DE102020205305B4

DE102020205305B4 - PTC-Heizeinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102020205305B4
Application number: DE102020205305.7A
Authority: DE
Inventors: Kurt Walz; Michael Niederer; Ahmad Asafi; Tobias Semmler
Original assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: US20210337631A1; CN114126118A; DE102020205305A1; CN114126118B; US11432374B2

Abstract

PTC-Heizeinrichtung mit einem PTC-Element, zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität elektrisch leitend damit verbundenen Leiterbahnen und einer das PTC-Element abdeckenden Isolierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung eine Folie und eine mit der Folie verbundene Lage aus einem Bräunling umfasst, der nicht gesinterte keramische Partikel aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PTC-Heizeinrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Eine gattungsgemäße PTC-Heizeinrichtung hat ein PTC-Element und üblicherweise zwei elektrisch leitend damit verbundene Leiterbahnen, die zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität vorgesehen und ausgebildet sind. Die PTC-Heizeinrichtung hat ferner eine das PTC-Element abdeckende Isolierung.
Aus EP 1 768 458 A1 ist eine PTC-Heizeinrichtung der zuvor genannten Art bekannt. Bei dieser PTC-Heizeinrichtung befindet sich das PTC-Element in einem elektrisch isolierenden Positionsrahmen, der eine zur Aufnahme des PTC-Elementes angepasst ausgebildete Aufnahme hat. Diese Aufnahme umgibt das quaderförmige PTC-Element umfänglich, so dass die wärmeabgebenden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes in den Ausnehmungen freiliegen. Gegen diese Hauptseitenflächen ist eine zweischichtige Isolierung bestehend aus einer Keramikplatte und einer Kunststofffolie aufgelegt. Die Kunststofffolie und die Keramikplatte sind miteinander verbunden. Bei diesem Stand der Technik wird eine zweischichtige Isolierung vorgesehen, da befürchtet wird, dass die Keramikplatte bei mechanischer Beanspruchung bricht und aufgrund des Einsatzes der PTC-Heizeinrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Hochvolt eine elektrische Isolierung in jedem Fall sichergestellt werden muss.
Aus EP 3 515 152 A1 ist eine ebenfalls gattungsgemäße PTC-Heizeinrichtung bekannt. Bei dieser PTC-Heizeinrichtung sind die Leiterbahnen durch ein mit einer leitfähigen Masse ausgefülltes Drahtgewebe gebildet. Die einzelnen Bindungen des Drahtgewebes dienen der elektrischen Kontaktierung des PTC-Elementes. Die Freiräume innerhalb des Gewebes werden durch die gut wärmeleitfähige Masse ausgefüllt, die elektrisch nicht leitend ist. Die Masse enthält Keramikpartikel, die gut leitend sind. Eine Keramikplatte, die durch gesinterte Keramikpartikel gebildet ist, deckt die Leiterbahnen außen ab.
Bei einem alternativen Lösungsvorschlag gemäß EP 3 416 456 A1 ist die Isolierung durch zwei vorgefertigte Schalenelemente gebildet, die zwischen sich das PTC-Element und die Leiterbahnen einnehmen und Durchführöffnungen für Anschlussfahnen ausbilden, über welche das PTC-Element bestromt ist und die an der Außenseite der Isolierung freiliegen.
Die zuvor diskutierten Beispiele aus dem Stand der Technik lassen das Bemühen der Fachwelt erkennen, einerseits eine hinreichende elektrische Kontaktierung mit dem PTC-Element zu erreichen, andererseits aber die für einen guten Wirkungsgrad unerlässliche Wärmeauskopplung der durch das PTC-Element erzeugten Wärme zumindest über die einander gegenüberliegenden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes möglichst ohne erhebliche Wärmeleitwiderstände zu gewährleisten. Die Hauptseitenflächen sind dabei diejenigen Flächen des quaderförmigen PTC-Elementes, die die größte Abmessung haben.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine PTC-Heizeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen guten Wirkungsgrad bei guter elektrischer Isolierung des PTC-Elementes hat. Die vorliegende Erfindung will ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen PTC-Heizeinrichtung angeben.
Zur Lösung des vorrichtungsmäßigen Problems wird mit der vorliegenden Erfindung eine PTC-Heizeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Die verfahrensmäßige Lösung ist in Anspruch 5 angegeben.
Diese PTC-Heizeinrichtung unterscheidet sich dadurch von dem zuvor erwähnten Stand der Technik, dass die Isolierung eine Folie und eine mit der Folie verbundene Lage aus einem Bräunling umfasst. Dieser Bräunling weist nicht gesinterte keramische Partikel auf.
Als Bräunling wird in der Pulvermetallurgie üblicherweise ein Zwischenprodukt bezeichnet. Bei der Verarbeitung von Pulvern aus Metallen oder Keramiken zum Herstellen von Sinterteilen wird das Pulver üblicherweise mit einem Binder versetzt. Dieser Binder kann verschiedene Komponenten aufweisen, die einerseits im Hinblick auf die Haftung an der Oberfläche der Partikel angepasst ausgebildet sind und andererseits die für das Fließen ohne Entmischung der Komponenten der Suspension erforderlichen Haftungseigenschaften und rheologische Eigenschaften haben sollen. Die unterschiedlichen Komponenten können nacheinander oder zeitgleich mit den Partikeln vermischt werden. Die so hergestellte Suspension ist hoch gefüllt. Die bei Verarbeitungstemperatur flüssige Phase der Suspension sollte die Partikel benetzen und deren Fließen in einem Kontinuum ohne Durchmischung erlauben.
In der Pulvermetallurgie wird eine solche Masse als Granulat in einem Spritzgießwerkzeug oder einem Extruder verarbeitet. Dabei wird der Binder üblicherweise thermisch aufgeschmolzen. Nach dem Formen der Masse erstarrt üblicherweise der Binder, der ganz oder teilweise ein Thermoplast ist. In der Pulvermetallurgie wird diesem Formgebungsprozess ein Entbinder nachgeschaltet. Bei diesen Entbindern wird der die Verarbeitungshilfe darstellende Binder zumindest überwiegend aus dem Grünling entfernt. Danach wird die verbleibende Pulverschüttung gesintert, um ein metallisches oder keramisches Sinterteil zu erhalten.
Diese Verfahrensführung lässt sich dabei von der Überlegung leiten, dass verbleibende Reste des Binders die keramischen oder metallischen Partikel noch bis zum Sintern miteinander verbinden, so dass zu keiner Zeit eine lose Pulverschüttung besteht. Denn eine solche Pulverschüttung, die lediglich aus den Partikeln besteht, würde aufgrund der Schwerkraft oder bei geringsten Erschütterungen ihre zuvor gegebene Form verlieren.
Der Bräunling ist nach alldem und auch im Sinne der vorliegenden Erfindung ein um den Binder zumindest überwiegend befreites Formteil oder Halbzeug, welches im Stand der Technik Ausgangspunkt für den Sinterprozess ist.
Bei der erfindungsgemäßen PTC-Heizeinrichtung werden zwar die Partikel in an sich bekannter Weise zunächst mit einem Binder versehen. Die so hergestellte im Grunde fließfähige Masse wird auf eine Folie, insbesondere eine elektrisch nicht leitende Folie aufgebracht und mit dieser verbunden. Die Verbindung kann durch den Binder erfolgen. Die Verbindung kann aber auch durch eine Klebeschicht erfolgen, die vor dem Aufbringen der Masse auf die Folie aufgebracht worden ist.
Bei der Folie handelt es sich bevorzugt um eine elektrisch isolierende Folie, beispielsweise um eine Polyimidfolie oder eine Folie aus einem PEEK Polymer.
Bei diesem Verarbeitungsschritt ist die Masse üblicherweise im Wesentlichen frei von Lunkern oder Fehlstellen. Der Binder füllt sämtliche Freiräume zwischen den keramischen Partikeln aus. Die Masse ist eine hochgefüllte Suspension. Sie lässt sich fließfähig verarbeiten. Die Masse kann beispielsweise durch Rakeln oder Extrudieren auf die Folie aufgebracht werden.
Die Folie hat eine relativ geringe Stärke von zwischen 0,015 bis 0,03 mm. Eine Seite der Folie kann mit einem wärmebeständigen Kleber versehen sein. Dieser Kleber ist üblicherweise vollflächig auf die Folie aufgebracht. Ebenso vollflächig ist die Masse als durchgehende weitere Schicht in der Regel mit gleichmäßiger Stärke aufgebracht. Vor dem Entfernen des Binders hat die Masse bevorzugt eine Dicke von 0,1 bis 1,0 mm.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die so hergestellte mehrschichtige Isolierung um das PTC-Element und die Leiterbahnen gelegt. Danach wird der Binder entfernt. Der Binder erlaubt eine Verformung der Isolierung ohne dass zu befürchten ist, dass die keramischen Partikel in den fertigen Erzeugnissen nicht mehr mit der gewünschten gleichmäßigen Verteilung vorliegen. Im Gegensatz zu einer gesinterten Keramiklage lässt sich die Masse mit dem Binderanteil noch gut plastisch verformen.
So kann die die Partikel enthaltende Masse zunächst auf die Folie aufgetragen und danach die mehrschichtige Isolierung um das PTC-Element und die Leiterbahnen herum gelegt werden. Dabei kann zumindest eine Stirnseite des PTC-Elementes mit der Isolierung umgeben werden. Die Isolierung überdeckt üblicherweise das PTC-Element und die Leiterbahnen vollflächig. Bevorzugt überragt die mehrschichtige Isolierung das PTC-Element bzw. die Leiterbahnen randseitig. Mit anderen Worten steht die Isolierung seitlich über die Hauptseitenflächen hinaus, wodurch die Luft- und Kriechstrecke erhöht wird.
Die Masse ist für sich fließfähig und so ist es denkbar, das PTC-Element mit den daran befestigten Leiterbahnen in eine Spritzgießform einzusetzen und mit der Masse vollständig zu umgeben. Das PTC-Element kann dabei über Anschlussfahnen gehalten werden, die durch die Leiterbahnen gebildet sind und die das von der Masse umgebene PTC-Element üblicherweise an einer Seite überragen.
Bei dieser alternativen Verfahrensführung kann nach dem Entformen aus der Spritzgießform der Binder entfernt werden. Die Folie kann zu Beginn, während oder am Ende der Binderentfernung aufgebracht werden. Im Hinblick auf ein möglichst ungehindertes Entweichen des Binders sollte die Folie erst relativ spät im Laufe dieses Prozessschrittes angebracht werden. Andererseits muss die Folie mit den keramischen Partikeln verbunden werden, bevor ein allzu hoher Binderverlust die Formgebung der keramischen Partikel instabil macht.
Das Entfernen des Binders kann chemisch oder thermisch in einem Ofen erfolgen. Das Entfernen des Binders kann ganz oder teilweise auch bei der elektrischen Endprüfung der PTC-Heizeinrichtung entfernt werden. Bei dieser Endprüfung wird da PTC-Element bestromt und die Wärmeauskopplung des PTC-Elementes überprüft. Auch dieses erstmalige Inbetriebnehmen der PTC-Heizeinrichtung kann zum Entfernen des Binders genutzt werden.
Aufgrund der zuvor beschriebenen bevorzugten Dickenverhältnisse zwischen der Folie einerseits und der Masse andererseits ist es zu bevorzugen, den Bräunling auf der dem PTC-Element zugewandten Innenseite der Isolierung und die Folie an der Außenseite vorzusehen. Der Bräunling hat einen CTI-Wert von >800, bevorzugt >1000. Der CTI-Wert des Bräunlings liegt etwa um den Faktor 3 höher als der CTI-Wert einer Folie aus PEEK oder Polyimid. Damit ist die Durchschlagsfestigkeit der Isolierung erheblich verbessert. Der Bräunling kann etwaige Rauigkeiten an der Oberfläche des PTC-Elementes aufnehmen und damit kompensieren. So liegt der Bräunling in der Regel flächig an einer rauen Oberfläche an. Die Leiterbahnen sind zwar bevorzugt aus einem Metallblech gebildet und bilden dementsprechend als Kontaktfläche auch die Anschlussfahnen aus. Die Leiterbahnen können aber an Stirnseitenflächen des PTC-Elementes befestigt sein, so dass die Isolierung unmittelbar gegen eine Oberfläche des PTC-Elementes angelegt wird. Diese Oberfläche des PTC-Elementes wird durch das PTC-Element selbst gebildet, wobei eine auf das PTC-Element aufgebrachte Metallisierung zur Stromeinleitung in das PTC-Element für die vorliegende Erfindung auch als Bestandteil des PTC-Elementes angesehen wird.
Die Leiterbahn kann auch durch eine Folie gebildet werden, die zwischen der Isolierung und dem PTC-Element angeordnet wird. Diese Folie kann vor dem Umhüllen des PTC-Elementes mit der Masse unmittelbar mit dem PTC-Element verbunden werden, oder aber als weitere, innenliegende Schicht an der noch ebenen Isolierung vorgesehen sein, bevor diese mit dem PTC-Element verbunden wird. Es kann eine elektrisch leitende metallische Folie oder auf gegenüberliegenden Seiten der Isolierung können insgesamt zwei metallische Folien vorgesehen sein. Die Folien überragen üblicherweise zumindest zum Teil die Hauptseitenfläche des PTC-Elementes an einer Seite. Dort erfolgt über die Folie die Einleitung des Leistungsstroms zur Bestromung desselben mit unterschiedlicher Polarität. Die die Leiterbahn ausbildende Folie kann in diesem Fall diejenige Folie sein, auf die der Bräunling aufgebracht ist, sodass die Isolierung aus einer elektrisch leitenden Folie und dem Bräunling umfassen oder durch diese beiden Komponenten gebildet sein kann.
Als keramische Partikel kommen in an sich bekannter Weise bevorzugt Aluminiumoxidpartikel zur Anwendung. Diese Aluminiumoxidpartikel sind in dem fertigen Erzeugnis nicht gesintert. Allerdings ist die die keramischen Partikel enthaltende Lage der Isolierung nicht vollständig mit einem Binder, d. h. Kunststoff gefüllt, wie dies aus EP 3 515 152 A1 bekannt ist. Die die keramischen Partikel enthaltende Lage der Isolierung, d. h. der Bräunling umfasst vielmehr im Wesentlichen die keramischen Partikel und gegebenenfalls einen Rest an Binder, der an den Kontaktflächen der gesinterten Partikel diese miteinander verbindet, ohne allerdings ein Kontinuum zu schaffen. In Dickenrichtung der Lage aus dem Bräunling fehlt es dementsprechend an einem Pfad rechtwinklig zu der Hauptseitenfläche des PTC-Elementes, der allein oder ganz überwiegend durch den Binder gebildet wird. Der Bräunling kann keinen oder so gut wie keinen Binder enthalten. Der Anteil des Binders in dem Bräunling beträgt in der Regel nicht mehr als 10% desjenigen Bindermaterials der ursprünglichen Masse, die im Wesentlichen als Flüssigkeit verarbeitet wurde. Die Porosität in der aus dem Bräunling gebildeten Lage liegt bei zumindest 35 Vol.-%, bevorzugt bei zumindest 60 Vol.-%. Praktische Versuche haben gezeigt, dass bis zur Fertigstellung der Isolierung und nach Austreiben des Binders bei Temperaturen bis zu 350°C der Masseverlust insgesamt bei etwa 12-15 Vol.-% liegt.
Nach dem Entfernen des Binders zur Herstellung des Bräunlings werden annähernd die gleichen Eigenschaften wie die einer gesinterten Keramik erhalten. Die Spannungsfestigkeit liegt bei zumindest 3.000 V bei einem Leckstrom von > 100 µA. Die Isolationsfestigkeit bei einer Spannung von 500 VDC beträgt zumindest 100 GΩ.
Die Verarbeitung der Masse zusammen mit der Folie erlaubt eine gute Formgebung. Insbesondere kann die Isolierung gebogen werden, was bei einer bereits gesinterten Keramik ohne mechanisches Versagen derselben nicht möglich wäre. Gleichwohl stellt die Isolierung mit dem Bräunling auch ein stabiles formgefertigtes Teil bereit.
Die Wärmeleitfähigkeit des Bräunlings ist relativ hoch und liegt bei zumindest 1 W/(m K), bevorzugt bei zumindest 2 W/(m K) und damit oberhalb der Wärmeleitfähigkeit eines PEEK Polymers bzw. der Wärmeleitfähigkeit von Polyimid Die Besonderheit der Isolierung liegt aber insbesondere in der hohen Durchschlagfestigkeit bei geringer Dicke. Die Isolierung nach der vorliegenden Erfindung muss hierfür nicht dicker als 0,3mm sein. Eine solche Isolierung hat einen CTI-Wert von zumindest 1000, der bei Bordnetzspannungen zum Betrieb der PTC-Heizeinrichtung in einem Kraftfahrzeug mit einer Spannung von zumindest 800 V benötigt wird.

Claims

PTC-Heizeinrichtung mit einem PTC-Element, zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität elektrisch leitend damit verbundenen Leiterbahnen und einer das PTC-Element abdeckenden Isolierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung eine Folie und eine mit der Folie verbundene Lage aus einem Bräunling umfasst, der nicht gesinterte keramische Partikel aufweist.
PTC-Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung als einheitliche Isolierlage einander gegenüberliegende Hauptseitenflächen des PTC-Elementes umgibt und zumindest an einer Stirnseite um das PTC-Element und die Leiterbahnen geschlagen ist.
PTC-Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bräunling an einer dem PTC-Element zugewandten Innenseite der Isolierung und die Folie an der Außenseite angeordnet ist.
PTC-Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine elektrisch isolierende Folie ist und dass zwischen der elektrisch isolierenden Folie und dem PTC-Element eine metallische Folie vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer PTC-Heizeinrichtung mit einem PTC-Element, zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität elektrisch leitend damit verbundenen Leiterbahnen und einer das PTC-Element abdeckenden Isolierung, wobei bei dem Verfahren keramische Partikel mit einem Binder versehen und die so hergestellte Masse flächig auf eine Folie aufgebracht und mit dieser verbunden wird, die so hergestellte mehrschichtige Isolierung um das PTC-Element und die Leiterbahnen gelegt und danach der Binder zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder chemisch oder in einem Ofen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder bei der elektrischen Endprüfung der PTC-Heizeinrichtung entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit einer Klebeschicht versehen und die Masse auf die Klebeschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Folie eine metallische Folie als Leiterbahn aufgebracht wird.