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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizung, die mindestens einen Heizkörper mit mindestens einer Kontaktfläche und mindestens ein elektrisches Widerstandselement, das zwischen der Kontaktfläche und einer Gegenkontaktfläche eines verlagerbar zu dem Heizkörper angeordneten Halteelements angeordnet ist, aufweist, wobei das Halteelement mit einer Anpresskraft gegen das Widerstandselement gedrückt wird, um dieses an dem Heizkörper zu halten.
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Stand der Technik
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Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden insbesondere elektrische Widerstandselemente, beispielsweise PTC(Positive Temperature Coefficient, Kaltleiter)-Elemente, in einem Heizkörper verbaut. PTC-Elemente erwärmen sich bei einer Zufuhr von elektrischer Energie. Mit einer steigenden Temperatur des PTC-Elements nimmt dessen elektrischer Widerstand zu, wobei die elektrische Leistungsaufnahme des PTC-Elements bei einer Annäherung an eine maximale Temperatur und einen damit verbundenen maximalen elektrischen Widerstand sinkt. Aufgrund dessen wird das PTC-Element als selbstregelndes Heizelement eingesetzt, welches vor einer Überhitzung schützt. Der Heizkörper ist üblicherweise ein metallischer Hohlkörper, der einen Teil der von dem PTC-Element zugeführten Wärme aufnimmt und an eine Umgebung, beispielsweise Luft, überträgt. Zur Kontaktierung und Befestigung des PTC-Elements an dem Heizkörper werden üblicherweise elektrisch leitende Materialien, insbesondere Metallbauteile, verwendet. Es ist bekannt, dass diese eine effiziente Wärmeübertragung von dem PTC-Element zu dem Heizkörper ermöglichen. Das PTC-Element ist üblicherweise auf einer wärmeaufnehmenden Kontaktfläche des Heizkörpers angeordnet und durch eine Gegenkontaktfläche zumindest eines Halteelements gegen die Kontaktfläche des Heizkörpers angepresst. Dadurch ergeben sich bei nicht exakt planer Kontaktfläche und/oder Gegenkontaktfläche Bereiche, an denen kein direkter Berührungskontakt und damit kein Wärmeaustausch stattfindet. Fließt Wärme nicht gleichmäßig von dem PTC-Element zu dem Heizkörper, so kann das PTC-Element bereichsweise eine höhere Temperatur annehmen, wodurch der elektrische Strom reduziert wird und die maximale Leistung sinkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anpresskraft zumindest bereichsweise so weit erhöht wird, dass das Widerstandselement in zumindest zwei Bruchstücke bricht. Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 hat den Vorteil, dass durch ein Brechen beziehungsweise Zerkleinern des elektrischen Widerstandselements die Fläche des elektrischen Widerstandselements, die mit dem Heizkörper in thermischem Berührungskontakt steht, vergrößert wird. Damit wird insbesondere eine gleichmäßige Wärmeübertragung von dem elektrischen Widerstandselement zu dem Heizkörper ermöglicht. Freie Räume oder Spalte, die zwischen dem elektrischen Widerstandselement und der Kontaktfläche des Heizelements liegen, werden durch den Bruch des Widerstandselements besser ausgefüllt. Durch die Verteilung der gebrochenen Teile des Widerstandselements zwischen der Kontaktfläche und der Gegenkontaktfläche wird eine größere Berührungskontaktfläche der elektrischen Widerstandselemente mit der Kontaktfläche erreicht. Somit weist das elektrische Widerstandselement im Wesentlichen eine verbesserte Temperaturverteilung auf. Die elektrische Heizung wird somit effizienter, indem mehr elektrische Energie, die für die Erwärmung des Widerstandselements eingesetzt wird, auch an den Heizkörper weiter geleitetet wird. Um das elektrische Widerstandselement zu brechen werden die ansonsten störenden, insbesondere fertigungsbedingten Unebenheiten an Kontaktfläche und/oder Gegenkontaktfläche ausgenutzt. Somit entsteht ein Bruch, der auf den Heizkörper individuell angepasst wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche mit wenigstens einem Brechvorsprung versehen oder hergestellt wird. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass hierdurch ein gezieltes Brechen ermöglicht, insbesondere vereinfacht wird. Insbesondere wird das elektrische Widerstandselement so gebrochen, dass die Verteilung der gebrochenen Teile gleich oder nahezu gleich ist. Der Brechvorsprung ist beliebig auf der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche anordenbar. In Abhängigkeit des Bereichs, welcher unter der Anpresskraft bevorzugt brechen soll, wird eine Position des Brechvorsprungs gewählt. Optional können auch mehrere Brechvorsprünge auf der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche angebracht werden. Der Brechvorsprung weist bevorzugt eine scharfe, insbesondere spitz zulaufende Kante auf, um den Anpressdruck auf das elektrische Widerstandselement an der Soll-Bruchstelle zu maximieren. Der Brechvorsprung ist vorzugsweise einstückig an der Kontaktfläche oder der Gegenkontaktfläche ausgebildet. Der Brechvorsprung oder eine Vielzahl von Brechvorsprüngen können beispielsweise durch eine Fräsung in der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche angebracht werden. Dabei sind die Brechvorsprünge bevorzugt stegförmig angeordnet. Dadurch wird es beispielsweise möglich, parallel angeordnete Brechvorsprünge anzubringen. Bevorzugt ist der jeweilige Brechvorsprung an der Kontaktfläche oder der Gegenkontaktfläche durch eine von der ansonsten im Wesentlichen ebenen Kontaktfläche beziehungsweise Gegenkontaktfläche vorstehenden Erhebung gebildet. Alternativ oder zusätzlich dazu sind Brechvorsprünge vorzugsweise durch eine oder mehrere, insbesondere benachbarte Vertiefungen in der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche gebildet, vorzugsweise durch eine Bohrung, Fräsung und/oder Ätzung in die Kontaktfläche und/oder in Gegenkontaktfläche eingebracht. Dadurch bilden sich an den Rändern der jeweiligen Vertiefung Brechvorsprünge heraus, zwischen denen die jeweilige Vertiefung liegt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anpresskraft nur bereichsweise erhöht wird, bis das Widerstandselement bricht. Der Vorteil hierbei ist, dass gezielt gesteuert wird, welche Bereiche der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche aneinander angepresst und damit, welche Bereiche des elektrischen Widerstandselements gebrochen werden sollen. Die Anpresskraft wird beispielsweise durch eine Vorrichtung erzeugt, welche auf die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche wirkt und dabei beispielsweise Anpresselemente aufweist, die entlang einer Auflagefläche der Vorrichtung auf der Kontaktfläche und/oder Gegenkontaktfläche angeordnet sind. Damit wird sowohl die thermische Kontaktierung als auch der Anpressdruck zur Zerkleinerung des elektrischen Widerstandselements erzeugt. Damit die Vorrichtung bereichsweise die Anpresskraft ausübt, sind die Anpresselemente insbesondere als einzeln steuerbare Druckstangen, die senkrecht zu der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche angeordnet sind, ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Anpresskraft in unterschiedlichen Bereichen nacheinander erhöht wird, sodass das Widerstandselement in diesen Bereichen nacheinander gebrochen wird. Dadurch wird das elektrische Widerstandselement gezielt nacheinander an verschiedenen Stellen gebrochen. Die Anpresskraft wirkt dabei beispielsweise gleichzeitig auf zwei verschiedene Bereiche der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche. Nach dem Bruch des elektrischen Widerstandselements in diesen zwei Bereichen wird an einer anderen Stelle die Anpresskraft erhöht. So wird es möglich, dass ein schon gebrochener Bereich des elektrischen Widerstandselements erneut einer Anpresskraft ausgesetzt und erneut gebrochen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche durch jeweils ein Kontaktelement gebildet werden, das insbesondere eine höhere Elastizität als der Heizkörper beziehungsweise das Haltelement aufweist. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass somit die Herstellung der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche vereinfacht wird, weil das Kontaktelement als separates Teil hergestellt und an der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche angebracht wird. So wird insbesondere Material, welches bevorzugte Eigenschaften wie beispielsweise eine bestimmte Materialhärte oder eine elastische Verformbarkeit aufweisen muss, sparsam verwendet. Durch die bevorzugt erhöhte Elastizität passt sich bei einer Bewegung der Kontaktfläche in Richtung der Gegenkontaktfläche die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche an die Kontur des elektrischen Widerstandelements an. Somit vergrößert sich die Berührungskontaktfläche des elektrischen Widerstandselements, die an den Kontaktflächen und/oder Gegenkontaktflächen anliegt, weiter, was wiederum eine verbesserte Wärmeübertragung gewährleistet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das jeweilige Kontaktelement aus einem elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Material gefertigt wird. Der Vorteil hierbei ist, dass somit die Übertragung von elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie zusätzlich verbessert und effizienter wird. Die elektrische Energie wird beispielsweise von dem Kontaktelement an das elektrische Widerstandselement übertragen, um es zu betreiben. Beispielsweise ist das Kontaktelement aus Metall oder auch aus elektrisch und/oder thermisch leitendem Kunststoff gefertigt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das jeweilige Kontaktelement mit einer kammförmigen Anpressgeometrie, welche die Brechvorsprünge bildet, ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass parallel verlaufende Bruchlinien erzeugt werden. Bevorzugt übt die kammförmige Anpressgeometrie nur bereichsweise einen Anpressdruck auf das elektrische Widerstandselement aus, um ein gezieltes Brechen zu gewährleisten. Weiterhin vorteilhaft ist, dass das elektrische Widerstandselement zunächst durch die bevorzugt elastische Verformbarkeit des Kontaktelements in dieses eingedrückt wird und anschließend, wenn eine mechanische Belastung auf das elektrische Widerstandselement zu groß wird, dieses von den Brechvorsprüngen gezielt gebrochen wird. Die Berührungskontaktfläche des elektrischen Widerstandselements, die mit dem Kontaktelement in elektrischer und/oder thermischer Wirkverbindung steht, wird demnach maximiert.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Anpresskraft durch eine Klemmeinrichtung und/oder durch eine elektromagnetische Pulsumformung erzeugt wird. Dadurch wird insbesondere dafür gesorgt, dass die Anpresskraft auf das elektrische Widerstandselement gleichmäßig übertragen wird. Die Klemmeinrichtung kann beispielsweise mit einer einstellbaren, konstanten Kraft auf das Halteelement drücken. Bei Bedarf wird die Anpresskraft durch die Klemmeinrichtung kontinuierlich oder zumindest schrittweise erhöht, um für ein Brechen des Widerstandselements zu sorgen. Nach einem erfolgten Bruch kehrt die Klemmeinrichtung in einen Zustand zurück, wo sie mit dem einstellbaren Anpressdruck auf das Halteelement drückt. Alternativ verbleibt die Klemmeinrichtung in dem Zustand, in dem sie den Bruch des elektrischen Widerstandselements erzeugt hat. Optional wird die Klemmeinrichtung an dem Heizkörper und/oder Halteelement verschraubt. Indem beispielsweise der Anpressdruck der Klemmeinrichtung mit einem Festziehen der Verschraubung vergrößert und mit einem Lösen der Verschraubung verkleinert wird, wird dadurch ein gezieltes Einstellen der Anpresskraft ermöglicht. Durch die elektromagnetische Pulsumformung wird eine individuelle Verformung der einzelnen Bereiche der Kontaktfläche und/oder der Gegenkontaktfläche als auch des elektrischen Widerstandselements erreicht. Für das elektromagnetische Pulsumformen ist es nötig, dass die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche als auch das elektrische Widerstandselement aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. So können beispielsweise vorab das elektrische Widerstandselement und das Kontaktelement berührungslos aufeinander gepresst werden. Dazu werden insbesondere eine elektrische Spule benötigt und ein leistungsstarkes, gepulstes Magnetfeld benötigt. Die Anpressung lässt sich dann ohne einen mechanischen Kontakt zwischen dem elektrischen Widerstandselement und dem Kontaktelement durchführen. Das Magnetfeld wirkt bei der elektromagnetischen Pulsumformung ungehindert durch das Material des Heizkörpers und/oder des Halteelements. Somit wird es möglich, eine größtmögliche Oberfläche des elektrischen Widerstandselements zu erhalten, die an die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche aufgepresst ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Widerstandselement ein PTC-Element verwendet wird. Die Vorteile des PTC-Elements wurden bereits zuvor erläutert.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizung mit mindestens einem Heizkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass das Widerstandselement in zumindest zwei Bruchstücke durch eine erhöhte Anpresskraft gebrochen ist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizung mit wenigstens einem Heizkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktfläche und/oder die Gegenkontaktfläche jeweils wenigstens ein Brechvorsprung aufweisen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer elektrischen Heizung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
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2 die elektrische Heizung in einer vereinfachten Draufsicht,
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3 die elektrische Heizung gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten Schnittdarstellung und
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4 das vorteilhafte Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten Draufsicht.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine elektrische Heizung 1, die einen Heizkörper 2 mit einer Kontaktfläche 3, ein Halteelement 4 mit einer Gegenkontaktfläche 5 und ein gestrichelt dargestelltes elektrisches Widerstandselement 6, insbesondere ein PTC-Element, aufweist. Das PTC-Element 6 ist zur Übertragung von Wärme insbesondere auf die Kontaktfläche des Heizkörpers 2 zwischen der Kontaktfläche 3 und der Gegenkontaktfläche 5 angeordnet. Das PTC-Element 6 ist bevorzugt als Platte oder Plattenelement ausgebildet, wobei sich eine Plattenebene zumindest im Wesentlichen parallel zu der Kontaktfläche 3 und der Gegenkontaktfläche 5 erstreckt.
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Zum Betreiben des PTC-Elements 6 wird dieses beispielsweise durch einen elektrisch leitenden Kontakt mit der Kontaktfläche 3 mit elektrischer Energie versorgt. Mit einer Zufuhr von elektrischer Energie erwärmt sich das PTC-Element 6. Mit steigender Temperatur des PTC-Elements 6 nimmt dessen elektrischer Widerstand zu. Sobald sich das PTC-Element 6 einer maximalen Temperatur und damit einem maximalen Widerstand nähert, sinkt dessen elektrische Leistungsaufnahme.
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Auf die Außenseite 28 des Heizelements 2 und die Außenseite 29 des Halteelements 4 wirkt eine Anpresskraft, die die Kontaktfläche 3 und die Gegenkontaktfläche 5 gegeneinander drückt und in 1 mit einem Pfeil dargestellt ist. Die Kontaktfläche 3 und/oder die Gegenkontaktfläche 5 weisen mehrere Unebenheiten auf, die Brechvorsprünge 7 bilden.
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Um die Anpresskraft zu erzeugen wird beispielsweise eine hier nicht dargestellte Vorrichtung verwendet, welche entlang der Außenseiten 28 und 29 insbesondere in Form einer Klemmeinrichtung angeordnet ist und entlang der Außenseiten 28 und 29 einzeln steuerbare Anpresselemente aufweist. Durch die dabei erzeugte Anpresskraft wird das PTC-Element 6 sicher an dem Heizkörper 2 gehalten.
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Durch die Anpresselemente wird die Anpresskraft gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gleichmäßig auf das PTC-Element 6 aufgebracht. Dabei wird die Anpresskraft so lange beziehungsweise so weit erhöht, bis das PTC-Element 6 an wenigstens einer Stelle bricht. Vorliegend wird dabei das PTC-Element 6 in vier Bruchstücke 8, 9, 10, 11 zerkleinert.
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Optional ist es vorgesehen, dass die Anpresskraft nur bereichsweise erhöht wird, indem beispielsweise nur eines der Anpresselemente betätigt wird. Indem die Anpresskraft beispielsweise nur auf den Bereich 37 erhöht wird, werden im Wesentlichen nur die Bruchstücke 8, 9 erzeugt, während das restliche PTC-Element 6 ungebrochen vorliegt. Anschließend ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Anpresskraft in dem Bereich 38 über die Haltekraft hinaus erhöht wird, so dass dabei die Bruchstücke 10 und 11 erzeugt werden. Somit wird hierbei das PTC-Element 6 in unterschiedlichen Abschnitten nacheinander gebrochen, wodurch sich vorteilhafte Bruchmuster ergeben können.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Anpresskraft gleichzeitig an zumindest zwei verschiedenen Bereichen der Kontaktfläche 3 und der Gegenkontaktfläche 5 erhöht wird. Damit wird gezielt gesteuert, welche Bereiche der Kontaktfläche 3 und/oder der Gegenkontaktfläche 5 aufeinander aufgepresst werden sollen und damit, welche Bereiche des PTC-Elements 6 gebrochen werden sollen.
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Vorteilhaft ist, dass somit die Fläche des PTC-Elements 6, die mit der Kontaktfläche 3 des Heizkörpers 2 in thermischem Berührungskontakt steht, also die Berührungskontaktfläche, vergrößert wird. Dadurch wird insbesondere die Wärmeübertragung von dem PTC-Element 6 zu dem Heizkörper 2 verbessert. Dies erhöht somit den Wirkungsgrad der elektrischen Heizung 1, weil die elektrische Energie, die für die Erwärmung des PTC-Elements 6 eingesetzt wird, effizienter an den Heizkörper 2 übertragen wird.
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2 zeigt die elektrische Heizung 1 in einer vereinfachten Draufsicht. Die 2 weist den Heizkörper 2 und das Haltelement 4 auf. Zwischen diesen ist, gestrichelt dargestellt, das PTC-Element 6 angeordnet. Das PTC-Element 6 weist an den Stellen, an denen es gebrochen wurde, Bruchkanten 13, 14, 15 auf. Diese sind vorliegend wellig und ungleichmäßig ausgebildet. Die Bruchkanten 13, 14, 15 verlaufen im Wesentlichen so, wie es ihnen von den Brechvorsprüngen 7 vorgegeben wird.
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3 zeigt die elektrische Heizung 1 gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten Draufsicht. Die Kontaktfläche 3 des Heizelements 2 weist hierbei Bruchvorsprünge 7 in Form einer kammförmigen Anpressgeometrie 16 auf. Die Bruchvorsprünge 7 sind vorliegend so ausgebildet, dass sie beispielsweise als durch eine Fräsung parallel zueinander liegende Stege bzw. Kämmzähne 17 in die Gegenkontaktfläche 2 eingearbeitet werden.
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Der Vorteil hierbei ist, dass im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel in 2 die Brechvorsprünge 7 gezielt angebracht sind, um beispielsweise eine gleiche oder nahezu gleiche Verteilung der gebrochenen Teil des PTC-Elements 6 zu erhalten. So werden vorliegend nahezu parallel verlaufende Bruchkanten 18, 19, 20, 21 in dem PTC-Element 6 erzeugt.
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Die Brechvorsprünge 7 weisen bevorzugt scharfe, insbesondere spitz zulaufende Anpresskanten auf, um den Anpressdruck auf das PTC-Element 6 an der Stelle, an der der Bruch erfolgt, zu maximieren.
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4 zeigt das vorteilhafte Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten Schnittdarstellung, wobei das PTC-Element 6 zwischen dem Heizkörper 2 und dem Haltelement 4 in einem durch die ausgeübte Anpresskraft gebrochenen Zustand vorliegt.
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Die Kontaktfläche 2 weist hierbei Bruchvorsprünge 7 in Form der kammförmigen Anpressgeometrie 16 auf. Die kammförmige Anpressgeometrie 16 ist in Form eines Kontaktelements 22 ausgebildet, welches vorzugsweise stoffschlüssig an die Kontaktfläche 3 angebracht wird, beispielsweise durch Schweißen oder durch ein Beschichtungsverfahren.
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Das Kontaktelement 22 ist bevorzugt aus einem elektrisch und/oder thermisch leitfähige n, insbesondere weiche n Material gefertigt, um die Übertragung von elektrischer und/oder thermischer Energie zusätzlich zu verbessern. Zusätzlich weist das Kontaktelement 22 bevorzugt eine höhere Elastizität auf als der Heizkörper 2. Dazu ist das Kontaktelement 22 beispielsweise aus Aluminium oder einem leitfähigen Kunststoff gefertigt.
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Durch die höhere Elastizität des Kontaktelements 22 wird bei einem Anpressen der Kontaktfläche 3 auf die Gegenkontaktfläche 5 sowohl das PTC-Element 6 gebrochen, als auch die einzelnen Bruchstücke 31 bis 34 des PTC-Elements 6 in die Kammzähne 17 eingeschoben, so dass sich die Kammzähne 17 deformieren und sich der Kontur der Bruchstücke 31 bis 34 anpassen. Damit wird insbesondere die Fläche des PTC-Elements 6, die in thermischem Berührungskontakt mit dem Heizkörper 2 steht, vergrößert, wodurch sich die Effizienz der Wärmeübertragung verbessert.
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Gemäß einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden Brechvorsprünge 7 zusätzlich oder alternativ durch die eine jeweilige Vertiefung begrenzenden Seitenränder einer oder mehrerer benachbarter Vertiefungen in der Kontaktfläche 3 und/oder der Gegenkontaktfläche 5 gebildet. Das PTC-Element 6 liegt dann so auf den Seiten- beziehungsweise Außenrändern der jeweiligen Vertiefung auf, dass es die Vertiefungen überbrückt. Sobald eine Kraft auf das aufliegende PTC-Element 6, beispielsweise im Bereich der Vertiefung der Kontaktflächen 3 durch die Gegenkontaktfläche 3, die dort insbesondere zumindest einen Brechvorsprung 7 aufweist, ausgeübt wird, bricht es insbesondere mittig.
