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Die
Erfindung betrifft ein Funktionsmodul und ein Verfahren zur Herstellung
des Funktionsmoduls.
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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 oder
umströmt
werden, nur mit geringem Wirkungsgrad mittels PTC-Materialien beheizt
werden. Dies bewirkt längere
Aufheizzeiten und höhere
Heizleistungen.
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Weiterhin
können
PTC-Materialien in Bauelementen als Überlastschutz eingesetzt werden. Auch
hier konnten bisher keine Elemente mit gekrümmter Oberfläche bereitgestellt
werden.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein Funktionsmodul bereitzustellen, das einen
hohen Wirkungsgrad aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Funktionsmodul
gemäß dem Patentanspruch
1 gelöst.
Weitere Ausführungsformen
des Funktionsmoduls, ein Verfahren zur Herstellung dieses Funktionsmoduls
und seine Verwendung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird ein Funktionsmodul bereitgestellt, das ein Außenrohr
mit einer ersten Stirnseite, einer zweiten Stirnseite und einer
Innenfläche,
ein Innenrohr mit einer ersten Stirnseite, einer zweiten Stirnseite
und einer Mantelfläche,
das innerhalb des Außenrohrs
angeordnet ist, zumindest einen Formkörper, der formschlüssig zwischen
der Innenfläche
des Außenrohrs
und der Mantelfläche
des Innenrohrs angeordnet ist und ein Material mit positivem Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstands aufweist, umfasst. Dabei sind die erste
Stirnseite des Außenrohrs
und die erste Stirnseite des Innenrohrs auf einem elektrisch isolierenden
Substrat angeordnet und der Formkörper zwischen dem Außenrohr
und dem Innenrohr durch Klemmkraft fixiert.
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Mit
dieser Anordnung wird eine dauerhafte Kontaktierung des Formkörpers durch
das Außenrohr
und das Innenrohr und gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung
des Formkörpers
zwischen dem Außenrohr
und dem Innenrohr ohne die Verwendung von Klebemitteln oder zusätzlichen
Bauteilen bereitgestellt. Der Formkörper kann somit formschlüssig und
vollflächig
an das Außenrohr
und das Innenrohr angebunden werden, und damit eine gute thermische
und/oder elektrische Kontaktierung ermöglichen.
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Das
elektrisch isolierende Substrat kann ein Material aufweisen, das
eine hohe Temperaturstabilität
aufweist.
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Beispielsweise
können
Kunststoffe ausgewählt
werden, die weiterhin mit Glasfasern gefüllt sein können. Beispiele für Kunststoffe
sind Polyphenylensulfid (PPS) oder Polytetrafluorethylen (PTFE).
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Durch
die Anordnung der ersten Stirnseite des Innenrohrs und der ersten
Stirnseite des Außenrohrs
auf dem elektrisch isolierenden Substrat wird zum einen ein Kurzschluss
verhindert, der bei Anlegen einer Spannung an das Innenrohr und
das Außenrohr
entstehen könnte.
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Weiterhin
können
das Innenrohr und das Außenrohr
kraftschlüssig
verbunden sein. Durch die kraftschlüssige Verbindung kann der Formkörper mittels
des Innenrohrs in das Außenrohr
gepresst und damit ein dauerhafter elektrischer Kontakt realisiert werden.
Die dazu notwendigen Kräfte
können
dabei mittels des elektrisch isolierenden Substrats, auf dem das
Innenrohr und das Außenrohr
angeordnet sind, übertragen
werden. Mit dem elektrisch isolierenden Substrat kann dabei auf
das Innenrohr eine Druckspannung zum Einpressen des Innenrohrs in
den Formkörper
und damit zum Einpressen des Formkörpers in das Außenrohr
erzeugt werden. Gleichzeitig wird eine der Druckspannung gleich
große
Zugspannung an dem Außenrohr
erzeugt, da das Außenrohr auch
mit dem elektrisch isolierenden Substrat mechanisch verbunden ist,
beispielsweise mittels abgewinkelter Laschen. Die Summe aller auftretenden Kräfte ist
somit null.
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Durch
die kraftschlüssige
Verbindung zwischen Innenrohr und Außenrohr können weiterhin möglicherweise
auftretende Wärmeausdehnungen der
verschiedenen Materialien des Außenrohrs, des Innenrohrs und
des Formkörpers
aufgrund von Temperaturänderungen
und damit möglicherweise
einhergehender mechanischer Schädigungen
gut ausgeglichen werden.
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Die
Mantelfläche
des Innenrohrs umfasst die Wand des Innenrohrs, die eine Innenfläche, eine
Außenfläche und
eine Wanddicke aufweist.
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Weiterhin
kann das Innenrohr einen Spalt in Längsrichtung des Innenrohrs
aufweisen. Der Spalt in der Mantelfläche des Innenrohrs verursacht
eine Unterbrechung der Mantelfläche
entlang des ganzen Innenrohrs.
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Die
Mantelfläche
des Innenrohrs und die Innenfläche
des Außenrohrs
können
zumindest in Teilbereichen eine Krümmung umfassen. Es können also
zylindrische, mit ovalem Durchschnitt ausgeformte Innenrohre und
Innenflächen
von Außenrohren
eingesetzt werden, oder weitere beliebig geformte Innenrohre und
Innenflächen
von Außenrohren, die
symmetrisch oder unsymmetrisch ausgeformt sein können und deren Krümmung auch
durch einen Knick unterbrochen sein können.
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Der
Formkörper,
der formschlüssig
zwischen der Mantelfläche
des Innenrohrs und der Innenfläche des
Außenrohrs
angeordnet ist, weist ebenso die Form eines Rohrs auf. Er ist so
zwischen dem Außenrohr
und dem Innenrohr eingeklemmt, dass eine zusätzliche Fixierung durch beispielsweise
Klebverbindungen nicht notwendig ist. Es können auch mehrere, beispielsweise
bis zu zehn Formkörper
zwischen der Innenfläche
des Außenrohrs
und der Mantelfläche
des Innenrohrs angeordnet sein. Diese sind dann hintereinander angeordnet,
so dass jeder Formkörper
eine Grenzfläche
zu der Mantelfläche und
der Innenfläche
umfasst.
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Die
Innenfläche
des Außenrohrs
und die Mantelfläche
des Innenrohrs können
jeweils einen Durchmesser aufweisen. Der Durchmesser der Innenfläche kann
sich dabei von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite des
Außenrohrs
hin verjüngen. Somit
ist der Durchmesser an der ersten Stirnseite des Außenrohrs
größer als
an der zweiten Stirnseite des Außenrohrs, wobei sich der Durchmesser
der Innenfläche
des Außenrohrs
von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite stetig verkleinert.
Weiterhin kann sich der Durchmesser der Mantelfläche von der ersten Stirnseite
des Innenrohrs zur zweiten Stirnseite des Innenrohrs verjüngen. Damit
ist der Durchmesser an der ersten Stirnseite des Innenrohrs größer als
der Durchmesser an der zweiten Stirnseite des Innenrohrs. Die erste
Stirnseite des Innenrohrs liegt auf der gleichen Seite wie die erste
Stirnseite des Außenrohrs.
Somit ist der Verlauf der Verjüngung des
Innenrohrs parallel zu der Verjüngung
der Innenfläche
des Außenrohrs.
Das Innenrohr und die Innenfläche
des Außenrohrs
weisen somit beispielsweise eine Form auf, die nach Art eines Kegelstumpfs
ausgeformt ist.
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Durch
diese Form der Innenfläche
des Außenrohrs
lässt sich
der formschlüssig
an die Innenfläche
des Außenrohrs
angepasste Formkörper
gut in das Außenrohr
pressen, ohne dass er durch das Außenrohr hindurch rutscht. Ebenso
lässt sich
das Innenrohr gut innerhalb des Formkörpers anordnen, ohne dass es
durch den Formkörper
hindurch rutscht. Damit wird die Fixierung des Formkörpers zwischen
dem Außenrohr
und dem Innenrohr durch Klemmkraft verbessert. Weiterhin können möglicherweise
auftretende Wärmeausdehnungen
der verschiedenen Materialien des Außenrohrs, des Innenrohrs und
des Formkörpers
aufgrund von Temperaturänderungen
und damit möglicherweise
einhergehender mechanischer Schädigungen
gut ausgeglichen werden.
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Das
Außenrohr
kann weiterhin eine Außenfläche aufweisen.
Diese kann gemäß der Innenfläche ausgeformt
sein und einen Durchmesser aufweisen, der an der ersten Stirnseite
des Außenrohrs
größer ist
als an der zweiten Stirnseite des Außenrohrs. Die Außenfläche des
Außenrohrs
kann weiterhin so ausgeformt sein, dass der Durchmesser der Außenfläche an der
ersten Stirnseite so groß ist
wie der Durchmesser an der zweiten Stirnseite des Außenrohrs,
sodass die Innenfläche
des Außenrohrs
nach Art eines Kegelstumpfs und die Außenfläche des Außenrohrs zylindrisch ausgeformt
ist.
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Das
Material des Außenrohrs
und des Innenrohrs kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Metalle und Metalllegierungen
umfasst. Beispielsweise kann als Material Aluminium, Kupfer oder
als Metalllegierung Messing gewählt
werden. Diese Metalle können
als Elektroden zur Kontaktierung des Formkörpers dienen.
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Weiterhin
kann das Innenrohr federnd ausgeformt sein. Dieser Effekt wird durch
den in der Mantelfläche
vorhandenen Spalt ermöglicht
und kann beispielsweise durch Verwendung eines Federstahls noch
verbessert werden. Dadurch wird der Formkörper durch das Innenrohr in
das Außenrohr durch
erhöhte
Klemmkraft gepresst und damit die Fixierung des Formkörpers zwischen
dem Außenrohr und
dem Innenrohr verbessert. Auch die thermische und/oder elektrische
Kontaktierung des Formkörpers durch
das Außenrohr
und das Innenrohr wird dadurch verbessert. Die Fixierung und formschlüssige Kontaktierung
ist dabei dauerhaft stabil, aber nicht starr, womit eventuelle mechanische
Schädigungen, wie
beispielsweise Spannungsrisse, durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen
der Materialien vermieden werden können. Somit können auch
Materialermüdungen
reduziert werden.
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Der
Formkörper,
das Außenrohr
und das Innenrohr können
in thermischem Kontakt miteinander stehen. Weiterhin kann zwischen
der Mantelfläche des
Innenrohrs und dem Formkörper
und/oder zwischen dem Formkörper
und der Innenfläche
des Außenrohrs
eine thermisch leitfähige
Paste angeordnet sein. Damit ist ein guter thermischer Kontakt zwischen
dem Formkörper
und dem Innenrohr und/oder zwischen dem Formkörper und dem Außenrohr
gewährleistet,
so dass der Wärmeübergang
zwischen dem Innenrohr und dem Formkörper und dem Außenrohr
und dem Formkörper
optimiert wird. Der Wärmeübergang
wird weiterhin durch die angepasste Form des Formkörpers an
die Innenfläche
des Außenrohrs
und an die Mantelfläche
des Innenrohrs verbessert, da ein großflächiger thermischer Kontakt zwischen
dem Formkörper
und dem Innenrohr und dem Außenrohr
vorhanden ist.
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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 Formkörper
und dem Innenrohr und zwischen dem Formkörper und dem Außenrohr
angeordneten Paste.
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Weiterhin
können
das Außenrohr
ein erstes Kontaktelement und das Innenrohr ein zweites Kontaktelement
zur Erzeugung eines elektrischen Stromes aufweisen. Dabei können das
erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement durch das elektrisch
isolierende Substrat hindurchragen, so dass die Kontaktelemente
extern kontaktiert werden können.
Die Kontaktelemente ragen derart durch das Substrat hindurch, dass
sie sich nicht berühren
und somit voneinander isoliert sind. Die Kontaktelemente können beispielsweise
als Bleche mit Anschlussfahnen ausgeformt sein, so dass beispielsweise
handelsübliche
Flachstecker oder Crimp-Anschlüsse
an die Kontaktelemente angeschlossen werden können. Damit kann an den Formkörper über das
Außenrohr und
das Innenrohr und die. jeweiligen Kontaktelemente eine Spannung
angelegt werden.
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Die
Verjüngung
der Innenfläche
des Außenrohrs
und der Mantelfläche
des Innenrohrs kann zu einer Drehachse des Innenrohrs und zu einer
Drehachse des Außenrohrs
einen Winkel aufweisen, der aus einem Bereich ausgewählt ist,
der 1° bis
10° umfasst.
Der Winkel kann beispielsweise zwischen 1° und 5° aufweisen. Eine Drehachse ist
dabei so zu verstehen, dass sie eine gedachte Linie beschreibt, die
in Längsrichtung
des Innenrohrs bzw. des Außenrohrs
jeweils mittig durch das Innenrohr bzw. das Außenrohr hindurchfährt. Der
Schnittpunkt dieser gedachten Achse mit einer zweiten gedachten
Linie, die entlang der Längsrichtung
des Innenrohres auf der Mantelfläche
und über
die zweite Stirnseite des Innenrohres hinaus verläuft bzw.
die entlang der Längsrichtung
des Außenrohres
auf der Innenseite und über
die zweite Stirnseite des Außenrohres
hinaus verläuft,
ergibt den Winkel.
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Weiterhin
kann der Formkörper
eine Dicke aufweisen, die aus einem Bereich ausgewählt ist,
der 0,3 mm bis 3 mm umfasst. Die Dicke beschreibt die Wandstärke des
Formkörpers.
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Die
Dicke des Formkörpers
kann in Abhängigkeit
der angelegten Spannung ausgewählt
werden. Somit kann in Abhängigkeit Ausmaße des Formkörpers und
damit in Abhängigkeit
des Abstands des Innenrohrs von dem Außenrohr, die die Elektroden darstellen,
der ohmsche Widerstand in dem Formkörper eingestellt werden.
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Das
Außenrohr,
das Innenrohr und der Formkörper
können
zusammen zu einem Durchmesser des Funktionsmoduls führen, der
aus einem Bereich ausgewählt
ist, der 1 mm bis 50 mm umfasst. Der Durchmesser des Funktionsmoduls
umfasst dabei einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser.
Beispielsweise kann der Innendurchmesser 1 mm betragen und einen
Außendurchmesser
von 3,6 mm ergeben, wenn die Wandstärke des Innenrohrs 0,3 mm,
des Formkörpers
0,5 mm und des Außenrohrs
0,5 mm sind. Bei den gleichen Wandstärken des Außenrohrs, des Innenrohrs und
des Formkörpers
kann beispielsweise auch der Außendurchmesser
des Funktionsmoduls 50 mm und der Innendurchmesser 47,4 mm sein.
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Der
Formkörper
des Funktionsmoduls kann ein keramisches Material enthalten, das
die Struktur Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3 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 Formkörper 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 Formkörpers
nicht beeinflusst werden.
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Dieses
Material kann eine Curietemperatur aufweisen, die einen Bereich
von –30°C bis 340°C umfasst.
Das Material des Formkörpers
kann weiterhin einen Widerstand bei 25°C aufweisen, der in einem Bereich
von 3 Ω cm
bis 30000 Ω cm
liegt.
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Es
wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionsmoduls
mit den oben genannten Eigenschaften bereitgestellt. Das Verfahren
umfasst die Verfahrensschritte
- A) Bereitstellen
eines Außenrohrs
mit einer ersten Stirnseite und einer Innenfläche und eines Innenrohrs mit
einer ersten Stirnseite und einer Mantelfläche,
- B) Spritzgiessen oder Pressen zumindest eines Formkörpers, der
eine Form aufweist, die an die Innenfläche des Außenrohrs und an die Mantelfläche des
Innenrohrs angepasst ist,
- C) Sintern des Formkörpers,
- D) Anordnen des Formkörpers
in dem Außenrohr, und
- E) Anordnen des Innenrohrs in dem Formkörper,
- F) Anordnen der ersten Stirnseite des Innenrohrs und des Außenrohrs
auf einem elektrisch isolierenden Substrat, wobei das Innenrohr
den Formkörper
gegen die Innenfläche
des Außenrohrs presst.
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Dabei
wird im Verfahrensschritt B) der Formkörper unter Berücksichtigung
der Schwindung des Formkörpers
an die Innenfläche
des Außenrohrs
angepasst. Je nach Zusammensetzung des Materials für den Formkörper kann
während
des Sinterns im Verfahrensschritt C) eine Schwindung des Volumens des
Formkörpers
auftreten. Somit wird im Verfahrensschritt B) ein Formkörper spritzgegossen
oder gepresst, der vor dem Sintern eine Form aufweist, die für die Innenfläche des
Außenrohrs und
die Mantelfläche
des Innenrohrs, an die der Formkörper
angepasst wird, zu groß ist
und nach dem Sintern an die Innenfläche und die Mantelfläche angepasst
ist.
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Damit
ist eine große
thermische und elektrische Kontaktfläche zwischen dem Formkörper und dem
Innenrohr und dem Formkörper
und der Innenfläche
des Außenrohrs
gewährleistet.
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Weiterhin
wird im Verfahrensschritt B) für
die Herstellung des Formkörpers
ein keramisches Ausgangsmaterial bereitgestellt, das ein keramisches Füllmaterial
der Struktur Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3 und
eine Matrix aufweist.
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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.
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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 Formkörper spritzgegossen
oder gepresst werden.
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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.
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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
aufweisen.
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Während des
Sinterns im Verfahrensschritt C) wird das keramische Ausgangsmaterial
in das Material des Formkörpers,
das einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands
aufweist, überführt.
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In
den Verfahrensschritten D) und E) wird der Formkörper zwischen der Innenfläche des
Außenrohrs
und der Mantelfläche
des Innenrohrs durch Klemmkraft fixiert.
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Durch
das Anordnen des Innenrohrs und des Außenrohrs auf dem elektrisch
isolierenden Substrat im Verfahrensschritt F) wird eine kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr erzeugt.
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Es
wird weiterhin die Verwendung des Funktionsmoduls als Heizmodul
in einem Heizsystem oder als Überlastschutzmodul
in einem Schaltungssystem bereitgestellt.
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Damit
wird ein Heizmodul, das beispielsweise als Durchlauferhitzer oder
als Verbindungselement in einem Heizsystem verwendet werden kann, bereitgestellt,
das effizient ein Medium, das durch Innenrohr und/oder um das Außenrohr
herum geleitet wird, erhitzt. Durch Anlegen einer Spannung an den Formkörper erwärmt sich
dieser aufgrund seines positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstands, und kann diese Wärme
an Innenrohr und das Außenrohr
abgeben. Dabei weist der Formkörper
ein selbstregulierendes Verhalten auf. Erreicht die Temperatur in
dem Formkörper
einen kritischen Wert, steigt auch der Widerstand in dem Formkörper, so
dass weniger Strom durch den Formkörper fließt. Damit wird ein weiteres
Aufheizen des Formkörpers verhindert,
womit keine zusätzliche
elektronische Regelung der Heizleistung bereitgestellt werden muss. Mit
diesem Heizmodul kann das durch das Innenrohr und/oder um das Außenrohr
geleitete Medium mittelbar durch den Formkörper erhitzt werden. Das Heizmodul
kann ebenso zur Erwärmung
von in dem Innenrohr und/oder außerhalb des Außenrohrs
angeordneten Bauteilen verwendet werden.
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Durch
die Verwendung eines formschlüssig an
die Innenfläche
des Außenrohrs
und an die Mantelfläche
des Innenrohrs angeordneten Formkörpers wird es möglich, den
Wirkungsgrad des Heizmoduls im Vergleich zu herkömmlichen Heizmodulen zu verbessern,
da eine großflächige thermische
und elektrische Kontaktierung zwischen dem Formkörper und dem Innenrohr und
dem Formkörper
und dem Außenrohr
bereitgestellt wird und somit ein günstiges Oberflächen-Volumenverhältnis vorliegt.
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Weiterhin
besteht kein direkter Kontakt zwischen dem von dem Innenrohr und/oder
um das Außenrohr
geleiteten, zu beheizenden Medium oder dem in dem Innenrohr und/oder
außerhalb
des Außenrohrs
angeordnetem Bauteil und dem Formkörper. Damit kann vermieden
werden, dass der Formkörper durch
ein zu beheizendes Medium korrosiv angegriffen oder durch das Medium
gelöst
wird, und/oder dass das Material des Formkörpers das zu erhitzende Medium
oder das zu erhitzende Bauteil kontaminiert.
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Zur
Beheizung von außerhalb
des Außenrohrs
angeordneten Bauteilen kann die Kontaktfläche zwischen der Mantelfläche des
Innenrohrs und dem Formkörper
geringer sein als die Kontaktfläche
zwischen dem Formkörper
und der Innenfläche
des Außenrohrs.
Weiterhin kann die Dicke des Innenrohrs geringer sein als die Dicke
des Außenrohrs.
Damit wird eine stärker
nach außen
gerichtete Wärmesenke
gebildet, die eine hohe Wärmeabfuhr
durch das Außenrohr
hindurch bewirkt, während
durch das Innenrohr hindurch weniger Wärme abgeführt wird. Solch ein Heizmodul
kann beispielsweise als Heizpatrone eingesetzt werden.
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Weiterhin
kann ein Überlastschutzmodul
in Schaltsystemen bereitgestellt werden, in denen hohe Ströme fließen. Durch
die oben beschriebene Ausformung des Innenrohrs, des Formkörpers und
des Außenrohrs
wird ein großer
Querschnitt des Formkörpers
erzielt, der zu niedrigen Widerständen für einen geringen Spannungsabfall über den
Formkörper führt. Gleichzeitig
wird eine geringe und Platz sparende Bauweise des Moduls realisiert.
Somit kann eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen mit hohen Stromverbrauchen,
bei denen ein Überlastschutz
gefordert ist, mit einem reversiblen, selbstregelnden Überlastschutzmodul,
das einen PTC-Formkörper enthält, ausgestattet
werden, auch wenn nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht.
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Anhand
der Figuren und Ausführungsbeispiele
sollen die beschriebenen Gegenstände
noch näher
erläutert
werden:
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts des Funktionsmoduls,
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2 zeigt
eine schematische dreidimensionale Vorderansicht des Funktionsmoduls,
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3 zeigt
eine schematische dreidimensionale Rückansicht des Funktionsmoduls.
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Die 1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts des Funktionsmoduls.
Zwischen dem Außenrohr 10 und
dem Innenrohr 30 ist zumindest ein Formköper 20 angeordnet.
In der 1 sind beispielhaft zwei hintereinander angeordnete
Formkörper 20 gezeigt,
es kann jedoch auch nur ein Formkörper 20 oder auch
mehr als zwei Formkörper
hintereinander zwischen dem Innenrohr 30 und dem Außenrohr 10 angeordnet
werden.
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Der
Formkörper 20 umfasst
eine Keramik mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstands und enthält
ein Material mit der Struktur Ba1-x-yMxDyTi1-abNaMnbO3.
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Das
Außenrohr 10 ist
mit einem Kontaktelement 15 elektrisch leitend verbunden
und das Innenrohr 30 ist mit einem Kontaktelement 35 elektrisch
leitend verbunden. Die Kontaktelemente 15 und 35 ragen
getrennt voneinander durch ein elektrisch isolierendes Substrat 40 hindurch,
so dass sie extern an eine Stromquelle angeschlossen werden und
gleichzeitig ein Kurzschluss zwischen Innenrohr 30 und
Außenrohr 10 vermieden
werden kann. Das Außenrohr 10 und
das Innenrohr 30 sind dabei aus Metallen oder Metalllegierungen
ausgeformt und dienen als Elektroden für den Formkörper 20.
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Das
Funktionsmodul kann beispielsweise als Heizmodul ausgeformt sein.
Dann wird innerhalb des Innenrohrs 30 und/oder außerhalb
des Außenrohrs 10 ein
Medium geleitet, das mittelbar durch den PTC-Effekt des Formkörpers 40 bei
Anlegen einer Spannung erhitzt wird. Das Funktionsmodul 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 15 und 35 ein Stromfluss in dem
Formkörper 20 erzeugt
wird.
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Das
Innenrohr 30 und das Außenrohr 10 weisen
jeweils eine erste Stirnseite 50 und eine zweite Stirnseite 60 auf.
Der Übersichtlichkeit
halber sind in den 1 bis 3 die ersten
auf der gleichen Seite des Funktionsmoduls liegenden ersten Stirnseiten des
Innenrohrs und des Außenrohrs
mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. Ebenso wird den zweiten
Stirnseiten verfahren.
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Das
Innenrohr weist eine Mantelfläche
auf, die so ausgeformt ist, dass der Durchmesser des Innenrohrs
auf der ersten Stirnseite 50 größer ist, als an der zweiten
Stirnseite 60. Genauso ist der Durchmesser an der ersten
Stirnseite 50 der Innenfläche des Außenrohrs größer als der Durchmesser an
der zweiten Stirnseite der Innenfläche ausgeformt. Weiterhin ist
in der Mantelfläche
des Innenrohrs 30 ein Spalt 70 vorhanden (hier
nicht gezeigt), und das Innenrohr 30 federnd ausgeformt.
Weiterhin wird durch das elektrisch isolierende Substrat 40 eine
kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Innenrohr 30 und dem Außenrohr 10 erzeugt.
Damit kann der Formkörper 20 durch
das Innenrohr 30 in das Außenrohr 10 gepresst
werden. Dadurch entsteht eine dauerhafte, nicht starre Klemmkontaktierung,
die keinerlei Klebverbindungen oder zusätzliche Bauteile benötigt, so
dass eventuelle Ausdehnungen der verschiedenen Materialien ausgeglichen
werden können, ohne
dass mechanische Spannungen in dem Funktionsmodul auftreten.
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2 zeigt
eine schematische dreidimensionale Vorderansicht des Funktionsmoduls.
Hier ist der Spalt 70 der Mantelfläche des Innenrohrs 30 zu
sehen, der zu der Klemmkraft des Innenrohrs 30 führt. Weiterhin
sind die Kontaktelemente 15 und 35 gezeigt, die
beispielhaft als Bleche mit Anschlussfahnen ausgeformt sind.
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In 3 ist
die zu 2 analoge Rückansicht
des Funktionsmoduls in dreidimensionaler schematischer Ansicht gezeigt.
Hier stehen im Vordergrund die Kontaktelemente 15 und 35,
die mit handelsüblichen
Flachsteckern oder Crimp-Anschlüssen verbindbar
sind. Die in dem Außenrohr 10 befindlichen
Formkörper 20 sind
nicht zu sehen. An der ersten Stirnseite 50 ist innerhalb
des Funktionsmoduls ein Teil des Innenrohrs 30 zu sehen.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Außenrohr
- 15
- Kontaktelement
- 20
- Formkörper
- 30
- Innenrohr
- 35
- Kontaktelement
- 40
- elektrisch
isolierendes Substrat
- 50
- erste
Stirnseite
- 60
- zweite
Stirnseite
- 70
- Spalt