DE102021103480A1

DE102021103480A1 - PTC Heizelement, elektrische Heizvorrichtung und Verwendung eines PTC Heizelements

Info

Publication number: DE102021103480A1
Application number: DE102021103480.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Koini; Michael Krenn; Markus Puff; Stephan Bigl
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US20240133587A1; EP4292395A1; JP2024506916A; WO2022171857A1; CN116868686A

Abstract

Es wird ein PTC Heizelement (1) für eine elektrische Heizvorrichtung beschrieben aufweisend- wenigstens ein PTC Element (2), wobei wenigstens eine Elektrode (3) auf einer Oberfläche (2a, 2b, 2c) des PTC Elements (2) ausgebildet ist zur elektrischen Kontaktierung des PTC Elements (2),- wenigstens eine Weiterkontaktierung (4) zum elektrischen Anschluss der Elektrode (3) des PTC Elements (2),- wenigstens eine Trägerschicht (5), wobei die Trägerschicht (5) elektrisch isolierend ausgebildet ist, wobei eine Dicke (d) des PTC Elements (2) ≤ 500 µm beträgt und wobei eine Bauhöhe (H) des PTC Heizelements (1) zwischen 500 µm und 2500 µm liegt.Ferner werden eine elektrische Heizvorrichtung sowie die Verwendung des PTC Heizelements (1) in einem Kraftfahrzeug beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere ein PTC Heizelement. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Heizvorrichtung aufweisend das PTC Heizelement. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des PTC Heizelements in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug.
Heizregister, die mit PTC („Positive Temperature Coefficient“ - Kaltleiter) Heizelementen ausgestattet sind, haben den Vorteil, dass durch ihre Eigenschaft als temperaturabhängiger Widerstand die Leistungsaufnahme automatisch begrenzt wird, wenn eine gewisse Temperatur erreicht wird. Diese Eigenschaft dient nicht nur als Sicherheits-Feature, um eine Überlastung des Heizregisters zu vermeiden, sondern auch dazu die Ansteuerung durch den Selbstregelungseffekt sehr einfach auszuführen.
Der Einsatz in Elektrofahrzeugen legt nahe, das Register direkt mit der Hochvolt-Batterie zu betreiben (200 -400 V, manchmal auch 800 V). Damit muss die Isolationsfestigkeit dementsprechend ausgelegt werden. Üblicherweise werden PTC Elemente auf zwei gegenüberliegenden Seiten mittels einer Leiterbahn elektrisch kontaktiert. Die Leiterbahn wird durch ein Substrat getragen, welches auf der anderen Seite die entstehende Wärme auskoppelt.
Die auskoppelbare Wärmeleistung hängt stark vom thermischen Pfad durch die oben beschriebene Schichtstruktur ab. Wärme muss vom Entstehungsort (dem PTC) über die Kontaktierung und durch das Substrat zur Auskopplungsfläche gelangen. Hier sind thermische und elektrische Betrachtungen zur Optimierung des Heizelements oft gegenläufigen Argumenten unterworfen, d.h. Designs nach dem Stand der Technik sind Kompromiss-Lösungen zwischen Leistungsdichte, thermischer Agilität und Isolationsvermögen bzw. Robustheit und Zuverlässigkeit.
Zum Beispiel bedingt die Tatsache, dass der Hersteller der PTC Elemente und jener der Heizelemente nicht derselbe ist, dass das PTC Element gewissen Anforderungen an geometrische Toleranzen, Transport- und Handlingfähigkeit im Montageprozess gerecht wird. Damit kann eine gewisse Mindestdicke der PTC Elemente nicht im Rahmen von sinnvollem Aufwand unterschritten werden.
Thermisch optimal wäre es ferner, das PTC Element direkt an den (metallischen) Kühlkörper anzubinden. Da in einem Hochvolt-System (230 V - 800 V) jedoch die elektrische Isolierung gegeben sein muss, ist eine elektrisch nichtleitende Barriere von Nöten, die die Systemspannung ausreichend vom Radiator entkoppelt. Zusätzlich müssen auch Luft- und Kriechstrecken (i.d.R. 4 mm für Hochvolt-Heizer in Elektrofahrzeugen) zwischen unterschiedlichen Polaritäten eingehalten werden, die nur durch Verwendung von Isolationsmaterialien bewerkstelligt werden können.
Das PTC Element selbst fungiert als Wärmequelle, wenn durch Bestromung Joul'sche Wärme generiert wird. Diese wird jedoch nicht homogen im Material erzeugt, sondern abhängig von der Geometrie und möglichen Materialinhomogenitäten kann die elektrische Feldverteilung im Bauteil einen Temperaturgradienten hervorrufen. Die Wärme muss ausgehend von Hotspots erst die Oberfläche der Elemente erreichen, bevor sie weiter transportiert werden kann. Dies kann aufgrund der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der PTC Keramik (i.d.R. ~ 5 W/mK) sehr langsam und träge von statten gehen.
Das Dokument EP 3 101 999 A1 beschreibt ein PTC-Heizelement für eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welches in verbesserter Weise an der Außenseite elektrisch isoliert ist, wobei auch der Notwendigkeit einer angemessenen Wärmeübertragung von dem PTC-Element auf die Wärme abgebende Fläche durch die elektrische Isolierschicht Rechnung getragen werden soll. Hierfür wird eine elektrische Isolierschicht bereitgestellt, die an der Außenseite von zumindest einer der Leiterbahnen anliegt, über welche das PTC-Element bestromt wird und eine Folie und eine darauf aufgebrachte elektrisch isolierende Masse mit guter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Das Dokument US 2017/0223776 A1 beschreibt eine elektrische Heizvorrichtung mit mindestens einem elektrischen PTC-Heizelement und Strahlungsrippen, welche sich auf der Außenfläche des elektrischen PTC-Heizelements befinden. Die Oberfläche auf den Strahlungsrippen, die nicht in Kontakt mit dem elektrischen PTC-Heizelement ist, ist nicht geladen. Zwischen Leiterbahnen und den Strahlungsrippen ist eine Isolationsschicht vorgesehen.
Auch das Dokument DE 11 2017 006 124 T5 beschreibt eine elektrische Heizvorrichtung mit Isolationsschicht zwischen Leiterbahnen und den Kühlrippen. Die elektrische Heizvorrichtung weist eine Mehrzahl von PTC-Elementen und Wärmeabstrahlungsrippen zum Abstrahlen von Wärme auf, die ausgehend von den PTC-Elementen übertragen wird, sowie eine Harzplatte zum Isolieren der Elektrodenplatten und eine Druckfeder, welche einen laminierten Körper ausgehend von beiden Seiten in einer Laminierungsrichtung drückt.
Das Dokument EP 1 182 908 B1 beschreibt eine PTC-Heizvorrichtung mit wenigstens einem PTC-Element und zwei Kontaktplatten, die das PTC-Element kontaktieren. Zur Verbindung der Oberfläche des PTC-Elements mit den Kontaktplatten ist eine Metallfolie vorgesehen, die beidseitig mit Klebstoff beschichtet ist. Eine Isolation der Kontaktplatten ist nicht vorgesehen.
Unter dem Link https://air-lab.de/index.html werden Heizelemente mit Direktkontaktierung an Alu-Kühlrippen für eine optimale Wärmeauskopplung beschrieben. Eine elektrische Isolation ist in diesem Fall nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein PTC Heizelement sowie eine elektrische Heizvorrichtung zu beschreiben, welche die oben stehenden Probleme lösen.
Diese Aufgabe wird durch ein PTC Heizelement, eine elektrische Heizvorrichtung sowie die Verwendung des PTC Heizelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein PTC Heizelement beschrieben. Das PTC Heizelement ist dazu ausgebildet in eine elektrische Heizvorrichtung, beispielsweise in ein Heizregister, integriert zu werden. Das PTC Heizelement ist zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug (xEV - x Electrical Vehicle), ausgebildet.
Das PTC Heizelement weist wenigstens ein PTC Element auf. Vorzugsweise weist das PTC Heizelement eine Vielzahl von PTC Elementen, beispielsweise fünf, zehn oder 20 PTC Elemente auf. Ein Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen kann mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial gefüllt sein. Das Füllmaterial fungiert als mechanischer Schutz bzw. Barriere gegen das Eindringen von Feuchte und als zusätzlicher Wärmeleiter (an Stelle von Luft).
Das PTC Element dient zur Wärmeerzeugung. Das PTC Element weist wenigstens eine Elektrode, insbesondere zwei Elektroden, zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Elektroden sind auf einer Oberfläche des PTC Elements ausgebildet.
Das PTC Heizelement weist ferner wenigstens eine Weiterkontaktierung auf. Die Weiterkontaktierung dient zum elektrischen Anschluss der Elektrode des PTC Elements. Die Weiterkontaktierung kann beispielsweise Kupfer, Aluminium und/oder Wolfram aufweisen.
Das PTC Heizelement weist ferner wenigstens eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht umgibt die PTC Elemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Die Trägerschicht ist elektrisch isolierend ausgebildet. Die Trägerschicht weißt eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Trägerschicht dient zur mechanischen Stabilisierung und zur elektrischen Isolierung des PTC Heizelements.
Das PTC Heizelement ist sehr kompakt ausgeführt. Das PTC Heizelement ist großflächig und dünn ausgeführt. Das PTC Heizelement weist ein äußerst geringes Volumen auf. Eine Dicke des PTC Elements ist vorzugsweise ≤ 500 µm, bevorzugt < 250 µm, beispielsweise 10 µm bis 150 µm oder sogar < 2 µm. Eine Bauhöhe des PTC Heizelements liegt zwischen 500 µm und 2500 µm. Eine laterale Abmessung des PTC Heizelements beträgt in beide Richtungen (Länge und Breite) vorzugsweise zwischen 10 mm und 250 mm.
Die oben beschriebene Zusammensetzung des PTC Heizelements erlaubt ein extrem kompaktes Design, welches wiederum eine hohe Integration in eine elektrische Heizvorrichtung ermöglicht. Dadurch wird eine schnellere und effizientere Heizwirkung (z.B. im Innenraum eines Fahrzeugs) im Vergleich zu Heizvorrichtungen nach dem Stand der Technik sichergestellt. Gewichtseinsparungen, die durch geringeren Materialeinsatz zustande kommen, ermöglichen eine Vergrößerung der Reichweite von xEVs während der geringe Materialverbrauch zur Ressourcenschonung und Verkleinerung des ökologischen Fußabdrucks beiträgt.
Durch geeignete Kombination von Materialien und/oder Verbindungstechniken werden - zusammen mit der Optimierung der Geometrie auf Heizelement Ebene - das Volumen des PTC Heizelements und die Wärmeauskopplung derart optimiert, dass die Leistungsdichte, das thermische Ansprechverhalten sowie die Robustheit und Zuverlässigkeit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbessert sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden flächig auf der Oberfläche des wenigstens einen PTC Elements angeordnet. Die Elektroden sind unmittelbar auf der Oberfläche des PTC Elements ausgebildet. Die Elektroden können auf die Oberfläche des PTC Elements gesputtert, galvanisiert, gedruckt oder gerakelt sein.
Die Elektroden sind möglichst großflächig ausgebildet, um eine günstige Wärmeauskopplung zu erzielen. Die Elektroden können beispielsweise streifenförmig, rechteckig, kammartig oder als Interdigitalstruktur ausgebildet sein. Die Elektroden müssen einen ausreichenden Abstand zueinander aufweisen, um Kriechstrecken freizuhalten und damit einen elektrischen Überschlag zu vermeiden. Damit wird ein besonders zuverlässiges PTC Heizelement zur Verfügung gestellt.
Beispielsweise ist wenigstens eine Elektrode auf einer Oberseite oder einer Unterseite des PTC Elements angeordnet. Es können auch zwei Elektroden auf der Oberseite oder der Unterseite ausgebildet sein. Es kann auch jeweils eine Elektrode auf der Oberseite und auf der Unterseite ausgebildet sein.
Alternativ dazu können die Elektroden an Seitenflächen, insbesondere gegenüberliegenden Seitenflächen, des PTC Elements ausgebildet sein. Damit werden der thermische und elektrische Pfad voneinander getrennt und neue Designs und Assemblierungen, die für gewisse Hersteller vorteilhaft sein können, werden ermöglicht. Außerdem werden herstellungsbedingte Materialinhomogenitäten im PTC Element besser beherrschbar bzw. umgehbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Weiterkontaktierung selbsttragend ausgebildet. Mit anderen Worten, die Trägerschicht stabilisiert lediglich die übrigen Bauteile des PTC Heizelements. Die Trägerschicht ist zur Stabilisierung der Weiterkontaktierung hingegen nicht (zwingend) erforderlich.
Alternativ dazu kann die Weiterkontaktierung zur mechanischen Stabilisierung aber auch auf die Trägerschicht aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Weiterkontaktierung auf die Trägerschicht gesputtert, gedruckt oder gerakelt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Weiterkontaktierung in die Trägerschicht integriert. Mit anderen Worten, die Weiterkontaktierung ist in einem Innenbereich der Trägerschicht ausgebildet. In diesem Fall ist die Weiterkontaktierung ≤ 50 µm unter einer Oberfläche der Trägerschicht angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Geometrie der Weiterkontaktierung an eine Geometrie der Elektrode des PTC Elements angepasst. Beispielsweise ist die Weiterkontaktierung möglichst großflächig und dünn ausgeführt. Beispielsweise ist eine Dicke der Weiterkontaktierung < 10 µm. Damit kann die Wärmeauskopplung des PTC Heizelements gesteigert und so die Effizienz erhöht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Weiterkontaktierung mittels Klemmen, Sintern oder Hochtemperaturloten mit der wenigstens einen Elektrode elektrisch leitend verbunden. Durch die Verwendung von Standardverbindungstechniken können die Herstellungskosten reduziert werden und damit ein besonders kostengünstiges PTC Heizelement zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Trägerschicht eine Dicke zwischen 150 µm und 1000 µm auf. Damit ist die Trägerschicht sehr kompakt und dünn ausgeführt, um die Leistungsdichte des PTC Heizelements zu optimieren, jedoch dick genug, um die Robustheit und Stabilität des PTC Heizelements sicherzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Trägerschicht ein keramisches Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guten Isolationseigenschaften auf. Beispielsweise weist die Trägerschicht AlN, Si₃N₄, Al₂O₃, oder SiC auf. Diese Materialien eignen sich hervorragend dazu die Wärmeauskopplung zu optimieren und damit die Leistungsdichte und das thermische Ansprechverhalten des PTC Heizelements zu steigern.
Alternativ dazu kann die Trägerschicht einen temperaturbeständigen Kunststoff aufweisen. Beispielsweise weist die Trägerschicht Polyimid oder Epoxidharz auf. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit (< 10 W/mK) von Kunststoff muss dabei eine Dicke der Trägerschicht ausreichend dünn ausgeführt sein, um den Wärmewiderstand gering zu halten und damit eine hohe Leistungsdichte des PTC Heizelements zu erzielen.
Alternativ dazu kann die Trägerschicht eine Hybridlösung auf Basis von einem keramischen Material und von Kunststoff aufweisen. Beispielsweise kann die Trägerschicht eine Kunststoffschicht und eine keramische Schicht aufweisen. Zur Erzielung einer optimalen Wärmeauskopplung muss hierbei die Kunststoffschicht deutlich dünner ausgeführt sein, als die keramische Schicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement ferner wenigstens eine metallische Schicht an einer Oberfläche der Trägerschicht auf. Die metallische Schicht dient zur Weiterkontaktierung des PTC Heizelements, beispielsweise zum Anschluss an einen Radiator. Die metallische Schicht kann beispielsweise Cu, Al oder W aufweisen. Die metallische Schicht ist sehr dünn ausgebildet.
Vorzugsweise weist die metallische Schicht eine Dicke zwischen 1 µm und 100 µm auf. Aufgrund der geringen Dicke der metallischen Schicht wird die thermische Auskopplung des PTC Heizelements nicht negativ beeinflusst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das wenigstens eine PTC Element ein keramisches Material, ein metallisch-keramisches Material oder ein organisch-keramisches Material auf. Beispielsweise weist das PTC Element PZT (Blei Zirkonat Titanat) auf. Durch die Verwendung von Standardmaterialien kann ein besonders kostengünstiges PTC Heizelement erzielt werden.
Alternativ dazu kann das PTC Element auf Wismut basieren. Dies hat den Vorteil, dass das PTC Element bleifrei ausgebildet ist. Alternativ dazu kann das PTC Element auch ein Wismut- und bleifreies Material aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Material des wenigstens eine PTC Elements einen geringen spezifischen Widerstand auf. Beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand < 5000 Ω cm, beispielsweise 1000 Ω cm. Dadurch kann der PTC Effekt unterhalb des Arbeitspunkts deutlich verringert werden und somit bei jedem Einschaltvorgang der Energieverbrauch/Einschaltstrom deutlich gegenüber konventionelleren HV PTCs reduziert werden. Dies führt nicht nur zu einer geringeren Belastung (geringerer Einschaltstrom) der anderen elektronischen Komponenten sondern führt zu einer weiteren Reichweitenerhöhung von Elektroautos.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das PTC Element ein Niedertemperatur PTC Element. Dies hat den besonderen Vorteil, dass entsprechende PTC Elemente komplett aus Wismut- und Bleifreien Materialien hergestellt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Heizvorrichtung, beispielweise ein Heizregister, beschrieben. Die elektrische Heizvorrichtung weist ein Bauelement mit Wärme abgebenden Flächen, beispielsweise Kühlrippen, auf. Die elektrische Heizvorrichtung weist ferner wenigstens ein PTC Heizelement, vorzugsweise das oben beschriebene PTC Heizelement, auf. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das PTC Heizelement offenbart sind, sind folglich auch entsprechend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt
Durch die optimierte Ausgestaltung des PTC Heizelements ist eine hohe Integration in der Heizvorrichtung gewährleistet. Dadurch wird eine schnelle und effiziente Heizwirkung (z.B. im Innenraum eines Fahrzeugs) ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung des oben beschriebenen PTC Heizelements in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug, beschrieben. Das PTC Heizelement ist äußerst kompakt ausgestaltet und wird damit jeder Einbausituation gerecht. Ferner kann durch das PTC Heizelement eine optimale Wärmauskopplung und damit eine hohe Leistungsdichte und Zuverlässigkeit sichergestellt werden.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:

1 ein PTC Heizelement nach dem Stand der Technik,
2 ein weiteres PTC Heizelement nach dem Stand der Technik
3 ein weiteres Heizelement nach dem Stand der Technik,
4 ein weiteres PTC Heizelement nach dem Stand der Technik,
5 das Widerstands-Temperaturverhalten einer HV PTC Keramik bei zwei verschiedenen spezifischen Widerständen,
6 eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
8 eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
9a bis 9d perspektivische Ansichten von PTC Elementen für ein PTC Heizelement.

Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 100 gemäß dem Stand der Technik. Das PTC Heizelement 100 weist eine Mehrzahl (in diesem Ausführungsbeispiel vier) PTC Elemente 101 zur Erzeugung von Wärme auf. Die PTC Elemente 101 sind in Längsrichtung des PTC Heizelements 100 aufeinander folgend angeordnet und durch einen Luftspalt voneinander separiert.
An einer Oberseite und Unterseite der PTC Elemente 101 sind elektrische Kontakte 102 (beispielsweise aus Kupfer) zum elektrischen Anschluss der PTC Elemente 101 angeordnet.
Das PTC Heizelement 100 weist ferner Isolationsschichten 103 auf, die auf den elektrischen Kontakten 102 angeordnet sind und das PTC Heizelement 100 nach außen hin und insbesondere von Wärmeverteilern bzw. Radiatoren 104, welche an einer Außenfläche des elektrischen PTC-Heizelements 100 ausgebildet sind, elektrisch isolieren.
Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren PTC Heizelements 110 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei sind die PTC Elemente 111 wiederum zwischen elektrischen Kontakten 112 angeordnet. Auf den elektrischen Kontakten 112 ist eine Isolationsschicht 113 aus Kunststoff (beispielsweise Polyimid) zur elektrischen Isolierung des Heizelements 110 ausgebildet.
Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren PTC Heizelements 120 gemäß dem Stand der Technik. Die PTC Elemente 121 werden mittels elektrischen Kontakten 122 angebunden und durch ein Kunststoffmolding 123 (beispielsweise Epoxidharz) nach außen hin isoliert. Die PTC Elemente 121 sind komplett von dem Molding 123 umgeben. Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren PTC Heizelements 130 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei stehen die PTC Elemente 131 in direktem Kontakt zum Radiator 132, um eine optimale Wärmeauskopplung zu erzielen. Eine elektrische Isolation ist nicht gegeben.
Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das PTC Heizelement 1 ist zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug, ausgebildet. Das PTC Heizelement 1 ist dazu ausgebildet in eine elektrische Vorrichtung (beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung) mit einem Radiator oder einem Kühlkörper integriert zu werden (nicht explizit dargestellt).
Das PTC Heizelement 1 weist eine Mehrzahl von PTC Elementen 2 auf (siehe hierzu auch die 9a bis 9d). Das PTC Heizelement 1 weist ferner Elektroden/elektrische Kontaktierungen 3, Weiterkontaktierungen/Leiterbahnen 4 sowie eine Trägerschicht/Substrat 5 auf.
Die PTC Elemente 2 dienen als Wärmequelle. Insbesondere wird durch Bestromung der PTC Elemente 2 Joul'sche Wärme generiert. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Heizelement 1 fünf PTC Elemente 2 auf. Selbstverständlich können auch mehr als fünf PTC Elemente 2, beispielsweise acht oder zehn PTC Elemente 2, oder weniger als fünf PTC Elemente 2, beispielsweise zwei PTC Elemente 2 oder ein PTC Element 2 vorgesehen sein. Die Anzahl der PTC Elemente 2 richtet sind unter anderem nach den Anforderungen an das PTC Heizelement 1, dessen Materialzusammensetzung und die Einbausituation, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
Die PTC Elemente 2 sind nacheinander bzw. aufeinanderfolgend entlang einer Hauptlängsachse X des PTC Heizelements 1 angeordnet. Sie weisen ein keramisches Material, ein metallisch-keramisches Material oder ein organisch-keramisches Material auf. Beispielsweise weisen die PTC Elemente eine PZT Keramik auf. Auch eine alternative Zusammensetzung auf Wismut Basis ist vorstellbar. Dies hat den Vorteil, dass die PTC Elemente 2 bleifrei ausgebildet werden können. Auch eine komplett Blei- und Wismutfreie Zusammensetzung der PTC Elemente 2 ist vorstellbar.
Zwischen den PTC Elementen 2 können designbedingt Hohlräume entlang der Hauptlängsachse X auftreten. Diese Hohlräume sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial 7, zum Beispiel Silikon der Epoxid, aufgefüllt. Das optionale Füllmaterial 7 fungiert als mechanischer Schutz bzw. als Barriere gegen das Eindringen von Feuchte und als zusätzlicher Wärmeleiter (an Stelle von Luft).
Das jeweilige PTC Element 2 ist sehr kompakt ausgeführt. Insbesondere liegt eine Dicke d bzw. Ausdehnung senkrecht zur Hauptlängsachse X (siehe hierzu auch 9a) des jeweiligen PTC Elements 2 zwischen 50 µm und 250 µm. Bevorzugt ist die Dicke d des jeweiligen PTC Elements 2 ≤ 200 µm.
Um eine entsprechende Dicke d zu erzielen, kann das jeweilige PTC Element 2 in einem Standardverfahren (Pressverfahren oder Vielschichtaufbau) hergestellt werden. Mit alternativen Herstellungsmethoden sind aber auch noch dünner ausgeführte PTC Elemente 2 (10 µm bis 150 µm oder sogar < 2 µm) möglich.
So können dünnere PTC Schichten durch ein Aufbringen auf die Trägerschicht 5 mittels Siebdruck erzielt werden, wodurch eine Dicke d des jeweiligen PTC Elements 2 zwischen 10 µm und 150 µm erzielt werden kann. Diese Schichtdicken können durch Aufbringungsverfahren wie SolGel, Inkjet-Printing oder Plasmajet-Verfahren noch weiter verkleinert werden, um eine Dicke d < 2 µm zu erzielen.
Eine laterale Ausdehnung 1 (Ausdehnung entlang sowie quer zu der Hauptlängsachse X) des jeweiligen PTC Elements 2 liegt bevorzugt zwischen 5 mm und 100 mm (9a und 9b).
Zum elektrischen Anschluss des jeweiligen PTC Elements 2 weist das PTC Element 2 eine elektrische Kontaktierung bzw. Elektroden 3 auf, wie den 9a bis 9d entnommen werden kann. Die Elektroden 3 sind flächig an einer Oberfläche 2a, 2b, 2c des jeweiligen PTC Elements 2 ausgebildet. Die Elektroden 3 sind möglichst großflächig ausgebildet, um eine günstige Wärmeauskopplung zu erzielen. Die Elektroden 3 entgegengesetzter Polarität müssen ferner einen ausreichenden Abstand zueinander aufweisen, um elektrische Überschläge zu verhindern.
Es kann jeweils eine Elektrode 3 an einer Unterseite 2b und an einer Oberseite 2a des PTC Elements 2 ausgebildet sein (9b). Es können aber auch zwei Elektroden 3 an der Oberseite 2a ausgebildet sein und die Unterseite des PTC Elements 2 kann frei von Elektroden 3 sein (9a und 9d) bzw. umgekehrt.
Möglich ist auch eine Kontaktierung von beispielsweise gegenüberliegenden Seitenflächen 2c des jeweiligen PTC Elements 2 durch die Elektroden 3, wie der 9c entnommen werden kann. In diesem Fall sind die Oberseite 2a und die Unterseite 2b frei von Elektroden 3. Damit werden der thermische und elektrische Pfad voneinander getrennt und neue Designs und Assemblierungen, die für gewisse Hersteller vorteilhaft sein können, werden ermöglicht. Außerdem werden herstellungsbedingte Materialinhomogenitäten im PTC Element 2 besser beherrschbar bzw. umgehbar.
Die Elektroden 3 sind möglichst großflächig unter Einhaltung der Kriechstrecken (i.d.R. 4 mm für Hochvoltheizungen) ausgeführt. Die Elektroden 3 bedecken die Oberseite 2a bzw. die Unterseite 2b des PTC Elements zumindest teilweise. Sind die Elektroden 3 an den Seitenflächen 2c angeordnet, so können die Seitenflächen 2c auch vollständig von den Elektroden 3 bedeckt sein. Beispielsweise sind die Elektroden streifenförmig oder rechteckig ausgebildet (9a und 9c). Auch eine kammartige- oder eine Interdigitalstruktur ist möglich (9b und 9d). Bei den ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen muss insbesondere darauf geachtet werden, dass der Abstand zwischen den Elektroden 3 ausreichend dimensioniert ist, um elektrische Überschläge zu vermeiden.
Die Elektroden 3 weisen ein elektrisch leitfähiges Material (beispielsweise eine Metallpaste) auf. Das elektrisch leitfähige Material ist auf die Oberfläche 2a, 2b, 2c des jeweiligen PTC Elements 2 gesputtert, gedruckt oder gerakelt. Bevorzugt sind die Elektroden 3 mittels einer Sputterschicht, oder einer Metalleinbrandpaste realisiert.
Durch die Verwendung der beschriebenen Elektrodenkonfigurationen (siehe 9a bis 9d) werden im Vergleich zum Stand der Technik andere spezifische Widerstände hinsichtlich des PTC Materials benötigt. Dieser zusätzlicher Freiheitsgrad führt dazu, dass bei niedrigeren spezifischen Widerständen der PTC Effekt unterhalb des Arbeitspunkt merklich verringert wird und somit bei jedem Einschaltvorgang der Energieverbrauch bzw. der Einschaltstrom deutlich gegenüber konventionelleren HV (High Voltage - Hochvolt) PTCs reduziert wird. Dies führt zu einer geringeren Belastung (geringerer Einschaltstrom).
Die 5 illustriert in diesem Zusammenhang normierte Kennlinien (gleiche Messspannung), welche das Widerstand-Temperaturverhalten einer HV PTC Keramik bei zwei verschiedenen spezifischen Widerständen zeigen. Durch den geringeren spezifischen Widerstand ist der Widerstandsabfall im Vergleich zum konventionellen höheren spezifischen Widerstand deutlich verringert.
Um die Elektroden 3 elektrisch zu kontaktieren weist das PTC Heizelement 1 ferner die oben erwähnten Leiterbahnen bzw. Weiterkontaktierungen 4 auf. Die Leiterbahnen bzw. Weiterkontaktierungen 4 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel an der Oberseite 2a und an der Unterseite 2b der PTC Elemente 2 entlang durch das PTC Heizelement 1. Mit anderen Worten, die Weiterkontaktierungen 4 gemäß 6 sind zwischen den PTC Elementen 2 (bzw. den Elektroden 3) und der Trägerschicht 5 ausgebildet. Die Weiterkontaktierungen 4 sind insbesondere in unmittelbarem Kontakt mit den Elektroden 3 der PTC Elemente 2.
Die Weiterkontaktierungen 4 erstrecken sich entlang der Hauptlängsachse X. Die Weiterkontaktierungen 4 treten an einer Seitenfläche 1a aus dem PTC Heizelement 1 aus zum elektrischen Anschluss des PTC Heizelements 1.
Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 3 und den Weiterkontaktierungen 4 kann über vielfältige technische Lösungen realisiert werden. So ist eine Klemmkontaktierung ebenso möglich wie eine Verbindung mittels Sintertechniken (µAg, µCu oder TLPS (Transient Liquid Phase Sintering - Sintern einer transienten Flüssigphase)) oder Hochtemperaturloten.
Die Weiterkontaktierungen 4 können selbsttragend ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass kein weiteres Element (zum Beispiel die Trägerschicht bzw. das Substrat 5) zur mechanischen Stabilisierung der jeweiligen Weiterkontaktierung 4 erforderlich ist. Alternativ dazu können die Weiterkontaktierungen 4 an der Trägerschicht 5 aufgebracht sein. In diesem Fall sind die Weiterkontaktierungen 4 auf die Trägerschicht 5 gesputtert, galvanisiert, gedruckt oder gerakelt. Wie weiter oben erwähnt, stehen die Weiterkontaktierungen 4 in den beiden genannten Ausführungen in direktem elektrischen und mechanischen Kontakt mit den Elektroden 3, wie aus 6 ersichtlich ist.
Die Weiterkontaktierungen 4 weisen beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Wolfram auf. Aber auch andere elektrisch leitfähige Metalle, Legierungen oder andere elektrisch leitfähigen Materialien sind für die Weiterkontaktierungen 4 vorstellbar. Eine Geometrie der jeweiligen Weiterkontaktierung 4 ist an jene der Elektroden 3 der PTC Elemente 2 derart angepasst, so dass es zu keinen Feldüberhöhungen oder Überschlägen im Betrieb des PTC Elements 2 kommt.
Vorzugsweise ist die Weiterkontaktierung 4 großflächig ausgebildet. Die jeweilige Weiterkontaktierung 4 ist möglichst dünn ausgeführt, um Bauraum zu sparen. Bevorzugt ist eine Dicke der Weiterkontaktierungen 4 < 10 µm. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Weiterkontaktierungen 4 an der Trägerschicht 5 durch Sputtern, Drucken oder Rakeln aufgebracht sind, wie bereits weiter oben erwähnt wurde.
Das PTC Heizelement 1 weist ferner die bereits eingeführte Trägerschicht 5 auf. Die Trägerschicht 5 dient der elektrischen Isolierung des PTC Heizelements 1 nach außen sowie der mechanischen Stabilisierung des PTC Heizelements 1. Die PTC Elemente 2 sind vollständig in einem Innenbereich der Trägerschicht 5 angeordnet. Auch die Weiterkontaktierungen 4 sind zumindest teilweise in der Trägerschicht 5 eingebettet.
Die Trägerschicht 5 weist eine sehr geringe Dicke (Ausdehnung senkrecht zur Hauptlängsachse X) auf. Beispielsweise liegt die Dicke der Trägerschicht 5 zwischen 150 µm und 1000 µm. Dadurch kann etwaige Wärme durch ohmsche Verluste an der Zuleitung aber auch der Wärmetransfer des Heizelements möglichst effizient nach außen geleitet werden.
Die Trägerschicht 5 weist ferner ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guten elektrischen Isolationseigenschaften auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Trägerschicht 5 ein keramisches Material, beispielsweise AIN, Si₃N₄, AI₂O₃ oder SiC auf. Durch Verwendung von besonders gut wärmeleitenden Trägerschichten 5 (z.B. für AlN: bis 200 W/mK) kann auch der Leitungsquerschnitt für die elektrische Kontaktierung verkleinert werden, da Wärme durch die ohmschen Verluste sofort durch die Trägerschicht 5 abgeleitet werden kann.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Trägerschicht 5 auch einen temperaturbeständigen Kunststoff (z.B. Polyimid oder Epoxidharz) aufweisen. In diesem Fall muss aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit (< 10 W/mK) des Kunststoffs die Dicke der Trägerschicht 5 derartig dünn ausgeführt sein, dass der Wärmewiderstand klein genug bleibt.
Mit anderen Worten, eine Trägerschicht 5 aus Kunststoff muss deutlich dünner ausgeführt sein, als eine keramische Trägerschicht. Insbesondere muss die Kunststoffschicht dünn genug sein, um den thermischen Transport zu garantieren, aber dick genug, um die elektrische Isolierung und die mechanische Stabilität des PTC Heizelements 1 zu garantieren. Beispielsweise weist eine Trägerschicht 5 aus Kunststoff eine Dicke von 50 µm auf. Die elektrische Zuleitung (Elektroden 3, Weiterkontaktierungen 4) kann hier auch als Wärmespreizer fungieren, um die Fläche, die in der Trägerschicht 5 zur Wärmeleitung beiträgt, möglichst groß zu gestalten.
Auch eine Trägerschicht-Hybridlösung auf keramischer- und auf Kunststoffbasis ist möglich (siehe dazu später die Beschreibung zu 8).
An der Oberfläche 5a der Trägerschicht 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel ferner eine metallische Schicht 6 ausgebildet. Die metallische Schicht 6 bedeckt eine Oberseite und eine Unterseite der Trägerschicht 5 vollständig. Die metallische Schicht 6 erleichtert die mechanische und thermische Kontaktierung eines (metallischen) Radiators oder Kühlkörpers (nicht explizit dargestellt). Die metallische Schicht 6 ist sehr dünn ausgebildet. Beispielsweise liegt eine Dicke der metallischen Schicht 6 zwischen 1 µm und 100 µm. Die metallische Schicht 6 weist Cu, Al oder W auf.
Insgesamt beträgt eine Bauhöhe H des PTC Heizelements 1 aufgrund der oben beschriebenen Konstruktion zwischen 500 µm und 2500 µm. Die lateralen Abmessungen L des PTC Heizelements 1 betragen zwischen 10 mm und 250 mm in beide Richtungen (Laterale Abmessungen L: Länge, d.h. Ausdehnung entlang der Hauptlängsachse X sowie Breite, d.h. Ausdehnung quer zur Hauptlängsachse X).
Damit ist das PTC Heizelement 1 äußerst kompakt, insbesondere großflächig und dünn, ausgebildet. Durch geeignete Kombination der oben beschriebenen Materialien und Verbindungstechniken wird damit zusammen mit der Optimierung der Geometrie auf Heizelement - Ebene das Volumen des PTC Heizelements 1 und die Wärmeauskopplung derart optimiert, dass die Leistungsdichte, das thermische Ansprechverhalten sowie die Robustheit und Zuverlässigkeit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbessert sind.
Auf Grund des sehr effizienten, dünnen und leistungsfähigen Designs des PTC Heizelements 1 ist ferner die Möglichkeit gegeben, Niedertemperatur - PTCs einsetzen zu können. Diese können aus komplett Wismut - und Bleifreien Materialien hergestellt werden.
Die 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierbei die Weiterkontaktierungen 4 nicht zwischen der Trägerschicht 5 und den PTC Elementen 2 ausgebildet. Vielmehr sind die Weiterkontaktierungen 4 in die Trägerschicht 5 integriert. Lediglich an der Seitenfläche 1a des PTC Heizelements 1 treten die Weiterkontaktierungen 4 dabei aus der Trägerschicht 5 aus, um den elektrischen Anschluss des PTC Heizelements 1 sicherzustellen.
In dieser Ausführung weist die Trägerschicht 5 bevorzugt AlN auf. Die jeweilige Weiterkontaktierung 4 weist eine Wolfram (W) Schicht auf. Mit anderen Worten, die in die Trägerschicht 5 eingebetteten Weiterkontaktierungen 4 sind vorzugsweise durch W-Kontakte in einer AlN Trägerschicht 5 realisiert. Die W-Schicht weist dabei bevorzugt eine Dicke von 5 µm - 20 µm auf. Die W-Schicht ist vorzugsweise großflächig in der Träger-schicht 5 ausgeführt.
Wie bereits in Zusammenhang mit 6 ausgeführt, weist die Trägerschicht 5 eine typische Dicke von 150 µm - 1000 µm auf. Die W-Schicht kann symmetrisch in einem Mittelbereich der Trägerschicht 5 oder versetzt zum Mittelbereich hin ausgebildet sein. In dem Ausführungsfall gemäß 7 ist die jeweilige Weiterkontaktierung 4 (W-Schicht) vom Mittelbereich der Trägerschicht 5 versetzt zu den PTC Elementen 2 hin ausgebildet. In jedem Fall ist die W-Schicht wenigstens 50 µm unter einer Oberfläche der Trägerschicht 5 angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das PTC Heizelement 1 ferner Durchführungen/Vias 8 auf. Die Vias 8 weisen vorzugsweise Wolfram auf. Bevorzugt bestehen die Vias 8 aus Wolfram. Die Vias 8 können aber auch andere elektrisch leitfähigen Materialien aufweisen bzw. aus diesen bestehen.
Die Vias 8 durchdringen die Trägerschicht 5 in einer Richtung senkrecht zur Hauptlängsachse X des PTC Heizelements 1 vollständig. Die Vias 8 stellen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den W-Schichten (Weiterkontaktierungen 4) sund den Elektroden 3 der PTC Elemente 2 her.
In Bezug auf die Eigenschaften bzw. die weiteren Bestandteile/Merkmale des PTC Heizelements 1 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit 6 verwiesen.
Die 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines PTC Heizelements 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In dieser Ausführung weist die Trägerschicht 5 eine Hybridlösung auf Basis keramischer- und auf Kunststoffmaterialien auf. Insbesondere weist das PTC Heizelement 1 auf einer Seite (hier die Oberseite) eine Schicht aus temperaturbeständigem Kunststoff 9 (z.B. Polyimid oder Epoxidharz) auf. Auf der gegenüberliegenden Seite (hier Unterseite) weist das PTC Heizelement 1 eine Trägerschicht 5 aus keramischem Material - wie bereits in Zusammenhang mit 6 beschrieben - auf. Selbstverständlich kann der Kunststoff 9 aber auch an der Unterseite und das keramische Trägermaterial kann an der Oberseite ausgebildet sein.
Die keramische Trägerschicht 5 dient der mechanischen Stabilisierung und der Isolierung des PTC Heizelements 1 (in diesem Fall Isolierung der Unterseite). Die Kunststoffschicht 9 dient zur Isolierung des PTC Heizelements 1 (in diesem Fall Isolierung der Oberseite). Beide Schichten müssen eine ausreichende Dicke aufweisen, um die elektrische Isolierung sicherzustellen aber dünn genüg sein, um den thermischen Transport zu gewährleisten. Insbesondere muss aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit (< 10 W/mK) der Kunststoffs die Dicke der Kunststoffschicht 9 derartig dünn ausgeführt sein, dass der Wärmewiderstand klein genug bleibt, wie bereits in Zusammenhang mit der Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben wurde.
Die Kunststoffschicht 9 ist insbesondere dünner als die keramische Schicht 5. Beispielsweise ist in diesem Ausführungsbeispiel die Dicke der keramischen Trägerschicht 5 zehnmal bis hundertmal so groß wie die Dicke der Kunststoffschicht 9. Die Kunststoffschicht 9 weist eine Dicke zwischen 2 µm und 50 µm auf. Beispielsweise beträgt die Dicke der Kunststoffschicht 30 µm. Die keramische Trägerschicht 5 weist eine dicke zwischen 0,5 mm und 1 mm auf, um die mechanische Stabilität des PTC Heizelements 1 zu gewährleisten.
In Bezug auf die weiteren Eigenschaften bzw. die weiteren Bestandteile/Merkmale des PTC Heizelements 1 wird auf die Beschreibung in Zusammenhang mit 6 verwiesen.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: PTC Heizelement
1a: Seitenfläche des PTC Heizelements
2: PTC Element
2a: Oberseite des PTC Elements
2b: Unterseite des PTC Elements
2c: Seitenfläche des PTC Elements
3: Elektrode
4: Weiterkontaktierung
5: Trägerschicht
5a: Oberfläche der Trägerschicht
6: Metallische Schicht
7: Füllmaterial
8: Durchführung / Via
9: Kunststoff
1: Länge des PTC Elements
d: Dicke des PTC Elements
H: Bauhöhe des PTC Heizelements
L: Laterale Abmessung des PTC Heizelements
X: Hauptlängsachse des PTC Heizelements
100: PTC Heizelement
101: PTC Element
102: Elektrischer Kontakt
103: Isolationsschicht
104: Radiator
110: PTC Heizelement
111: PTC Element
112: Elektrischer Kontakt
113: Isolationsschicht
120: PTC Heizelement
121: PTC Element
122: Elektrischer Kontakt
123: Molding
130: PTC Heizelement
131: PTC Element
132: Radiator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3101999 A1 [0008]
US 2017/0223776 A1 [0009]
DE 112017006124 T5 [0010]
EP 1182908 B1 [0011]

Claims

PTC Heizelement (1) für eine elektrische Heizvorrichtung aufweisend - wenigstens ein PTC Element (2), wobei wenigstens eine Elektrode (3) auf einer Oberfläche (2a, 2b, 2c) des PTC Elements (2) ausgebildet ist zur elektrischen Kontaktierung des PTC Elements (2), - wenigstens eine Weiterkontaktierung (4) zum elektrischen Anschluss der Elektrode (3) des PTC Elements (2), - wenigstens eine Trägerschicht (5), wobei die Trägerschicht (5) elektrisch isolierend ausgebildet ist, wobei eine Dicke (d) des PTC Elements (2) ≤ 500 µm beträgt und wobei eine Bauhöhe (H) des PTC Heizelements (1) zwischen 500 µm und 2500 µm liegt.
PTC Heizelement (1) nach Anspruch 1, wobei eine laterale Abmessung (L) des PTC Heizelements (2) in beide Richtungen zwischen 10 mm und 250 mm beträgt.
PTC Heizelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Elektrode (3) flächig auf der Oberfläche (2a, 2b, 2c) des wenigstens einen PTC Elements (2) ausgebildet ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeweils wenigstens eine Elektrode (3) auf einer Oberseite (2a) und/oder einer Unterseite (2b) des PTC Elements (2) ausgebildet ist und/oder wobei Elektroden (3) an Seitenflächen (2c) des PTC Elements (2) ausgebildet sind.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Elektrode (3) streifenförmig, rechteckig, kammartig oder als Interdigitalstruktur ausgebildet ist und/oder wobei die Elektrode (3) auf die Oberfläche (2a, 2b, 2c) des PTC Elements (2) gesputtert, galvanisiert, gedruckt oder gerakelt ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Weiterkontaktierung (4) selbsttragend ausgebildet ist oder wobei die Weiterkontaktierung (4) auf die Trägerschicht (5) gesputtert, gedruckt oder gerakelt ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Weiterkontaktierung (4) in die Trägerschicht (5) integriert ist und wobei die Weiterkontaktierung (4) ≤ 50 µm unter einer Oberfläche (5a) der Trägerschicht (5) angeordnet ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Geometrie der Weiterkontaktierung (4) an eine Geometrie der Elektrode (3) des PTC Elements (2) angepasst ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Weiterkontaktierung (4) < 10 µm ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Weiterkontaktierung (4) mittels Klemmen, Sintern oder Hochtemperaturloten mit der wenigstens einen Elektrode (3) elektrisch leitend verbunden ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (5) ein keramisches Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder einen temperaturbeständigen Kunststoff aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (5) AlN, Si₃N₄, Al₂O₃, oder SiC aufweist und/oder wobei die Trägerschicht (5) Polyimid oder Epoxidharz aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (5) eine Dicke zwischen 150 µm und 1000 µm aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens eine metallische Schicht (6) an einer Oberfläche (5a) der Trägerschicht (5) zur Weiterkontaktierung des PTC Heizelements (1).
PTC Heizelement (1) nach Anspruch 14, wobei die metallische Schicht (6) eine Dicke zwischen 1 µm und 100 µm aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) ein keramisches Material, ein metallisch-keramisches Material oder ein organisch-keramisches Material aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Material des wenigstens einen PTC Elements (2) einen geringen spezifischen Widerstand aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) ein Wismut- und bleifreies Material aufweist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) ein Niedertemperatur PTC Element ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke (d) des PTC Elements (2) ≤ 250 µm beträgt.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine PTC Element (2) zumindest teilweise in der Trägerschicht (5) eingebettet ist.
PTC Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Vielzahl von PTC Elementen (2), wobei ein Hohlraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden PTC Elementen (2) mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial (7) gefüllt ist.
Elektrische Heizvorrichtung aufweisend - wenigstens ein PTC Heizelement (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, - wenigstens ein Bauelement mit Wärme abgebenden Flächen.
Verwendung des PTC Heizelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 in einem Kraftfahrzeug.