DE102018205353A1

DE102018205353A1 - PTC heating module for heating a fluid

Info

Publication number: DE102018205353A1
Application number: DE102018205353.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Kohl; Isabel Munoz; Stefan Pätzold; Volker Schramm; Tim Teichmann; Falk Viehrig
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

PTC-Heizmodul zur Erwärmung eines Fluids mit zwei Kontaktelektroden (3,4). Zwischen den Kontaktelektroden (3,4) ist ein PTC-Thermistorelement (6) einer bestimmten Dicke (7) vorgesehen, das zwei Hauptflächen (8,9) aufweist, die sich im Abstand der Dicke (7) gegenüberliegen. Hierbei weist eine Hauptfläche (8) ein Verhältnis von Länge zu Breite aufweist, welches kleiner gleich 1/3 oder größer gleich 3 ist.

PTC heating module for heating a fluid with two contact electrodes (3,4). Between the contact electrodes (3,4), a PTC thermistor element (6) of a certain thickness (7) is provided, which has two main surfaces (8,9), which are opposite each other at a distance of the thickness (7). In this case, a main surface (8) has a length to width ratio which is less than or equal to 1/3 or greater than 3.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein PTC-Heizmodul sowie eine elektrische Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Fluids.The present invention relates to a PTC heating module and an electric heating device for heating a fluid.

Elektrische Heizvorrichtungen werden in modernen Fahrzeugen genutzt, um Außenluft, die in einen Innenraum des Fahrzeuges zugeführt wird, auf eine für die Insassen angenehme Temperatur zu erwärmen. Bei Fahrzeugen, die konventionelle Verbrennungsmotoren nutzen, werden solche elektrischen Heizvorrichtungen bzw. Zuheizer in der Kaltstartphase genutzt, in der die vom Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme nicht ausreichend ist, um die zugeführte Außenluft auf die vorgesehene Temperatur zu erwärmen. In Hybridfahrzeugen oder vollständig elektrisch betriebenen Fahrzeugen reicht die Abwärme der Fahrzeugkomponenten auch nach einer Startphase nicht aus, um bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine gewünschte Lufttemperatur im Innenraum des Fahrzeuges sicherzustellen.Electric heaters are used in modern vehicles to heat outside air, which is supplied to an interior of the vehicle, to a comfortable temperature for the occupants. In vehicles that use conventional internal combustion engines, such electric heaters or heaters are used in the cold start phase, in which the waste heat generated by the engine is not sufficient to heat the supplied outside air to the intended temperature. In hybrid vehicles or fully electrically powered vehicles, the waste heat of the vehicle components is not sufficient even after a start-up phase to ensure a desired air temperature in the interior of the vehicle at low ambient temperatures.

Solche elektrischen Heizvorrichtungen können als luftseitige oder kühlmittelseitige Zuheizer ausgebildet sein. Beim luftseitigen Zuheizer durchströmt die zugeführte Außenluft vor dem Eintritt in den Innenraum den Zuheizer und wird dabei auf die gewünschte Temperatur erwärmt, wobei ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme erzielbar ist. Im Gegensatz dazu ist ein kühlmittelseitiger Zuheizer in einem Kühlmittelkreislauf des Fahrzeuges integriert und erwärmt ein Kühlmittel, welches anschließend durch Fluidleitungen geführt wird, wobei sich die zugeführte Außenluft beim umströmen dieser Fluidleitungen erwärmt.Such electric heaters may be configured as heaters on the air side or on the coolant side. In the air-side heater, the supplied outside air flows through the heater before entering the interior and is thereby heated to the desired temperature, wherein a high efficiency in the conversion of electrical energy into heat can be achieved. In contrast, a coolant-side heater is integrated in a coolant circuit of the vehicle and heats a coolant, which is then passed through fluid lines, wherein the supplied outside air heats up when flowing around these fluid lines.

Zur Erwärmung der zugeführten Außenluft oder des Kühlmittels sind die elektrischen Heizvorrichtungen mit wenigstens einem PTC-Heizmodul ausgestattet, welches ein Gehäuse aufweisen kann, in dem wenigstens zwei zueinander beabstandete Kontaktelektroden vorgesehen sind, zwischen denen wenigstens ein PTC-Thermistorelement angeordnet ist. Das PTC-Thermistorelement weist eine bestimmte Dicke und eine Oberfläche mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen auf, an denen die Kontaktelektroden anliegen. Die beiden Hauptflächen zeichnen sich dadurch aus, dass sie zusammen den größten Flächenanteil der Oberfläche des PTC-Thermistorelementes ausmachen. Die zwei Kontaktelektroden werden mit einer Betriebsspannung beaufschlagt, wobei ein Stromfluss zwischen den beiden Hauptflächen entsteht. Hierbei dient das PTC-Thermistorelement als Heizwiderstand, um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln und damit eine gewünschte Heizleistung bereitzustellen. Das PTC-Thermistorelement ist ein temperaturabhängiger Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC = Positive Temperature Coefficient), wobei zwischen dem elektrischen Widerstand und der Temperatur des PTC-Thermistorelementes ein nichtlinearer Zusammenhang vorliegt. Wird eine Grenztemperatur überschritten, steigt mit zunehmender Temperatur der Widerstand des PTC-Thermistorelementes nichtlinear an.For heating the supplied outside air or the coolant, the electric heating devices are equipped with at least one PTC heating module, which may have a housing in which at least two spaced-apart contact electrodes are provided, between which at least one PTC thermistor element is arranged. The PTC thermistor element has a certain thickness and a surface with two opposite major surfaces against which the contact electrodes abut. The two main surfaces are characterized by the fact that together they make up the largest surface area of the surface of the PTC thermistor element. The two contact electrodes are supplied with an operating voltage, wherein a current flow between the two main surfaces is formed. Here, the PTC thermistor element serves as a heating resistor to convert electrical energy into heat energy and thus provide a desired heat output. The PTC thermistor element is a temperature-dependent positive temperature coefficient (PTC) resistor, with a non-linear relationship between the electrical resistance and the temperature of the PTC thermistor element. If a limit temperature is exceeded, the resistance of the PTC thermistor element increases non-linearly with increasing temperature.

Durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstand des PTC-Thermistorelementes passt sich die Heizleistung bei einer Veränderung äußerer Randbedingungen selbstregulierend an, sodass die Temperatur des PTC-Thermistorelementes im Wesentlichen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches verbleibt. Hierdurch wird auch eine Überhitzung des PTC-Thermistorelementes verhindert, wenn beispielsweise die Strömungsmenge des Fluids nicht ausreichend ist, um die Heizleistung im erforderlichen Umfang abzuführen.Due to the non-linear relationship between the temperature and the resistance of the PTC thermistor element, the heating power adapts itself in a change of external boundary conditions so that the temperature of the PTC thermistor element remains substantially within a certain temperature range. As a result, overheating of the PTC thermistor element is prevented, for example, if the flow rate of the fluid is not sufficient to dissipate the heating power to the extent required.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausführungsform eines PTC-Heizmoduls sowie einer elektrischen Heizvorrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei denen die Übertragung der Heizleistung des PTC-Thermistorelementes auf das zu erwärmende Fluid verbessert wird.The present invention has for its object to provide an embodiment of a PTC heating module and an electric heater of the type described, in which the transmission of the heating power of the PTC thermistor element is improved to the fluid to be heated.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Umfang wenigstens einer Hauptfläche des PTC-Thermistorelementes zu maximieren.The present invention is based on the general idea of maximizing the circumference of at least one major surface of the PTC thermistor element.

Das erfindungsgemäße PTC-Heizmodul zur Erwärmung eines Fluids weist wenigstens ein quaderförmiges PTC-Thermistorelement mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche auf, die sich im Abstand der Dicke des PTC-Thermistorelementes gegenüberliegen. Hierbei kann die erste Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche im Wesentlichen parallel ausgerichtet sein. Jede Hauptfläche wird von zwei sich gegenüberliegenden Längskanten und zwei sich gegenüberliegenden Breitkanten begrenzt. Das PTC-Thermistorelement kann vollständig oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein. Eine erste Kontaktelektrode liegt an der ersten Hauptfläche an und eine zweite Kontaktelektrode liegt an der zweiten Hauptfläche an. Anliegen bedeutet hier, dass die jeweilige Kontaktelektrode die ihr zugeordnete Hauptfläche elektrisch leitend kontaktiert. Hierfür können die Kontaktelektroden mechanisch verspannt, formschlüssig und/oder stoffschlüssig an den Hauptflächen angebracht sein. Die Hauptflächen können eine elektrisch leitende Beschichtung aufweisen, die beispielsweise als Silber- oder Aluminiumbeschichtung ausgebildet sein kann. Der größte Teil der erzeugten Wärmeenergie wird über die Hauptflächen des PTC-Thermistorelementes abgeführt und fließt im Wesentlichen parallel zu einer Hauptwärmestromrichtung, die im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen der jeweiligen Hauptfläche ausgerichtet ist. Unter dem größten Teil ist hier wenigstens 50 % der gesamten Wärmeenergie zu verstehen, die vom PTC-Thermistorelement zur Verfügung gestellt wird.The PTC heating module according to the invention for heating a fluid has at least one cuboid PTC thermistor element having a first main surface and a second main surface, which are opposite one another at a distance from the thickness of the PTC thermistor element. In this case, the first main surface may be aligned substantially parallel to the second main surface. Each major surface is bounded by two opposite longitudinal edges and two opposite broad edges. The PTC thermistor element may be made entirely or partially of a ceramic material. A first contact electrode is applied to the first main surface and a second contact electrode is applied to the second main surface. The term here means that the respective contact electrode makes electrical contact with the main surface assigned to it. For this purpose, the contact electrodes can be clamped mechanically, positively and / or cohesively attached to the main surfaces. The main surfaces may have an electrically conductive coating, for example as Silver or aluminum coating may be formed. Most of the heat energy generated is dissipated across the major surfaces of the PTC thermistor element and flows substantially parallel to a main heat flux direction that is substantially parallel to the surface normal of the respective major surface. The largest part here is at least 50% of the total heat energy provided by the PTC thermistor element.

Zwischen den Kontaktelektroden ist eine Luftstrecke und/oder Kriechstrecke vorgesehen. Die Luftstrecke ist die kürzeste Entfernung zwischen den Kontaktelektroden und die Kriechstrecke bezeichnet die kürzeste, geradlinige Entfernung zwischen den Kontaktelektroden entlang der Oberfläche des PTC-Thermistorelementes. Um Kurzschlüsse zwischen den Kontaktelektroden zu vermeiden, ist die Luftstrecke und/oder Kriechstrecke so zu wählen, dass bei einer vorgegebenen Betriebsspannung Spannungsdurchschläge unterdrückt werden. Die Luftstrecke und/oder Kriechstrecke entspricht im Wesentlichen der Dicke des PTC-Thermistorelementes, sodass diese durch die Betriebsspannung festgelegt ist.Between the contact electrodes, an air gap and / or creepage distance is provided. The air gap is the shortest distance between the contact electrodes, and the creepage distance is the shortest, straight-line distance between the contact electrodes along the surface of the PTC thermistor element. In order to avoid short circuits between the contact electrodes, the air gap and / or creepage distance should be selected so that voltage breakdowns are suppressed for a given operating voltage. The air gap and / or creepage distance substantially corresponds to the thickness of the PTC thermistor element, so that it is determined by the operating voltage.

Die Betriebsspannung zwischen den Kontaktelektroden kann für Anwendungen im Niedervolt-Bereich bis zu 60 V betragen. Für Anwendungen im Hochvolt-Bereich kann die Betriebsspannung 60 V bis 800 V oder 1000 V oder mehr betragen.The operating voltage between the contact electrodes may be up to 60V for low voltage applications. For high-voltage applications, the operating voltage can be 60 V to 800 V or 1000 V or more.

Bei einem gegebenen Volumen und festgelegter Dicke des quaderförmigen PTC-Thermistorelementes ist die Oberfläche der Hauptflächen festgelegt. Durch numerische Berechnungen sowie Messungen wurde festgestellt, dass die Übertragung der Heizleistung aus dem PTC-Thermistorelement an das Fluid nicht nur von der Größe der Hauptflächen abhängt, sondern auch vom Umfang der Hauptflächen bestimmt wird. Der Umfang der Hauptflächen ist hierbei die Summe der Längen der Längskanten und Breitkanten, die die Hauptflächen begrenzen. Die Länge der Längskante entspricht der Länge der jeweiligen Hauptfläche und die Länge der Breitkante entspricht der Breite der jeweiligen Hauptfläche. An der Längs- und Breitkante kann die Heizleistung besser abgeführt werden als im Inneren des PTC-Thermistorelementes, da die Längs- und Breitkanten die Heizleistung nicht nur quer zur ersten Hauptfläche abgeben können, sondern auch parallel zu einer weiteren Ebene, in der die erste Hauptfläche liegt.For a given volume and thickness of the cuboid PTC thermistor element, the surface area of the major surfaces is fixed. Numerical calculations as well as measurements have determined that the transfer of heat output from the PTC thermistor element to the fluid not only depends on the size of the major surfaces, but is also determined by the perimeter of the major surfaces. The circumference of the major surfaces is the sum of the lengths of the longitudinal edges and broad edges that define the major surfaces. The length of the longitudinal edge corresponds to the length of the respective main surface and the length of the broad edge corresponds to the width of the respective main surface. At the longitudinal and wide edges, the heating power can be better dissipated than in the interior of the PTC thermistor element, since the longitudinal and broad edges can not only output the heating power transversely to the first main surface, but also parallel to another level, in which the first main surface lies.

Im Stand der Technik werden typischerweise Hauptflächen mit einem Verhältnis von Länge zu Breite eingesetzt, bei dem der Umfang der Hauptflächen klein ist oder ein Minimum einnimmt. Im Gegensatz dazu sieht das erfindungsgemäße PTC-Thermistorelement vor, dass wenigstens die erste Hauptfläche ein Verhältnis von Länge zu Breite aufweist, welches kleiner gleich 1/3 oder größer gleich 3 ist, um den Umfang der Hauptflächen zu maximieren und damit die Übertragung der Heizleistung auf das Fluid zu steigern. Hierdurch wird eine höhere thermische Leistungsfähigkeit des PTC-Thermistorelementes erzielt, da ein unerwünschtes Überhitzen des PTC-Thermistorelementes vermieden wird. Somit können beispielsweise PTC-Thermistorelemente mit einem kleineren Volumen genutzt werden, um einen kostengünstigeren, kompakteren und leichteren Aufbau des PTC-Heizmoduls zu erreichen.The prior art typically uses major surfaces with a length to width ratio where the perimeter of the major surfaces is small or minimum. In contrast, the PTC thermistor element of the invention provides that at least the first major surface has a length to width ratio that is less than or equal to 1/3 or greater to maximize the circumference of the major surfaces and thus the transfer of heating power to increase the fluid. As a result, a higher thermal performance of the PTC thermistor element is achieved because undesired overheating of the PTC thermistor element is avoided. Thus, for example, PTC thermistor elements with a smaller volume can be used to achieve a less expensive, more compact and lighter construction of the PTC heating module.

Ein PTC-Stein ist einstückig ausgebildet und weist einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf. Unter einem PTC-Thermistorelement wird nicht nur ein einstückiger PTC-Stein angesehen, sondern auch mehrere einstückige PTC-Steine, die zwar voneinander geometrisch beabstandet angeordnet sind, wobei jedoch die Beabstandung so gering ist, dass diese PTC-Steine in einem thermischen Kontakt stehen. Mehrere einstückige PTC-Steine, die nicht im thermischen Kontakt stehen bzw. thermisch getrennt sind, bilden somit mehrere PTC-Thermistorelemente. Zwei PTC-Steine mit einem Abstand kleiner gleich 0,2 mm stehen beispielsweise im thermischen Kontakt. PTC-Steine, die im thermischen Kontakt stehen, werden thermodynamisch wie ein einstückiger PTC-Stein behandelt. Folglich bemisst sich hier das Verhältnis von Länge zu Breite der ersten Hauptflächen nicht an den geometrischen Abmessungen der einzelnen PTC-Steine, sondern an der gesamten Länge und der gesamten Breite einer gedachten quaderförmigen Umhüllung, die ein minimales Volumen aufweist, um die im thermischen Kontakt stehenden PTC-Steine zu umhüllen.A PTC stone is integrally formed and has a temperature-dependent electrical resistance with a positive temperature coefficient. Under a PTC thermistor element not only a one-piece PTC stone is considered, but also a plurality of one-piece PTC stones, which are indeed spaced from each other geometrically, but the spacing is so small that these PTC stones are in thermal contact. Several one-piece PTC bricks that are not in thermal contact or thermally separated thus form multiple PTC thermistor elements. For example, two PTC bricks less than or equal to 0.2 mm are in thermal contact. PTC bricks in thermal contact are treated thermodynamically like a one-piece PTC brick. Consequently, here the ratio of length to width of the first major surfaces measured not on the geometric dimensions of the individual PTC stones, but on the entire length and the entire width of an imaginary cuboid enclosure, which has a minimum volume to those in thermal contact To envelop PTC stones.

Es kann vorgesehen sein, dass die Breitkante und die Längskante der ersten Hauptfläche im Wesentlichen parallel bzw. quer zu einer Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist. Bei einer solchen Ausrichtung hat ein Verhältnis von Länge zu Breite größer gleich 3 den Vorteil, dass eine unerwünschte Erwärmung des PTC-Thermistorelementes entlang der Strömungsrichtung des Fluids reduziert werden kann.It can be provided that the broad edge and the longitudinal edge of the first main surface is aligned substantially parallel or transverse to a flow direction of the fluid. With such an orientation, a ratio of length to width greater than or equal to 3 has the advantage that undesirable heating of the PTC thermistor element along the flow direction of the fluid can be reduced.

Das PTC-Heizmodul kann ein Gehäuse aufweisen, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann, damit die vom PTC-Thermistorelement gelieferte Heizleistung an das zu erwärmende Fluid übertragen werden kann. Daher kann es sich anbieten, dass das Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist, der auch elektrisch leitend ist. Um Personenschäden durch Berührung des Gehäuses zu vermeiden, sollte das Gehäuse potentialfrei sein. Hierfür kann an den Kontaktelektroden wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorschicht vorgesehen sein, die zwischen den Kontaktelektroden und dem Gehäuse angeordnet sein kann. Für die Isolatorschicht ist ein Werkstoff mit einer guten Wärmeleitfähigkeit auszuwählen. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse des PTC-Heizmoduls aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt ist, sodass die erforderliche Isolatorschicht vom Gehäuse selbst ausgebildet wird. Eine gute Wärmeleitfähigkeit liegt vor, wenn die Wärmeleitfähigkeit gleich oder höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des PTC-Thermistorelementes. Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitfähigkeit der Isolatorschicht wenigstens den zweifachen oder dreifachen oder zehnfachen Wert der Wärmeleitfähigkeit des PTC-Thermistorelementes aufweist.The PTC heating module may comprise a housing which may have a good thermal conductivity so that the heating power supplied by the PTC thermistor element can be transmitted to the fluid to be heated. Therefore, it may be appropriate that the housing is made of a metallic material, which is also electrically conductive. To avoid personal injury by touching the housing, the housing should be potential-free. For this purpose, at least one electrically insulating insulator layer can be provided on the contact electrodes, which can be arranged between the contact electrodes and the housing. For the Insulator layer is a material with a good thermal conductivity to select. It can also be provided that the housing of the PTC heating module is made of an electrically insulating material, so that the required insulator layer is formed by the housing itself. Good thermal conductivity is when the thermal conductivity is equal to or higher than the thermal conductivity of the PTC thermistor element. It can be provided that the thermal conductivity of the insulator layer has at least twice or three times or ten times the value of the thermal conductivity of the PTC thermistor element.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Länge zu Breite der ersten Hauptfläche kleiner gleich 1/3,5 oder kleiner gleich 1/4 oder größer gleich 3,5 oder größer gleich 4 ist, um die Übertragung der Heizleistung auf das Fluid zu steigern.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention it is provided that the ratio of length to width of the first major surface is less than or equal to 1 / 3.5 or less than 1/4 or greater than or equal to 4, to the transfer of Heating power to increase the fluid.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Länge zu Breite der ersten Hauptfläche kleiner gleich 1/6 oder größer gleich 6 ist. Ein solches Verhältnis stellt in einem Spannungsfeld zwischen einer maximalen Übertragung der Heizleistung, den Einbaubedingungen sowie fertigungstechnischen Anforderungen ein Optimum dar.In an advantageous development of the solution according to the invention it is provided that the ratio of length to width of the first main surface is less than or equal to 1/6 equal to 6. Such a ratio represents an optimum in a field of tension between a maximum transmission of the heating power, the installation conditions and manufacturing requirements.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die zweite Hauptfläche ein Verhältnis von Länge zu Breite aufweist, welches kleiner gleich 1/3 oder größer gleich 3 ist. Somit kann die Übertragung der Heizleistung an das Fluid an beiden Hauptflächen des PTC-Thermistorelementes in optimierter Weise erfolgen, sodass die thermische Leistungsfähigkeit des PTC-Thermistorelementes weiter erhöht wird.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is provided that the second main surface has a length to width ratio which is less than or equal to 1/3 or greater than 3. Thus, the transfer of the heating power to the fluid on both major surfaces of the PTC thermistor element can be carried out in an optimized manner, so that the thermal performance of the PTC thermistor element is further increased.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die zweite Hauptfläche ein Verhältnis von Länge zu Breite aufweist, welches kleiner gleich 1/3,5 oder kleiner gleich 1/4 oder größer gleich 3,5 oder größer gleich 4 ist, um die Übertragung der Heizleistung auf das Fluid zu steigern.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is provided that the second main surface has a length to width ratio which is less than or equal to 1 / 3.5 or less than or equal to 1/4 or greater than or equal to 4 to increase the transfer of heating power to the fluid.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Länge zu Breite der zweiten Hauptfläche kleiner gleich 1/6 oder größer gleich 6 ist. Auch für die zweite Hauptfläche stellt ein solches Verhältnis im Spannungsfeld zwischen einer maximalen Übertragung der Heizleistung, den Einbaubedingungen sowie fertigungstechnischen Anforderungen ein Optimum dar.In an advantageous development of the solution according to the invention it is provided that the ratio of length to width of the second main surface is less than or equal to 1/6 equal to 6. Also for the second main surface, such a ratio in the field of tension between a maximum transmission of the heating power, the installation conditions and manufacturing requirements is an optimum.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei zueinander beabstandete und thermische getrennte PTC-Thermistorelemente vorgesehen sind. Die erste Kontaktelektrode kann die ersten Hauptflächen der PTC-Thermistorelemente elektrisch leitend verbinden und die zweite Kontaktelektrode kann die zweiten Hauptflächen der PTC-Thermistorelemente elektrisch leitend verbinden. Der Einsatz mehrerer PTC-Thermistorelemente hat den Vorteil, dass eine übermäßige Erwärmung aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit vermieden wird. Somit kann eine größere Fläche mit der erforderlichen Heizleistung versorgt werden. Durch die vergrößerte Fläche kann wiederum eine höhere Fluidmenge auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Zusätzlich wird durch den Einsatz mehrerer PTC-Thermistorelemente die gesamte freie Kantenlänge innerhalb des PTC-Moduls maximiert. Die gesamte freie Kantenlänge ergibt sich aus der Summe der Längen aller freien Kanten aller thermisch getrennter PTC-Thermistorelemente innerhalb des PTC-Moduls.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention it is provided that at least two mutually spaced and thermally separated PTC thermistor elements are provided. The first contact electrode may electrically conductively connect the first main surfaces of the PTC thermistor elements, and the second contact electrode may electrically connect the second main surfaces of the PTC thermistor elements. The use of several PTC thermistor elements has the advantage that excessive heating due to the poor thermal conductivity is avoided. Thus, a larger area can be supplied with the required heating power. The increased area can in turn heat a higher amount of fluid to the desired temperature. In addition, the use of multiple PTC thermistor elements maximizes the overall free edge length within the PTC module. The total free edge length is the sum of the lengths of all free edges of all thermally isolated PTC thermistor elements within the PTC module.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass wenigstens eines der PTC-Thermistorelemente als einstückiger PTC-Stein ausgebildet ist. Der PTC-Stein kann ein erfindungsgemäßes Verhältnis von Länge zu Breite aufweisen. Durch den Einsatz von einstückigen PTC-Steinen mit einem erfindungsgemäßen Verhältnis von Länge zu Breite wird ein Optimum zwischen maximaler gesamter freien Kantenlänge innerhalb des PTC-Moduls und den Fertigungskosten erzielt, da unnötige Fertigungsschritte vermieden werden.In an advantageous development of the solution according to the invention it is provided that at least one of the PTC thermistor elements is formed as a one-piece PTC stone. The PTC brick may have a length to width ratio according to the invention. The use of one-piece PTC bricks with a ratio of length to width according to the invention achieves an optimum between maximum total free edge length within the PTC module and the production costs, since unnecessary production steps are avoided.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass zwischen den Kontaktelektroden eine Betriebsspannung von wenigstens 60 V vorliegt, um eine ausreichende Heizleistung zu erzielen.In an advantageous development of the solution according to the invention, it is provided that an operating voltage of at least 60 V is present between the contact electrodes in order to achieve a sufficient heat output.

Ferner betrifft die Erfindung eine Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Fluids mit mehreren erfindungsgemäßen PTC-Heizmodulen, die voneinander beabstandet und nicht wärmeleitend zueinander angeordnet sein können. Hierdurch kann eine ausreichende und homogene Temperaturänderung bei einer vorgegebenen Strömungsmenge des Fluids erzielt werden. Die Heizvorrichtung kann ein Gehäuse vorsehen, in das die PTC-Heizmodule so integrierbar sind, dass alle elektrisch leitenden Bauteile innerhalb des Gehäuses der Heizvorrichtung und der Gehäuse der PTC-Heizmodule staub- und wasserdicht gekapselt sind. Die Heizvorrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie wenigstens 3 kW Heizleistung zur Verfügung stellt.Furthermore, the invention relates to a heating device for heating a fluid with a plurality of PTC heating modules according to the invention, which are spaced apart from one another and can not be arranged in heat-conducting relationship to one another. In this way, a sufficient and homogeneous temperature change can be achieved at a predetermined flow rate of the fluid. The heating device can provide a housing into which the PTC heating modules can be integrated in such a way that all the electrically conductive components within the housing of the heating device and the housing of the PTC heating modules are dust-tight and watertight encapsulated. The heater may be designed to provide at least 3 kW of heating power.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass wenigstens ein PTC-Heizmodul so ausgerichtet ist, dass sich die Hauptflächen eines PTC-Thermistorelementes im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluids erstrecken. Hierdurch strömt das Fluid entlang dem flächenmäßig größten Anteil der Oberfläche des PTC-Thermistorelementes, sodass ein optimaler Wärmeübertrag auf das Fluid erzielt wird. Es kann vorgesehen sein, dass sich die Längsrichtung wenigstens einer Hauptfläche eines PTC-Thermistorelementes im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluids erstreckt.In an advantageous embodiment of the solution according to the invention it is provided that at least one PTC heating module is oriented such that the main surfaces of a PTC thermistor element extend substantially parallel to a flow direction of the fluid to be heated. As a result, the fluid flows along the largest area of the surface of the PTC thermistor element, so that an optimum heat transfer to the fluid is achieved. It can be provided that the longitudinal direction of at least one main surface of a PTC thermistor element extends substantially transversely to the flow direction of the fluid to be heated.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass sich eine Längskante wenigstens einer Hauptfläche eines PTC-Thermistorelementes im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluids erstreckt. Bei einer solchen Ausrichtung hat das erfindungsgemäße Verhältnis den Vorteil, dass eine unerwünschte Erwärmung des PTC-Thermistorelementes entlang der Strömungsrichtung des Fluids reduziert wird.In an advantageous development of the solution according to the invention, it is provided that a longitudinal edge of at least one main surface of a PTC thermistor element extends substantially transversely to the flow direction of the fluid to be heated. With such an orientation, the ratio according to the invention has the advantage that undesirable heating of the PTC thermistor element along the flow direction of the fluid is reduced.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung mit einer Spannungsquelle verbunden ist und die Kontaktelektroden eines PTC-Heizmoduls mit einer Betriebsspannung versorgt. Diese Spannungsquelle kann beispielsweise die Batterie eines Fahrzeuges sein. Die Betriebsspannung zwischen den Kontaktelektroden kann für Anwendungen im Niedervolt-Bereich bis zu 60 V betragen. Für Anwendungen im Hochvolt-Bereich kann die Betriebsspannung 60 V bis 800 V oder 1000 V oder mehr betragen.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is provided that the heating device is connected to a voltage source and supplies the contact electrodes of a PTC heating module with an operating voltage. This voltage source may be, for example, the battery of a vehicle. The operating voltage between the contact electrodes may be up to 60V for low voltage applications. For high-voltage applications, the operating voltage can be 60 V to 800 V or 1000 V or more.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung als luftseitiger und/oder kühlmittelseitiger Zuheizer in einem Fahrzeug integriert ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung in luftseitiger Ausgestaltung wenigstens der Schutzklasse IP54 und im Falle einer kühlmittelseitigen Ausgestaltung wenigstens der Schutzklasse IP6K9K entspricht. Als luftseitiger Zuheizer kann die erwärmte Außenluft auch zur Beheizung der Batterie des Fahrzeuges genutzt werden. Beim kühlmittelseitigen Zuheizer kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Abwärme von Komponenten des Fahrzeuges zur Erwärmung der Außenluft mit genutzt wird. Ferner kann die Heizvorrichtung mit einer Steuereinrichtung des Fahrzeuges kommunizierend verbunden sein.In an advantageous development of the solution according to the invention, provision is made for the heating device to be integrated in a vehicle as an air-side and / or coolant-side auxiliary heater. It can be provided that the heater corresponds in air-side design at least the protection class IP54 and in the case of a coolant side design at least the protection class IP6K9K. As an air-side heater, the heated outside air can also be used to heat the battery of the vehicle. When the coolant side heater can also be provided that the waste heat from components of the vehicle is used to heat the outside air with. Furthermore, the heating device may be communicatively connected to a control device of the vehicle.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes PTC-Heizmodul,
2 eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement und auf mehrere PTC-Thermistorelemente, die nicht im thermischen Kontakt stehen,
3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes PTC-Heizmodul mit zwei PTC-Thermistorelementen.

Show, in each case schematically,

1 a cross section through a PTC heating module according to the invention,
2 a top view of a PTC thermistor element and on several PTC thermistor elements that are not in thermal contact,
3 a cross section through an inventive PTC heating module with two PTC thermistor elements.

Wie in der 1 dargestellt, weist das erfindungsgemäße PTC-Heizmodul 1 ein Gehäuse 2 auf, welches als Hohlprofil mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine erste Kontaktelektrode 3 vorgesehen, zu der eine zweite Kontaktelektrode 4 beabstandet angeordnet ist. Falls das Gehäuse 2 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht, ist zwischen der jeweiligen Kontaktelektrode 3,4 und dem Gehäuse 2 eine Isolatorschicht 5 vorgesehen, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontaktelektroden 3,4 und dem Gehäuse 2 verhindert. Die Isolatorschicht 5 kann wie in der 1 innerhalb des Gehäuses 2 an Teilflächen vorgesehen sein, wobei es auch denkbar ist, dass die Innenflächen des Gehäuses 2 vollständig mit der Isolatorschicht 5 versehen sind.Like in the 1 shown, has the PTC heating module according to the invention 1 a housing 2 on, which is designed as a hollow profile with rectangular cross-section. Inside the case 2 is a first contact electrode 3 provided, to which a second contact electrode 4 spaced apart. If the case 2 consists of an electrically conductive material is between the respective contact electrode 3 . 4 and the housing 2 an insulator layer 5 provided, which is an electrically conductive connection between the contact electrodes 3 . 4 and the housing 2 prevented. The insulator layer 5 like in the 1 inside the case 2 be provided on part surfaces, wherein it is also conceivable that the inner surfaces of the housing 2 completely with the insulator layer 5 are provided.

Zwischen der ersten Kontaktelektrode 3 und der zweiten Kontaktelektrode 4 ist ein PTC-Thermistorelement 6 angeordnet, welches quaderförmig ausgebildet ist und daher in der Darstellung der 1 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Das PTC-Thermistorelement 6 hat eine Oberfläche und eine bestimmte Dicke 7. Die Oberfläche des PTC-Thermistorelementes 6 weist eine erste Hauptfläche 8 und eine zweite Hauptfläche 9 auf, die sich im Abstand der Dicke 7 gegenüberliegen und im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die beiden Hauptflächen 8 und 9 zeichnen sich dadurch aus, dass sie zusammen den größten Flächenanteil der Oberfläche des PTC-Thermistorelementes 6 ausmachen. Der größte Teil der erzeugten Wärmeenergie wird über die Hauptflächen 8 und 9 des PTC-Thermistorelementes 6 abgeführt und fließt im Wesentlichen parallel zu einer Hauptwärmestromrichtung 17, die im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen der jeweiligen Hauptfläche ausgerichtet ist. Unter dem größten Teil ist hier wenigstens 50 % der gesamten Wärmeenergie zu verstehen, die vom PTC-Thermistorelement 6 zur Verfügung gestellt wird.Between the first contact electrode 3 and the second contact electrode 4 is a PTC thermistor element 6 arranged, which is cuboid-shaped and therefore in the illustration of 1 has a rectangular cross-section. The PTC thermistor element 6 has a surface and a certain thickness 7 , The surface of the PTC thermistor element 6 has a first major surface 8th and a second major surface 9 on, which is at a distance of the thickness 7 opposite and are aligned substantially parallel to each other. The two main surfaces 8th and 9 are characterized by the fact that together they form the largest surface area of the surface of the PTC thermistor element 6 turn off. Most of the thermal energy generated is over the main surfaces 8th and 9 of the PTC thermistor element 6 dissipated and flows substantially parallel to a main heat flow direction 17 , which is aligned substantially parallel to the surface normal of the respective main surface. The largest part here is at least 50% of the total heat energy to be understood by the PTC thermistor element 6 is made available.

Die erste Hauptfläche 8 ist mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 10 versehen. Die zweite Hauptfläche 9 weist eine elektrisch leitende Beschichtung 10a auf. Die erste Kontaktelektrode 3 und die zweite Kontaktelektrode 4 liegen an der ersten Hauptfläche 8 bzw. zweiten Hauptfläche 9 an und kontaktieren elektrisch leitend die jeweilige Beschichtung 10 bzw. 10a. Werden die Kontaktelektroden 3 und 4 mit einer Betriebsspannung beaufschlagt, entsteht ein Stromfluss durch das PTC-Thermistorelement 6 entlang einer Stromflussrichtung 15. Hierbei entspricht der kürzeste Weg für den Stromfluss innerhalb des PTC-Thermistorelementes 6 im Wesentlichen der Dicke 7.The first main area 8th is with an electrically conductive coating 10 Mistake. The second main area 9 has an electrically conductive coating 10a on. The first contact electrode 3 and the second contact electrode 4 lie on the first main surface 8th or second main surface 9 and contact electrically conductive the respective coating 10 respectively. 10a , Be the contact electrodes 3 and 4 supplied with an operating voltage, a current flow through the PTC thermistor element 6 along a current flow direction 15 , Here, the shortest path corresponds to the flow of current within the PTC thermistor element 6 essentially the thickness 7 ,

Eine nicht dargestellte elektrische Heizvorrichtung weist wenigstens ein PTC-Heizmodul 1 auf, das so ausgerichtet ist, dass die Stromflussrichtung 15 im Wesentlichen quer zu einer Strömungsrichtung 16 des zu erwärmenden Fluids verläuft. Daraus ergibt sich, dass die erste Hauptfläche 8 und die zweite Hauptfläche 9 im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung 16 ausgerichtet sind. Eine solche Ausrichtung des PTC-Heizmoduls 1 hat den Vorteil, dass ein möglichst großer Wärmeübertrag an das Fluid erreicht wird, da die Kontaktzeit zwischen dem Fluid und dem Gehäuse 2 maximiert wird. In der 1 ist nur eine Breitkante 13 der ersten Hauptfläche 8 sowie der zweiten Hauptfläche 9 sichtbar, wobei die Breitkante 13 im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 16 ausgerichtet ist. Die Länge dieser Breitkante 13 legt die Breite der jeweiligen Hauptfläche 8,9 fest, die im Wesentlichen der Erstreckungslänge der jeweiligen Hauptfläche 8,9 entlang der Strömungsrichtung 16 entspricht.An electric heater, not shown, has at least one PTC heating module 1 on, which is oriented so that the current flow direction 15 essentially transverse to a flow direction 16 of the fluid to be heated passes. It follows that the first major surface 8th and the second major surface 9 essentially parallel to the flow direction 16 are aligned. Such an orientation of the PTC heating module 1 has the advantage that the greatest possible heat transfer to the fluid is achieved because the contact time between the fluid and the housing 2 is maximized. In the 1 is only a broad edge 13 the first main area 8th as well as the second main surface 9 visible, with the broad edge 13 essentially parallel to the flow direction 16 is aligned. The length of this broad edge 13 sets the width of the respective main surface 8th . 9 fixed, which is essentially the extension length of the respective main surface 8th . 9 along the flow direction 16 equivalent.

In 2 ist ein einstückiges PTC-Thermistorelement 6 mit einem erfindungsgemäßen Verhältnis von Länge zu Breite gezeigt. In dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Breitkante 13 im Wesentlichen parallel und eine Längskante 12 im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 16 ausgerichtet ist. Zusätzlich sind beispielhaft sieben PTC-Thermistorelemente 6a dargestellt, die jeweils für sich ein erfindungsgemäßes Verhältnis von Länge zu Breite aufweisen. Das einzelne PTC-Thermistorelement 6a ist zwar kleiner als das einstückige PTC-Thermistorelement 6, die sieben PTC-Thermistorelemente 6a können aber so angeordnet sein, dass eine Umhüllungskontur, die die sieben PTC-Thermistorelemente 6a räumlich begrenzt, im Wesentlichen das gleiche Raumvolumen umfasst wie das einstückige PTC-Thermistorelement 6. Der Abstand zwischen diesen einzelnen PTC-Thermistorelementen 6a ist dabei so gewählt, dass die PTC-Thermistorelemente 6a nicht im thermischen Kontakt stehen. Durch die PTC-Thermistorelement 6a wird die gesamte freie Kantenlänge im Vergleich zum PTC-Thermistorelement 6 vergrößert und die Übertragung der Heizleistung an das Fluid erhöht.In 2 is a one-piece PTC thermistor element 6 shown with a length to width ratio according to the invention. In this illustration it can be seen that the broad edge 13 essentially parallel and one longitudinal edge 12 essentially transverse to the flow direction 16 is aligned. In addition, seven PTC thermistor elements are exemplary 6a represented, each of which has an inventive ratio of length to width. The single PTC thermistor element 6a is smaller than the one-piece PTC thermistor element 6 , the seven PTC thermistor elements 6a however, they may be arranged so that an envelope contour covering the seven PTC thermistor elements 6a spatially limited, substantially the same volume of space comprises as the one-piece PTC thermistor element 6 , The distance between these individual PTC thermistor elements 6a is chosen so that the PTC thermistor elements 6a not in thermal contact. Through the PTC thermistor element 6a becomes the total free edge length compared to the PTC thermistor element 6 increases and increases the transfer of heating power to the fluid.

In 3 ist ein PTC-Heizmodul 1 gezeigt, bei dem innerhalb des Gehäuses 2 zwei zueinander beabstandete PTC-Thermistorelemente 6 angeordnet sind. Diese PTC-Thermistorelemente 6 weisen entlang der Strömungsrichtung 16 einen solchen Abstand auf, dass sie thermisch nicht in Kontakt stehen. Der Einsatz mehrerer PTC-Thermistorelemente 6 hat den Vorteil, dass eine übermäßige Erwärmung aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit vermieden wird. Somit kann eine größere Fläche mit der erforderlichen Heizleistung versorgt werden. Durch die vergrößerte Fläche kann wiederum eine höhere Fluidmenge auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden.In 3 is a PTC heating module 1 shown in the case inside 2 two spaced apart PTC thermistor elements 6 are arranged. These PTC thermistor elements 6 point along the flow direction 16 such a distance that they are not thermally in contact. The use of several PTC thermistor elements 6 has the advantage that excessive heating due to poor thermal conductivity is avoided. Thus, a larger area can be supplied with the required heating power. The increased area can in turn heat a higher amount of fluid to the desired temperature.

Claims

PTC heating module for heating a fluid, - With at least one first electrically conductive contact electrode (3) and a second electrically conductive contact electrode (4), which are arranged spaced from each other, - With at least one voltage applied to the contact electrodes (3,4) insulator layer (5), - With at least one cuboid PTC thermistor element (6) of a certain thickness (7), - wherein the PTC thermistor element (6) has a first main surface (8) and a second main surface (9), which lie opposite each other at a distance from the thickness (7) of the PTC thermistor element (6), - wherein the first contact electrode (3) rests against the first main surface (8) and the second contact electrode (4) bears against the second main surface (4), - wherein the first major surface (8) has a length to width ratio that is less than or equal to 1/3 or greater than 3.

PTC heating module after Claim 1 characterized in that the ratio of length to width of the first major surface (8) is less than or equal to 1 / 3.5 or less than or equal to 1/4 or greater than or equal to 3.5.

PTC heating module after Claim 2 , characterized in that the ratio of length to width of the first major surface (8) is less than or equal to 1/6 or greater than 6.

PTC heating module according to one of the preceding claims, characterized in that the second main surface (9) has a length to width ratio which is less than or equal to 1/3 equal to or greater than 3.

PTC heating module after Claim 4 characterized in that the second major surface (9) has a length to width ratio that is less than or equal to 1 / 3.5 or less than or equal to 1/4 or greater than or equal to 3.5.

PTC heating module after Claim 5 , characterized in that the ratio of length to width of the second major surface (9) is less than or equal to 1/6 or greater than 6.

PTC heating module according to one of the preceding claims, characterized in that at least two mutually spaced and thermal separated PTC thermistor elements (6) are provided.

PTC heating module according to claim 7, characterized in that at least one of the PTC thermistor elements (6) is formed as a one-piece PTC stone.

PTC heating module according to one of the preceding claims, characterized in that an operating voltage of at least 60 V is present between the contact electrodes (3, 4).

Heating device for heating a fluid, - with several PTC heating modules (1) according to one of the preceding claims, - The PTC heating modules (1) are arranged spaced from each other.

Heating device after Claim 10 , characterized in that at least one PTC heating module (1) aligned so that the main surfaces (8,9) of a PTC thermistor element (6) extend substantially parallel to a flow direction (16) of the fluid to be heated.

Heating device after Claim 10 or 11 , characterized in that a longitudinal edge (12) of at least one main surface (8,9) of a PTC thermistor element (6) extends substantially transversely to the flow direction (16) of the fluid to be heated.

Heating device according to one of Claim 10 to 12 , characterized in that the heating device is connected to a voltage source and the contact electrodes (3,4) of a PTC heating module (1) supplied with an operating voltage.

Heating device according to one of Claims 10 to 13 , characterized in that the heating device is integrated as an air-side and / or coolant-side heater in a vehicle.