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Die vorliegende Erfindung betrifft ein PTC-Heizmodul sowie eine elektrische Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Fluids.
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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.
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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.
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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 Oberfläche mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen sowie zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Seitenflächen auf. An diesen Seitenflächen liegen die Kontaktelektroden an. 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 mit einer Stromflussrichtung zwischen den beiden Seitenflächen 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.
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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.
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Das PTC-Thermistorelement ist im PTC-Heizmodul in den meisten Fällen so eingebaut, dass die Hauptflächen im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet sind. Auch der Stromfluss im PTC-Thermistorelement verläuft im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids. Da sich das Fluid sukzessiv beim Strömen entlang der Hauptflächen erwärmt, wird am Anfang des PTC-Thermistorelementes eine höhere Wärmemenge abgeführt, als an einem Teilbereich des PTC-Thermistorelementes, der stromabwärts liegt, da das Fluid beim Vorbeiströmen an diesen Teilbereich schon eine gewisse Temperatur aufweist. Dies führt zu einer stärkeren Erwärmung des stromabwärts gelegenen Teilbereichs, wodurch der elektrische Widerstand lokal stark ansteigt und eine Sperrschicht ausbildet. Hierdurch steigt auch der Gesamtwiderstand des PTC-Thermistorelementes an, sodass die gesamte Heizleistung reduziert wird, die über die Oberfläche abgeführt werden kann, um das Fluid zu erwärmen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausführungsform eines PTC-Heizmoduls sowie einer elektrischen Heizvorrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei denen die erzielbare Heizleistung des PTC-Thermistorelementes bei einer vorgegebenen Betriebsspannung erhöht wird.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass der elektrische Widerstand des PTC-Thermistorelementes entlang der Richtung des elektrischen Stromes so angepasst ist, dass eine gleichmäßige Erwärmung des PTC-Thermistorelementes erzielt wird.
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Das erfindungsgemäße PTC-Heizmodul zur Erwärmung eines Fluids weist wenigstens ein PTC-Thermistorelement mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche auf, die sich gegenüberliegen können. Hierbei kann die erste Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche im Wesentlichen parallel ausgerichtet sein. Ferner weist das PTC-Thermistorelement eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche auf, die sich im Wesentlichen gegenüberliegen. Die Seitenflächen können zueinander parallel und in Bezug zu den Hauptflächen quer ausgerichtet sein. Das PTC-Thermistorelement kann vollständig oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein.
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Eine erste elektrisch leitende Kontaktelektrode liegt an der ersten Seitenfläche an und eine zweite elektrisch leitende Kontaktelektrode liegt an der zweiten Seitenfläche an. Anliegen bedeutet hier, dass die jeweilige Kontaktelektrode die ihr zugeordnete Seitenfläche elektrisch leitend kontaktiert. Hierfür können die Kontaktelektroden mechanisch verspannt, formschlüssig und/oder stoffschlüssig an den Seitenflächen angebracht sein. Die Seitenflächen können eine elektrisch leitende Beschichtung aufweisen, die beispielsweise als Silber- oder Aluminiumbeschichtung ausgebildet sein kann. Die Betriebsspannung zwischen den Kontaktelektroden kann für Anwendungen im Niedervolt-Bereich 12 V bis 60 V betragen. Für Anwendungen im Hochvolt-Bereich kann die Betriebsspannung 60 V bis 1000 V oder mehr betragen.
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Das PTC-Thermistorelement weist zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche eine variierende Querschnittsfläche auf. Eine variierende Querschnittsfläche kann jede Veränderung der Querschnittsfläche des PTC-Thermistorelementes entlang der Stromflussrichtung sein, die außerhalb der technisch bedingten Fertigungstoleranzen liegt. Die Ausrichtung der jeweiligen Querschnittsfläche wird durch die Stromflussrichtung definiert, wobei die Stromflussrichtung im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen der jeweiligen Querschnittsfläche des PTC-Thermistorelementes ausgerichtet ist. Durch die variierende Querschnittsfläche wird der elektrische Widerstand des PTC-Thermistorelementes lokal geändert, wobei eine vergrößerte Querschnittsfläche zu einem geringeren elektrischen Widerstand führt. Die Querschnittsfläche kann an Teilbereichen des PTC-Thermistorelementes vergrößert sein, an denen eine stärkere Erwärmung zu erwarten ist. Hierdurch wird die stärkere Erwärmung des PTC-Thermistorelementes kompensiert bzw. reduziert und somit eine Erhöhung des gesamten elektrischen Widerstandes des PTC-Thermistorelementes aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Temperatur und elektrischen Widerstand verhindert. Durch diese Anpassung kann das PTC-Thermistorelement bei einer vorgegebenen Betriebsspannung eine höhere Heizleistung erzielen.
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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 Berührungen 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.
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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.
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Um eine Übertragung der Wärmeenergie an das Fluid mit geringen Verlusten zu ermöglichen, können die Hauptflächen an dem Gehäuse anliegen, wenn das Gehäuse des PTC-Heizmoduls aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt ist. Hierdurch kann eine Übertragung der Wärmeenergie über Luft, die ein schlechter Wärmeleiter ist, umgangen werden, sodass Wärmeverluste reduziert werden.
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Ist das Gehäuse des PTC-Heizmoduls hingegen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigt, kann vorgesehen sein, dass zwischen den Hauptflächen des PTC-Thermistorelementes und dem Gehäuse wenigstens eine Zwischenschicht vorgesehen ist. Diese Zwischenschicht kann an den Hauptflächen und am Gehäuse anliegen, um den Raum zwischen den Hauptflächen und dem Gehäuse im Wesentlichen vollständig auszufüllen. Die Zwischenschicht muss aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein, welches wenigstens eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft und/oder des PTC-Thermistorelementes. Somit kann der thermische Kontakt zwischen den Hauptflächen und dem Gehäuse verbessert werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Isolatorschicht eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als die Zwischenschicht aufweist, um die Herstellungskosten zu reduzieren. Da der größte Teil der erzeugten Wärmeenergie über die Hauptflächen des PTC-Thermistorelementes abgeführt wird, führt eine Isolatorschicht mit einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit nur zu geringen Verlusten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche zunimmt. Diese Zunahme kann beispielsweise einen linearen und/oder quadratischen und/oder kubischen Verlauf in Abhängigkeit von der Position zwischen den beiden Seitenflächen aufweisen. Die Zunahme der Querschnittsfläche kann dabei so ausgestaltet sein, dass die kleinste Querschnittsfläche an der Seitenfläche vorliegt, die stromaufwärts angeordnet ist. Das Fluid strömt zunächst an dem Teilbereich des PTC-Thermistorelementes vorbei, der eine geringere Querschnittsfläche aufweist, und nimmt die zur Verfügung gestellte Heizleistung in einem solchen Umfang auf, dass eine übermäßige Erwärmung des PTC-Thermistorelementes verhindert wird. Entlang der Strömungsrichtung nimmt die Erwärmung des Fluids kontinuierlich zu, wobei die aus dem PTC-Thermistorelement abgeführte Heizleistung gleichzeitig sinkt. Durch die Zunahme der Querschnittsfläche wird die lokal zur Verfügung gestellte Heizleistung kontinuierlich angepasst und eine ungewünschte lokale Erwärmung des PTC-Thermistorelementes verhindert. Dies reduziert den elektrischen Gesamtwiderstand des PTC-Thermistorelementes bei einer vorgegebenen Betriebsspannung, da eine homogene Erwärmung des PTC-Thermistorelementes erreicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche zwischen der ersten Seitenfläche und einem Grenzquerschnitt zunimmt, wobei die Querschnittsfläche zwischen dem Grenzquerschnitt und der zweiten Seitenfläche abnimmt. Somit ist die Querschnittsfläche an dem Grenzquerschnitt maximal, sodass hier der geringste elektrische Widerstand auftritt. Die Position des Grenzquerschnittes kann durch Messungen und/oder Simulationen ermittelt werden und ist die Position zwischen den beiden Seitenflächen, an der bei einem fiktiven PTC-Thermistorelement mit konstanter Querschnittsfläche die größte Erwärmung vorliegen würde. Da die Querschnittsfläche zwischen dem Grenzquerschnitt und der zweiten Seitenfläche wieder abnimmt, wird die lokale Heizleistung wieder erhöht und eine optimale Erwärmung des Fluids erzielt. Zusätzlich wird durch diese Ausgestaltung die benötigte Materialmenge für das PTC-Thermistorelement reduziert, sodass niedrigere Herstellungskosten erreichbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das PTC-Thermistorelement aus mehreren Teilelementen gebildet ist. Jedes Teilelement ist wiederum ein PTC-Thermistorelement. Die Verwendung mehrerer Teilelemente ermöglicht eine einfache Fertigung des PTC-Thermistorelementes, in dem beispielsweise Teilelemente mit unterschiedlichen jedoch konstanten Querschnittsflächen in Kontakt gebracht werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass mehrere Teilelemente mit unterschiedlich variierenden Querschnittsflächen miteinander in Kontakt gebracht werden. Jeweils zwei Teilelemente sind miteinander in Kontakt, wenn zwischen ihnen eine elektrisch leitende Verbindung besteht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das PTC-Thermistorelement zwei Teilelemente umfasst, wobei eine Seitenfläche des einen Teilelements mit einer Seitenfläche des anderen Teilelements in Kontakt steht, wobei diese in Kontakt stehenden Seitenflächen den Grenzquerschnitt ausbilden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung des erfindungsgemäßen PTC-Thermistorelementes.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass bei einer Strömungsrichtung des Fluids die zweite Seitenfläche stromabwärts der ersten Seitenfläche angeordnet ist und der Grenzquerschnitt näher an der zweiten Seitenfläche positioniert ist. Da die Erwärmung eines fiktiven PTC-Thermistorelement mit konstanter Querschnittsfläche stromabwärts der Strömungsrichtung des Fluid ein Maximum erreicht, kann durch diese Positionierung des Grenzquerschnitts eine besonders homogene Temperaturverteilung innerhalb des PTC-Thermistorelementes erzielt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der ersten Seitenfläche und dem Grenzquerschnitt im Wesentlichen 70% bis 90% des Abstandes beträgt, der zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche vorliegt. Durch Simulationen und entsprechende Messungen wurde festgestellt, dass diese Position des Grenzquerschnittes für die typischen Anwendungsfälle des PTC-Heizmoduls geeignet ist, um eine homogene Temperaturverteilung innerhalb des PTC-Thermistorelementes zu erzielen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Hauptfläche des PTC-Thermistorelementes eine trapezartige Kontur aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Hauptfläche eines Teilelementes des PTC-Thermistorelementes eine trapezartige Kontur aufweist. In einem solchen Fall ist das Teilelement und/oder das ganze PTC-Thermistorelement ein Prisma mit vier Seitenflächen, wobei an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen die Kontaktelektroden angeordnet sind. Die Seitenflächen, an denen die Kontaktelektroden anliegen, können unterschiedlich große Oberflächen aufweisen. Ein solches PTC-Thermistorelement lässt sich einfach und kostengünstig fertigen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Hauptfläche des PTC-Thermistorelementes eine sechseckige Kontur aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Hauptfläche eines Teilelementes des PTC-Thermistorelementes eine sechseckige Kontur aufweist. In einem solchen Fall ist das Teilelement und/oder das ganze PTC-Thermistorelement ein Prisma mit sechs Seitenflächen, wobei an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen die Kontaktelektroden angeordnet sind. Die Seitenflächen, an denen die Kontaktelektroden anliegen, können unterschiedlich große Oberflächen aufweisen. Ein solches PTC-Thermistorelement ermöglicht eine homogene Temperaturverteilung, wobei der Materialeinsatz für das PTC-Thermistorelement minimiert wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass eine Konturkante einer Hauptfläche wenigstens teilweise konvex ausgebildet ist. Als Konturkante ist jede Kante der Hauptfläche anzusehen, die die Oberfläche der Hauptfläche begrenzt. Eine Konturkante ist konvex, wenn eine imaginäre Verbindungslinie zwischen zwei beliebigen Punkten dieser Konturkante innerhalb des PTC-Thermistorelementes verläuft. Eine solche Konturkante ermöglicht eine besonders feine Abstimmung der Geometrie des PTC-Thermistorelementes, um eine gewünschte Reduzierung des Gesamtwiderstandes zu erzielen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass eine Konturkante einer Hauptfläche wenigstens teilweise konkav ausgebildet ist. Eine Konturkante ist konkav, wenn eine imaginäre Verbindungslinie zwischen zwei beliebigen Punkten dieser Konturkante außerhalb des PTC-Thermistorelementes verläuft. Eine solche Konturkante ermöglicht eine besonders feine Abstimmung der Geometrie des PTC-Thermistorelementes, um eine gewünschte Reduzierung des Gesamtwiderstandes zu erzielen.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Fluids mit mehreren erfindungsgemäßen PTC-Heizmodulen, die voneinander beabstandet angeordnet sind. 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.
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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. Hier durchströmt das Fluid entlang dem flächenmäßig größten Anteil der Oberfläche des PTC-Thermistorelementes, sodass ein optimaler Wärmeübertrag auf das Fluid erzielt wird.
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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 kann bis zu 800 V oder mehr betragen.
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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.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes PTC-Heizmodul,
- 2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit trapezförmigen Hauptflächen,
- 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit sechseckförmigen Hauptflächen,
- 4 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit zwei Teilelementen,
- 5 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit konkaven Konturkanten,
- 6 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit konvexen Konturkanten,
- 7 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit zwei Teilelementen, die unterschiedlich ausgestaltete Konturkanten aufweisen,
- 8 eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes PTC-Thermistorelement mit zwei Teilelementen,
- 9 eine Draufsicht auf ein weiteres einstückiges erfindungsgemäßes PTC- Thermistorelement.
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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 14 vorgesehen, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontaktelektroden 3,4 und dem Gehäuse 2 verhindert. Die Isolatorschicht 14 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 14 versehen sind.
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Zwischen der ersten Kontaktelektrode 3 und der zweiten Kontaktelektrode 4 ist ein PTC-Thermistorelement 5 angeordnet. Das PTC-Thermistorelement 5 hat eine Oberfläche und weist eine erste Hauptfläche 6 und eine zweite Hauptfläche 7 auf, die sich gegenüberliegen und im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die beiden Hauptflächen 6 und 7 zeichnen sich dadurch aus, dass sie zusammen den größten Flächenanteil der Oberfläche des PTC-Thermistorelementes 5 ausmachen. Das PTC-Thermistorelement 5 weist eine erste Seitenfläche 8 und eine zweite Seitenfläche 9 auf, die sich gegenüberliegen und im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Über die Hauptflächen 6 und 7 wird der größte Teil der Wärmeenergie abgeführt, die vom PTC-Thermistorelement 5 erzeugt wird. Hierbei fließt die Wärmeenergie im Wesentlichen parallel zu einer Hauptwärmestromrichtung 17. Zwischen den Hauptflächen 6 und 7 und dem Gehäuse 2 ist jeweils eine Zwischenschicht 18 angeordnet, die die jeweilige Hauptfläche 6 bzw. 7 und das Gehäuse 2 thermisch miteinander verbindet. Die Zwischenschicht 18 weist hierzu eine thermische Leitfähigkeit auf, die höher ist als die thermische Leitfähigkeit von Luft und/oder des PTC-Thermistorelementes 5. Durch diese Ausgestaltung wird die Übertragung der Wärmeenergie an das Fluid maximiert. Zusätzlich ist die Zwischenschicht 18 elektrisch isolierend, sodass zwischen dem Gehäuse 2 und der jeweiligen Hauptfläche 6 bzw. 7 keine elektrisch leitende Verbindung vorliegt. In der 1 füllt die Zwischenschicht 18 nicht den kompletten Freiraum im Gehäuse 2 aus, sondern nur den Raum, der zwischen der jeweiligen Hauptflächen 6 bzw. 7 und dem Gehäuse vorliegt. Somit liegen in Eckbereichen des Gehäuses 2 luftgefüllte Resträume 19 vor. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Zwischenschicht 18 so ausgestaltet ist, dass sie teilweise oder vollständig die Resträume 19 ausfüllt.
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Die Isolatorschicht 14 und die Zwischenschicht 18 können aus demselben Material gefertigt sein, es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Isolatorschicht 14 und die Zwischenschicht 18 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Da der größte Teil der Wärmeenergie über die Hauptflächen 6 und 7 übertragen wird, kann vorgesehen sein, dass die Zwischenschicht 18 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, wobei die Isolatorschicht 14 beispielsweise aus einem kostengünstigeren Material mit einer vergleichsweise niedrigeren Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist. Da nur ein geringer Teil der Wärmeenergie über die Seitenflächen 8 und 9 abgeführt wird, können hierdurch die Herstellungskosten gesenkt werden, wobei die Übertragung der Wärmeenergie nur unwesentlich reduziert wird.
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Die erste Seitenfläche 8 und die Seitenfläche 9 sind jeweils mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 15 versehen. Die erste Kontaktelektrode 3 und die zweite Kontaktelektrode 4 liegen an der ersten Seitenfläche 8 bzw. zweiten Seitenfläche 9 an und kontaktieren elektrisch leitend die jeweilige Beschichtung 15. Werden die Kontaktelektroden 3 und 4 mit einer Betriebsspannung beaufschlagt, entsteht ein Stromfluss durch das PTC-Thermistorelement 5 entlang einer Stromflussrichtung 16.
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Eine nicht dargestellte elektrische Heizvorrichtung weist wenigstens ein PTC-Heizmodul 1 auf, das so ausgerichtet ist, dass die Stromflussrichtung 16 im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung 11 des zu erwärmenden Fluids verläuft. Daraus ergibt sich, dass die erste Hauptfläche 6 und die zweite Hauptfläche 7 im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung 11 ausgerichtet sind. Somit ist die Hauptwärmestromrichtung 17 im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 11 und im Wesentlichen quer zur Stromflussrichtung 16 ausgerichtet. 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.
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Eine Variation des Querschnittes des PTC-Thermistorelementes 5 ist in der Darstellung der 1 nicht sichtbar, da diese Variation in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene verläuft, die senkrecht zur Zeichenebene der 1 ausgerichtet ist. Die Variation des Querschnittes des PTC-Thermistorelementes 5 ist daher erst in den 2 bis 8 ersichtlich, da diese jeweils eine Draufsicht auf das PTC-Thermistorelement 5 aus der 1 zeigen. Der Querschnitt des PTC-Thermistorelementes 5 ist in einer Ebene zu betrachten, die einen Normalenvektor aufweist, der im Wesentlichen parallel zur Stromflussrichtung 16 ausgerichtet ist. Die Hauptwärmestromrichtung 17 ist in den 2 bis 8 im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen der Zeichnungsebene ausgerichtet. In den 2 bis 8 sind die erste Seitenfläche 8 und die Seitenfläche 9 jeweils mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 15 versehen. Die erste Kontaktelektrode 3 und die zweite Kontaktelektrode 4 liegen jeweils an der ersten Seitenfläche 8 bzw. zweiten Seitenfläche 9 an und kontaktieren elektrisch leitend die jeweilige Beschichtung 15.
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In 2 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches einstückig ausgebildet ist. Die erste Hauptfläche 6 weist eine trapezartige Kontur auf, wobei die Konturkante 12 geradlinig verläuft. In dieser und in den folgenden Figuren ist immer lediglich eine Konturkante 12 beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen. Die erste Seitenfläche 8 ist stromaufwärts der zweiten Seitenfläche 9 angeordnet, wobei die zweite Seitenfläche 9 eine größere Fläche umfasst als die erste Seitenfläche 8. Die Querschnittsfläche des PTC-Thermistorelementes 5 nimmt von der ersten Seitenfläche 8 beginnend bis zur zweiten Seitenfläche 9 stetig zu.
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In 3 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches einstückig ausgebildet ist. Die erste Hauptfläche 6 weist eine sechseckförmige Kontur auf, wobei die Konturkante 12 geradlinig verläuft. Die erste Seitenfläche 8 ist stromaufwärts der zweiten Seitenfläche 9 angeordnet, wobei die zweite Seitenfläche 9 im Wesentlichen die gleiche Fläche umfassen kann wie die erste Seitenfläche 8. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Seitenfläche 8 und die zweite Seitenfläche 9 unterschiedlich große Flächen umfassen. Eine solche Ausgestaltung ist beispielhaft in der 9 dargestellt.
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Die Querschnittsfläche des PTC-Thermistorelementes 5 nimmt zwischen der ersten Seitenfläche 8 und einem Grenzquerschnitt 10 stetig zu. Zwischen dem Grenzquerschnitt 10 und der zweiten Seitenfläche 9 nimmt die Querschnittsfläche des PTC-Thermistorelementes 5 wieder stetig ab. Der Grenzquerschnitt 10 ist mit einer gestrichelten Linie angedeutet und weist die größte Querschnittsfläche des PTC-Thermistorelementes 5 auf. Die Position des Grenzquerschnittes 10 ist näher an der zweiten Seitenfläche 9 angeordnet als an der ersten Seitenfläche 8.
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In 4 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches aus zwei in Kontakt stehenden Teilelementen ausgebildet ist. Die Hauptfläche des gesamten PTC-Thermistorelementes 5 weist eine sechseckförmige Kontur auf, wobei die Konturkante 12 geradlinig verläuft. Die Hauptflächen 6 der Teilelemente weisen jeweils eine trapezartige Kontur auf. Die erste Seitenfläche 8 ist stromaufwärts der zweiten Seitenfläche 9 angeordnet, wobei die zweite Seitenfläche 9 im Wesentlichen die gleiche Fläche umfassen kann wie die erste Seitenfläche 8. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Seitenfläche 8 und die zweite Seitenfläche 9 unterschiedlich große Flächen umfassen.
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Die Querschnittsfläche des Teilelements, welches stromaufwärts angeordnet ist, nimmt zwischen der ersten Seitenfläche 8 und dem Grenzquerschnitt 10 stetig zu. Die Querschnittsfläche des Teilelements, welches stromabwärts angeordnet ist, nimmt zwischen dem Grenzquerschnitt 10 und der zweiten Seitenfläche 9 stetig ab. Die Seitenflächen der Teilelemente, die in Kontakt stehen, bilden den Grenzquerschnitt 10 aus.
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In 5 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches einstückig ausgebildet ist. Die erste Hauptfläche 6 weist eine trapezartige Kontur auf, wobei die Konturkante 12 konkav verläuft. Eine imaginäre Verbindungslinie 13, die zwei beliebige Punkte der Konturkante 12 miteinander verbindet, liegt außerhalb des PTC-Thermistorelementes 5.
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In 6 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches einstückig ausgebildet ist. Die erste Hauptfläche 6 weist eine trapezartige Kontur auf, wobei die Konturkante 12 konvex verläuft. Eine imaginäre Verbindungslinie 13, die zwei beliebige Punkte der Konturkante 12 miteinander verbindet, liegt innerhalb des PTC-Thermistorelementes 5.
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In 7 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches aus zwei in Kontakt stehenden Teilelementen ausgebildet ist. Die Hauptfläche des gesamten PTC-Thermistorelementes 5 weist eine sechseckförmige Kontur auf, wobei die Konturkante 12 das ersten Teilelementes konkav und die des zweiten Teilelementes konvex verläuft. Die Hauptflächen 6 der Teilelemente weisen jeweils eine Kontur mit vier Eckpunkten auf. Die erste Seitenfläche 8 ist stromaufwärts der zweiten Seitenfläche 9 angeordnet, wobei die zweite Seitenfläche 9 im Wesentlichen die gleiche Fläche umfassen kann wie die erste Seitenfläche 8. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Seitenfläche 8 und die zweite Seitenfläche 9 unterschiedlich große Flächen umfassen.
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Die Querschnittsfläche des Teilelements, welches stromaufwärts angeordnet ist, nimmt zwischen der ersten Seitenfläche 8 und dem Grenzquerschnitt 10 nichtlinear zu. Die Querschnittsfläche des Teilelements, welches stromabwärts angeordnet ist, nimmt zwischen dem Grenzquerschnitt 10 und der zweiten Seitenfläche 9 nichtlinear ab. Die Seitenflächen der Teilelemente, die in Kontakt stehen, bilden den Grenzquerschnitt 10 aus.
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In 8 ist eine Draufsicht auf ein PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches ähnlich zur Ausführungsform in 7 ausgebildet ist, wobei jedoch die Konturkante 12 des zweiten Teilelementes konkav anstatt konvex verläuft.
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In 9 ist eine Draufsicht auf ein einstückiges PTC-Thermistorelement 5 gezeigt, welches ähnlich zur Ausführungsform in 3 ausgebildet ist, wobei jedoch die zweite Seitenfläche 9 beispielhaft eine wesentlich größere Fläche umfasst als die Seitenfläche 8.
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Es ist auch denkbar, dass die Ausführungsbeispiele der PTC-Thermistorelemente 5 in den 2 bis 9 so ausgebildet sind, dass die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung 11 zunächst abnimmt und nicht zunimmt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Ausführungsbeispiele der PTC-Thermistorelemente 5 in den 2 bis 9 im Wesentlichen gespiegelt bzw. um 180° gedreht zur Strömungsrichtung 11 sind.
