DE102016107043B4

DE102016107043B4 - Heizstab mit Nickel plattiertem Kontaktblech

Info

Publication number: DE102016107043B4
Application number: DE102016107043.2A
Authority: DE
Inventors: Anthony Maher; Thomas O'Carroll; Kevin Dukes
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-16
Also published as: DE102016107043A1; US11197349B2; CN107360638B; CN107360638A; US20170303339A1

Abstract

Heizstab miteinem keramischen Heizelement (2),einem streifenförmigen Kontaktblech (3), undeinem Gehäuse (1), in dem das Heizelement (2) und das Kontaktblech (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dassdas Kontaktblech (3) mit Nickel überzogen ist,das Kontaktblech (3) mit Schlitzen (5) versehen ist, die von einem Längsrand des Kontaktblechs (3) ausgehen, wobei die Schlitze (5) sich jeweils über wenigstens zwei Drittel der Breite des Kontaktblechs (3) erstrecken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizstab. Ein Heizstab gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2012 107 113 A1 bekannt. Ein ähnlicher Heizstab ist aus US 2011 / 0 031 228 A1 bekannt. Derartige Heizstäbe können beispielsweise zum Beheizen des Innenraums von Fahrzeugen verwendet werden.
Insbesondere bei Hochspannungsanwendungen ist ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktblech eines Heizstabs und dem Heizelement oder den Heizelementen wünschenswert. Elektrische Kontakte neigen dazu, sich wegen Korrosion oder Oxidation zu verschlechtern. Zudem sind keramische Heizelemente, insbesondere PTC-Heizelemente auf Basis von Bariumtitanat, anfällig für eine Widerstandsdrift auf Grund einer Diffusion von Eisenatom aus dem Kontaktblech in das Heizelement. Spuren von Eisen sind in vielen Metallen und Legierungen vorhanden, beispielsweise in Kupferblechen, sodass solche Kontaktbleche zu Problem mit Heizelementen führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es aufzuzeigen, wie diese Nachteile überwunden werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Heizstab gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das Überziehen der Kontaktbleche von Heizstäben mit Zinn oder Nickel schützt zuverlässig vor Korrosion und Oxidation. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen einem Kontaktblech und einem keramischen Heizelement gewährleistet werden, beispielsweise einem PTC-Heizelement auf Basis von Bariumtitanat. Zudem verhindert eine Zinn- oder Nickelbeschichtung, dass Spuren von Eisen aus dem Kontaktblech in das Heizelement eindiffundieren. Dies ist ein wichtiger Vorteil, weil selbst Spuren von Eisen eine Widerstandsverschiebung in keramischen Heizelementen, beispielsweise PTC-Heizelementen, beispielsweise PTC-Heizelementen auf Basis von Bariumtitanat, bewirken können.
Zinnüberzüge sind nachteilig, da diese bei Temperaturen oberhalb von 200 °C knackende Geräusche erzeugen. Dies liegt daran, dass Zinn bei 232 °C schmilzt und unterhalb dieser Temperatur weich wird. Thermische Ausdehnung der Zinnschicht auf dem Kontaktblech verursacht das knackende Geräusch, was für viele Anwendungen unerwünscht ist, wie beispielweise in Fahrzeugen, wo das Geräusch von dem Fahrer gehört werden könnte. Nickel schmilzt bei einer wesentlich höheren Temperatur und hat deshalb diesen Nachteil nicht.
Durch Gebrauch von Nickel plattierten Kontaktblechen gewährleistet die vorliegende Erfindung somit einen zuverlässigen elektrischen Kontakt ohne unerwünschte Geräusche zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kontaktblech aus Kupfer ist. Kupfer hat eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Zudem sind Nickelüberzüge auf Kupferblechen sehr dauerhaft.
Der Nickelüberzug kann auf das Kontaktblech durch galvanische Abscheidung aufgebracht werden. Auf diese Weise können sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite mit einem Nickelüberzug versehen werden. Es ist wirtschaftlicher, den Nickelüberzug auf beiden Seiten eines Kontaktblechs aufzubringen, obwohl er nur auf einer Seite benötigt wird.
Das wiederholte Erhitzen eines Heizstabs auf Temperaturen von etwa 200 °C oder mehr erzeugt erhebliche thermische Spannungen. Thermische Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Teile eines Heizstabs, insbesondere des Kontaktblechs und elektrischer Isolation oder anderer Teile, können mechanische Spannungen verursachen, die zu Rissen oder anderen Schäden führen. Indem das Kontaktblech mit Schlitzen versehen wird, die von einem Längsrand des Kontaktblechs ausgehen, können die Auswirkungen thermischer Ausdehnung reduziert werden, da die Schlitze in dem streifenförmigen Kontaktblech es diesem ermöglichen, sich leichter in seiner Längsrichtung auszudehnen oder zusammen zu ziehen. Folglich verursachen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kontaktblechs und anderer Teile des Heizstabs keine erheblichen mechanischen Spannungen mehr, welche den Heizstab schädigen könnten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass einige der Schlitze von einem ersten Längsrand des Kontaktblechs und einige der Schlitze von einem zweiten Längsrand des Kontaktblechs ausgehen. Wenn Schlitze von beiden Längsrändern des Kontaktblechs ausgehen, können thermische Spannungen besser eliminiert werden. Bevorzugt gehen die Schlitze abwechselnd von entgegen gesetzten Längsrändern des Kontaktblechs aus.
Die Schlitze können senkrecht zu der Längsrichtung des streifenförmigen Kontaktblechs ausgerichtet sein. Es ist auch möglich, dass die Schlitze schräg zur Längsrichtung des Kontaktblechs verlaufen.
Die Schlitze können unterschiedliche Formen haben. Beispielsweise können die Schlitze einfache rechteckige Einschnitte sein oder es können die Enden der Schlitze abgerundet sein. Bevorzugt werden die Schlitze von ihrem Ursprung an einem der Längsränder zu ihrem Ende hin enger.
Der Heizstab kann ein einzelnes keramisches Heizelement oder mehrere keramische Heizelemente enthalten. Das bzw. die keramischen Heizelemente können PTC Heizelemente sein, beispielsweise Heizelemente auf Basis von Bariumtitanat.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Heizstab mehrere keramische Heizelemente enthält. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn jeweils wenigstens einer der Schlitze zwischen jedem Abschnitt des Kontaktblechs, der ein Heizelement bedeckt, und einem anderen Abschnitt des Kontaktblechs, der ein benachbartes Heizelement bedeckt, angeordnet ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn zwei Schlitze, die von gegenüber liegenden Längsrändern des Kontaktblechs ausgehen, zwischen jedem Abschnitt des Kontaktblechs angeordnet sind, der eines der Heizelemente bedeckt, und einem anderen Abschnitt des Kontaktblechs, der ein benachbartes Heizelement bedeckt, angeordnet sind. Auf diese Weise beeinträchtigen die Schlitze die Kontaktflächen des Kontaktblechs mit den keramischen Heizelementen nicht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schlitze sich jeweils über wenigstens zwei Drittel der Breite des Kontaktblechs erstrecken. Bevorzugt erstrecken sich die Schlitze jeweils über wenigstens drei Viertel der Breite des Kontaktblechs. Grundsätzlich kann sich das Kontaktblech in seiner Längsrichtung umso leichter ausdehnen oder zusammenziehen, je länger die Schlitze sind. Schlitze, die sich über weniger als zwei Drittel der Breite des Kontaktblechs erstrecken, sind nicht sehr effektiv im Abbauen von thermischen Spannungen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die Schlitze jeweils höchstens über neun Zehntel der Breite des Kontaktblechs erstrecken. Je länger die Schlitze sind, desto weniger Material des Kontaktblechs ist zwischen dem Ende des Schlitzes und dem Längsrand vorhanden. Je länger folglich die Schlitze sind, desto größer ist der elektrische Widerstand des Kontaktblechs dort, wo seine effektive Breite durch die Schlitze reduziert ist. Wenn sich die Schlitze höchstens über neun Zehntel des Kontaktblechs erstrecken, ist der Gesamtwiderstand des Kontaktblechs immer noch niedrig genug, um einen effektiven Betrieb des Heizstabs zu ermöglichen.
Heizstäbe können ein einziges Kontaktblech enthalten, wenn das Gehäuse des Heizstabs auch zum elektrischen Kontaktieren des keramischen Heizelements bzw. der keramischen Heizelemente verwendet wird. Es ist auch möglich, einen Heizstab mit zwei Kontaktblechen auszustatten, zwischen denen das Heizelement oder die Heizelemente angeordnet sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel und die beigefügten Figuren erläutert.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Heizstabs in einer Explosionsansicht; und
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines geschlitzten Kontaktblechs eines Heizstabs.

Der in der beigefügten 1 dargestellte Heizstab weist mehrere keramische Heizelemente 1 auf, obwohl der Heizstab auch mit nur einem einzigen keramischen Heizelement 1 ausgerüstet sein könnte. Die keramischen Heizelemente sind Widerstandsheizelemente, die PTC Heizelemente sein können, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat.
Die Heizelemente 1 sind in einem Kunststoffrahmen 2 gehalten und werden von einem ersten streifenförmigen Kontaktblech 3 sowie einem zweiten streifenförmigen Kontaktblech 3 elektrisch kontaktiert. Wie man in der Figur sehen kann, sind die Heizelemente 1 zwischen den streifenförmigen Kontaktblechen 3 angeordnet. Die Kontaktbleche sind elektrisch von dem Gehäuse 6 durch Isolationsschichten 4a, 4b, beispielsweise eine Keramikschicht 4a und einer Kunststofffolie 4b, isoliert.
Die keramischen Heizelemente 1, der Kunststoffrahmen 2 und die Kontaktbleche 3 sind in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse ist ein Metallrohr, das aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil 6 gebildet ist. Das erste und das zweite Gehäuseteil 6 sind Profile, die einen offenen Querschnitt haben, beispielsweise einen U-förmigen Querschnitt. Der offene Querschnitt jedes Profils wird von dem anderen Profil geschlossen, wenn der Heizstab zusammengebaut wird. Das Gehäuse 6 kann auch einstückig ausgebildet sein.
Der in 1 dargestellte Heizstab weist zwei Kontaktbleche 3 auf, welche die Heizelemente 1 kontaktieren. Anstelle des zweiten Kontaktblechs 3 können die Heizelemente 1 auch über das Gehäuse 6 an Masse angeschlossen werden.
Das Kontaktblech bzw. die Kontaktbleche 3 sind aus Kupfer und tragen eine Nickel-Beschichtung. Die Nickel-Beschichtung kann durch galvanische Abscheidung aufgebracht werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktblechs 3 des in 1 gezeigten Heizstabs. Das streifenförmige Kontaktblech 3 ist mit Schlitzen 5 versehen, die auch als Einschnitte oder Kerben bezeichnet werden können. Wie man in 2 sehen kann, verlaufen die Schlitze von einer Vorderseite des Kontaktblechs 3 durchgehend bis zu dessen Rückseite. Die Schlitze 5 gehen von einem Längsrand des Kontaktblechs 3 aus und verlaufen quer zur Längsrichtung des Kontaktblechs 3. Die Schlitze 5 können senkrecht zu der Längsrichtung des Kontaktblechs 3 ausgerichtet oder schräg dazu sein.
Die Schlitze 5 bauen thermische Spannungen ab, die durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungen der verschiedenen Teile des Heizstabs bewirkt werden. Die Schlitze 5 ermöglichen es dem Kontaktblech 3, sich leicht in Längsrichtung auszudehnen oder zusammenzuziehen und so durch thermische Ausdehnung verursachte Spannungen abzubauen.
Die Schlitze 5 gehen abwechselnd von gegenüber liegenden Längsrändern des Kontaktblechs 5 aus. Beispielsweise sind ein Paar von Schlitzen 5, die von gegenüber liegenden Längsrändern des Kontaktblechs 3 ausgehen, zwischen einem Abschnitt des Kontaktblechs, der eines der Heizelemente 2 kontaktiert, und einem anderen Abschnitt des Kontaktblechs 3, der ein benachbartes Heizelement 2 kontaktiert, angeordnet.
Jeder Schlitz 5 sollte sich über wenigstens zwei Drittel der Breite des Kontaktblechs 3 erstrecken, beispielsweise über wenigstens drei Viertel der Breite des Kontaktblechs 3. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich jeder Schlitz 5 über wenigstens vier Fünftel der Breite des Kontaktblechs 5, obwohl kürzere Schlitze 5 ausreichen können.
Die Schlitze 5 sollten nicht zu lang sein, da dies den elektrischen Widerstand des Kontaktblechs 3 erhöhen würde. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Schlitze 5 jeweils über weniger als neun Zehntel der Breite des Kontaktblechs 3. Die Schlitze 5 können Einschnitte einer konstanten Breite sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Breite der Schlitze 5 von ihrem Ursprung bis zu ihrem Ende hin ab.
Bezugszeichenliste

1: Heizelemente
2: Kunststoffrahmen
3: Kontaktblech
4a: Isolationsschicht
4b: Isolationsschicht
5: Schlitz

Claims

Heizstab mit einem keramischen Heizelement (2), einem streifenförmigen Kontaktblech (3), und einem Gehäuse (1), in dem das Heizelement (2) und das Kontaktblech (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktblech (3) mit Nickel überzogen ist, das Kontaktblech (3) mit Schlitzen (5) versehen ist, die von einem Längsrand des Kontaktblechs (3) ausgehen, wobei die Schlitze (5) sich jeweils über wenigstens zwei Drittel der Breite des Kontaktblechs (3) erstrecken.
Heizstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktblech (3) aus Kupfer ist.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Heizelemente PTC Heizelemente (2) sind, vorzugsweise auf Basis von Bariumtitanat.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) ein Rohr ist.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seiten des Kontaktblechs (3) mit Nickel überzogen sind.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Schlitze von einem ersten Längsrand des Kontaktblechs (3) und einige der Schlitze (5) von einem zweiten Längsrand des Kontaktblechs (3) ausgehen.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktblech mehrere keramische Heizelemente (2) bedeckt, wobei wenigstens einer der Schlitze (5) zwischen jeweils einem Abschnitt des Kontaktblechs (3), der ein Heizelement (2) bedeckt und einem weiteren Abschnitt des Kontaktblechs (3), der ein benachbartes Heizelement (2) bedeckt, angeordnet ist.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (5) sich jeweils über wenigstens drei Viertel der Breite des Kontaktblechs erstrecken.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schlitze jeweils über höchstens neun Zehntel der Breite des Kontaktblechs (3) erstrecken.