yTi_1-a-bN_aMn_bO₃.
Innerhalb des Basisrohrs 10 kann ein Medium geleitet werden, das mittelbar durch den PTC-Effekt des Keramikrings 40 bei Anlegen einer Spannung erhitzt werden kann. Das Heizmodul kann auch dafür verwendet werden, ein Bauteil zu umschließen, beispielsweise einen Stecker, das beheizt werden soll. Der Heizvorgang beginnt, sobald durch die elektrische Kontaktierung über die Kontaktelemente 50 und den ersten 20 und zweiten Metallring 30 ein Stromfluss in dem Keramikring 40 erzeugt wird.
Weiterhin kann das Heizmodul eine Kunststoffumhüllung aufweisen, die das Heizmodul thermisch isoliert (hier nicht gezeigt).
Durch die federnde Ausformung des wellenförmigen Rings 70 und die Fixierung des elektrisch isolierenden Rings 60 an dem Basisrohr 10 wird der Keramikring 40 zwischen den ersten und zweiten Metallring 20, 30 gepresst, so dass ein guter elektrischer Kontakt gewährleistet ist. Dadurch, dass diese Klemmkontaktierung keinerlei Klebverbindungen benötigt, können eventuelle Ausdehnungen der verschiedenen Materialien ausgeglichen werden, ohne dass mechanische Spannungen in dem Heizmodul auftreten.
2a und 2b zeigen die schematische dreidimensionale Vorderansicht (2a) und die Rückansicht (2b) des Heizmoduls, wie es in 1 dargestellt ist. Die Kontaktelemente 50 sind hier als Steckverbindungen ausgeformt. Beispielhaft sind in den 2a und 2b jeweils zwei Vorsätze 60a gezeigt, die in Aussparungen des Basisrohrs 10 versenkt sind, und den elektrisch isolierenden Ring 60 auf dem Basisrohr 10 fixieren.
3 zeigt eine Variante des Heizmoduls in dreidimensionaler schematischer Ansicht. Hier sind die Kontaktelemente 50 als Crimp-Anschlüsse ausgeformt.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen können beliebig variiert werden. Es ist weiterhin zu berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt, sondern weitere hier nicht aufgeführte Ausgestaltungen zulässt.
Bezugszeichenliste

10: Basisrohr
10a: Vorsprung
20: erster Metallring
30: zweiter Metallring
40: Keramikring
50: Kontaktelement
60: elektrisch isolierender Ring
60a: Vorsatz
70: wellenförmiger Ring

Claims

Heizmodul, umfassend – ein Basisrohr (10) aufweisend eine Außenfläche und eine Stirnseite, wobei die Stirnseite auf der Außenfläche des Basisrohrs (10) einen umlaufenden Vorsprung (10a) bildet, – einen ersten Metallring (20) mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des Basisrohrs (10) mit der ersten Stirnseite dem Vorsprung (10a) zugewandt angeordnet ist, – einen Keramikring (40) mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der formschlüssig auf der Außenfläche des Basisrohrs (10) angeordnet ist, wobei die erste Stirnseite des Keramikrings (40) die zweite Stirnseite des ersten Metallrings (20) kontaktiert, und der eine Keramik enthält, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands hat, – einen zweiten Metallring (30) mit einer ersten und zweiten Stirnseite, der auf der Außenfläche des Basisrohrs (10) angeordnet ist, wobei die erste Stirnseite des zweiten Metallrings (30) die zweite Stirnseite des Keramikrings (40) kontaktiert, wobei zwischen dem zweiten Metallring (30) und der Außenfläche des Basisrohrs (10) ein elektrisch isolierender Ring (60) angeordnet ist, der so ausgeformt ist, dass er die zweite Stirnseite des zweiten Metallrings (30) zumindest teilweise bedeckt und den zweiten Metallring (30) von dem Basisrohr (10) vollständig isoliert.
Heizmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste und zweite Stirnseite des Keramikrings (40) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet sind.
Heizmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Stirnseite des Keramikrings (40) eine Aussparung aufweist, und ein Randbereich des elektrisch isolierenden Rings (60) zwischen der zweiten Stirnseite des Keramikrings (40) und der Außenfläche des Basisrohrs (10) vorhanden ist.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Vorsprung (10a) und der ersten Stirnseite des ersten Metallrings (20) auf der Außenfläche des Basisrohrs (10) ein wellenförmiger Ring (70) angeordnet ist, der federnd ausgeformt ist.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Basisrohr (10) zumindest eine Aussparung vorhanden ist, und der elektrisch isolierende Ring (60) zumindest einen Vorsatz (60a) aufweist, der in die Aussparung des Basisrohrs (10) versenkt ist.
Heizmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Basisrohr (10) auf seiner Außenfläche auf der von dem Vorsprung (10a) abgewandten Seite des elektrisch isolierenden Rings (60) Ausbuchtungen aufweist.
Heizmodul nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der erste Metallring (20), der Keramikring (40) und der zweite Metallring (30) zwischen dem elektrisch isolierenden Ring (60) und dem Vorsprung (10a) des Basisrohrs (10) fixiert sind.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisrohr (10) ein thermisch gut leitfähiges Material aufweist.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basisrohr (10) und der Keramikring (40) in thermischem Kontakt miteinander stehen.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Basisrohr (10) und dem Keramikring (40) eine thermisch leitfähige Paste angeordnet ist.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Metallring (20, 30) elektrische Kontaktelemente (50) zur Erzeugung eines Stromflusses aufweisen.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keramikring (40) ein keramisches Material enthält, das die Struktur Ba_1-x-yM_xD_yTi_1-a-bN_aMn_bO₃ aufweist, wobei x = 0 bis 0,5, y = 0 bis 0,01, a = 0 bis 0,01, b = 0 bis 0,01, M ein zweiwertiges Kation umfasst, D einen drei- oder vierwertigen Donor umfasst und N ein fünf- oder sechswertiges Kation umfasst.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keramikring (40) eine Curie-Temperatur aufweist, die einen Bereich von –30°C bis 340°C umfasst.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keramikring (40) einen Widerstand bei 25°C aufweist, der in einem Bereich von 3 Ωcm bis 30000 Ωcm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Heizmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit den Verfahrensschritten A) Bereitstellen eines Basisrohrs (10) mit einer Außenfläche, B) Spritzgiessen oder Pressen eines Keramikrings (40), der eine Form aufweist, die an die Außenfläche des Basisrohrs (10) angepasst ist, C) Sintern des Keramikrings (40), D) Anordnen eines ersten Metallrings (20), des Keramikrings (40) und eines zweiten Metallrings (30) auf der Außenfläche des Basisrohrs (10), und E) Einfügen und Fixieren eines elektrisch isolierenden Rings (60) zwischen der Außenfläche des Basisrohrs (10) und dem zweiten Metallring (30).