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Die vorliegende Erfindung betrifft eine PTC-Heizeinrichtung mit einem PTC-Element und einem Rahmenelement das eine das PTC-Element umfänglich umschließende Ausnehmung ausbildet, die beiderseits mit elektrisch isolierenden Platten abgedeckt ist, die mit dem Rahmenelement zur Versiegelung des PTC-Elementes in der Ausnehmung zusammenwirken.
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Bei der vorbekannten PTC-Heizeinrichtung wie auch bei der vorliegenden Erfindung ist das Rahmenelement üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial gebildet. Das Rahmenelement wird auch als Positionsrahmen bezeichnet. Es umgibt das PTC-Element vollumfänglich. Das PTC-Element ist geringfügig dicker als das Rahmenelement, so dass die Hauptseitenfläche des PTC-Elementes das Rahmenelement überragen. Die Hauptseitenflächen des PTC-Elementes sind diejenigen Flächen des regelmäßig quaderförmigen PTC-Elementes, über welche die Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element erfolgt und die gegenüber den übrigen Flächen, also der in Umfangsrichtung sich erstreckenden Fläche bzw. Flächen zumindest um den Faktor fünf größer ist. An diesen Hauptseitenflächen erfolgt jedenfalls bei der vorliegenden Erfindung die elektrische Kontaktierung des PCT-Elementes mit dem Leistungsstrom.
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Das PTC-Element ist in der Ausnehmung des Rahmenelementes eingesiegelt. Die einander gegenüberliegenden elektrischen isolierenden Platten sind dementsprechend mit dem Rahmenelement so verbunden, dass die Ausnehmung gegenüber der Umgebung gekapselt ist.
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Bei dem obigen Stand der Technik erfolgt die Bestromung des PTC-Elementes durch Kontaktbleche, die über das Rahmenelement seitlich hinaus verlängert sind und dort Anschlusszungen für die Steckkontaktierung der PTC-Heizeinrichtung ausbilden. An dieser Stelle muss in besonderer Weise für eine hinreichende Abdichtung gesorgt werden um zu verhindern, dass Feuchtigkeit oder ein zu erwärmendes Fluid von außen bis in die Ausnehmung gelangen. Dies ist bei dem Herausführen der Kontaktzungen aus dem Rahmenelement nicht immer einfach.
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Bei PTC-Heizeinrichtungen der eingangs genannten Art ist es ferner zu bevorzugen, die Wärme an beiden Hauptseitenflächen des PTC-Heizelementes symmetrisch auszukoppeln. Die PTC-Heizeinrichtung der vorliegenden Erfindung soll wie die aus dem Stand der Technik bekannte PTC-Heizeinrichtung in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen. Hier sind skalierbare Produktionsabläufe erforderlich. Die PTC-Heizeinrichtung soll mit gleichbleibender verlässlicher Qualität hergestellt werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine PTC-Heizeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen zuverlässigen elektrischen Anschluss des PTC-Elementes bei zuverlässiger Versiegelung des PTC-Elementes in der Ausnehmung erlaubt.
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Zur Lösung dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung eine PTC-Heizeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Diese unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Lösung dadurch, dass die isolierende Platte mit einer Metallisierung versehen ist, die elektrisch leitend an dem PTC-Element anliegt und elektrisch leitend mit einer zugeordneten, auf der Außenfläche der elektrisch isolierenden Platte vorgesehenen Kontaktierungsfläche zum elektrischen Anschluss der PTC-Heizeinrichtung verbunden ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt der elektrische Anschluss des PTC-Elementes an den Leistungsstrom über Kontaktierungsflächen, die auf der Außenfläche der elektrisch isolierenden Platte vorgesehen sind. Die elektrisch isolierende Platte trägt dem entsprechend die entsprechenden Kontaktierungsflächen. Diese Kontaktierungsflächen sind als elektrisch leitende Segmente auf die elektrisch isolierende Platte aufgebracht und damit verbunden. Die elektrisch isolierende Platte hat eine hinreichende eigene Formsteifigkeit, so dass beispielsweise ein unmittelbares Verkleben der isolierenden Platte mit dem Rahmenelement zu einem im Wesentlichen starren Rahmenelement führt, bei dem das PTC-Element umfänglich von dem Rahmenelement umgeben ist und an den gegenüberliegenden Hauptseitenflächen von den isolierenden Platten formsteif abgedeckt ist.
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Diese isolierenden Platten liegen unmittelbar elektrisch leitend an dem PTC-Element an. Dazu sind die elektrisch isolierenden Platten mit einer Metallisierung versehen, die mit dem PTC-Element unmittelbar elektrisch in Kontakt steht. Der Kontakt kann durch einen elektrisch leitenden Kleber erfolgen. Der Kontakt kann auch durch einen elektrisch nicht-leitenden Kleber erfolgen, wozu die Metallisierung auf der elektrisch isolierenden Platte und/oder eine ohnehin auf der PTC-Element vorgesehene Metallisierung zur Stromeinkopplung in das als Halbleiterbauteil ausgebildete PTC-Element mit einer gewissen Rauigkeit versehen sind, so dass Rauhigkeitsspitzen die Klebeschicht durchsetzen und auf der gegenüberliegenden Seite elektrischen Kontakt machen. Ein elektrisch nicht-leitender Kleber ist zu bevorzugen, da dieser üblicherweise die elektrisch isolierenden Platte mit dem Rahmenelement verbindet und dementsprechend ein Teil der elektrisch isolierenden Einhausung sein wird. Alternativ kann ein elektrisch isolierender Kleber an dem Außenumfang der Ausnehmung aufgebracht und mit der elektrisch isolierenden Platte verbunden werden, wohingegen innerhalb dieser umfänglichen isolierenden Verklebung ein elektrisch leitender Kleber vorgesehen sein, der das PTC-Element elektrisch leitend mit der Metallisierung der elektrisch isolierenden Platte verbindet.
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Es versteht sich, dass diese Metallisierung üblicherweise nicht bis an den Rand der elektrisch isolierenden Platte reicht. Anders verhält es sich an derjenigen Stelle, an der die Kontaktierungsfläche vorgesehen ist. Diese Kontaktierungsfläche kann an einem umfänglichen Rand der elektrisch isolierenden Fläche vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Kontaktierungsfläche indes auf einer der Hauptflächen der elektrisch isolierenden Platte vorgesehen. Vorzugsweise ist allein die Kontaktierungsfläche ein elektrisch mit dem PTC-Element in Kontakt stehender Bereich. Die übliche und durch das Rahmenelement und die elektrisch isolierenden Platten gebildete Einhausung ist elektrisch isolierend.
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Das Rahmenelement kann aus Kunststoff oder einer elektrisch isolierenden Keramik bestehen. Das Rahmenelement kann eine oder mehrere Ausnehmungen bilden. Jede einzelne Ausnehmung kann ein oder mehrere PTC-Elemente in sich aufnehmen. Entsprechend den oben ausgebreiteten Überlegungen für einen elektrisch isolierenden Kleber im Randbereich der isolierenden Platten versteht sind, dass die Metallisierung nicht vollflächig aufeinander gegenüberliegenden Innenflächen der elektrisch isolierenden Platten vorgesehen ist. Vielmehr beschränkt sich die Metallisierung üblicherweise auf denjenigen Flächenbereich, der unmittelbar mit dem PTC-Element kontaktiert ist bzw. gegen den das PTC-Element unmittelbar oder mittelbar elektrisch leitend anliegt.
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Im Hinblick auf einen einfachen effektiven und großflächigen Anschluss wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Kontaktierungsfläche an einer äußeren Hauptseitenfläche der elektrisch isolierenden Platte vorgesehen ist. Die Kontaktierungsfläche ist dazu üblicherweise nahe eines Randes der elektrisch isolierenden Platte vorgesehen. Die Kontaktierungsfläche kann eine auf der Außenseite der elektrisch isolierenden Platte aufgebrachte Metallisierung aufweisen, die eine durchgehende Kontaktierungsfläche an der äußeren Hauptseitenfläche der entsprechenden elektrisch isolierenden Platte ausformt. Diese Kontaktierungsfläche ist bevorzugt über zumindest eine Durchkontaktierung mit der Metallisierung elektrisch leitend verbunden. Die Durchkontaktierung durchsetzt die elektrisch isolierende Platte. Üblicherweise durchsetzt ein elektrisch leitendes Material eine Bohrung, die in der elektrisch isolierenden Platte ausgespart ist und die innen vorgesehene Metallisierung mit der außen vorgesehenen Kontaktierungsfläche verbindet.
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Wie zuvor erwähnt, ist die elektrisch isolierende Platte bevorzugt eine aus Keramik gebildete Platte. Diese Platte ist üblicherweise eben und nur wenige Millimeter stark.
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Bevorzugt ist eine gut wärmeleitende und elektrisch leitende Lage zwischen dem PTC-Element und der Metallisierung vorgesehen, die zwischen den elektrisch isolierenden Platten eingesiegelt ist. Der zuvor erwähnte elektrisch leitende Kleber kann eine solche elektrisch leitende Lage ausbilden. Die elektrische Lage kann beispielsweise auch alternativ oder ergänzend aus einer Grafit- oder Kupferfolie bzw. Platte gebildet sein. Wichtig ist eine gute Wärmeleitfähigkeit wie auch eine gute elektrische Leitfähigkeit. Dabei sollte ein Material benutzt werden, welches das Eindringen von Rauigkeitsspitzen insbesondere an der Oberfläche des PTC-Elementes in die elektrisch leitende Lage erlaubt, so dass eine flächige Kontaktierung zwischen der Metallisierung der elektrischen isolierenden Lage und des PTC-Elementes geschaffen ist. Die elektrisch leitende Lage ist nicht Leiterplatte im Sinne des oben erwähnten Standes der Technik. Sie vermittelt lediglich die elektrische Kontaktierung zwischen der Metallisierung auf dem PTC-Element und der Oberfläche des PTC-Elementes rechtwinklig zu der Hauptseitenfläche. So befindet sich die elektrisch leitende Lage üblicherweise lediglich dort, wo das PTC-Element gegenüberliegend zu der elektrisch isolierenden Lage vorgesehen ist. Bevorzugt ist die elektrisch leitende Lage in etwa mit der Größe der Hauptseitenfläche des PTC-Elementes verwirklicht.
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In an sich bekannter Weise kann die PTC-Heizeinrichtung zur Steckkontaktierung an einen Leistungsstrom angepasst ausgebildet sein. Dazu werden Kontaktbleche vorgeschlagen, die jeweils mit der zugeordneten Kontaktierungsfläche elektrisch verbunden sind und einseitig die zugeordnete elektrisch isolierende Platte überragen. Die entsprechenden Kontaktbleche können von einem elektrisch isolierenden Kragen umfänglich umgeben sein, der die Kontaktierungsflächen umfänglich umgibt und auf deren Höhe vorgesehen ist. So ist der Kragen üblicherweise lediglich über eine geringe Länge der elektrisch isolierenden Platten und einseitig an deren Rand vorgesehen. Der Kragen kann durch Umspritzen der Kontaktbleche und der elektrisch isolierenden Lagen nach dem Anlegen gegen das Rahmenelement unter Einsiedlung des PTC-Elementes ausgeformt und mit dieser Einheit verbunden sein. Der Kragen kann auch durch zwei Schalenelemente gebildet sein, die die elektrisch isolierenden Platten umfänglich umgreifen und beispielsweise mit diesen verklebt sein können. Der Kragen hat üblicherweise Kontaktblechaufnahmen, in denen die Kontaktbleche so gehalten sind, dass die Kontaktbleche mit einer Kontaktierungsgegenfläche an der Kontaktierungsfläche an der Außenfläche der elektrisch isolierenden Platten anliegen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der wesentlichen Teile der PTC-Heizeinrichtung;
- 2 das Ausführungsbeispiel nach 1 nach dem Fügen der elektrisch isolierenden Platten und
- 3 eine perspektivische Seitenansicht des fertiggestellten Ausführungsbeispiels zusammen mit den Kontaktflächen.
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In 1 sind mit Bezugszeichen 2 zwei Keramikplatten als Beispiele für elektrisch isolierende Platten vorgesehen, die auf gegenüberliegenden Innenflächen mit einer Metallisierung 4 versehen sind, die gegenüber den mit Bezugszeichen 6 gekennzeichneten Längsrändern der Keramikplatte 2 und einem unteren Rand 8 beabstandet ist und bis an einen oberen Rand 10 reicht. Dadurch ist ein elektrisch nichtleitender U-förmiger Streifen 12 auf gegenüberliegenden Innenflächen der jeweiligen Keramikplatten 2 vorgesehen. Ein mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnetes Rahmenelement aus einer Keramik hat Längsholme 16 und einen unteren Querholm 18, deren Breite auf die Breite des U-förmigen Streifens 12 abgestimmt ist. Das Rahmelement 14 ist vorliegend aus Aluminiumoxid gebildet. Das Rahmenelement 14 bildet eine Ausnehmung 20 aus, in der mit geringen Querabstand ein PTC-Element 22 aufgenommen werden kann. In der Explosionsdarstellung nach 1 befindet sich dieses PTC-Element 22 noch unterhalb des Rahmenelementes 14.
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An der in 1 oberen Keramikplatte 2 ist außen eine Kontaktierungsfläche 24 zu erkennen, die elektrisch leitend mit der Metallisierung 4 der inneren Hauptseitenfläche der Keramikplatte 2 in Kontakt steht. Wie 2 zu entnehmen ist, die die fertiggestellte Heizzelle bestehend aus den beiden Keramikplatten 2, dem Rahmenelement 14 und dem PTC-Element 22 zeigt, ist diese Kontaktierungsfläche 24 über Durchkontaktierungen 26 mit der Metallisierung 2 auf der inneren Hauptseitenfläche verbunden. Durch Aufbringen einer Metallisierung ergibt sich an der äußeren Hauptseitenfläche eine durchgehende rechteckige Kontaktierungsfläche 24, die durch elektrische Leiterbahnen 26, die sich in Dickenrichtung der Keramikplatte 2 erstrecken, mit der Metallisierung 4 elektrisch verbunden ist.
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Zur Montage der in den 1 und 2 gezeigten Heizzelle wird üblicherweise ein elektrisch nichtleitender Kleber auf den U-förmigen Streifen 12 aufgebracht. Auf die Metallisierung 4 oder die gegenüberliegende Hauptseitenfläche des PTC-Elementes 22 wird ein elektrisch leitender Kleber aufgebracht. Alternativ oder ergänzend kann eine elektrisch gut leitende weitere Lage zwischen der inneren Hauptseitenfläche der Keramikplatte 2 und dem PTC-Element 22 angeordnet werden. Diese elektrisch leitende Lage kann eine Kupfer- bzw. Grafitplatte bzw. -folie sein. Sie dient insbesondere der flächigen Vermittlung der elektrischen Kontaktierung von der relativ steifen Keramikplatte 2 auf die Hauptseitenfläche des PTC-Elementes 22. Die elektrisch leitende Lage hat die hauptsächliche Funktion, eventuell punktuelle Kontaktierungen durch Rauigkeiten insbesondere im Bereich des PTC-Elementes 22 aufzunehmen und zu vergleichmäßigen, so dass eine flächige Kontaktierung zwischen der Metallisierung 4 und dem PTC-Element 22 gegeben ist.
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Wie 1 vermittelt, ist ein oberer Querholm 28 breiter als der untere Querholm 18 und bietet dementsprechend ein Wiederlager für die Kontaktierungsfläche 24 aus.
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Die
3 zeigt das fertiggestellte Ausführungsbeispiel. Dieses hat zwei Kontaktbleche
30, die flächig an der Kontaktierungsfläche
24 anliegen und dementsprechend mit der Breite der Kontaktierungsfläche (vgl.
2) vorgesehen sind. An gegenüberliegenden Rändern sind freigeschnittene Kontaktzungen durch das Kontaktblech
30 ausgebildet, die im Grunde in Verlängerung der Längsholme
16 die PTC-Heizeinrichtung überragen. Der obere Bereich der Keramikplatten
2, entsprechend in etwa der Breite des oberen Querholmes
28, ist von einem Kragen
34 umgeben, der die elektrisch isolierenden Platten
2 und das Rahmenelement
14 umfänglich umgibt und dabei die Kontaktierungsflächen
24 sowie den daran anliegenden Bereich der Kontaktbleche
30 in sich aufnimmt und abschließt, so dass ein außen an die Keramikplatten
2 anströmendes und zu erwärmendes Medium nicht bis zu den Kontaktblechen
30 bzw. den Kontaktierungsflächen
24 gelangen kann. Durch den Kragen
34 sind die zur Steckkontaktierung vorgesehenen freiliegenden Flächen der Kontaktbleche
30 auf die Kontaktzungen
32 beschränkt. Der Kragen
34 kann aus einem weichelastischen Material gebildet sein, so dass der sich zur Abdichtung der PTC-Heizeinrichtung in einer Trennwand eignet, die eine Heizkammer, in der die Keramikplatten
2 zur Abgabe von Wärme freiliegen, von einer Anschlusskammer trennt, in der die Kontaktzungen
32 steckkontaktiert sind (vgl.
EP 3 334 242 A1 ). Der Kragen kann auch zur Befestigung von weichelastischen Dichtungen angepasst ausgebildet sein oder einteilig mit elastomeren Dichtung ausgebildet sein.
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Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt die fertige PTC-Heizeinrichtung dar. Zu erwärmendes Medium strömt unmittelbar die Außenflächen der Keramikplatte 2 und wird insbesondere über die äußeren Hauptseitenflächen der Keramikplatte erwärmt. Der Kragen 34 liegt außerhalb desjenigen Bereiches, an dem das PTC-Element 22 mit der Keramikplatte 2 elektrisch leitend und wärmeleitend verbunden ist. So ist eine gute Wärmeauskopplung der von dem PTC-Element 22 erzeugten Wärme gewährleistet. Damit ergibt sich ein guter Wirkungsgrad, zumal das PTC-Element 22 unmittelbar oder über eine sehr gut wärmeleitende Lage mit der Keramikplatte 2 verbunden ist.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen der Kontaktierungsfläche 24 und der Metallisierung 2 durch die Durchkontaktierungen 26. Zusätzlich oder alternativ kann eine Eckkontaktierung verwirklicht sein, über welche die Kontaktierungsfläche 24 mit der auf der gegenüberliegenden Hauptseitenfläche vorgesehenen Metallisierung 4 elektrisch leitend verbunden ist. Diese Eckkontaktierung erstreckt sich über den stirnseitigen oberen Rand 10 der Keramikplatte 4.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Keramikplatte
- 4
- Metallisierung
- 6
- Längsrand
- 8
- unterer Rad
- 10
- oberer Rand
- 12
- U-förmiger Streifen
- 14
- Rahmenelement
- 16
- Längsholm
- 18
- Querholm
- 20
- Ausnehmung
- 22
- PTC-Element
- 24
- Kontaktierungsfläche
- 26
- Durchkontaktierung
- 28
- oberer Querholm
- 30
- Kontaktblech
- 32
- Kontaktzunge
- 34
- Kragen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1921896 A1 [0002]
- EP 3334242 A1 [0022]
