-
Die Erfindung betrifft ein PTC-Heizmodul zum Erwärmen eines Fluids mit wenigstens einem PTC-Thermistor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein elektrischer Heizer für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug weist üblicherweise mehrere PTC- Heizmodule (PTC: Positive Temperature Coefficient) mit mehreren PTC-Thermistoren aus keramischen Kaltleitern aus. Die Kaltleiter besitzen einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, der mit zunehmender Temperatur zunimmt. Dadurch stellt sich unabhängig von den Randbedingungen - wie beispielweise Spannung oder Nominalwiderstand - eine nur gering variierende Temperatur an dem PTC-Thermistor ein. Dadurch kann ein Überhitzen des PTC-Thermistors vorteilhaft verhindert werden. Der elektrische Heizer kann beispielsweise eingesetzt werden, um in der Startphase und im Fahrbetrieb bei kalten Umgebungstemperaturen die Temperatur in der Fahrgastkabine aufrechtzuerhalten. Dabei wird Luft, Frischluft und/oder Umluft, entweder direkt mit dem elektrischen Heizer oder indirekt mittels eines Wärmetauschers aufgeheizt. Dem Wärmetauscher wird dabei ein anderes Fluid - wie beispielweise Kühlmittel - zugeführt, das mit dem elektrischen Heizer aufgeheizt wird und die gespeicherte Wärme dann an die Luft abgibt. Anschließend wird die aufgeheizte Luft zu der Fahrgastkabine geleitet. In der Fahrgastkabine kann die aufgeheizte Luft die gespeicherte Wärme abgeben und diese dadurch aufgeheizt werden. Bei einem Elektrofahrzeug stellt der elektrische Heizer in der Regel auch die einzige Möglichkeit zum Heizen dar.
-
Ein PTC-Heizmodul wird in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug von der Antriebsbatterie gespeist, die aktuell eine Spannung zwischen 150 V und 500 V bereitstellen. Zukünftig werden sogar Spannungen bis zu 800 V gefordert. Ein sicherer Berührungsschutz zum Schutz der Insassen ist deswegen unabdingbar. Insbesondere müssen alle elektrisch leitende und von außen berührbare Elemente des PTC-Heizmoduls potentialfrei sein. Dazu wird der PTC-Thermistor durch eine elektrische Isolierung nach außen elektrisch isoliert, wobei die elektrische Isolierung zum Ableiten der Wärme durch die Isolierung hindurch wärmeleitend ist. Ferner müssen die Kontaktelektroden in dem PTC-Thermistor zum Einhalten von Luft- und Kriechstrecken ausreichend beabstandet sein, wobei der Abstand der beiden Kontaktelektroden mit der steigenden Spannung ansteigt. In einem herkömmlichen PTC-Heizmodul liegen die beiden Kontaktelektroden vollflächig an dem PTC-Thermistor an, so dass ein Abstand zwischen den Kontaktelektroden einer Dicke des PTC-Thermistors entspricht.
-
Mit der steigenden Spannung muss demnach die Dicke des PTC-Thermistors zum Einhalten von Luft- und Kriechstrecken in dem PTC-Heizmodul erhöht werden. So beträgt bei einer Spannung von 400 V an dem PTC-Heizmodul der notwendige Abstand der beiden Kontaktelektroden etwa 2 mm. Bei einer Spannung von 800 V müsste der Abstand der beiden Kontaktelektroden auf etwa 4 mm vergrößert werden. Da jedoch die Kaltleiter aus Keramik eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, kann aus einem Innenbereich des PTC-Thermistors bei einer höheren Dicke die Wärme nur schwer abgeleitet werden. Entsprechend steigen die Temperatur in dem Innenbereich des PTC-Thermistors und sein elektrischer Widerstand. Nachteiligerweise sinkt dadurch die Leistung des PTC-Heizmoduls.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein PTC-Heizmodul der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, normgerechte Abstände zuerst für die Kriechstrecken einzuhalten, ohne die Leistung des PTC-Heizmoduls negativ zu beeinflussen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Kriechstrecke in einem PTC-Heizmodul durch Geometrie des PTC-Thermistors zu vergrößern. Ein PTC-Heizmodul zum Erwärmen eines Fluids weist wenigstens einen PTC-Thermistor mit zwei einander gegenüberliegenden ebenen Hauptflächen auf. Die beiden Hauptflächen sind parallel und beabstandet zueinander angeordnet und definieren eine Thermistordicke des PTC-Thermistors. Die Hauptflächen des PTC-Thermistors sind durch wenigstens eine Seitenfläche miteinander verbunden und der PTC-Thermistor ist durch die wenigstens eine Seitenfläche und die Hauptflächen nach außen abgegrenzt. Das PTC-Heizmodul weist ferner zwei Kontaktplatten auf, zwischen denen der PTC-Thermistor angeordnet ist. Erfindungsgemäß weicht ein senkrecht zu den Hauptflächen des PTC-Thermistors definierter Querschnitt des PTC-Thermistors von einem Rechteck ab, so dass eine Kriechstrecke zwischen den beiden Hauptflächen des PTC-Thermistors größer als die Thermistordicke des PTC-Thermistors ist. Die Kriechstrecke ist dabei durch die kürzeste Entfernung der Hauptflächen des PTC-Thermistors entlang der wenigstens einen Seitenfläche des PTC-Thermistors definiert.
-
Der Querschnitt des PTC-Thermistors weicht erfindungsgemäß von einem Rechteck ab. Die beiden Hauptflächen des PTC-Thermistors sind dabei zueinander parallel, so dass die von einem Rechteck abweichende Form des Querschnitts durch die wenigstens eine Seitenfläche des PTC-Thermistors bestimmt ist. Die Kriechstrecke entlang der wenigstens einen Seitenfläche in dem erfindungsgemäßen PTC-Heizmodul entspricht folglich nicht der kürzesten Entfernung zwischen den beiden Hauptflächen und ist vergrößert. Die Kriechstrecke hängt dabei von der Ausgestaltung der wenigstens einen Seitenfläche ab und kann unabhängig von der Thermistordicke an die vorgegebene Spannung angepasst werden. Vorteilhafterweise kann die Kriechstrecke beispielweise 110% bis 500% der Thermistordicke des jeweiligen PTC-Thermistors betragen. Entsprechend kann auch die Thermistordicke unabhängig von der für die vorgegebene Spannung geforderten Kriechstrecke gewählt werden und die von der Thermistordicke abhängige Leistung des PTC-Heizmoduls optimiert werden.
-
In dem PTC-Thermistor entspricht eine Stromflussrichtung zwischen den beiden Kontaktplatten bei der angelegten Spannung im Wesentlichen einer Wärmeflussrichtung zwischen den beiden Hauptflächen. „Im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Stromflussrichtung sich von Wärmeflussrichtung um maximal 20% abweicht. Zweckgemäß sind die Kontaktplatten thermisch und elektrisch leitend, so dass durch die Kontaktplatten die vorgegebene Spannung an den jeweiligen PTC-Thermistor angelegt und die in dem wenigstens einen PTC-Thermistor erzeugte Wärme über die Kontaktplatten effektiv nach außen abgeleitet werden kann. Die Kontaktplatten können beispielweise aus Aluminium bestehen. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Hauptflächen vollflächig mit einer Kontaktierungsschicht beschichtet sind. Die jeweilige Kontaktplatte kann dabei vollflächig an der jeweiligen Kontaktierungsschicht anliegen. Die Kontaktierungsschicht kann beispielweise eine Silber- oder eine Aluminiumbeschichtung sein. Um die Leistung des PTC-Heizmoduls zu erhöhen, kann das PTC-Heizmodul vorteilhafterweise mehrere PTC-Thermistore aufweisen, die nebeneinander zwischen den beiden Kontaktplatten angeordnet sind. Die jeweiligen PTC-Thermistore können dabei sowohl in einer Reihe nebeneinander als auch in mehreren Reihen und in mehreren Spalten nebeneinander zu einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sein.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass eine vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors sich von der einen Hauptfläche zu der anderen Hauptfläche ändert. In dem erfindungsgemäßen PTC-Heizmodul ist der wenigstens eine PTC-Thermistor zwischen den beiden Kontaktplatten angeordnet und der elektrische Strom fließt folglich von der einen Kontaktplatte zu der anderen Kontaktplatte über den wenigstens einen PTC-Thermistor. Die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des wenigstens einen PTC-Thermistors liegt folglich parallel zu den Kontaktplatten des PTC-Heizmoduls. Abhängig von dem Querschnitt des PTC-Thermistors kann sich die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors stetig oder sprunghaft ändern.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen PTC-Heizmoduls ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Seitenfläche einen von 90° abweichenden Schnittwinkel zu der jeweiligen Hauptfläche aufweist, so dass der Querschnitt des wenigstens einen PTC-Thermistors einem nicht rechtwinkligen Trapez entspricht. Der Querschnitt kann dabei einem gleichschenkligen oder einem nicht gleichschenkligen Trapez entsprechen. Die in diesem Fall durch eine Schenkellänge des Trapezes definierte Kriechstrecke ist größer als die in diesem Fall durch eine Höhe des Trapezes bestimmte Thermistordicke. Ist das Trapez ein Parallelogramm, so ändert sich die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors nicht. In allen anderen Fällen nimmt die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors von der einen Hauptfläche zu der anderen Hauptfläche stetig ab oder zu.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen PTC-Heizmoduls ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Seitenfläche aus mehreren Teilflächen gebildet ist, die jeweils unter einem von Null abweichenden Schnittwinkel zueinander angeordnet sind. Die Teilflächen können dabei sowohl eben als auch gekrümmt sein. Der Querschnitt des PTC-Thermistors entspricht dann einem konkaven oder einem konvexen Vieleck mit mehr als vier Ecken. Die in diesem Fall durch eine summierte Länge der Teilflächen definierte Kriechstrecke ist größer als die in diesem Fall durch eine Höhe des Vielecks bestimmte Thermistordicke. Ist der Vieleck konkav, so nimmt die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors von der einen Hauptfläche zu der anderen Hauptfläche zuerst stetig ab und danach stetig zu. Bei einem konvexen Viereck nimmt die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors von der einen Hauptfläche zu der anderen Hauptfläche zuerst stetig zu und danach stetig ab.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen PTC-Heizmoduls ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Seitenfläche eine oder mehrere stufenartige Ausformungen aufweist. Der Querschnitt des PTC-Thermistors entspricht dann einem konkaven Vieleck mit mehr als vier Ecken. Das Vieleck kann dabei gerade oder gekrümmte Kanten aufweisen. Dabei nimmt die vom elektrischen Strom durchströmende Fläche des PTC-Thermistors von der einen Hauptfläche zu der anderen Hauptfläche sprunghaft zu und/oder sprunghaft ab.
-
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der PTC-Thermistor einteilig beziehungsweise monolithisch ist. Der einteilige beziehungsweise monolithische PTC-Thermistor kann beispielweise in einem Pressverfahren in eine Pressform gepresst sein, um den PTC-Thermistor mit dem von einem Rechteck abweichenden Querschnitt zu formen. Alternativ kann der entsprechende Querschnitt durch ein Bearbeitungsverfahren an dem PTC-Thermistor erzeugt sein.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der PTC-Thermistor aus mehreren mit jeweils einer Stapelfläche aneinander gestapelten PTC-Elementen gebildet ist. Zwischen den mehreren aneinander gestapelten PTC-Elementen kann jeweils eine elektrisch und thermisch leitende Beschichtung festgelegt sein. Um die Kriechstrecke zwischen den Hauptflächen des PTC-Thermistors durch die elektrisch leitende Beschichtung nicht zu verkleinern, kann die Beschichtung die Stapelfläche des jeweiligen PTC-Elements voll- oder teilflächig abdecken. So kann die Beschichtung in ihren Abmessungen beispielweise der kleinsten Stapelfläche von den beiden aneinander anliegenden PTC-Elementen entsprechen. Die jeweiligen aneinander gestapelten PTC-Elemente bilden dann den PTC-Thermistor mit dem von einem Rechteck abweichenden Querschnitt. Durch die aneinander gestapelten PTC-Elemente kann das Herstellen des PTC-Thermistors mit einem komplexen Querschnitt vereinfacht werden.
-
Zusammenfassend ist in dem PTC-Heizmodul die Kriechstrecke zwischen den beiden Hauptflächen durch den Querschnitt des wenigstens einen PTC-Thermistors von der Thermistordicke unabhängig anpassbar. Die Thermistordicke des wenigstens einen PTC-Thermistors ist dadurch von der vorgegeben Spannung unabhängig, so dass die Leistung des PTC-Heizmoduls durch die angepasste Thermistordicke optimiert werden kann.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
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.
-
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.
-
Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen PTC-Heizmoduls;
- 2 eine Explosionsansicht von Kontaktplatten und von zwischen den Kontaktplatten angeordneten PTC-Thermistoren in dem PTC-Heizmodul aus 1;
- 3 bis 20 Ansichten von unterschiedlich ausgestalteten PTC-Thermistoren in dem erfindungsgemäßen PTC-Heizmodul.
-
1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen PTC-Heizmoduls 1 zum Erwärmen eines Fluids. Das PTC-Heizmodul 1 weist mehrere PTC-Thermistoren 2 mit jeweils zwei einander gegenüberliegenden ebenen Hauptflächen 3a und 3b auf. Die beiden Hauptflächen 3a und 3b sind parallel und beabstandet zueinander angeordnet und definieren eine Thermistordicke DPTC des jeweiligen PTC-Thermistors 2. Die Hauptflächen 3a und 3b des jeweiligen PTC-Thermistors 2 sind ferner durch Seitenflächen 4 miteinander verbunden und der PTC-Thermistor 2 ist durch die Seitenflächen 4 und die Hauptflächen 3a und 3b nach außen abgegrenzt. Das PTC-Heizmodul 1 weist ferner zwei Kontaktplatten 5a und 5b auf, zwischen denen der jeweilige PTC-Thermistor 2 angeordnet ist. Zwischen der jeweiligen Kontaktplatte 5a und 5b und der jeweiligen Hauptfläche 3a und 3b des jeweiligen PTC-Thermistors 2 ist dabei jeweils eine elektrisch und thermisch leitende Kontaktierungsschicht 6a und 6b angeordnet. In 2 ist eine Explosionsansicht der Kontaktplatten 5a und 5b und den mehreren PTC-Thermistoren 2 in dem PTC-Heizmodul 1 gezeigt.
-
Die jeweiligen PTC-Thermistore 2 sind dabei zwischen den beiden Kontaktplatten 5a und 5b nebeneinander angeordnet und mit diesen elektrisch und thermisch leitend über die jeweiligen Kontaktierungsschichten 6a und 6b kontaktiert. In dem jeweiligen PTC-Thermistor 2 entspricht eine Stromflussrichtung zwischen den beiden Kontaktplatten 5a und 5b bei der angelegten Spannung im Wesentlichen einer Wärmeflussrichtung zwischen den beiden Hauptflächen 3a und 3b. Die Kontaktplatten 5a und 5b mit dem jeweiligen PTC-Thermistor 2 sind in einem Gehäuse 7 angeordnet, wobei die Kontaktplatten 5a und 5b von dem Gehäuse 7 durch jeweils eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Isolierschicht 8a und 8b abgetrennt sind. Einerseits kann dadurch die in dem jeweiligen PTC-Thermistor 2 erzeugte Wärme über die Kontaktplatten 5a und 5b und über die Isolierschichten 8a und 8b an das Gehäuse 7 und weiter nach außen abgeleitet werden und andererseits kann das Gehäuse 7 nach außen elektrisch isoliert werden. An dem Gehäuse 7 ist ferner eine Rippenstruktur 9 thermisch leitend festgelegt, die zum effektiven Ableiten der Wärme von dem Gehäuse 7 an das die Rippenstruktur 9 umströmende Fluid vorgesehen ist.
-
Der PTC-Thermistor 2 weist einen von einem Rechteck abweichenden Querschnitt auf. Dadurch ist eine Kriechstrecke 10 zwischen den beiden Hauptflächen 3a und 3b größer als die Thermistordicke DPTC des PTC-Thermistors 2. Die Kriechstrecke 10 ist dabei durch die kürzeste Entfernung der Hauptflächen 3a und 3b des PTC-Thermistors 2 entlang der jeweiligen Seitenfläche 4 des PTC-Thermistors 2 definiert. Die Thermistordicke DPTC ist durch die Geometrie des PTC-Thermistors 2 von der für die vorgegebene Spannung geforderten Kriechstrecke 10 unabhängig, so dass die Leistung des PTC-Heizmoduls 1 unabhängig von der Thermistordicke DPTC optimierbar ist.
-
In 3 bis 20 sind Ansichten der unterschiedlich ausgestalteten PTC-Thermistoren 2 gezeigt. Unabhängig von ihrer Ausgestaltung sind die gezeigten PTC-Thermistoren 2 aus mehreren PTC-Elementen 15a und 15b aufgebaut, die jeweils eine Stapelfläche 16 aufweisen. Zwischen den jeweiligen aneinander gestapelten PTC-Elementen 15a und 15b ist dabei jeweils eine elektrisch und thermisch leitende Beschichtung 17 angeordnet, wobei die Beschichtung 17 in ihren Abmessungen der kleinsten Stapelfläche 16 von den beiden aneinander anliegenden PTC-Elemente 15a und 15b entspricht. Insbesondere in den PTC-Thermistoren 2 nach 15 bis 20 kann dadurch ein Verkürzen der Kriechstrecke 10 verhindert werden. Die jeweiligen Hauptflächen 3a und 3b der gezeigten PTC-Thermistoren 2 sind vollflächig mit den jeweiligen Kontaktierungsschichten 9a und 9b beschichtet. Alternativ zu den hier gezeigten Beispielen können die PTC-Thermistoren 2 in 3 bis 20 unabhängig von ihrer Ausgestaltung auch einteilig beziehungsweise monolithisch sein. Ferner können die jeweiligen PTC-Elemente 15a und 15b abweichend zu den gezeigten Beispielen auch ohne eine Beschichtung 17 aneinander gestapelt sein.
-
In 3 bis 5 sind Ansichten des PTC-Thermistors 2 gezeigt, der rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die jeweilige Seitenfläche 4 ist dabei aus zwei ebenen Teilflächen 13a und 13b gebildet, die jeweils unter einem von Null abweichenden Schnittwinkel α zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt des PTC-Thermistors 2 entspricht dabei einem konvexen Sechseck.
-
In 6 bis 8 sind Ansichten des PTC-Thermistors 2 gezeigt, der quadratische Hauptflächen 3a und 3b aufweist. Die jeweiligen Seitenflächen 4 sind dabei aus jeweils zwei ebenen Teilflächen 13a und 13b gebildet, die unter einem von Null abweichenden Schnittwinkel α zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt des PTC-Thermistors 2 entspricht dabei einem konvexen Sechseck.
-
In 9 bis 11 sind Ansichten des PTC-Thermistors 2 gezeigt, der rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die jeweilige Seitenfläche 4 ist dabei aus zwei ebenen Teilflächen 13a und 13b gebildet, die jeweils unter einem von Null abweichenden Schnittwinkel α zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt des PTC-Thermistors 2 entspricht dabei einem konkaven Sechseck.
-
In 12 bis 14 sind Ansichten des PTC-Thermistors 2 gezeigt, der rechteckige Hauptflächen 3a und 3b aufweist. Die jeweiligen Seitenflächen 4 sind dabei aus jeweils zwei ebenen Teilflächen 13a und 13b gebildet, die unter einem von Null abweichenden Schnittwinkel α zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt des PTC-Thermistors 2 entspricht dabei einem konkaven Sechseck.
-
In 15 bis 17 sind Ansichten des PTC-Thermistors 2 gezeigt, der quadratische Hauptflächen 3a und 3b aufweist. Die jeweiligen Seitenflächen 4 weisen dabei jeweils eine stufenartige Ausformung 14 auf. Der Querschnitt des PTC-Thermistors 2 entspricht dabei einem konvexen Achteck.
-
In 18 bis 20 sind Ansichten des PTC-Thermistors 2 gezeigt, der quadratische Hauptflächen 3a und 3b und eine mittig angeordnete stufenartige Ausformung 14 aufweist. Der Querschnitt des PTC-Thermistors 2 entspricht dabei einem konvexen Zwölfeck.
-
Zusammenfassend ist in dem PTC-Heizmodul 1 die Kriechstrecke 10 zwischen den beiden Hauptflächen 3a und 3b durch den Querschnitt des PTC-Thermistors 2 von der Thermistordicke DPTC unabhängig anpassbar. Auch die Luftstrecke 10b zwischen den Kontaktplatten 5a und 5b kann von der Thermistordicke DPTC unabhängig angepasst sein. Die Thermistordicke DPTC des jeweiligen PTC-Thermistors 2 ist dadurch von der vorgegeben Spannung unabhängig, so dass die Leistung des PTC-Heizmoduls 1 durch die angepasste Thermistordicke DPTC optimiert werden kann.
